Transmisja szeregowa USB

1. Magistrala USB - wprowadzenie

Magistrala USB początkowo miała słuŜyć jedynie do przesyłania informacji z

wykorzystaniem  linii  telefonicznej.  Stworzono  zatem  w  tym  celu  standardowy  interfejs.
Szybko  okazało  się  jednak,  Ŝe    doskonale  nadaje  się  on  do  podłączania  komputerowych
urządzeń  peryferyjnych.  Opis  uniwersalnej  magistrali  szeregowej  (USB  1.1)    z  dnia  23
września  1998r.  stał  się  podstawowym  standardem  stosowanym  przy  dołączaniu  urządzeń
współpracujących  z  komputerem.  Dotychczas  masowo  stosowany  był  port  równoległy  LPT
(Centronix,  tzw.  ”port  drukarki”)  oraz  RS-232,  którego  historia  sięga  jeszcze  lat
sześćdziesiątych ubiegłego stulecia. Według nowego standardu dane moŜna było przesyłać z
szybkością  1,5Mb/sec  (tzw.  ”mała  częstotliwość”)  lub  12Mb/sec  (tzw.  ”pełna
częstotliwość”).  USB  bardzo  szybko  się  rozpowszechniła.  Za  jej  pośrednictwem  zaczęto
podłączać  klawiatury,  myszy  oraz  manipulatory,  czyli  urządzenia  pracujące  z  ”małą
częstotliwością”.  Z  ”pełnej  częstotliwości”  korzystano  głównie  podczas  pracy  z  linią
telefoniczną  oraz  przesyłając  pliki  audio.  W  polskiej  literaturze  często  spotkać  moŜna
Ŝ

artobliwe rozszyfrowanie skrótu USB, brzmiące „USuń Bałagan”. Niewątpliwie wygoda

połączeń,  małe  i  wąskie  wtyki  połączeniowe,  drzewiasta  struktura  magistrali,  a  takŜe
moŜliwość  zasilania  urządzeń  bezpośrednio  z  gniazda  USB  wpłynęły  na  błyskawiczne
rozpowszechnienie standardu i jednoczesne coraz częstsze odstępowanie przez producentów
nowych  urządzeń  od  standardu  RS-232.  Dotyczyło  to  szczególnie  domowych  urządzeń
peryferyjnych.

Gwałtowny rozwój techniki mikroprocesorowej w przeciągu ostatnich lat i ogromny

postęp  techniczny  w  dziedzinie  audio-video  zmusiły  do  opracowania  szybszej  wersji  USB,
która pozwoliłaby przesyłać dane dodatkowo z  urządzeń wideo. Rok 1999 często nazywa się
rokiem  DVD,  więc  naleŜało  stworzyć  nowy  standard  obsługujący  urządzenia  rejestrujące
obraz i dźwięk. Słusznie przypuszczano, Ŝe w przeciągu nadchodzących lat w tym kierunku
odnotowywać  będziemy  gwałtowny  rozwój  techniki.  Sprzyjały  teŜ  temu  powolne  tendencje
odchodzenia  od  magnetycznych  nośników  informacji  (  taśmy  ferromagnetyczne,
magnetowidy,  kamery  VHS  itp.)  oraz  rozpowszechnianie  odpowiadających  im  cyfrowych
urządzeń  o  zbliŜonych  funkcjach,  wykorzystujących  coraz  częściej  pamięci  statyczne.
Kolejnym powodem skłaniającym firmy do opracowania standardu pozwalającego przesyłać
obrazy  w  czasie  rzeczywistym  był  teŜ  spadek  cen  za  usługi  internetowe  (przewidywano
zainteresowanie  klientów  kamerami  internetowymi)  oraz  rozwój  telefonii  komórkowej,
dąŜący  do  stworzenia  w  przyszłości  moŜliwości  przesyłania  obrazów.  Tak  więc  juŜ  27
kwietnia  2000  roku  czołowi  producenci  urządzeń  komputerowych  i  telekomunikacyjnych
(Compaq,  Hewlett-Packard,  Intel,  Lucent  Technologies,  Microsoft,  NEC  i  Philips)  ogłosili
kolejną  normę  („Universal  Serial  Bus  Specification  Revision  2.0”),  która  zakładała
moŜliwość  przesyłania  po  magistrali  USB  danych  z  dodatkową,  40-krotnie  większą  od
dotychczasowej,  maksymalną  prędkością  (czyli  480  Mb/sec!).  Norma  ta  zakładała  pełną
kompatybilność  z  urządzeniami  USB  1.1,  tzn.  by  w  jednej  sieci  obok  urządzeń
przesyłających  strumienie  bitów  z  szybkością  480  Mb/sec  mogły  pracować  takie,  które
przesyłają dane z szybkością 1,5Mb/sec lub 12Mb/sec.  W celu odróŜnienia uŜywanych dla
USB  1.1  określeń  szybkości  ”low  speed”  i  ”full  speed”,  obecną  największą  szybkość  dla
USB  2.0  nazwano  ”high  speed”  .  Nowa  norma  określiła  takŜe  budowę  układów
sprzęgających,  a  takŜe  zawarto  w  niej  informacje  o  programach  obsługi  urządzeń  wejścia-
wyjścia  oraz  opis  konstrukcji  koncentratorów  i  głównego  sterownika  magistrali  USB.
Powiązania    komputera    macierzystego    z    urządzeniami    peryferyjnymi    opisane  zostały  z
zachowaniem podziału na  róŜne  szczeble hierarchii. W warstwie  fizycznej przedstawiono

współdziałanie układów sprzęgających, w warstwie  logicznej organizacje przepływu danych
pomiędzy    oprogramowaniem    systemowym    i    urządzeniami    logicznymi,    a    w    warstwie
funkcjonalnej  sposób w  jaki programy wykonywane na komputerze macierzystym odwołują
się do funkcji realizowanych przez urządzenia wykonawcze.

Początkowo podstawową wadą koncepcji USB był brak moŜliwości wykorzystania

łącza  USB  do  bezpośredniej  transmisji  danych  pomiędzy  dwoma  komputerami  lub  dwoma
urządzeniami  peryferyjnymi.  W  ramach  rozwoju  standardu  USB  w  grudniu  2001  roku
powstała  dodatkowo  specyfikacja  urządzeń  ”USB  On-The-Go”.  Stanowi  ona  rozszerzenie
standardowej,  pozwalając  na  komunikację  pomiędzy  urządzeniami  bez  pośrednictwa
komputera. Tutaj takŜe  wprowadzono tzw. ”mniejsze wtyczki”. Wszystko to związane było
głównie z rosnącą popularnością mikroprocesorowych urządzeń mobilnych.

Rys. 1. ZastrzeŜone znaki charakteryzujące rodzaj transmisji urządzenia (od lewej: USB 1.1,

USB 1.1 On-The-Go, USB 2.0, USB 2.0 On-The-Go, Wireless USB)

Wireless USB oznacza bezprzewodową magistralę USB zgodną z USB 2.0, gdzie

warstwa fizyczna wykorzystuje łącze radiowe.

Warto dodać, Ŝe producenci sprzętu elektronicznego często na produktach

zaprojektowanych  w  czasach  istnienia  wyłącznie  USB  pierwszej  generacji,  a
wyprodukowanych juŜ po opublikowaniu normy USB 2.0, umieszczają napis ”USB 2.0”. Nie
oznacza to w większości przypadków moŜliwości osiągania parametrów charakteryzujących
USB  2.0,  lecz  kompatybilność,  co  jest  rzeczą  oczywistą,  biorąc  pod  uwagę  załoŜenia
standardu.  Warto  więc  dokładnie  czytać  dane  techniczne  urządzeń,  a  nie  sugerować  się
napisami na opakowaniach, które często są tylko chwytami marketingowymi.

2. Hierarchia magistrali USB

Magistralę USB 2.0 wykorzystuje się w trybie synchronicznym do średniej i szybkiej

transmisji oraz w asynchronicznym do wolnej. Komputer macierzysty pełni funkcję jednostki
zarządzającej  magistralą,  która  ma  strukturę  hierarchiczną  .  Jego  system  operacyjny
kontroluje magistralę, tak więc dowolne urządzenie moŜe przesłać dane na szynę USB tylko i
wyłącznie po otrzymaniu zezwolenia od systemu operacyjnego. System kontroluje magistralę
na  bieŜąco,  więc  moŜliwe  jest  dołączanie  i  odłączanie  urządzeń  komunikujących  się  z
komputerem  przez  USB  bez  ponownego  uruchamiania  systemu  operacyjnego.  Stąd
określenie  ”plug’n’play”,  oznaczające  gotowość  urządzenia  do  pracy  zaraz  po  podłączeniu
do magistrali. Wcześniej muszą być jednak zainstalowane w systemie sterowniki urządzenia,
o ile ich nie zawierał.

Główny koncentrator umieszczony jest w komputerze macierzystym. Sieć tworzy się

kaskadowo,  a  maksymalna  liczba  koncentratorów  w  kaskadzie  nie  moŜe  być  większa  niŜ
pięć.  Dzięki  układom  umieszczonym  w  koncentratorach,  nowo  podłączone  urządzenie  ma
ograniczenie  podawanej  do  niego  mocy  do  0,5  W.  Dopiero  pod  kontrolą  programu  obsługi
magistrali  moc  dostarczana  do  urządzenia  moŜe  być  zwiększona  do  2,5  W.  Urządzenia
podłączane  do  magistrali  USB  muszą  ponadto  mieć  moŜliwość  przechodzenia  w  stan
uśpienia, w którym ich pobór prądu z magistrali nie przekracza 500µA.

USB 2.0 dzięki operacji SPLIT eliminuje zakłócenia mogące powstać przy obecności

urządzeń przesyłających w sieci dane z ”małą” lub ”pełną” szybkością (USB 1.1). Operacja
polega na ”inteligentnym” lokalizowaniu określonych urządzeń w sieci i przesyłaniu danych
z koncentratorów, i ile moŜna, z maksymalną szybkością, a tylko od urządzenia do
koncentratora dane podawane są z szybkością urządzenia USB 1.1. Podczas korzystania z
róŜnych koncentratorów naleŜy zatem pamiętać o poprawnej kolejności ich połączeń.

3. Struktura magistrali

3.1. Wa

ne terminy i skróty stosowane w opisie normy

Akceptacja ( ACK – Acknowledgment ) – pakiet potwierdzający bezbłędny odbiór
danych, wysyłany przez komputer dla operacji IN, bądź urządzenie dla operacji OUT,
SETUP lub PING.

Brak akceptacji ( NACK – Negative acknowledgment ) – pakiet wysyłany wyłącznie
przez urządzenie w przypadku braku gotowości do wysłania danych lub informujący
o braku akceptacji odebranych danych.

Cykliczna  kontrola  nadmiarowa  (  CRC  –  Cyclic  redundancy  check  )  –  nadmiarowe
bity  kontrolne,  słuŜące  do  kontroli  poprawności  przesyłanych  w  polu  roboczym
danych.  Bity  te  umieszczane  są  w  polu  sumy  kontrolnej,  sąsiadującym  z  polem
roboczym.

Ewidencja urządzeń USB ( USB Enumeration ) – detekcja i identyfikacja urządzeń
podłączonych do magistrali.

Faza operacji (Phase) – zapowiedź, przesył danych lub odpowiedź.

Funkcja (Function) – funkcja pełniona przez urządzenie przyłączone do magistrali
USB.

Główny sterownik ( Host controller) – układy interfejsowe komputera i związane z
nimi oprogramowanie.

Identyfikator pakietu (PID = Packet ID) – pole na początku pakietu danych,
zawierające ośmiobitowy zakodowany typ pakietu.

Klient (Client) – program uŜytkowy odwołujący się za pośrednictwem
oprogramowania systemowego do określonej funkcji realizowanej przez urządzenie
wykonawcze.

10.

Kod odwrotny bez powrotu do zera ( NRZI – Non return to zero inverted ) –
samosynchronizująca metoda transmisji szeregowej wykorzystana w USB.

11.

Komunikat (Message) – postać informacji przesyłanej potokiem sterującym. W tym
trybie pierwszym w sekwencji jest pakiet zapowiedzi SETUP. Zawiera on informację
o rodzaju i kierunku przesyłania danych.

12.

Kontrola dostępu ( PFC – Ping flow control ) – uŜywana dla USB 2.0 (480 Mb/sec)
kontrola dostępności punktu końcowego dla operacji zapisu.

13.

Kontrola  sekwencji  pakietów  danych  (Data  toggles)  –  mechanizm  kontrolujący
naprzemienność  parzystych  i  nieparzystych  pakietów  informacji.  Sprawdza  on
zgodność  identyfikatorów  PID  (DATA0  i  DATA1)  ze  stanem  przełączników
ustawianych w nadajniku i odbiorniku.

14.

Mikroramka ( Microframe ) – 125-mikrosekundowy przedział czasu pomiędzy
kolejnymi SOF ( Start of frame) dla duŜej częstotliwości przysyłu danych (480
Mb/sec).

15.

Preambuła ( PRE - Preamble) – pakiet poprzedzające dane dla urządzeń powolnych.
Dzięki niemu koncentratory rozpoznają do jakiego urządzenia przesyłane są dane.

16.

Operacja dzielona (SPLIT Transaction) – operacja polegająca na szybkim przesyłaniu
przez koncentrator danych odebranych z powolnego urządzenia.

17.

Operacja magistralowa (Transaction) – inicjowany przez komputer cykl przesłania
informacji.

18.

Pakiet (Packet) – blok danych przygotowany do transmisji. Składa się z pola
identyfikatora, pola roboczego i bitów kontrolnych.

19.

Początek ramki ( SOF – Start of frame ) – początek ramki lub mikroramki, w
zaleŜności od szybkości transmisji danych.

20.

Pole  synchronizacji  (SYNC  Field)  –  zakodowana  w  NRZI  postać  siedmiu  lub
trzydziestu  jeden  (  high  speed  )  zer  zakończonych  jedynką,  poprzedzająca  kaŜdy
pakiet  danych  przesyłany  magistralą.  Pole  to  słuŜy  do  dostrajania  urządzeń
odbierających informacje z magistrali.

21.

Potok ( Pipe ) – abstrakcyjny obiekt, za pośrednictwem którego program przesyła
informację z bufora komputera do urządzenia wykonawczego.

22.

Program obsługi magistrali ( USBD – USB driver ) – część systemowego
oprogramowania komputera, obsługująca program typu Klient.

23.

Program  obsługi  sterownika  magistrali  (  HCD  –  Host  controller  driver  )  –  część
systemowego  oprogramowania  komputera  dostosowującego  dane  do  postaci
wymaganej  na  magistrali  lub  odwrotnie,  wydzielającego  dane  robocze  z  pakietów
odebranych z USB.

24.

Przekaz  izochroniczny  (Isochronous  transfer)  –  jeden  z  czterech  sposobów
przesyłania  danych  magistralą  USB.  Polega  na  ciągłej,  izochronicznej  transmisji,
umoŜliwiającej  zachowanie  zaleŜności  czasowych  pomiędzy  kolejnymi  próbkami
sygnału analogowego.

25.

Przekaz masowy (Bulk transfer) – jeden z czterech sposobów przesyłania danych
magistralą USB. Stosowany do asynchronicznego przesyłania duŜych pakietów
danych.

26.

Przekaz przerwaniowy (Interrupt transfer) – jeden z czterech sposobów przesyłania
danych magistralą USB. Urządzenie wykonawcze co jakiś czas przesyła do
komputera niewielkie porcje danych, np. zgłoszenie potrzeby obsługi.

27.

Przekaz sterujący ( Control transfer) – jeden z czterech sposobów przesyłania danych
magistralą USB. Asynchroniczna, inicjowana przez oprogramowanie komputera
łączność, polegająca na przesyłaniu komunikatów, wykorzystywana typowo przy
przesyłaniu deskryptorów konfiguracji, rozkazów i słów stanu.

28.

Punkt kontrolny ( Control Endpoint ) – para punktów końcowych (wejściowy i
wyjściowy ) o tym samym numerze. Wykorzystywane są one przez potok sterujący.

29.

Punkt końcowy ( Endpoint ) – jednoznacznie określony cel lub źródło danych
przesyłanych po USB.

30.

Punkt końcowy zablokowany ( STALL – Endpoint stalled) – pakiet z informacją od
urządzenia USB o blokadzie punktu końcowego. Wymagana jest interwencja
komputera macierzystego. Informacja taka nigdy nie moŜe być wysyłana przez
komputer!

31.

Ramka ( Frame ) - przedział czasu (1 ms) na magistrali pracującej z małą lub pełną
szybkością, obejmujący serię operacji pomiędzy kolejnymi SOF.

32.

Stan J – jeden z dwóch stanów magistrali, reprezentujących wartość logiczną
strumienia bitów, przeciwny do K.

33.

Stan K – jeden z dwóch stanów magistrali, reprezentujących wartość logiczną
strumienia bitów, przeciwny do J.

34.

Strumień (stream) - jednokierunkowy, przesyłany magistralą ciąg bitów.

35.

Sygnały logiczne o szybko narastających zboczach, tzn. o czasie narastania 4-20ns.

36.

Sygnały logiczne o wolno narastających zboczach, tzn. o czasie narastania 75-300ns.

37.

Urządzenie (Device) – urządzenie wykonawcze lub koncentrator.

38.

Urządzenie czynne (Active device) – urządzenie dostępne, z włączonym zasilaniem.

39.

Wstawianie bitów ( Bit stuffing ) - wstawianie po sześciu jedynkach zera –
przeprowadzane przed kodowaniem NRZI.

40.

Zapowiedź ( Token Packet ) – pakiet wysyłany przez komputer macierzysty,
mówiący o tym, jakiego rodzaju operacja zostanie wykonana na magistrali (SETUP,
IN, OUT).

41.

Zerowanie  (Reset)  –  sygnalizowane  przez  ustalenie  napięcia  na  liniach  D+  i  D-
poniŜej  0,8  V  na  co  najmniej  10ms.  Urządzenie  po  resecie  jest  podłączone  do
magistrali, lecz nie ma jeszcze przydzielonego adresu i ustalonej konfiguracji.

42.

Znacznik końca pakietu ( EOF - End of packet ) – po nim na magistrali ustala się stan
jałowy.

43.

Znacznik początku pakietu ( SOP – Start of packet ) – po nim magistrala przechodzi
ze stanu jałowego w stan K, od którego rozpoczyna się pole synchronizacji pakietu.

3.2. Kodowanie danych metod

NRZI

Dane przesyłane na magistralę USB są zakodowane kodem NRZI ( tzw. kod

odwrotny  bez  powrotu  do  zera,    z  ang.  non-return-zero  inverted  ).  Bity  podawane  są  w
kolejności  od  najmniej  do  najbardziej  znaczących.  Nie  ma  potrzeby  przesyłania  impulsów
zegarowych,  poniewaŜ  NRZI  jest  kodem  samosynchronizującym.  Jedynka  logiczna  jest  w
nim reprezentowana przez brak zmiany, zero natomiast przez zmianę poziomu na liniach D+
i  D-.  Jeszcze  przed  zakodowaniem,  po  kaŜdych  sześciu  jedynkach  wstawiane  zostaje  zero.
Robi się to w celu ochrony pętli PLL przed zablokowaniem.

Rys. 2. Kodowanie metodą NRZI

Rys. 3. Mechanizm wstawiania zer przed kodowaniem

Przed wstawieniem bitów i kodowaniem NRZI do kaŜdego pakietu danych dołączony

zostaje bajt synchronizacji ( SYNC, składający się z siedmiu jedynek i zera )

3.3. Cz

ęść

elektryczna magistrali

3.3.1 Przewód USB

Kabel magistrali USB zawiera cztery przewody. Są to dwie linie do przekazywania

danych: D+ i D- oraz dwie zasilające : VBUS (5 V) i GND. Dla urządzeń przesyłających po
magistrali  strumień  bitów  z  pełną  lub  duŜą  szybkością  stosuje  się  linie  danych  w  postaci
ekranowanej  skrętki.  W  urządzeniach  pracujących  z  małą  szybkością  (  klawiatury,  myszy,
manipulatory  )  moŜna  stosować  zwykły  kabel  bez  ekranowania,  jednak  jego  długość  nie
powinna być większa niŜ 3m.

Rys. 4. Przewód USB

Przewody magistrali USB są zakończone od strony komputera wtykiem typu A, z

drugiej wtykiem typu B, o ile nie są połączone z urządzeniem na stałe (np. klawiatury,
myszy).

Rys.5. Rodzaje wtyczek (gniazd) USB - przekroje

Rys.6. Najczęściej spotykane złącza USB (typu A – po lewej, typu B – po prawej)

W przenośnych pamięciach, odtwarzaczach plików muzycznych itp. często zrezygnowano z
przewodu umieszczając jedynie wtyk typu A w obudowie urządzenia. Chcąc podłączyć takie
urządzenie do komputera moŜna to zrobić wkładając ten wtyk bezpośrednio do gniazda USB
lub zastosować przedłuŜacz.

Przewody od strony urządzenia mogą być zakończone wtykami typu B róŜnego

rodzaju.  Producenci  chcą  często  skłonić  w  ten  sposób  uŜytkowników  ich  produktów  do
zakupu  oryginalnych  kabli  połączeniowych  lub  związane  jest  to  z  duŜą  miniaturyzacją
urządzenia  i  brakiem  moŜliwości  umieszczenia  w  jego  obudowie  tradycyjnego  gniazda  dla
wtyku B.  Dotyczy to głównie cyfrowych aparatów fotograficznych, kamer video, telefonów
komórkowych,  palmtopów  itd.  Tradycyjny  wtyk  typu  B  stosowany  jest  natomiast  często  w
drukarkach, skanerach, modemach itd.

3.3.2. Elektryczna reprezentacja bitów

Bity w obrębie pakietu danych są reprezentowane przez jeden z dwóch stanów: J w

NRZI  odpowiada  stanowi  wysokiemu,  K  natomiast  jest  stanem  przeciwnym.  W  zaleŜności
od  szybkości  z  jaką  przesyłane  są  magistralą  strumienie  danych,  stany  J  i  K  mają  róŜną
reprezentacją na róŜnicowych liniach sygnałowych D+ i D-.

Podczas transmisji z małą szybkością (1,5 Mb/sec) stan J reprezentowany jest przez

napięcie róŜnicowe (D+) – (D-) < -200mV, natomiast stan K przez napięcie (D+) – (D-)
>200mV. W praktyce zmianą stanów uzyskuje się przez zamianę potencjałów panujących na
liniach sygnałowych.

Podczas transmisji z pełną szybkością obowiązuje juŜ odwrotna logika. Stan J

reprezentowany jest przez napięcie róŜnicowe (D+) – (D-) >200mV, natomiast stan K przez
napięcie (D+) – (D-) <-200mV.

Przy duŜej szybkości transmisji danych obowiązuje logika jak dla pełnej szybkości,

lecz zaostrzono wymagania co do napięcia róŜnicowego. Tak więc stan J jest reprezentowany
przez napięcie róŜnicowe (D+) – (D-) >300mV, a stan K przez napięcie (D+) – (D-)<-
300mV.

Jak widać, o szybkości transmisji mówią róŜnice potencjałów na liniach danych, a o

aktualnym stanie ( J lub K ) ich znak.

Dodatkowo magistrala moŜe znajdować się w stanie jałowym lub aktywnym. O tym

decyduje natomiast bezwzględne napięcie panujące na liniach danych odniesione względem
masy.  Przy  ustalonym  poziomie  logicznym,  napięcie  na  jednej  linii  sygnałowej  musi  być
większe  od  0,8  V.  Początek  pakietu  SOP  jest  sygnalizowany  wysterowaniem  magistrali  ze
stanu  jałowego  (w  czasie  którego  ustalają  się  a  magistrali  róŜnice  napięć  charakterystyczne
dla danej szybkości przesyłu danych ) do stanu K. Jest to pierwszy bit pola synchronizacji.

W przypadku transmisji 1.5Mb/sec i 12Mb/sec bajt synchronizacji SYNC to

zakodowany  w  NRZI  ciąg  siedmiu  zer  zakończonych  jedynką,  któremu  odpowiada  ciąg
KJKJKJKK (jako Ŝe zeru odpowiada zmiana stanu na liniach sygnałowych). Ograniczeniem
pakietu  jest  EOP,  sygnalizowany  poprzez  sprowadzenie  obu  linii  sygnałowych  na  okres
dwóch  bitów  poniŜej  poziomu  0,8  V  względem  masy.  Zanim  magistrala  przejdzie  w  stan
jałowy, konieczne jest po tym ustalenie na magistrali na czas trwania jednego bitu stanu J.

Tabela 1. Potencjały dla stanu jałowego magistrali USB 2.0

Nieco inaczej sygnalizuje się początek pakietu przy transmisji 480Mb/sec. Ciąg

SYNC  jest  tu  31-bitowy:  KJKJKJKJKJKJKJKJKJKJKJKJKJKJKJKK.  Na  końcu  pakietu
danych  umieszcza  się  natomiast  zakodowany  w  NRZI  bajt  składający  się  z  zera  i  siedmiu
jedynek. Tu jednak nie obowiązuje zasada polegająca na dokładaniu zera po kaŜdych sześciu
jedynkach.  Zgodnie  z  zasadami  kodowania,  zero  i  siedem  jedynek  uzyskuje  się  poprzez
zmianę  ostatniego  stanu  jaki  panował  na  magistrali  podczas  przesyłania  informacji  (zero)  a
następnie  przytrzymanie  zmienionego  stanu  na  okres  odpowiadający  trwaniu  siedmiu
jedynek,  jako  Ŝe  jedynkom  odpowiada  brak  zmiany  stanu.  Jeśli  ostatni  bit  informacji  był
reprezentowany  przez  stan  K,  to  mieć  będziemy  JJJJJJJJ  (K->J  –  zero,  JJJJJJJ  –  siedem
jedynek), po których na magistrali ustali się stan jałowy ( D+ i D- na poziomie GND ).

Rys.7. Początek transmisji USB

Rys.8. Sygnalizacja końca pakietu dla małej i pełnej transmisji

3.4. Warstwy USB

USB posiada warstwę fizyczną, logiczną oraz funkcjonalną. Na najniŜszym

poziomie,  tzn.  w  warstwie  fizycznej,  znormalizowany  został  interfejs  magistrali,  za
pośrednictwem  którego  są  nadawane  i  odbierane  pakiety  danych.  W  warstwie  logicznej
omawiana  jest  organizacja  przepływu  danych  pomiędzy  urządzeniem  logicznym,  a
naleŜącym do oprogramowania systemowego programem obsługi magistrali. Abstrakcyjnym
obiektem  słuŜącym  do  przesyłania  informacji  jest  potok.  Pomimo  złoŜoności  warstwy
fizycznej  (drzewiasta  architektura)  komputer  macierzysty  łączy  się  z  kaŜdym  z  urządzeń,
jakby  było  podłączone  bezpośrednio  do  portu  we-wy.  W  warstwie  funkcjonalnej
uwidocznione  są  natomiast  wyłącznie  relacje  pomiędzy  urządzeniem  wykonawczym,  a
programem  Klient,  który  się  do  niego  odwołuje.  Z  jego  poziomu  obsługa    urządzeń
wykonawczych jest niezaleŜna od przydzielonego im miejsca w przestrzeni adresowej.

W normie USB opisano cztery kategorie składowych systemu. Są to :

1. Program Klient, odwołujący się za pośrednictwem oprogramowania systemowego

USB do określonej funkcji urządzenia wykonawczego.

2. Oprogramowanie systemowe, obejmujące programy obsługi magistrali i sterownika

w ramach systemu operacyjnego.

3. Oprogramowanie i układy interfejsowe komputera macierzystego.

4. Urządzenie USB, czyli koncentrator lub urządzenie wykonawcze.

3.5. Przepływ danych

O przepływie danych decyduje program Klient, związany z funkcją pełnioną przez

urządzenie wykonawcze. Rozpatrywany jest przepływ danych z bufora komputera do
punktów końcowych, którymi są jednoznacznie rozpoznawalne części urządzeń

zewnętrznych.  Program  Klient  przesyła  informacje  wykorzystując  potok.  KaŜdy  punkt
końcowy jest określony przez:
- parametry dostępu do magistrali,
- wymagane pasmo transmisji danych,
- adres punktu końcowego ( numer punktu i kierunek transmisji ),
- rozmiar pola roboczego w największym obsługiwanym pakiecie,
- sposobu obsługi błędów,
- rodzaju transmisji.
Wszystkie  te  elementy  muszą  być  uwzględniane  w  programie  odnoszącym  się  do  danego
punktu  końcowego.  Do  czasu  skonfigurowania  punkty  końcowe  pozostają  w  stanie
nieokreślonym,  będąc  niedostępnymi  dla  komputera  macierzystego.  Zgodnie  z  normą  w
kaŜdym urządzeniu musi znajdować się punkt końcowy o numerze zero. Za pośrednictwem
tego  punktu  inicjowana  jest  praca  urządzeń  logicznych  oraz  ustalana  ich  konfiguracja.
Punkty  te  konfigurowane  są  natychmiast  po  podłączeniu  urządzenia  do  zasilania  i  linii
danych  magistrali  USB.  Urządzenie  moŜe  posiadać  maksymalnie  16  punktów  końcowych
(dla pełnej i duŜej szybkości) lub 3 (dla małej szybkości) łącznie z punktem zerowym.

3.5.1. Potok – rodzaje

Potok to abstrakcyjny obiekt realizujący przepływ danych pomiędzy programem

Klient  a  urządzeniem  wykonawczym.  Układy  związane  z  magistralą  nie  badają  treści
przesyłanych  przez  niego  informacji,  te  są  istotne  jedynie  z  punktu  widzenia  programu
sterującego funkcjami urządzenia wykonawczego.

WyróŜnia się dwa rodzaje potoku:

1.  Potok  danych  –  jednokierunkowy  strumień  bitów  nieistotnych  dla  systemu.  Za  jego
pomocą realizowane są przekazy przerwaniowe, umoŜliwiające urządzeniom USB okresową
wymianę danych z komputerem macierzystym.  Potok danych wykorzystywany jest takŜe w
przekazach  masowych  (  stosowanych  do  przekazywania  informacji  ze  zmienną  szybkością,
dostosowaną  do  aktualnie  dostępnego  pasma  transmisji)  i  izochronicznych  (słuŜących  do
przesyłania danych w funkcji ściśle powiązanej z czasem, np. przekaz dźwięku) .
2.  Potok  sterujący  –  informacje  przesyłane  w  obu  kierunkach,  posiadające  ściśle  określony
format. Wykorzystywany  jest przy  konfiguracji  urządzeń USB. Przesyłane nim komunikaty
odwołują się zerowego punktu końcowego

3.5.2. Strumie

Strumieniem nazywamy ciąg bitów o określonym kierunku transmisji, przesyłanych

potokiem.  Ich  wartości  nie  są    istotne  dla  warstwy  logicznej  i  fizycznej  magistrali.  KaŜdy
strumień  musi  mieć  oddzielny  punkt  końcowy  w  urządzeniu  wykonawczym  ze  względu  na
kierunek przepływu danych. Bity danych opuszczają potok w tej samej kolejności, w której
zostały  do  niego  wprowadzone.  Strumień  jest  przypisany  do  jednego  programu  Klient.  Nie
ma  zatem  problemu  konieczności  systemowej  kontroli,  czy  róŜne  programy  Klient
(wysyłając strumień danych) nie chcą odwołać się do tego samego potoku.

Normalnie nie ma moŜliwości przesłania do określonego punktu końcowego

kolejnego strumienia, jeśli obsługa poprzedniego nie zostanie zakończona. Komputer moŜe
jednak przerwać transmisje w momencie zaistnienia błędów w komunikacji. Punkt końcowy

moŜe  w  pewnym  stopniu  kontrolować  przepływ  danych  przesyłając  negatywną  odpowiedź
NAK.  Sygnalizuje  on  w  ten  sposób  brak  gotowości  do  nadawania.  Nie  oznacza  to  jednak
odrzucenia  zgłoszenia  Ŝądania  dostępu  do  urządzenia  (  IRP  –  I/O  requet  packet  ).  Podczas
obsługi tego samego zgłoszenia NAK moŜe być przesyłany wielokrotnie. Nie oznacza on teŜ
wystąpienia błędu.

3.6. Tryby przesyłania danych

W normie USB 2.0 zdefiniowane zostały cztery tryby przesyłania danych: przekazy

sterujące, przerwaniowe, izochroniczne i masowe. Aby zrealizować transmisję danych naleŜy
wykonać  szereg  operacji    magistralowych.  KaŜda  z  takich  operacji  wymaga  przesłania
informacji  sterujących  a  następnie  danych  właściwych.  Na  początku  kaŜdej  informacji  z
komputera  macierzystego  wysyłana  jest  informacja  adresowana  do  określonego  punktu
końcowego  urządzenia  wykonawczego.  Następnie  zostaje  przesłanych  kilka  pakietów
danych, po czym odbiornik musi przesłać informację o poprawnym zakończeniu transmisji.

3.6.1. Przekazy steruj

Obsługa przekazów sterujących jest obowiązkowa. Przesyłają one Ŝądania i odbierają

informacje  o  stanie  bądź  konfiguracji  urządzenia  wykonawczego.  W  deskryptorze  punktu
końcowego  (  w  polu  wMaxPacketSize  )  zapisana  jest  maksymalna  długość  pakietu  danych
jaki  moŜe  być  odebrany  lub  wysłany  na  magistralę  przez  urządzenie  podczas  przekazu
sterującego.  Zgodnie  z  normą,  mogą  to  być  8,  16,  32  lub  64  bajty.  W  praktyce  urządzenia
pracujące z duŜą szybkością powinny móc obsłuŜyć najdłuŜsze pakiety, natomiast urządzenia
pracujące z małą szybkością przesyłają co najwyŜej 8 bitów.

Rys. 9. Kolejne etapy przekazu sterującego

SETUP zawiera zakodowaną informację Ŝądania dostępu do informacji sterujących.

W  etapie  transmisji  danych  dane  przesyłane  są  tylko  w  jednym  kierunku,  zgodnie  z
załoŜeniami  potoku,  strumienia  i  przypisanego  mu  jednego  punktu  końcowego.  Ostatnim
etapem  przekazu  sterującego  jest  etap  statusu.  Od  poprzedniego  etapu  odróŜnia  go  zmiana
kierunku transmisji.

Rys.10. Przepływ informacji w przekazach sterujących

Urządzenie w czasie etapu transmisji lub statusu ma prawo informować komputer o

zajętości.  Ten  ponawia  wtedy  komunikację.  W  przypadku  operacji  SETUP  urządzenie  nie
moŜe przesyłać takiej informacji. Albo przesyła ACK ( jest gotowe do pracy ) albo odrzuca
uszkodzony  pakiet  nie  przesyłając  Ŝadnej  informacji.  Wysyłany  na  koniec  transmisji
komunikat  stanu  moŜe  sygnalizować  jedna  z  następujących  sytuacji:    wykonanie  operacji
zakończyło  się  pomyślnie,    czegoś  brakuje  do  poprawnego  zakończenia  sekwencji  operacji
lub urządzenie wciąŜ jeszcze jest zajęte wykonywaniem operacji.

Czas dostępny dla tego

trybu przesyłania danych zmienia się zaleŜnie od liczby urządzeń aktualnie dołączonych
do magistrali i jak często zgłaszane są przekazy danych. Dlatego teŜ nie moŜna przewidzieć
jak długo trwać będzie przekaz sterujący skierowany do określonego punktu końcowego

Tabela 2. Komunikaty o wykonaniu przekazu sterującego

3.6.2. Przekazy przerwaniowe

Przekazy przerwaniowe polegają na tym, Ŝe łączność z danym punktem

końcowym nawiązywana jest okresowo w równych, wcześniej zaprogramowanych
odstępach czasu (cykliczne odpytywanie urządzeń peryferyjnych, przerwania w określonych
odstępach czasu).

Częstotliwość ponawiania takich przekazów ustalana jest podczas inicjacji potoku

przerwaniowego.    Do    tego    celu    wykorzystywana    jest    informacja    zawarta    w    opisie
punktu  końcowego    (w    polu  bInterval).    Urządzenia    wykorzystujące    pełną    częstotliwość
transmisji  mogą    mieć    ustawione    wartości    z    przedziału    od    1    ms    do    255    ms,
przesyłające natomiast  z  małą częstotliwością - jedna z wartości od 10 ms do 255 ms.
Protokół    przepływu    danych    i    parametry    magistrali    ograniczają    liczbę    przekazów
przerwaniowych  moŜliwych  do  umieszczenia  w  ramce, wynoszącą  do  71  pakietów 8-
bajtowych, przesyłanych  przez  urządzenia  pracujące  z   szybkością  transmisji 12Mb/sec.
Dla urządzeń  działających  z  szybkością 1.5Mb/sec,  liczba  ta  jest  ograniczona  do  6-ciu
pakietów 8-bajtowych.

Rys. 11. Przepływ danych w przekazach przerwaniowych

Obsługa przerwania charakteryzuje się błyskawicznym przekazywaniem danych o

niewielkim  rozmiarze  (często  jest  to  kilka  bitów).  Pozwala  ono  na  bardzo  szybkie
powiadomienie  kontrolera  o  konieczności  obsługi  przerwania  zgłoszonego  przez  dołączone
do USB urządzenie zewnętrzne, np. mysz komputerową. Jeśli np. mysz oczekuje na obsługę,
to  po  otrzymaniu  pakietu  identyfikatora  IN  z  kontrolera  (komputera)  wyśle  do  niego  dane.
Poprawnie wykonana transmisja zostanie potwierdzona pakietem ACK. Jeśli kontroler chce
przesłać  dane  np.  do  myszy,  wysyła  na  magistralę  pakiet  OUT  oraz  dane  do  urządzenia.
Mysz  z  kolei  po  poprawnym  odbiorze  danych  wysyła  ACK  lub  przy  błędnym  zakończeniu
transmisji pakiet NACK lub STALL.

3.6.3. Przekazy izochroniczne

Przekaz izochroniczny przenosi jednokierunkowy strumień danych. Ten tryb

pracy    ma    zapewnić    stała    szybkość    transmisji    niezaleŜnie    od  wielkości    ruchu
generowanego  na  magistrali.  Transmisję  izochroniczną  stosuje  się  do przesyłania danych
audiowizualnych, zwłaszcza sygnałów głosowych i wideofonicznych, czyli takich, w których
wymagany    jest    stały    przepływu    pakietów,    docierających    do    odbiornika    w    równych
odstępach czasu i w kolejności nadania.

W ramce (przy pełnej częstotliwości) moŜna zmieścić maksymalnie 88 8-

bajtowych pakietów operacji izochronicznych, a przy duŜej częstotliwości, podczas

trwania jednej mikroramki, magistralą USB 2.0 moŜna przesłać 163 8-bajtowe pakiety
danych.

W normie nie sprecyzowano sposobu kontroli przebiegu transmisji danych

przesyłanych  izochronicznie.    Urządzeniom,    wykorzystującym    ten  przekaz,    w    systemie
USB  zagwarantowano  jedynie  dostęp  do  magistrali  bez  opóźnień  ponad  wyznaczony  limit
(uwaŜa    się,    Ŝe    podczas    prowadzonej    „na    Ŝywo”    transmisji    danych    audiowizualnych
opóźnienia    w    przekazach    pakietowych    między    skrajnymi    punktami    transmisji    nie
powinny  przekraczać:    50  ms    dla    danych    obrazowych  i  150  ms    dla    fonii)  oraz  stałą
częstotliwość  przepływu  danych  w  potoku,  bez    podejmowania    próby    ratowania    danych
przez  ponawianie  transmisji w momencie wykrycia błędów.

Rys. 12. Przepływ danych w przekazach izochronicznych

Rezerwacja kanału transmisji izochronicznej przez kontroler USB odbywa się na

podstawie  deklaracji  złoŜonej  przez  urządzenie  na  etapie  konfiguracji  magistrali.  W  tym
trybie błędy nie są korygowane, bowiem brak tu pakietów potwierdzających ACK. Transfer
ten  ma  jednak  pierwszeństwo  przed  transmisją  asynchroniczną.  Oparty  na  zapytaniach
kontrolera  systemu  przydział  pasma  w  kanale  asynchronicznym  mógłby  spowodować
niedopuszczalne  opóźnienia  zakodowanych  sygnałów  wizyjnych  lub  dźwiękowych,  a  tym
samym zdyskwalifikować całkowicie sens przekazów izochronicznych.

3.6.4. Przekazy masowe

Przekazy masowe stosuje się do przesyłania duŜych porcji danych, jeśli

dopuszczalna jest przy tym zmienność czasu transmisji.
Przekaz  taki  składa  się  z  jednej  lub  kilku  operacji  IN  albo  OUT.  Dla  danych  w  pakietach
przekazów  masowych  moŜna    deklarować  maksymalną  wielkość    pola    roboczego
wynoszącą    8,  16,    32    lub    64    bajty.    Nie    jest    jednak  wymagane  aby    wielkość    pola
danych    zawsze  osiągała    zadeklarowana  wartość.  Ten  tryb  przesyłania  danych  moŜe  być
wykorzystywany  jedynie  w  urządzeniach  pracujących  z  pełną  częstotliwością.
Przepustowość  magistrali  umoŜliwia  ulokowanie  w  ramce  do  71  ośmiobajtowych  pakietów
przekazów masowych.

4. Rodzaje pakietów

W normie opisującej USB 2.0 w części „Protokół komunikacyjny” wyspecyfikowano

strukturę  pakietów  danych  przesyłanych  za  pośrednictwem  linii  D+  i  D-  magistrali.
Informacje  przesyłane  zostają  na  magistralę  począwszy  od  LSB  do  MSB,  zapełniając  bufor
pamięci  począwszy  od  najniŜszego  adresu.  KaŜdy  pakiet  poprzedza  ciąg  bitów
synchronizujących SYNC, a kończy znacznik końca pakietu EOP ( End of packet ). Ostatnie
dwa  bity  synchronizacji  KK  wyznaczają  poziom  odniesienia  dla  bitów  w  uŜytkowej  części
pakietu danych, na początku której znajduje się identyfikator - PID.

Typowy pakiet, pomijając pola SYNC i EOP, składa się z identyfikatora (PID), pola

roboczego (zawierającego dane lub instrukcje sterujące) oraz bitów kontrolnych CRC.

Rys. 14. Część uŜytkowa pakietu

Pole PID składa się z czterobitowego kodu rodzaju pakietu i czterech bitów

kontrolnych. Punkt końcowy urządzenia wykonawczego powinien ignorować pakiet, jeśli nie
jest przystosowany do obsługi danego rodzaju pakietu bądź nadesłany pakiet jest
uszkodzony. Za uszkodzony pakiet uwaŜa się taki, w którym wartości kolejnych bitów
kontrolnych nie są negacją bitów kodu rodzaju pakietu.

Magistralą USB przesyłane są cztery rodzaje pakietów danych. Są to zapowiedzi,

dane, odpowiedzi i pakiety specjalne. KaŜdy rodzaj ma swój 4-bitowy identyfikator.

Tabela 3. Rodzaje pakietów ( strzałka oznacza kierunek transmisji )

4.1. Pakiety zapowiedzi

Pakiety zapowiedzi informują o rodzaju nadchodzących informacji (IN, OUT,

SETUP).  Na  końcu  takiego  pakietu  umieszczone  jest  5-bitowe  pole  cyklicznej  kontroli
nadmiarowej  CRC5.  Kontrolą  CRC  objęte    jest  pole    robocze    (pole  PID  ma  swoje  bity
kontrolne).  Łącznie  część    uŜytkowa    pakietu    zapowiedzi  ma  3    bajty.    Jeśli    przesyłany
pakiet  zostanie rozpoznany właśnie jako  pakiet  zapowiedzi,  a  po  3 bajtach  nie  zakończy
się  EOP,  to musi on być uniewaŜniony.

Szczególnie waŜnym pakietem zapowiedzi jest przesyłany w jednakowych odstępach

czasu SOF ( Start of frame, co 1,00 ms ±0,0005 ms - dla małej i pełnej szybkości i co 125
µs ±0,0625 µs - dla duŜej szybkości ). W przypadku zmiany szybkości transmisji (SPLIT,
retransmisja danych odebranych przez koncentrator z małą szybkością) SOF moŜe być takŜe

generowany  w  koncentratorze.  W  11-bitowym  polu  roboczym  umieszczane  są  kolejne
numery  ramek.  Po  przepełnieniu  (7FFh)  zliczanie  następuje  od  początku.  Przy  szybkich
transmisjach danych (ramki o kolejnych numerach co 1 ms) dodatkowo „przypominany” jest
numer  bieŜącej  ramki    co  125µs.  Stąd  teŜ  uznaje  się,  Ŝe  w  jednej  ramce  mieści  się  osiem
mikroramek o tym samym numerze.

Rys.15. Ramki i

mikroramki

Za pomocą pozostałych pakietów zapowiedzi (11-bitowe) przesyłane są

siedmiobitowe adresy urządzenia (stąd do magistrali USB moŜna dołączyć 127 urządzeń)
oraz czterobitowe adresy jego punktu końcowego (dlatego teŜ poza zerowym punktem
końcowym w urządzeniu wykonawczym moŜe istnieć 15 dodatkowych punktów).

4.2. Pakiety danych

Pole robocze pakietu danych składa się z maksymalnie 8 bajtów dla małej,

1023 bajtów dla pełnej i 1024 bajtów dla duŜej częstotliwości przesyłu danych . Liczba
bajtów w polu roboczym musi być całkowita.

Rys.16. Format pakietu danych

Podczas transmisji wielokrotnych, tzn. takich, w których duŜe pakiety danych zostały

podzielone  na  mniejsze  porcje,  przesyłane  w  kolejnych  ramkach  danych,  sprawdza  się
naprzemienność parzystych i nieparzystych pakietów. Do kontroli słuŜą  identyfikatory PID
(DATA0  i  DATA1)  oraz  oddzielne  dla  odbiornika  i  nadajnika  jednobitowe  przełączniki.
Przełączniki te zmieniają stan po poprawnie wykonanej funkcji pełnionej przez nadajnik lub
odbiornik.

4.3. Pakiety odpowiedzi

Pakiety odpowiedzi składają się wyłącznie z identyfikatora PID zakończonego EOF.

Rodzaj odpowiedzi zawarty jest w typie pakietu. Jako odpowiedź moŜe być przesłany ACK,
NAK,  STALL  lub  NYET.  Znaczenie  skrótów  i  moŜliwości  wysyłki  określonego  pakietu
zostały opisane w rozdziale 2.3.1. Warto pamiętać, Ŝe wyróŜnia się odpowiedzi na operację
IN,  OUT  lub  SETUP.  W  przypadku  punktów  końcowych  transmitujących  z  duŜa
częstotliwością  zwykły  mechanizm  powstrzymywania    transmisji    za  pomocą  odpowiedzi

NAK jest niewystarczający. Stosowany jest zatem bardziej złoŜony protokół PING, w
którym dodatkowo wykorzystywana jest odpowiedź NYET

4.4. Pakiety specjalne

Wśród pakietów specjalnych wyróŜniamy trzy zapowiedzi i jedną odpowiedź.

Informacje  poprzedzone  zapowiedzią  PRE  adresowane  są  do  urządzeń  wykonawczych
pracujących  z  małą  szybkością.  Koncentrator  otrzymujący  informację  z  zapowiedzią  PRE
uaktywnia  mechanizm  wolno  narastających  zboczy,  by  mógł  bezbłędnie  przekazać  taką
informację  do  wolnego  urządzenia.  Mechanizm  ten  zostaje  wyłączony  wraz  z  otrzymaniem
znacznika  EOP.  Nie  istnieje  niebezpieczeństwo  błędnego  odczytania  pakietu  z  zapowiedzią
PRE,  bowiem  wolno  zmienne  bity  nie  mogą  utworzyć  kombinacji,  która  zostałaby
zinterpretowana jako poprawna w ramach transmisji z pełną szybkością. Dane przekazywane
z  wolnych  urządzeń  przez  koncentratory  w  górę  sieci  są  traktowane  na  równi  z  danymi
przesyłanymi z pełną lub duŜą częstotliwością.

Kolejnym pakietem specjalnym jest 24-bitowa zapowiedź PING. SłuŜy ona do

sprawdzania  dostępności  urządzenia  wykonawczego  w  celu  wykonania  operacji  OUT  przy
pracach  z  duŜą  szybkością.  Ma  ona  zabezpieczyć  przed  niepotrzebnym  zajmowaniem
magistrali  podczas  braku  gotowości  urządzenia  do  wykonania  zadania.  Do  momentu
uzyskania  gotowości  program  sterujący  wstrzymuje  wysłania  danych  do  urządzenia.  Na
zapowiedź PING punkt końcowy odpowiada wysyłając ACK lub NAK.

Następnym pakietem specjalnym jest 4-bajtowy SPLIT. Poprzedza on operację

SPLIT, polegającą na retransmisji z duŜą szybkością danych, pochodzących z wolnego
urządzenia. WyróŜniamy dwa rodzaje pakietu SPLIT: rozpoczynający i kończący
retransmisję.

Rys. 17. Pakiet rozpoczynający SPLIT (SSPLIT)

Rys. 18. Pakiet kończący SPLIT (CSPLIT)

5. Kontrola poprawno

ci przesyłania danych

Poprawność komunikacji jest kontrolowana na kilka sposobów. Od strony odbiornika

sprawdza  się,  czy  po  sekwencji  sześciu  jedynek  wstawiane  jest  zero  oraz  analizowane  są
wartości bitów kontrolnych PID oraz sum kontrolnych CRC. W przypadku wystąpienia błędu
odbywa  się  powtórzenie  wysyłki  nie  odebranych  poprawnie  danych.  MoŜe  zaistnieć  jednak
sytuacja,  w  której  dane  odebrane  są  poprawnie,  ale  przekłamana  zostanie  informacja  o
poprawnym odebraniu danych, przesyłana do nadajnika. Wtedy nadajnik, ”myśląc”, Ŝe dane
nie  zostały  odebrane,  ponawia  ich  wysyłkę,  w  efekcie  czego  te  same  dane  dochodzą  do
odbiornika  drugi  raz.  Mówimy  wtedy  o  retransmisji  (  nie  naleŜy  mylić  z  retransmisją

SPLIT!). Aby wyeliminować zjawisko przypadkowego wielokrotnego odbioru tych samych
danych, sprawdzana jest zgodność identyfikatorów PID (DATA0 i DATA1) oraz
przełączników odbiornika i nadajnika.

Istnieje jeszcze mechanizm cyklicznej kontroli nadmiarowej (CRC). Przed

wstawieniem  zer  po  kaŜdych  sześciu  jedynkach  i  przed  kodowaniu  NRZI  są  dodatkowo
umieszczane w polu sumy kontrolnej bity nadmiarowe CRC. Mechanizm kontroli CRC jest
skuteczny  zarówno  przy  przekłamaniach  jedno  jak  i  dwubitowych,  a  polega  on  na
traktowaniu  sekwencji  bitów  jako  wielomianu  ze  współczynnikami  0  lub  1.  Do
wygenerowanie bitów CRC stosowany jest wielomian G(x). Operacja polega na dopisaniu do
sumy kontrolnej odpowiadającej przesyłanemu ciągowi bitów takiej sumy, by całość dzieliła
się bez reszty przez wielomian generacyjny G(x). Jeśli przy dzieleniu wystąpi reszta, oznacza
to błąd transmisji danych.

W systemie USB stosuje się dwa rodzaje kontroli CRC: pięciobitową sumę kontrolną

CRC5 dla zapowiedzi i szesnastobitową CRC16 dla pakietów danych. Postaci wielomianów
generacyjnych dla tych przypadków zostały dokładnie określone w normie USB 2.0.
Najczęściej stosowany wielomian generacyjny ma postać CRC16 = X16 + X15 + X2 + 1.

6. Rodzaje operacji

WyróŜniamy operacje ustawiania, zapisu, odczytu i operacje izochroniczne. W

ostatniej mamy do czynienia tylko z pakietem zapowiedzi i pakietem danych, w pozostałych
obowiązują zapowiedź, pakiet danych i odpowiedź, przesyłana w kierunku przeciwnym do
kierunku przesyłania danych.

Urz

dzenia do obsługi transmisji szeregowej USB

Magistrala USB naleŜy do róŜnicowych, a względne stany linii danych określają

wartości  logiczne  oraz  mówią  o  szybkości  transmisji.  Bezwzględne  poziomy  napięć  na
liniach sygnałowych informują natomiast o tym, czy magistrala jest zajęta, czy teŜ znajduje
się  w  stanie  jałowym.  Aby  móc  zatem  zbudować  urządzenie  do  komunikacji  po  magistrali
USB  potrzebny  jest  bardzo  skomplikowany  hardware,  posiadający  wbudowane  bardzo
dokładne  źródła  napięciowe,  pozwalające  zrealizować  linie  D+  i  D-.    Tak  więc  nie  jest  juŜ
moŜliwe  łatwe  napisanie  programu  realizującego  magistralę  USB,  tak  jak  moŜna  to  zrobić
dla  I

C lub UART (stosując dodatkowo przetwornicę np. MAX232 lub MAX202)

dysponując  stosunkowo  prostym  mikrokontrolerem.  Chcąc  budować  urządzenie  USB
projektant  musi  teŜ  dodatkowo  dysponować  sterownikami,  dzięki  którym  będzie  mógł
wymieniać  dane  pomiędzy  programem  Klient  a  urządzeniem  przyłączonym  do  magistrali.
Dodatkowy wymóg stanowi duŜa szybkość przesyłania danych po USB,  zatem wybrany do
projektu mikroprocesor musi mieć moŜliwość pracy z odpowiednio duŜą częstotliwością.

Na rynku elektronicznym istnieje wiele mikrokontrolerów, które moŜna wykorzystać

jako  trzon  nowo  powstającego  urządzenia.  Producenci  wyraźnie  podają  w  notach
aplikacyjnych,  czy  zaimplementowany  hardware  do  obsługi  magistrali  USB  jest  zgodne  ze
standardem  1.1  czy  2.0.  NaleŜy  pamiętać,  Ŝe  pojawienie  się  mikrokontrolerów
przystosowanych  do  obsługi  USB  2.0  wcale  nie  eliminuje  starszych  wersji  produktów.
Kompatybilność  USB  2.0  z  wcześniejszym  standardem  daje  nam  gwarancję  poprawnego
działania  urządzenia,  zatem  do  obsługi  wolnozmiennych  procesów  moŜna  bez  problemu
wykorzystać tańszy mikrokontroler pracujący w standardzie USB 1.1

Istnieją takŜe autonomiczne układy obsługujące warstwę fizyczną magistrali USB.

Przesyła się do nich jedynie dane do wysyłki (lub odczytuje odebrane informacje) i