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USB. Adrian Chamero Vladimir Fernandez Manel Mendoza Santiago Navarro. INTRODUCCIÓN . Problema: falta de flexibilidad en la reconfiguración de todo computador MS-DOS Windows 95. facilidad. PCI. ?. ISA. PCMCIA. facilidad. ¿QUÉ ES USB? : Descripción general.

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Slide1 l.jpg

USB

Adrian Chamero

Vladimir Fernandez

Manel Mendoza

Santiago Navarro


Introducci n l.jpg
INTRODUCCIÓN

Problema: falta de flexibilidad en la reconfiguración de todo computador

MS-DOSWindows 95

facilidad

PCI

?

ISA

PCMCIA

facilidad


Qu es usb descripci n general l.jpg
¿QUÉ ES USB? : Descripción general

  • USB - Universal Serial Bus:

    • Dispositivo que permite conectar amplia variedad de periféricos fácilmente a computadores, sin reiniciar ni volver a configurar.

    • Los dispositivos con USB se configuran automáticamente tan pronto como se han conectado.

    • Se pueden unir dispositivos en una cadena para conectar más dispositivos.


Qu es usb descripci n general4 l.jpg
¿QUÉ ES USB? : Descripción general

  • Sistema de comunicación entre dispositivos que sólo transmite una unidad de información a la vez.

  • Puede trabajar en dos modos:

    • - 1,5 Mbps (teclados, ratones…)

    • - 12 Mbps (CDROM, altavoces…)

  • Compacto: cable de 4 hilos, 2 para datos y 2 para alimentación

  • Organiza el bus en estructura de árbol



  • Qu es usb descripci n general6 l.jpg
    ¿QUÉ ES USB? : Descripción general

    • Todos los dispositivos tienen un sitema de configuración idéntico, incluso un mismo driver sirve para varios dispositivos diferentes.

    • Plug’n’Play (conectar y listo): No tenemos que tocar nada en el hardware y todo es configurable por software.


    Objetivos del usb l.jpg
    Objetivos del USB

    - Apuntan hacia la vista del usuario:

    • Plug’n’Play

    • Hot pluggin

    • No tiene que preocuparse por conflictos IRQ o insertar tarjetas

    • Conectar hasta 127 dispositivos


    Puertos serie paralelos y su expansibilidad l.jpg
    Puertos serie, paralelos y su expansibilidad

    • SCSI : velocidad, capacidad de transferencia, 7 dispositivos

    • Ultra Wide SCSI-2 : 15 dispositivos en cadena, alto costo

    • Serie: 112,5 KB/s

    • Paralelo: entre 600 KB/s y 15 MB/s

    • No son Plug’n’Play

    • Límite de expansibilidad: normalmente 4 ranuras PCI, 4 ISA, 1 AGP, 2 puertos serie y 1 paralelo


    Evoluci n de la usb l.jpg
    Evolución de la USB

    • USB versión 1.0 : conectar periféricos que no requieran grandes rangos de transmisión “ancho de banda” (<12 Mbps, tambien con la opción de transmisiones a 1.5 Mbps)

      • - ratones, teclados, lectores de CD de baja velocidad (x4, x6), unidades de disquete…

      • - tarjetas de video, tarjetas de red a 100 Mbps, discos duros…

  • USB 2.0 : 30 o 40 veces más rápido (360 a 480 Mbps)

  • - conexiones a internet de banda ancha, escáneres...


  • Beneficios de la usb l.jpg
    Beneficios de la USB

    • fácil expansión de periféricos en el PC

    • bajo coste para aplicaciones que demanda más de 12 Mbps

    • soporte completo para transmisión en tiempo real

    • flexibilidad de protocolos

    • cómoda integración de dispositivos de tecnología y fabricantes diferentes

    • posibilitar la producción de nuevos dispositivos capaces de aprovechar sus ventajas


    Funciones y host usb l.jpg
    Funciones y Host USB

    • HOST USB:

    • - Es el computador mismo, concretamente una parte del mismo denominado Controlador USB del Host

    • - Tiene la misión de hacer de interfaz entre el computador y los diferentes dispositivos

    • - Su implementación es una combinación software y hardware todo en uno, es decir Firmware


    Funciones y host usb12 l.jpg
    Funciones y Host USB

    • FUNCIONES USB:

    • - Son todos los dispositivos que pueden conectarse al bus USB, a excepción de los hubs (ratón, monitor, modem…)

    • - Son capaces de recibir y transmitir información, ya sea del usuario o de control

    • - Comparten cable y conectores comunes

    • - Pueden ser a la vez nuevos hubs


    Host usb hardware y software l.jpg
    Host USB - Hardware y Software

    • El HOST es responsable a nivel hardware dentro del sistema USB de:

    • - detectar y configurar nuevos dispositivos

    • - administrar y controlar flujo de datos y de control entre el host y los dispositivos USB

    • - obtener información de los elementos del sistema

    • - proveer una cantidad de energía eléctrica limitada para aquellos dispositivos que pueden abastecerse con tan solo la energía provinente del computador


    Host usb hardware y software14 l.jpg
    Host USB - Hardware y Software

    • A nivel de software:

      • - enumeración y configuración de los dispositivos del sistema

      • - administración de control de transferencias de información

      • - administración avanzada de suministro eléctrico a los dispositivos

      • - adiministración de la información del bus y los dispositivos USB


    Caracter sticas principales l.jpg
    Características Principales

    • Todo dispositivo USB tiene mismo cable y conector.

    • Detalles consumo y administración eléctrica transparentes.

    • Plug & Play, Hot plugging y Hot unplugging.

    • Mismo bus para dispositivos lentos y rápidos.

    • Pc identifica y configura dispositivo mientras opera.

    • Bajo coste.

    • Dispositivos no necesitan cable extra de alimentación.

    • 10 veces más rápido que los puertos serie tradicionales.


    Recursos del dispositivo l.jpg
    Recursos del dispositivo

    • El puerto USB sólo necesita una IRQ y una @ de memoria.

    • TODOS los dispositivos UNA sola ID para identificación.

    • Los puertos standard necesitan 5 IRQ’s, varias DMA’s y muchas @ de memoria.


    Descripci n del sistema usb l.jpg
    Descripción del Sistema USB

    • Compuesto por tres partes diferenciadas:

    • HOST USB

    • Dispositivos USB

    • Interconexión USB


    Interconexi n en el bus usb l.jpg
    Interconexión en el BUS USB

    • Topologia en estrella estratificada piramidalmente.

    • Cada centro de la estrella es un HUB: dispositivo que, por un lado se conecta a un PC o a otro HUB, y por el otro permite conectar varios dispositivos ó más hubs.

    • Ejemplo: Un monitor USB podria tener 3 conectores para teclado, ratón y altavoces; por su parte, el teclado podria tener otro conector para un joystick, y así sucesivamente.


    Los hubs usb l.jpg
    Los HUBs USB

    • Permite varias conexiones simultaneas.

    • Un HUB puede conectarse a otro, multiplicando así las conexiones posibles.

    • Está compuesto por dos partes:

    • Controlador del hub: supervisa las funciones que desempeña un HUB.

    • Repetidor del Hub: analiza, corrige y retransmite la información que llega al HUB hacia los puertos del mismo.


    Los hubs usb funciones l.jpg
    Los HUBs USB: Funciones

    • Detecta la conexión de un periférico, notifica al controlador del HUB, por lo que se configura el dispositivo en el SO.

    • Cuando el dispositivo se desconecta, el HUB lo notifica y el controlador del host ordena al SO descargar los drivers.

    • Para conseguir el máximo número de dispositivos posibles interconectados, necesitamos intercalar HUBs con toma de alimentación electrica, ya que:

      • Las placas actuales sólo tienen dos conectores.

      • El puerto solo suministra 500 mA, suficiente para la mayoría de dispositivos, pero corto para impresoras, scaners...


    Dispositivos l.jpg
    Dispositivos

    • Hasta 127 dispositivos en cadena mediante HUBs USB.

    • Cada dispositivo hasta 5m de cable vs. 1m puerto serie.

    • Cada dispositivo puede actuar como HUB USB.

    • Actualmente, los dispositivos del mercado no aprovechan la capacidad de hacer de HUB.


    Arquitectura general l.jpg
    Arquitectura general

    • Todos los dispositivos USB responden a un patrón. Comprenden los mismos elementos funcionales:

    • Transceiver: Encargado de seleccionar la velocidad de comunicación del dispositivo (12 o 1.5 Mbps).

    • Serial Interface Engine (SIE): Trata la información y la serializa o deserializa. Además codifica en NRZI, controla CRC, maneja protocolo de comunicación y la secuencia de paquetes.


    Arquitectura general23 l.jpg
    Arquitectura general

    • Function Interface Unit (FIU): Administración de datos basado en estado de colas FIFO y envío de interrupciones.

    • FIFOs: El controlador tiene 8 buffers FIFO: 4 para transmision y 4 para recepción

    • Para transmisión/recepción de datos 4 funciones:

    • 0: Almacena info de control de transferencias

    • 1, 2 y 3: Control de interrupciones, Tx isocrónicas y bulk


    Controladores software drivers l.jpg
    Controladores Software (Drivers)

    • Organizados por estructura de capas:

    • Parte principal: USBD. Todas las llamadas de acceso que los drivers necesitan.

      • Host Controller Driver: habla con cada controlador en particular. Da soporte a cualquier tipo de controlador, aunque actualemnte solo existen dos:

        • Universal Host Controller Interface y Open HCI


    Controladores software drivers25 l.jpg
    Controladores Software (Drivers)

    • Por encima de USBD, y como driver, esta el HUBD.

      • Consta de un demonio khubdd, que se dedica a esperar a que pase algo en los puertos de los hubs. Cuando esto sucede, lo notifica a USBD, que acuta en consecuencia.

    • Cuando un driver se inicializa, se registra en el sistema USB.

    • Cuando un dispositivo se conecta, mira la listade registro, escoge el más adecuado para su funcionamiento y le pide que configure el dispositivo en el sistema.




    El pc host l.jpg
    El Pc Host

    • El proceso de autodetección tiene que estar siempre activo para poder detectar nuevos perifericos

    • Una vez detectado tiene que configurarse para el nuev


    El proceso de conexi n l.jpg
    El proceso de conexión

    • Conexión punto a punto

    • Las comunicaciones son inicializadas por el ‘root hub’

    • La señalización es half-duplex

    • No manda el clock, transmisión asincrona, (se manda en la trama)

    • Transmisión empaquetada.

    • Transmisióna a 12 MHz, pero muestreo de las señales a 48 MHz (mejora de la calidad).


    Como transmite el bus l.jpg
    Como transmite el bus.

    Información

    • Bus inactivo

    • D+  Vel. Alta (12Mbps)

    • D-  Vel. Lenta (1,5 Mbps)


    El paquete de informaci n l.jpg
    El paquete de información

    • Sync: sequencia 10101011 , para sincronizar el reloj.

    • El primer byte contiene el Packet Identifier.

    • Diferentes tipos de paquetes.

    • El tamaño de la información varia de 1 a 1025 bytes.

    • El final de paquete son dos bits a 00

    • Protocolo orientado a bit  bit stuffing.

    • Codificación NRZI.



    Tipos de paquetes l.jpg
    Tipos de paquetes

    • Start-of-frame Token Packet

    • Setup, In, y Out Token Packets


    Tipos de paquetes34 l.jpg
    Tipos de paquetes

    • Data transfer Packets

    • Handshake Packets


    Ejemplos usb l.jpg
    Ejemplos USB

    Adaptador ISA a USB


    Ejemplos usb36 l.jpg
    Ejemplos USB

    Adquisición de datos por el puerto USB




    Cables del usb l.jpg
    Cables del USB

    • El Bus Serial Universal (USB) transfiere señales de información y energía a través de 4 cables


    Cables del usb40 l.jpg
    Cables del USB

    • Dos de los cables se utilizan para la transmisión de datos

    • Los otros dos (Vbus y GND) son la alimentación del USB con una diferencia de potencial de +5 voltios (500 mA)


    Cables del usb41 l.jpg
    Cables del USB

    • Uno de los terminos importantes es el sincronismo

    • Este sincronismo es transmitido en la misma señal codificada bajo el esquema del NRZI


    Cables del usb42 l.jpg
    Cables del USB

    • Los cables del USB permiten abarcar distancias desde unos centímetros hasta varios metros

    • Distancia máxima entre USB’s: 5 metros

    • Los cables USB tienen protectores de voltaje los cuales al mismo tiempo detectan los nuevos dispositivos conectados


    Protocolo del usb l.jpg
    Protocolo del USB

    • Toda transferencia de datos en el bus involucra paquestes de datos

    • Cada dispositivo conectado al bus tiene un número de identificación

    • El Controlador Host decide qué dispositivo hará uso del bus

    • De esta manera los dispositivos pueden identificar si son el destino de los paquetes


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    Tipos de transmisión

    • TRANSMISIÓN SÍNCRONA

    • TRANSMISIÓN ASÍNCRONA

    Objetivo transmisión:

    información generada en emisor debe ser recuperada de la misma forma en el receptor


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    Transmisión asíncrona

    • El sincronismo no se halla en la señal sino en los equipos (relojes)

    • Cuando uno de los equipos quiere transmitir prepara un grupo de bits encabezados por:

    + bit de arranque

    + conjunto de 7 u 8 bits de datos

    + uno o dos bits de parada


    Transmisi n as ncrona46 l.jpg
    Transmisión asíncrona

    • El primero de los bits anuncia al receptor la llegada de los siguientes

    • El receptor tiene que saber los bits que se le llegarán

    • El bit de parada finalizará el envío


    Transmisi n s ncrona l.jpg
    Transmisión síncrona

    • El sincronismo viaja en la misma señal

    • Con esto se pueden alcanzar distancias mayores y hay un mayor aprovechamiento del canal

    • Los paquetes están compuestos por 1024 bytes o más


    Transmisi n s ncrona48 l.jpg
    Transmisión síncrona

    • Aplicación:

    Canal telefónico


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    Transmisión isocrónica

    • ISO (algún) CRONOS(tiempo)

    • desarrollada pàra satisfacer la transmisión multimedial de redes:

    Integrar dentro de una misma transmisión información

    de voz, texto, vídeo e imágenes

    • Es una forma de transmisión de datos en que los caracteres estan separados por un numero entero de periodos


    Transmisi n isocr nica50 l.jpg
    Transmisión isocrónica

    • Provee comunicación continua y periodica entre el host y el dispositivo

    • mueve información relevanta a algún tipo de transmisión (audio, video)


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    Transmisión Bulk

    • No es periodica

    • Se uasa en transferencias que requieren todo el ancho de banda disponible

    • Si no pueden conseguir todo el ancho de banda se demoran hasta que esté disponible

    Nota: Además de todas estas transmisiones, el USB permite

    dos tipos de transmisiones más, de control y de interrupción


    Transmisi n de control l.jpg
    Transmisión de control

    • Comunicación exclusivamente entre el host y el dispositivo que permite configuraréste último

    • Paquetes de 8,16,32 o 64 bytes dependiendo de la velocidad del dispositivo


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    Transmisión de interrupción

    • Dedicado a aquellos dispositivos que demandan mover muy poca información y poco frecuentemente

    • Es unidireccional: dispositivo-host

    • Paquetes de mismas dimensiones que las transmisiones de control


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    Conjunto integrado de chips

    • Estructura:

    El conjunto de chips de Intel contiene:

    - controlador de sistema

    - unidades de control de buses

    - xip particular (82371SB PCI IDE/ISA) para

    integrar las partes



    Chips controladores de usb l.jpg
    Chips controladores de USB

    • Cada chip controlador tiene una función específica

    • Principales controladores:

    - 8x930Ax USB Peripheral Controller

    - 8x930Hx USB Hub Controller

    - 8x931Ax USB Peripheral controller


    Conclusi n l.jpg
    Conclusión

    • El USB permitirá reducir costes de los periféricos ya que no requiere tarjetas adicionales ni transformadores de energia

    • Sigue una especificación orientada a la comodidad de los usuarios y a la facilidad del manejo por personas sin formación técnica

    • Con la introducción del USB se consigue que las computadors tengan acceso a la instalación de periféricos de forma segura y rápida


    Bibliografia l.jpg
    Bibliografia

    Internet

    www.microsoft.com/hwdev/usb/

    www.lvr.com/usb.htm

    Libros

    · USB Complete (Second edition)

    Jan Axelson Ed.Lakeview Research

    · USB design by example a practical guide to building I/O devices

    John Hyde