Hogyan működik az USB protokoll? [zárt]

Megpróbálom megválaszolni a kérdéseit annak érdekében, hogy Ön javasolja őket (számozás segíthet).

Valóban négy vezeték van (az USB3.x pillanatnyilag figyelmen kívül hagyva). Kettő valóban az áramellátáshoz (+ 5 V és GND), kettő pedig a jelzéshez (D + és D -).

A jelvezetékekkel kapcsolatban a legfontosabb a nevük, a + és a – (néha P és N vagy P és M) is. Ezek általában az elektronikában jelzik, hogy valami különbség van. azt jelenti, hogy az 1 “és 0” s értékeket az egyes kábelek közötti feszültség polaritása jelöli. Ez ellentétes az egyvégűekkel, ahol az 1 “s” és 0 “s” feszültség a GND-hez viszonyítva.

Mit értek polaritás alatt? Nos, képzelje el, hogy a D + kábel \ $ + 3,3 \ m athrm {V} \ $, és a D- a \ $ 0 \ mathrm {V} \ $ értékre lesz hajtva. A kettő közötti különbség \ $ V_ {D +} – V_ {D-} = 3,3 – 0 = 3,3 \ mathrm {V} \ $. Most, ha ehelyett a D + kábelt \ $ 0 \ mathrm {V} \ $ -ra, a D-t pedig \ $ + 3.3 \ mathrm {V} \ $ -ra, a különbség \ $ V_ {D +} – V_ {D- } = 0 – 3,3 = -3,3 \ mathrm {V} \ $. Figyelje meg a mínuszjelet, jelezve az ellenkező polaritást.

Ahhoz, hogy ez működjön, a két adatkábelnek egymást kiegészítőnek kell lennie (amikor az egyik magas, a másik alacsony) az adatátvitelhez, így azonos frekvencián kell működnie. Gondolhatja, miért kell zavarnia, csak egy kábelt használjon. A helyzet az, hogy a világ meglehetősen zajos hely, az egyvégű (közös módú) vezeték nagyon hajlamos a zajra, amely nagy sebességgel (még alacsony sebességnél is zord környezetben) megrongálhatja az adatokat (1-t és 0-t kap). A differenciális jelzésnél mindkét kábelt ugyanaz a zaj éri, ezért az eláll!

Rövid példa. Mondja, hogy a küldött jel \ $ 2 \ mathrm {V} \ $ vagy \ $ 0 \ mathrm {V} \ $. Mondjuk azt is, hogy minden vezetéken \ $ 1 \ mathrm {V} \ $ zajt kapunk (irreális, de példa). Egy végű esetén a jelek a vevőnél vagy \ $ 2 + 1 = 3 \ mathrm {V} \ $ lesznek, ami egyértelműen logikai 1, vagy \ $ 0 + 1 = 1 \ mathrm {V} \ $, melyik pillanatban fogalmam sincs, mi volt. Differenciál esetén azonban a jelek a vevőn vagy \ $ (2 + 1) – (0 + 1) = 2 \ mathrm {V} \ $ vagy \ $ (0 + 1) – (2 + 1) = – 2 \ mathrm {V} \ $, amelyek mind ugyanazok, mintha egyáltalán nem lenne zaj!

A két vezeték meglétének más előnyei is vannak. Ha nem küld adatokat, az USB specifikáció a két vezetéket egymástól függetlenül használja a vezérlőjelekhez, pl. szinkronizációs jel, reset parancs stb. Ezek különféle trükkökkel egyértelműen megkülönböztethetők az adatcsomagoktól, amelyek valószínűleg túl mélyek (mindez a megjegyzésekben említett USB-specifikációkban lesz).

USB-n mindkét eszköznek azonos frekvenciának kell lennie. Ez általában a 12MHz többszöröse – ezért látni fogja az USB-eszközöket olyan órajelen, mint 48MHz vagy 12MHz, stb. ). Ez általában elég közel van ahhoz, hogy az adatvonalakon lévő szinkronizálási impulzusok és az a tény, hogy az adatokat tört sorokban küldik (vagyis a frekvenciaeltolódás hosszú időn keresztül nem halmozódik fel), a két eszköz szinkronban maradhat. véletlenül mondjuk egy 16MHz-es kristályt használt, az eszköz valószínűleg nem fogja felsorolni.

Honnan tudja a mester, hogy az eszköznek áramellátásra van szüksége? Egyszerű, minden USB eszköz megengedhet egy mennyiségű áram kérés nélkül – akár $ 100 \ mathrm {mA} \ $, amennyire emlékszem. Ez elegendő energiát biztosít az eszköznek a bekapcsoláshoz, a jelenlétének érvényesítéséhez (a D + vonalon lévő felhúzható ellenállással – valószínűleg ismét Ha a mester tisztában van az eszközzel, kiosztja az eszköz számára az energiaellátást, és megkérdezi, hogy szükség lesz-e még rá (pl. nagy teljesítményű eszközhöz, ha az \ $ 500 \ mathrm {mA} \ $ nagy áramigény).

Az USB protokoll mind meg van adva. Az átgondolás valószínűleg még mindig túl mély.De miután elmondta, hogy érdemes megnéznie ezt a választ egy másik kérdésre, amely részleteket tartalmaz.

A differenciális jelzés lehetővé teszi magas fokú zajállóság. Az adatjeleket pozitív irányban küldik a D + vonalon, és negatívan a D-vonalon. A fogadó oldalon a plusz ólom egy komparátor + kivezetésébe kerül (kivonóként működik), a mínusz ólom pedig a komparátor – vezetéséhez.

Érvényes impulzusokhoz ez a kettő hozzáadódik (mivel a negatív folyamatú impulzust az összehasonlító vezetője – teszik hozzá). De ha a vonalon zaj keletkezik, az általában a D + és a D- vonalakat egyaránt befolyásolja, és az összehasonlító kivonja őket.

A diagram csak egy irányba halad az adatokat. Ez azért van, mert az USB jelek fél duplexek, az adatok egyszerre csak egy irányba mennek.

Az USB 3.0 (akár 10 Gbit / s) négy helyett kilenc vezetéket használ, és teljes duplex működést biztosít, mivel az átvitelhez és fogadáshoz mindkét irányban különbözõ párok vannak.

Az eszközök akár 100 mA-es feszültséget is képesek feltenni, anélkül, hogy “kérdeznének”. USB 1.x és 2.0 esetén a készülék 500 mA-es tápellátást kérhet a gazdától. Az USB 3.0 esetében ez 900 mA-re nőtt. Az akkumulátor töltésére külön protokoll használatos (nincs adatcsere); ez egyes esetekben akár 5A is lehet.

Megjegyzések

• Köszönöm a választ. Mi történik, ha a két eszköz órajel-frekvenciája eltérő?
• A " óra-helyreállítási " technikát használják: arrowdevices.com/blog/beginners-guide-to-clock-data-recovery

Az USB differenciál jelzéssel csökkenti az interferenciát és nagy sebességű adást tesz lehetővé nagy távolságon keresztül. A differenciál busz két vezetékből épül fel, amelyek közül az egyik az átvitt adatokat reprezentálja, a másik pedig kiegészíti. Az elképzelés az, hogy a vezetékek “átlagos” feszültsége nem hordoz semmilyen információt, ami kevesebb interferenciát eredményez. A legmodernebb soros a buszok (USB, Ethernet, PCIe, SATA stb.) különböznek egymástól, mivel az extra vezetékek költségeit messze felülmúlják a zajcsökkentés előnyei. Az USB 2-t szintén “fél duplexnek” nevezik. Ez azt jelenti, hogy csak a kapcsolat bármely pillanatban egy irányban működik. Tegyük fel, hogy számítógépe üzenetet küldhet az egérnek. Vagy az egér üzenetet küldhet a számítógépére. De nem mindkettőt egyszerre. A busznak mindegyiket “meg kell fordítania” az időadatokat a másik irányba kell küldeni.

Ami az óraművelést illeti, az USB a sorosító és deserializáló készülékeket használja. A sorosító felelős az adási végén lévő soros adatok és a deserializátorok létrehozásáért felelős a bitek helyreállításáért a másik en d. A sorosító feladatának része az adatok kódolása oly módon, hogy a keretezéssel és a szinkronizálással kapcsolatos információkkal könnyen dekódolható legyen. A deserializátor feladata az órajel helyreállítása. Az USB az NRZI nevű kódolást használja, vagy a nullára vissza nem térés invertált. Az NRZI-ben a logikai 0-t egy átmenet, az 1-eset pedig az, hogy nincs átmenet. Az USB bit töltelékkel korlátozza a vezetéken keresztül küldött egymást követő 1 másodpercek hosszát. Ennek eredménye azt jelenti, hogy elég gyakran vannak átmenetek az összes bit helyreállításához, még akkor is, ha az adó és vevő órái nem pontosan ugyanolyan sebességgel ketyegnek. Viszont viszonylag közel kell lenniük. Vannak kifejezett szinkronizálási szekvenciák is, amelyeket az adatokkal együtt küldenek.

Ami az áramellátást illeti, az eszköznek engedélyeznie kell egy bizonyos energiafogyasztást anélkül, hogy megkérdezné a gazdagépet. Ennél több rajzoláshoz tárgyalásokra van szükség annak biztosítására, hogy a gazdagép ne kerüljön túlterhelésre. Az eszköznek várakoznia kell, amíg engedélyt kap, mielőtt újabb áramot húzhatna.