Kuinka USB-protokolla toimii? [suljettu]

Yritän vastata kysymyksiisi ehdottamalla niitä (numerointi) voi auttaa).

Johtoja on todellakin neljä (ohittamatta USB3.x: ää tällä hetkellä). Kaksi todellakin virtaa varten (+ 5 V ja GND) ja kaksi signalointia varten (D + ja D -).

Signaalijohtimien tärkein asia on niiden nimi, huomaa + ja – (myös joskus P ja N tai P ja M) .Nämä yleensä osoittavat elektroniikassa, että jokin on erilainen. tarkoittaa, että 1 ”s” ja ”0” s ilmaistaan kunkin kaapelin välisen jännitteen napaisuudella . Tämä on päinvastoin kuin yksipäinen, jossa 1 ”s” ja ”0” s ovat mukana jännite suhteessa GND: hen.

Mitä tarkoitan napaisuudella? Kuvittele, että D + -kaapeli ajetaan \ $ + 3,3 \ m athrm {V} \ $, ja D- ajetaan kohtaan \ $ 0 \ mathrm {V} \ $. Näiden kahden ero on \ $ V_ {D +} – V_ {D-} = 3,3 – 0 = 3,3 \ mathrm {V} \ $. Jos nyt sen sijaan D + -kaapeli ajettiin \ $ 0 \ mathrm {V} \ $ ja D- ajettiin \ $ + 3,3 \ mathrm {V} \ $, eroksi tulee \ $ V_ {D +} – V_ {D- } = 0 – 3,3 = -3,3 \ mathrm {V} \ $. Huomaa miinusmerkki, joka osoittaa päinvastaisen napaisuuden.

Jotta tämä toimisi sitten, kahden datakaapelin on oltava toistensa täydennyksiä (kun toinen on korkealla, toinen matalalla) tietojen siirtämiseksi, joten on toimittava samalla taajuudella. Saatat ajatella, miksi vaivautua, käytä vain yhtä kaapelia. Asia on, että maailma on melko meluisa paikka, yksipäinen (yhteismuotoinen) johdin on erittäin altis melulle, joka suurilla nopeuksilla (jopa pienillä nopeuksilla ankarissa olosuhteissa) voi vahingoittaa tietoja (tehdä arvoksi 1 a 0). Differentiaalisignaloinnissa molemmat kaapelit altistuvat samalle melulle, joten se kumoutuu!

Nopea esimerkki. Sano, että lähettämäsi signaali on \ $ 2 \ mathrm {V} \ $ tai \ $ 0 \ mathrm {V} \ $. Sanotaan myös jokaisesta langasta, josta saat \ $ 1 \ mathrm {V} \ $ melua (epärealistinen, mutta esimerkki). Yksittäispäätteiset signaalit vastaanottimessa ovat joko \ $ 2 + 1 = 3 \ mathrm {V} \ $, mikä on selvästi looginen 1, tai \ $ 0 + 1 = 1 \ mathrm {V} \ $ missä vaiheessa ei tiedä mikä se oli. Eroa varten signaalisi vastaanottimessa ovat joko \ $ (2 + 1) – (0 + 1) = 2 \ mathrm {V} \ $ tai \ $ (0 + 1) – (2 + 1) = – 2 \ mathrm {V} \ $, jotka ovat molemmat samat kuin jos melua ei olisi ollenkaan!

Kahden johtimen käytössä on muita etuja. Kun tietoja ei lähetetä, USB-spec käyttää kahta johtoa itsenäisesti ohjaussignaaleihin, esim. synkronointisignaali, palautuskomento jne. Nämä voidaan erottaa selvästi datapaketeista useilla temppuilla, jotka ovat todennäköisesti liian syvällisiä (kaikki on kommenteissa mainitussa USB-spesifikaatiossa).

USB: ssä molempien laitteiden on oltava saman taajuuden. Tämä on yleensä jokin 12 MHz: n kerrannaisista – minkä vuoksi näet USB-laitteet, jotka toimivat kellotaajuuksilla, kuten 48 MHz tai 12 MHz, jne. Nämä taajuudet generoidaan yleensä kideohjeen avulla, joka on yleensä tarkka noin 20ppm: iin (240Hz 12 MHz: n kristallille) ). Tämä on yleensä riittävän lähellä, että datalinjoilla olevien synkronointipulssien ja sen vuoksi, että dataa lähetetään purskeina (mikä tarkoittaa, että taajuuden siirtyminen ei lisäänny pitkään aikaan), nämä kaksi laitetta voivat pysyä synkronoituna. käytit vahingossa esimerkiksi 16 MHz: n kristallia, laite ei todennäköisesti luetella.

Mistä päällikkö tietää, että laite tarvitsee virtaa? Yksinkertainen, kaikki USB-laitteet saavat piirtää virran määrä sitä pyytämättä – jopa \ $ 100 \ mathrm {mA} \ $, niin paljon kuin muistan. Tämä antaa laitteelle riittävästi virtaa käynnistymään, vahvistamaan läsnäolonsa (vetovastuksella D + -linjalla – jälleen todennäköisesti Kun päällikkö on tietoinen laitteesta, se myöntää laitteelle virrankulutuksen ja kysyy, tarvitseeko se enemmän (esim. suuritehoiselle laitteelle, jos se haluaa \ $ 500 \ mathrm {mA} \ $ suuri virrankulutus).

USB-protokolla on kaikki tekniset tiedot. Yritä mennä yli olisi todennäköisesti vielä liian syvällistä.Mutta sanottuasi, että haluat ehkä tarkistaa tämän vastauksen toiseen kysymykseen, joka antaa joitakin yksityiskohtia.

USB 1.x (1,5 Mbit / s ja 12 Mbit / s) ja 2,0 (480 Mbit / s) käyttävät neljää johtoa, V \ $ _ {BUS} \ $ ( +5), D +, D- ja GND. D + ja D- muodostavat differentiaaliparin. On myös OTG (On-The-Go) -laajennus, jonka avulla laite voi toimia joko USB-isäntänä tai laitteena, ja tämä käyttää viidesosaa ID-johtoa, jonka voimme jättää huomiotta.

Jos kunkin isännän ja laitteen suurin nopeus on erilainen, neuvottelu tapahtuu ja käytetään suurinta yhteistä nopeutta molemmille.

Differentiaalisignalointi tarjoaa korkea melutaso. Datasignaalit lähetetään positiivisena D + -linjalla ja negatiivisina D-linjalla. Vastaanottopuolella plus-lyijy lähetetään vertailijan + -johtoon (toimii vähennyslaskijana) ja miinus-johto lähetetään vertailijan – johtoon.

Kelvollisten pulssien osalta nämä kaksi lisäävät (koska negatiivinen menevä pulssi lähetettiin vertailijan johto, he lisäävät). Mutta jos kohinaa indusoidaan linjalla, se vaikuttaa yleensä sekä D +- että D- linjoihin samalla tavalla, ja vertailija vähentää ne pois.

Kaavio näyttää datan vain yhteen suuntaan. Tämä johtuu siitä, että USB-signaalit ovat puolisuuntaisia, data kulkee vain yhteen suuntaan kerrallaan.

USB 3.0 (jopa 10 Gbit / s) käyttää yhdeksää johtoa neljän sijasta ja tarjoaa kaksisuuntaisen toiminnan, koska lähetys- ja vastaanottotapoja on kummallakin tavalla.

Laitteet voivat vetää jopa 100 mA: n ilman ”kyselyä”. USB 1.x- ja 2.0-versioissa laite voi pyytää isäntää toimittamaan enintään 500 mA: n virran. USB 3.0: n tapauksessa tämä on nostettu 900 mA: iin. Akun lataamiseen käytetään erillistä protokollaa (ei tiedonsiirtoa); tämä voi joissakin tapauksissa olla jopa 5A.

Kommentit

• Kiitos vastauksesta. Mitä tapahtuu, jos kahdella laitteella on erilaiset kellotaajuudet?
• Käytetään tekniikkaa nimeltä " kellon palautus ": arrowdevices.com/blog/beginners-guide-to-clock-data-recovery

USB käyttää differentiaalista signalointia häiriöiden vähentämiseen ja nopeaan siirtoon pitkällä etäisyydellä. Differentiaaliväylä on rakennettu kahdesta johtimesta, joista toinen edustaa lähetettyä dataa ja toinen täydentää sitä. Ajatuksena on, että johtimien ”keskimääräinen” jännite ei kanna mitään tietoa, mikä johtaa vähemmän häiriöihin. väylät (USB, Ethernet, PCIe, SATA jne.) ovat erilaisia, koska ylimääräisten johtojen kustannukset ovat huomattavasti suuremmat kuin melunvaimennuksen edut. USB 2: ta kutsutaan myös ”puoliduplexiksi”. Tämä tarkoittaa, että vain linkki toimii yhteen suuntaan milloin tahansa. Oletetaan, että tietokoneesi voi lähettää viestin hiirellesi. Tai hiiri voi lähettää viestin tietokoneellesi. Mutta ei molempia samanaikaisesti. Väylän on ”käännettävä” kukin aikadata on lähetettävä toiseen suuntaan.

Kellotuksen osalta USB hyödyntää laitteita, joita kutsutaan sarja- ja deserialisaattoreiksi. Sarjasoitin on vastuussa sarjatietojen tuottamisesta lähetyspäässä ja deserialisaattoreista. on vastuussa bittien palauttamisesta toiselle fi d. Osa serialisaattorin työstä on tietojen koodaus siten, että se on helppo purkaa sisällyttämällä kehystys- ja synkronointitiedot. Osa deserialisaattorin tehtävästä on palauttaa kellosignaali. USB käyttää koodausta, jota kutsutaan NRZI: ksi, tai kääntymättömäksi nollaksi. NRZI: ssä loogista 0 edustaa siirtymä ja loogista 1 ei siirtoa. USB käyttää bittitäyttöä rajoittamaan johdon kautta lähetettyjen peräkkäisten 1 sekuntien pituutta. Tämän seurauksena siirtymiä on tarpeeksi usein kaikkien bittien palauttamiseksi, vaikka lähettimen ja vastaanottimen kellot eivät rastisikaan täsmälleen samalla nopeudella. Niiden on kuitenkin oltava suhteellisen lähellä. Tietojen mukana lähetetään myös nimenomaisia synkronointisekvenssejä.

Mitä tulee virtaan, laitteen saa vetää tietyn määrän virtaa kysymättä isännältä. Enemmän piirtämiseen vaaditaan neuvottelut varmistaakseen, että isäntä ei ylikuormitu. Laitteen on odotettava, kunnes se saa luvan, ennen kuin se voi saada enemmän virtaa.