В статье рассмотрены особенности функционирования интерфейса USB 2.0, широко применяемого в компьютерной технике. Рассмотрены принципы организации информационного обмена между хостом и устройствами USB 2.0, показана необходимость использования для их тестирования современных средств измерений. Рассмотрены функциональные возможности и особенности опций R&S RTO-K21 и R&S RTO-K60, предназначенных соответственно для тестирования устройств USB 2.0 и анализа сигналов на уровне передаваемых пакетов. Приведен пример осуществления такого анализа.
Введение
Интерфейс передачи данных USB (Universal Serial Bus) является совместной разработкой ведущих фирм-производителей компьютерной техники. Созданный еще в 1995 г., он пришел на смену интерфейсам PS/2, COM, LPT, широко применявшимся в то время для подключения периферийных устройств к компьютерам. Совершенствование вычислительных средств, а также появление новых устройств, требующих высокоскоростного подключения к компьютеру, привело к эволюционному развитию USB, в первую очередь, в направлении повышения скорости передачи данных. К настоящему времени в компьютерах используются интерфейсы USB 2.0, 3.0, 3.1. При этом интерфейсы USB 3.0, 3.1 применяются в основном для внешних жестких дисков, обеспечивая скорости передачи данных до 5 Гбит/с, а USB 2.0 используется для подключения прочих устройств — принтеров, сканеров, флеш-накопителей и т.д. Помимо своих классических, ставших привычными для всех применений интерфейс USB 2.0 используется и в других областях. Так, например, некоторые датчики, формирующие большой поток информации, имеют такой интерфейс. Он используется для программирования и сервисного обслуживания электронных устройств на контроллерном управлении, начиная от телевизионных приставок и заканчивая банкоматами. На основе USB 2.0 иногда строятся локальные компьютерные сети, включающие обычно два компьютера и предназначенные для передачи файлов со скоростью до 20 Мбит/с. Таким образом, среди всех прочих интерфейс USB 2.0 по широте применения в устройствах различного назначения стоит на первом месте. Инженеров привлекает отлаженность технологии и высокая скорость передачи данных, достаточная для подавляющего большинства практических приложений, а также развитая компонентная база. Тем не менее, в зависимости от конкретного проекта при передаче данных через USBинтерфейс могут наблюдаться те или иные ошибки, особенно при работе с высокими скоростями. Поэтому процесс проектирования таких устройств обязательно должен включать этап отладки с использованием современных средств измерений. Однако сложность сигнальных конструкций USB 2.0 и необходимость проверки соответствия сигналов целому ряду требований делает использование только осциллографии в её классическом виде не эффективным, и поэтому для анализа сигналов USB 2.0, как это показано ниже, необходимо использовать специальные опции, функционирующие на платформе современных осциллографов. Особенности физической реализации подключения устройств с интерфейсом USB 2.0
К техническим средствам, обеспечивающим функционирование интерфейса USB 2.0 в составе персонального компьютера, принято относить USB-хост, выполненный в виде программно-управляемого контроллера, а также корневой концентратор, к которому могут подключаться вспомогательные разветвители либо внешние устройства через USB-порты. Таким образом, структура USB 2.0 предполагает использование древовидной топологии (рис. 1). Назначение разветвителей состоит в электрическом согласовании подключений, коммутации пакетов, обнаружении подключения/отключения устройств.
Корневой концентратор наиболее часто встроен непосредственно в контроллер USB, который обычно является частью южного моста материнской платы компьютера и полностью обеспечивает управление процессом передачи данных. Максимальное количество уровней ветвления, не считая корневого концентратора, ограничено пятью, как это показано на рис. 1. Предельное количество подключаемых к одному хосту USB-устройств, включая разветвители, составляет 127 шт., что с избытком перекрывает стандартные потребности пользователей компьютеров. Непосредственное электрическое соединение USB-хостов запрещено. Стандарт USB 2.0 поддерживает три диапазона скоростей передачи: Low-speed (10…1500 Кбит/c), Full-speed (0,5…12 Мбит/с), High-speed (25…480 Мбит/с). Стандарт устанавливает допуски на предельные скорости передачи, которые для этих режимов составляют соответственно ±1,5; ±0,25; ±0,05%. Дуплексная передача данных обеспечивается за счет попеременного использования сигнальных линий хостом и подключаемым устройством. Предельная односторонняя скорость передачи для шины USB 2.0 составляет до 30 МБ/с и редко достигает больших значений. Физически подключение устройств по стандарту USB 2.0 реализуется на основе кабеля, включающего четыре медных проводника, два из которых служат для электропитания подключаемых устройств, и еще два — для дуплексной передачи данных, причем эти проводники объединены в витую пару с волновым сопротивлением около 90 Ом. Пятый проводник выполнен в виде сплошного либо сетчатого экрана и предназначен для защиты передаваемых в кабеле сигналов от наводимыми внешними электромагнитными полями радиопомех. Кабели USB ориентированы, т.е. имеют неодинаковые разъемы на концах. Возможность «горячего» подключения устройств обусловлена удлинением заземляющего контакта, в результате чего вначале выравниваются потенциалы заземления и только после этого подключается электропитание. Это защищает электрические цепи от переходных процессов, способных вывести из строя соединяемые устройства. Интерфейс USB 2.0 предусматривает два режима электропитания подключаемых устройств. Непосредственно после подключения устройства к USB-порту ему обеспечивается токопотребление до 100 мА, а после согласования с USB-хостом — до 500 мА при напряжении питания 5 В. Схемотехника подключения устройства USB к хосту в упрощенном виде пояснена на рис. 2. Когда к хосту ничто не подключено, обе сигнальные линии D+ и D- подтянуты резисторами 15 кОм к минусу питания. При подключении устройства одна из линий подтягивается к +3,3 В через резистор 1,5 кОм. Устройства с режимом Low Speed подтягивают линию D-, а устройства с режимами Full Speed и High Speed — D+, причем высокоскоростной режим включается после обмена пакетами- 4 визитками. Таким образом хост определяет факт подключения устройства и предельно поддерживаемый им режим передачи данных.
После подключения устройства к USB-хосту и подтяжки информационных линий D+ и D- сообразно поддерживаемому режиму передачи образуемая ими дифференциальная пара переводится в состояние Idle (отсутствие активности). У подключения есть еще два состояния, характеризующиеся отсутствием обмена данными — замыкание обоих линий на минус (SE0) и на плюс (SE1), инициируемые USB-хостом. Состояние SE0, длящееся более 10 мс, должно восприниматься устройством как команда сброса. Состояние Idle длительностью более 3 мс сообщает устройству о необходимости перехода в режим энергосбережения. Состояние SE0 используется в составе последовательности завершения пакета, как это описано ниже.
Прочитать всю статью вы можете на официальном сайте R&S.
Присоединяйтесь к нашим обучающим проектам: ВидеоАкадемия R&S и Клуб Радиоинженеров.
