Chuẩn giao tiếp USB Univeral Serial Bus USB (Univeral Serial Bus) là hình thức giao tiếp hữu dụng với tính năng Plug and Play Ra đời từ năm 1996, là kết quả của sự hợp tác của 7 công ty hàng đầu thế giới: Compaq, Digital Equipment Corporation, IBM, Intel, Microsoft, NEC, và Northern Telecom. USB tao cơ hội cho các thiết bị giao tiếp tốc độ cao: digital camera, multimedia device, telephone device, USB disk, … Cáp USB bao gồm 4 dây, D+ và D được dùng để truyền tín hiệu, Vbus và GND để cấp nguồn cho thiết bị (Thường thì Vbus = 5V còn GND=0V tại nguồn). USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể thay đổi lên tới vài mét. Ở phía máy chủ Host thì D+ và D được nối đất qua các điện trở Rpd còn về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D được bảo vệ bởi điện trở cuối (đó chính là các điện trở Rpu. Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn tốc cần có điện trở nối +3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở nối lên 3.3V cho đầu D. Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút ra của thiết bị cũng như tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị.
Trang 1GIAO TIẾP USB
USB (Univeral Serial Bus) là hình thức giao tiếp hữu dụng với tính năng Plug and Play
Ra đời từ năm 1996, là kết quả của sự hợp tác của 7 công ty hàng đầu thế giới: Compaq, Digital Equipment Corporation, IBM, Intel, Microsoft, NEC, và Northern Telecom USB tao cơ hội cho các thiết bị giao tiếp tốc độ cao: digital camera, multimedia device, telephone device, USB disk, …
1 Mục tiêu của giao tiếp USB
Dễ sử dụng:
Plug and Play: tính năng cho phép người sử dụng không cần tắt máy để cài đặt cấu hình như interrupt, dipswitch, … Bộ điều khiển USB tự phát hiện và nhận biết khi thiết bị được kết nối hoặc ngắt kết nối
Hỗ trợ truyền dữ liệu thời gian thực:
Ứng dụng này cho phép giao tiếp với các thiết bị multimedia để truyền tín hiệu
âm thanh hoặc hình ảnh Mở rộng Port:
USB cung cấp 1 giải pháp mở rộng port cho phép tối đa 127 thiết bị kết nối cùng lúc với 1 PC
Với tốc độ kết nối mở rộng lên đến 12Mbps, nhưng mục tiêu của USB là dành cho các thiết bị tốc độ thấp và trung bình như: keyboard, mice, modem, scanner,…
2 Các chuẩn Giao tiếp
USB 1.0
USB 1.1
USB 2.0
3 Cáp USB
USB truyền tín hiệu và nguồn qua một cáp 4 sợi hình 4.2:
Vbus: Điện áp cung cấp cho thiết bị oTín hiệu D+ oTín hiệu D- oDây đất GND
Trang 2Hình 4.2: Cable USB Cáp USB bao gồm 4 dây, D+ và D- được dùng để truyền tín hiệu, Vbus và GND để cấp nguồn cho thiết bị (Thường thì Vbus = 5V còn GND=0V tại nguồn) USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể thay đổi lên tới vài mét
Ở phía máy chủ Host thì D+ và D- được nối đất qua các điện trở Rpd còn về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D- được bảo vệ bởi điện trở cuối (đó chính là các điện trở Rpu Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn tốc cần có điện trở nối +3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở nối lên 3.3V cho đầu D- Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D- giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút
ra của thiết bị cũng như tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị
4 Port kết nối USB
Có 2 loại thông dụng: loại A và loại B
Loại A: thường dùng kết nối upstream (trên PC)
Loại B: thường dùng kết nối downstream (trên thiết bị)
Tín hiệu logic trên USB: sử dụng mã NRZI, Logic ‘1’: D+ >2.8V, D- <0.3V; Logic ‘0’: D+ <0.3V, D- >2.8V
Trở kháng đường dây: 90
5 Tốc độ kết nối USB
Để báo tốc độ sẽ kết nối thiết bị USB phải có điện trở 1.5k kéo lên nguồn ở ngõ D+ hoặc D Điện trở kéo lên này cũng dùng để host biết sự hiện hữu của thiết bị
Để chọn tốc độ Full speed (12MBit/s), điện trở 1.5k được kéo lên 3.3V ở ngõ D+
Để chọn tốc độ Low speed (1.5Mbit/s), điện trở 1.5k được kéo lên 3.3V ở ngõ D Một
số thiết bị có điện trở được xây dựng mạch bán dẫn, có thể điều khiển bằng firmware
6 Nguồn điện cung cấp
Một lợi điểm quan trọng của thiết bị USB là không cần nguồn cấp điện bên ngoài mà được cấp từ host Thiết bị USB có 3 chế độ nguồn:
Trang 3Low power: dòng cung cấp 100mA, điện áp trong khoảng 4.4V - 5.25V
High power: dòng cung cấp tối đa 500mA, điện áp bus từ 4.75V-5.25V Self power: thiết bị được cấp nguồn từ bên ngoài
7 Mô hình mạng
Các thiết bị hoạt động theo chuẩn USB được kết nối với nhau theo đồ hình mạng hình sao phân cấp Trung tâm của mỗi hình sao này là các Hub Trong đồ hình như vậy, các thiết bị USB được chia làm 3 loại chính:
• USB Host: thiết bị đóng vai trò điều khiển toàn bộ mạng USB (có thể lên tới tối đa
126 thiết bị) Ví dụ như trên máy tính, USB Host được gắn trên mainboard Để giao tiếp và điều khiển các USB device, USB Host controller cần được thiết kế tích hợp với USB RootHub (Hub mức cao nhất) Vai trò của thiết bị USB Host:
• Trao đổi dữ liệu với các USB Device
• Điều khiển USB Bus:
o Quản lý các thiết bị cắm vào hay rút ra khỏi Bus USB qua quá trình điểm danh (Enumeration) o Phân xử, quản lý luồng dữ liệu trên Bus, đảm bảo các thiết bị đều có cơ hội trao đổi dữ liệu tùy thuộc vào cấu hình của mỗi thiết bị
• USB Device: là các thiết bị đóng vai trò như các slave giao tiếp với USB Host Xin lưu ý một điều hết sức quan trọng đó là các thiết bị này hoàn toàn đóng vai trò bị động, không bao giờ được tự ý gửi gói tin lên USB Host hay gửi gói tin giữa các USB Device với nhau, tất cả đều phải thông qua quá trình điều phối của USB Host Các bạn sẽ hiểu cơ chế này rõ hơn trong phần truyền thông của chuẩn USB Chức
Trang 4năng của thiết bị USB Device: o Trao đổi dữ liệu với USB Host o Phát hiện gói tin hay yêu cầu từ USB Host theo giao thức USB
• USB Hub: đóng vai trò như các Hub trong mạng Ethernet của chúng ta Cấp nguồn cho các thiết bị USB
8 Kịch bản hoạt động
Quá trình hoạt động của chuẩn USB có thể được chia làm hai giai đoạn chính:
• Quá trình điểm danh: là quá trình USB Host phát hiện các thiết bị cắm vào và rút ra
khỏi đường USB Bus Mỗi khi một thiết bị tham gia vào Bus USB, USB Host sẽ tiến hành đọc các thông tin mô tả (Description) của USB Device, từ đó thiết lập địa chỉ (NodeID) và chế độ hoạt động tương ứng cho thiết bị USB Device Các địa chỉ sẽ được đánh từ 1->126 nên về lý thuyết, chuẩn USB cho phép kết nối 126 thiết bị vào đường Bus Khi thiết bị rút ra khỏi đường Bus, địa chỉ này sẽ được thu hồi
Trang 5• Quá trình truyền dữ liệu: để hiểu quá trình truyền dữ liệu này, chúng ta phải hiểu
được hai khái niệm có thể nói là khó và quan trọng nhất trong chuẩn USB, đó là khái niệm Interface và Endpoint (Xin lưu ý là chỉ thiết bị USB device mới có Endpoint, USB Host không có Endpoint) Một thiết bị USB sẽ có thể có nhiều Interface, một Interface
có thể sử dụng nhiều Endpoint Tôi xin lấy một ví dụ sau để các bạn thấy:
Thẻ nhớ USB chỉ sử dụng 1 Interface theo chuẩn USB Mass storage, interface này
sử dụng 3 Endpoint
Bộ USB 3G sử dụng các Interface khác nhau như: CD Room, Mass storage và Communication, mỗi interface lại sử dụng nhiều Endpoint khác nhau
Như vậy, đứng ở góc độ mức hệ thống, các Interface chính là các dịch vụ khác nhau
mà thiết bị đó cung cấp còn các Endpoint chính là các cổng cần thiết cho mỗi dịch vụ Tương ứng với khái niệm trong kiến trúc TCP/IP, ví dụ giao thức FTP là giao thức sử dụng
để truyền file sẽ sử dụng hai cổng 20,21 Trong khi đó giao thức HTTP lại sử dụng port 80, giao thức Telnet sử dụng port 23
Thực tế các Endpoint cũng như các Port trong chuẩn TCP/IP đóng vai trò như các bộ đệm truyền/nhận dữ liệu Nhờ việc sử dụng nhiều bộ đệm mà các quá trình truyền thông được tiến hành song song và cho tốc độ cao hơn, bên cạnh đó giúp cho việc phân tách các dịch vụ khác nhau Với chuẩn USB, các thiết bị được thiết kế với tối đa là 16 Enppoint Các Endpoint được phân loại theo hướng truyền dữ liệu nhìn từ phía USB Host Cụ thể
Các Endpoint truyền dữ liệu từ USB Device tới USB Host là endpoint IN
Các Endoint truyền dữ liệu từ USB Host tới USB Device là endpoint OUT
Hình trên là kết quả chúng ta xem các thông tin cấu hình của một thiết bị USB hoạt động với 1 Interface, Interface này sử dụng hai Endpoint (0x01 và 0x82), 1 Endpoint In và một Endpoint Out, cả hai Endpoint hoạt động ở chế độ Bulk Transfer (Chi tiết chúng ta sẽ xem ở phần chế độ truyền ngay sau đây) Trên Linux, các bạn có thể dùng lệnh lsusb để xem các thông tin này với bất cứ thiết bị USB nào cắm vào Bus
Đề truyền được dữ liệu theo chuẩn USB, các thiết bị USB Device phải được kết nối với USB Host thông qua các Pipe (đường ống) Mỗi Pipe sẽ nối một Endpoint của USB Device với USB Host
9 Mô tả hệ thống USB
Một hệ thống USB được mô tả bởi ba định nghĩa: Kết nối USB, các thiết bị USB và USB host
Kết nối USB được hiểu là kiểu kết nối mà trong đó các thiết bị USB được kết nối và giao tiếp với máy tính chủ Kết nối USB bao gồm các vấn đề sau:
• Kiến trúc Bus: Mô hình kết nối giữa các thiết bị USB và Host
Trang 6• Những mối quan hệ Inter-layer : Dưới dạng một tập khả năng, các tác vụ USB được thực hiện tại mỗi lớp trong hệ thống
• Các mô hình luồng dữ liệu: Là hình thức mà trong đó dữ liệu di chuyển trong hệ thống qua USB
Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối dùng chung Việc truy cập tới kết nối được lập trình theo thứ tự để hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời và khử sự phân xử ban đầu
10 Các kiểu truyền
Có 4 kiểu truyền USB:
10.1 Control transfer: truyền 2 hướng
Hỗ trợ cài đặt, truyền thông tin giữa host và function
Gồm 3 giai đoạn: setup, data, status
Mục đích: truyền thông tin khi thiết bị bắt đầu kết nối với host
10.2 Isochronous transfer: truyền 1 hướng hoặc 2 hướng
Mục đích: truyền dữ liệu với tốc độ cố định, bỏ qua lỗi
Ví dụ: truyền voice qua USB
10.3 Interrupt transfer: Chỉ truyền 1 hướng đi vào host
Mục đích: truyền dữ liệu nhỏ, không liên tục
Ví dụ: thiết bị sử dụng interrupt như keyboard, mouse
10.4 Bulk transfer: Truyền 1 hướng hoặc 2 hướng
Mục đích: truyền dữ liệu lớn, chính xác, không khắc khe về thời gian
Ví dụ: scanner, printer, USB disk
11Các loại gói dữ liệu (packet)
Việc truyền dữ liệu cổng USB luôn được khởi động từ host Dữ liệu truyền đi gồm 5 loại gói (packet):
Token packet: báo mode truyền
Start of Frame packet: chỉ thị bắt đầu 1 khung mới
Data packet: chứa dữ liệu được truyền đi
Handshake packet: dùng để xác nhận dữ liệu và báo lỗi
Special packet: dùng để báo tốc độ mà host muốn truyền
11.1 TOKEN packet
SYNC: byte đồng bộ tín hiệu clock, thường chọn 01h
Trang 7PID (Packet identifier): cho biết loại packet Có 4 bit ở vị trí nửa byte cao, 4 còn lại là
bù của 4 bit ID dùng để kiểm tra
ADDR: xác định địa chỉ của thiết bị
ENDP: xác định kênh vào của thiết bị
CRC (Cyclic Redundancy Check): gồm 5 bit kiểm tra
11.2 Data packet
DATA: có 2 loại DATA0, DATA1, có thể có chiều dài từ 0 đến 1023 byte
11.3 Start of Frame Packet
SOF packet được truyền bởi host sau mỗi 1ms
11.4 Handshake packet
Có 3 loại Handshake packet được xác định bởi ID:
ACK: xác nhận gói đã nhận thành công
NAK: báo cáo thiết bị không thể nhận hoặc gửi gói dữ liệu
STALL: yêu cầu sự can thiệp từ host Special packet
Có 4 loại Special packet được xác định bởi ID:
PRE: yêu cầu mode truyền tốc độ thấp
ERR: báo lỗi
Plit: chia dữ liệu truyền
Ping: dùng để kiểm tra đường truyền
Trang 812 Control transfer (truyền điều khiển)
Việc truyền điều khiển gồm 3 bước:
Setup stage
Data stage
Status stage
12.1 Setup stage:
Gồm 3 gói packet:
Token: truyền địa chỉ và end point
Data: luôn truyền dữ liệu Data0 cài đặt kích thước dữ liệu
Handshake: để báo nhận thành công hoặc báo lỗi
12.2 Data stage:
Gồm 3 gói packet:
Token: báo hướng truyền IN hoặc OUT
Data: các byte dữ liệu được truyền
Handshake: xác nhận thành công hoặc báo lỗi truyền
12.3 Status stage:
Báo trạng thái truyền, có 2 trường hợp xảy ra
IN: khi host nhận dữ liệu
OUT: khi host gửi dữ liệu
13 Isochronous transfer
Khi host truyền 1 gói IN token, thiết bị sẽ truyền dữ liệu tới host
Nếu host truyền OUT token, thiết bị sẽ chặn data tới host ngay sau đó
Không có quá trình handshake trong Isochronous transfer
14 Bulk transfer
Truyền tương tự như Isochronous transfer ngoại trừ có thêm chu kỳ Handshake sau chu kỳ dữ liệu để bảo đảm dữ liệu chính xác
Có 3 tín hiệu bắt tay:
ACK: nếu dữ liệu nhận được không có lỗi
NAK: báo rằng thiết bị không thể thực hiện được yêu cầu từ host
STALL: báo rằng có lỗi trên thiết bị và yêu cầu can thiệp phần mềm từ host
Trang 915 Interrupt transfer
Tương tự như việc truyền kiểu Bulk transfer ngoại trừ chỉ có IN token
Khi nhận được IN token, thiết bị truyền dữ liệu về host
Nếu thiết bị không có dữ liệu ngắt trả về thì báo NAK
Nếu thiết bị bị trì hoãn hoặc yêu cầu can thiệp phần mềm từ host thì báo STALL
16 Các bước kết nối thiết bị qua cổng USB
Khi một thiết bị USB được kết nối vào bus, host sẽ thực hiện 1 tiến trình để xác nhận
và quản lý thiết bị, tiến trình này là đặc tính “Plug and Play” của USB Tiến trình này gồm các bước sau:
Attached: Khi có kết nối thiết bị chủ sẽ nhận biết nhờ sự thay đổi tín hiệu D+ và D-Powered: host gửi lệnh port enable and reset, đồng thời cấp dòng 100mA cho thiết
bị, lúc này thiết bị được khởi động
Default: sau khi reset, thiết bị ở trạng thái mặc định (default) với địa chỉ 0 và
endpoint 0
Address: host gán 1 địa chỉ cho thiết bị để quản lý
Configured: host gửi lệnh GET DESCRIPTOR đến thiết bị để yêu cầu định cấu hình
thiết bị, sau đó host gán các giá trị cấu hình thiết bị qua setup packet Lúc này thiết bị đã sẵn sàng để sử dụng
17 Các lớp thiết bị USB
17.1 Các thành phần của một đặc tả lớp thiết bị
Một đặc tả lớp thiết bị định nghĩa số lượng và loại các điểm cuối bắt buộc cũng như tuỳ chọn mà các thiết bị trong lớp đó có thể có Một đặc tả lớp cũng có thể định nghĩa hoặc đặt tên các định dạng dữ liệu được truyền trên bus Một vài đặc tả lớp định nghĩa các ứng dụng của dữ liệu đang được truyền, điều này cho phép Host biết cách sử dụng dữ liệu mà nó nhận được Một vài lớp thiết bị sử dụng USB để truyền dữ liệu trong một định dạng được định nghĩa bởi một giao diện khác (ví dụ các lệnh của giao diện SCSI được sử dụng bởi các thiết bị lưu trữ thứ cấp -mass-storage device) Một đặc tả lớp cũng có thể định nghĩa các giá trị cho các mục trong các bộ mô tả chuẩn
17.2 Các lớp thiết bị được định nghĩa
Các lớp thiết bị được định nghĩa cho giao tiếp USB:
Trang 10 Thiết bị âm thanh (Audio): Lớp thiết bị âm thanh chính là lớp các thiết bị
gửi và nhận dữ liệu âm thanh Dữ liệu âm thanh có thể là tiếng nói được mã hoá, nhạc hay bất kỳ một loại âm thanh nào khác Các thiết bị thuộc lớp thiết bị âm thanh có thể sử dụng kiểu truyền đẳng thời cho luồng âm thanh hoặc kiểu truyền khối cho dữ liệu đã được mã hoá bằng giao thức MIDI (Musical Instrument Digital Interface)
Thiết bị giao diện thẻ thông minh: Thẻ thông minh là các loại thẻ quen
thuộc được sử dụng cho việc gọi điện thoại, thẻ ra vào, trả cước cầu đường, bảo hiểm y tế, giải mã cho các bộ thu truyền hình vệ tinh và nhiều các ứng dụng khác, những ứng dụng này yêu cầu một khối lượng thông tin nhỏ hoặc trung bình với sự truy cập dữ liệu lưu trong thẻ một cách dễ dàng Mỗi thẻ là một module bao gồm bộ nhớ và thường thêm một CPU Nhiều thẻ cho phép cập nhật nội dung của chúng để thay đổi một số thông tin ví dụ như giá trị tiền trong thẻ tín dụng hay mã của thẻ Để truy cập một thẻ thông minh, bạn kết nối nó với thiết bị giao diện thẻ thông minh (CCID-Chip Card Interface Device) thường bằng cách nhét thẻ vào khe đọc hoặc soi nó trước các bộ đọc đối với loại thẻ không cần tiếp xúc USB định nghĩa lớp thiết bị giao diện thẻ thông minh vì có một số thiết bị giao diện thẻ thông minh (CCID) sử dụng giao diện USB để giao tiếp với máy tính
Lớp các thiết bị truyền thông: Lớp các thiết bị truyền thông bao gồm hai
loại thiết bị chính là: thiết bị thoại và các thiết bị mạng tốc độ trung bình Thiết bị thoại bao gồm điện thoại tương tự, modem tương tự, Các bộ thích nghi đầu cuối ISDN và điện thoại số Các thiết bị mạng bao gồm modem ADSL, modem điện tín, 10BASE-T Ethernet adapter và hub
Lớp thiết bị bảo mật: Lớp thiết bị bảo mật định nghĩa cách thức giúp ta
điều khiển sự truy cập tới các file, âm nhạc, hình ảnh hoặc các dữ liệu khác được truyền trên bus (ví dụ muốn copy một file nào đó lên thiết bị hoặc đọc nội dung được lưu trong thiết bị thì phải có password)
Lớp thiết bị cho phép cập nhật firmware từ Host: Lớp thiết bị cập nhật
firmware định nghĩa một giao thức cho phép máy chủ gửi firmware tăng cường hoặc sửa lỗi cho một thiết bị Sau khi nhận sự nâng cấp firmware thì thiết bị sẽ được thiết lập lại để sử dụng firmware mới của
nó Lớp thiết bị này được biết đến khi chúng ta sử dụng chức năng bootloader cho vi điều khiển
Lớp thiết bị giao diện người sử dụng: bao gồm các loại bàn phím, thiết
bị con trỏ và các bộ điều khiển dùng để chơi game Đối với những thiết
