USB 3.0 SuperSpeed. t e c n o l o g í a usb

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1 t e c n o l o g í a usb Por José Luis Rupérez Fombellida (España) El Bus Serie Universal (USB) nació en 1996 para conectar fácilmente diferentes dispositivos a un ordenador mediante conexión serie. Desde entonces, paso a paso, se ha convertido en el sistema de conexión más extendido, relegando al olvido al resto de los sistemas de conexión tradicionales en los ordenadores de última generación. Figura 1. Logo Aunque ha evolucionado desde su nacimiento, desde la primera versión sus principales ventajas son: Conexión/desconexión en caliente (Hot-swap). Para conectar o desconectar los dispositivos no hay que apagar el ordenador. Bus Power: El bus USB puede, en algunos casos, alimentar a los dispositivos. Plug & Play: Se conecta el dispositivo al bus USB y listo. Quizá pueda ser necesario instalar un driver. El USB Implementers Forum (USB-IF, [1]) desarrolla toda la normativa USB. Lo forman varias empresas: Hewlett- Packard Company, Microsoft Corporation, Intel Corporation, NEC Corporation, ST-NXP Wireless y Texas Instrumentes. El USB está tan extendido que ha hecho prácticamente desaparecer de los ordenadores los interfaces paralelo (Centronics) y serie (RS232). La versión actual del USB es la 2.0, pero dentro de nada tendremos el nuevo o. Los dispositivos y ordenadores se esperan para finales de 2009 o principios de 2010, sin embargo el próximo Windows 7 no está previsto que soporte USB 3.0, al menos en su versión inicial. Evolución del interfaz USB La versión 1.1 sustituyó a la 1.0 y la versión 2.0 sustituyó a la 1.1 pero la 3.0 no sustituye (tabla 1), sino que complementa a la 2.0: El bus incluye la versión 2.0 más la velocidad (a efectos prácticos podemos esperar una velocidad de transferencia de datos de 400MBytes/s). Esta impresionante velocidad servirá para transferir rápidamente la gran cantidad de datos de, por ejemplo, futuras videocámaras de disco duro y alta definición. Otra ventaja importante del es que aumenta considerablemente la cantidad de corriente que un dispositivo puede absorber (Bus Power). Además un ordenador con tendrá soporte completo y la velocidad. Si le conectásemos un dispositivo 3.0 tendríamos velocidad, pero también podríamos conectar un dispositivo 2.0 (en este caso la velocidad sería alguna de las permitidas para esa versión: Low, Full o High ). Arquitectura La arquitectura es en estrella por niveles. El primer nivel (nivel raíz) se encuentra en lo más alto de la arquitectura y por debajo de ella se encuentran los niveles 2, 3 (figura 2). 60 elektor, electronics worldwide - 5/2009

2 En el primer nivel está únicamente el host (físicamente situado en el ordenador) que es el controlador del bus y tiene varios puertos downstream (), para conectar los hub USB y los periféricos USB. Los periféricos son los aparatos USB que conectemos al bus (impresora, disco duro, etc.) y tienen un puerto upstream () de entrada. Cada periférico puede tener internamente más de un dispositivo. Los dispositivos son origen y destino de datos y la transferencia de datos se produce entre el host y la o las funciones lógicas de cada dispositivo a través de los interfaces de las funciones: Podemos pensar en un teclado con lector de tarjetas; sería el periférico. Dentro de él tenemos dos dispositivos: teclado y lector de tarjetas. De forma lógica el host se comunicará con la función del teclado y la función del lector de tarjetas mediante sus interfaces. Los hub tienen un puerto de entrada upstream que mira hacia el host o hacia una salida de un hub. Los hub también tienen varios puertos de salida downstream para expandir el BUS (son el centro de las estrellas de la arquitectura USB). Los hub se sitúan en niveles inferiores (nivel 2, nivel 3, etc) de la arquitectura USB. Son unos periféricos especiales. Dentro hay dos hub (figura 5 y tabla 3). Uno para USB Tabla 1. Evolución interfaz USB Versión USB 1.0 USB 1.1 Fecha 1996 / / / / 11 Velocidad Low 1.5 Mbits/s Full 12 Mbits/s High 480 Mbits/s Super- 5 Gbits/s TIER 1 TIER 2 TIER 3 TIER 4 TIER 5 TIER 6 TIER 7 HOST 2.0 y otro para. De esta forma la expansión del bus USB que se produce gracias al hub es compatible con velocidad y no (). Periférico Los periféricos con un solo dispositivo pueden consistir en una o más topologías (una sola función o varias funciones): Figura 2. Arquitectura Debemos entender entrada y salida de los puertos en función de su posición en la arquitectura, ya que por cualquier puerto los datos pueden viajar en ambos sentidos, hacia arriba y hacia abajo. El número de dispositivos es de 127 como máximo y entre el host y un dispositivo pueden estar intercalados hasta 5 hub. Por este motivo en el último nivel, el 7, sólo puede haber dispositivos y no hub. Los conectores de los puertos upstream y downstream son distintos para evitar errores de conexionado. En está garantizada la compatibilidad con versiones anteriores gracias a que su arquitectura es de doble bus. Así se tiene la posibilidad de funcionar en velocidad y en velocidades antiguas (). En la figura 3 se muestra un ejemplo que incluye un host 3.0, un hub 3.0 y un periférico de dos funciones, una y otra y se ve en detalle la topología de doble bus. La conexión y la no (USB 2.0) van físicamente juntas, formando un solo cable (cable compuesto). Una mejora de la norma es que el flujo de datos se ruta explícitamente (se encamina hacia el dispositivo correcto), mientras que la norma distribuye esa información a todo el bus. HOST Por compatibilidad el host 3.0 (figura 4 y tabla 2) incluye internamente un host y otro host no (). Por eso el bus puede funcionar simultáneamente en velocidad y no (). Low PERIPHERAL CABLE HOST CABLE CABLE CABLE COMPOSITE CABLE Full High Figura 3. En este ejemplo se ve en detalle la topología de doble bus. 5/ elektor, electronics worldwide 61

3 t e c n o l o g í a usb Low HOST Full High Tabla 2 Host USB 3.0 Significado Downstream Sentido de conexión Downward Dónde se puede conectar? Hub (US ) Periférico (US ) Figura 4. Host Tabla 3 Host USB 3.0 Significado Sentido de conexión Dónde se puede conectar? Low HOST Full High US port DS port Upstream Downstream Hacia arriba Hacia abajo Hub (DS ) Host (DS ) Hub (US ) Periférico (US ) Tabla 4 Figura Host US port Significado Upstream Sentido de conexión Hacia arriba Dónde se puede conectar? Hub (DS ) Host (DS ) Figura 6. Dispositivo periférico PERIPHERAL SINGLE SINGLE INTERFACE periférico, función única, interfaz único. Da lugar a un dispositivo único (Figura 6). periférico, función múltiple, interfaz múltiple. Da lugar a un dispositivo compuesto (composite) (figura 7). También hay periféricos con más de un dispositivo. Los dispositivos están conectados permanentemente a un hub integrado: periférico, dispositivo múltiple. Da lugar a un dispositivo compuesto (compound) (figura 8). PERIPHERAL Si un periférico incluye en su interior una función USB 3.0 y otra función 2.0 no podrán funcionar las dos simultáneamente (tabla 4). Figura 7. Dispositivo compuesto MULTIPLE MULTIPLE INTERFACE COMPOSITE Cables y conectores El cable tiene todos los conductores más los nuevos para velocidad (figura 9 y tabla 5). PERIPHERAL PERIPHERAL COMPOUND COMPOUND Figura 8. Dispositivo compuesto a b 62 elektor, electronics worldwide - 5/2009

4 Tabla 5. Cable Letra Comentario Nombre conductor A Camisa B Malla metálica Shield C Relleno D E Par diferencial de datos UTP (par trenzado no apantallado) 2 X Par diferencial de datos SDP (par trenzado apantallado) UTP_D-, UTP_D+ Primer par: SDP1, SDP1+ Segundo par: SDP2, SDP2+ F Positivo PWR G Negativo GND_PWRrt Figura 9. Sección del cable VBUS D+ D- SSRX+ SSRX- SSTX+ SSTX- GND VBUS D+ D- SSRX+ SSRX- SSTX+ SSTX- GND Figura 10. Cable El par UTP pertenece a la versión y los dos pares SDP pertenecen a la velocidad. El positivo y el negativo ya existían en la versión 2.0 y se mantienen en la 3.0 (figura 10). El par UTP permite una transmisión half-duplex; sin embargo los dos pares permiten dual-simplex, lo cual es una gran ventaja, puede existir tráfico de datos en ambos sentidos simultáneamente. La tensión diferencial nominal en los pares de datos SDP es de 1Vpp. El cable presenta un conector macho a cada lado. Pueden darse 5 tipos de cables distintos en función de los conectores macho (tabla 6). Puede verse que sólo hay dos tipos de conectores macho, A y B. Los A conectan hacia arriba (a ) y Tabla 6. Tipos de cables Tipo y tamaño Conector macho 1 A Micro A Micro Tipo y tamaño Conector macho 2 B Estándar B Micro B Micro B Estándar los B conectan hacia abajo (a ). Además los hay en tamaño estándar y micro. Todos los tipos de cables, excepto uno, tienen un conector macho tipo A en un extremo y uno B en el otro, para conectar el ordenador (host) con los periféricos o los hub y los hub con otros hub o periféricos. La excepción es el cable con conector macho tipo A en ambos lados (se crea una especie de cable cruzado). Según la norma este cable servirá para conectar un host con otro (ordenador con ordenador). Esto es algo novedoso puesto que bajo la versión sólo se podían interconectar dos ordenadores intercalando determinada circuitería (figura 11). La norma menciona que los cables deben cumplir con determinadas especificaciones eléctricas de donde se puede deducir que la longitud de los cables será de 3 metros. Los conectores macho y los conectores hembra USB 3.0 son distintos de los (aunque parecidos), debido a que deben conectar más hilos. Los conectores macho de los cables se conectan en los conectores hembra. Los conectores hembra pueden ser de tipo A o B y de tamaño estándar o micro. Encontraremos los de tipo A en el ordenador (host) y en las salidas de los hub. Los de tipo B estarán en los periféricos y en entradas de Figura 11. Cable y conectores 5/ elektor, electronics worldwide 63

5 t e c n o l o g í a usb Figura 12. Logo hub. Los conectores hembra tipo A o tipo B permiten conectar tanto cables como cables (en este último caso sin ). Bus Power El interfaz USB permite alimentar a los periféricos que estén conectados a él (5Vdc nominal, mínimo 4Vdc) (tabla 7). La norma USB maneja la corriente expresándola en unidades de carga: : Una unidad de carga son 100mA. Si la corriente demandada es de hasta una unidad de carga el suministro de corriente está garantizado y es un periférico de baja potencia. Si es mayor y de hasta 5 unidades de carga (500mA), es un periférico de alta potencia y el host determinará si el bus es capaz de entregar esa corriente y se lo comunicará al periférico. : Una unidad de carga son 150mA. Si la corriente demandada es de hasta una unidad de carga el suministro de corriente está garantizado y es un periférico de baja potencia. Si es mayor y de hasta 6 unidades de carga (900mA), es un periférico de alta potencia y el host determinará si el bus es capaz de entregar esa corriente y se lo comunicará al periférico. Tabla 7. Bus Power (Corriente a absorber) Tipo Unidad de carga ma mínima máxima mínima máxima La versión aumenta la capacidad de alimentación de los periféricos, lo que hará que muchos de ellos puedan prescindir de alimentación externa, pasando a alimentarse directamente del bus USB. Si un periférico necesita más corriente todavía entonces necesitará alimentarse externamente, denominándose self power. Más sobre Power El bus o el 3.0 puede alimentar a los periféricos (positivo: VBUS, negativo: GND), pero en la norma hay una importante novedad: Un periférico puede alimentar a otros elementos. Para ello el periférico utiliza un conector hembra con alimentación tipo B especial que incluye todas las señales conocidas (positivo, negativo, un par UTP y dos pares SDP) y añade dos nuevas: dpwr y dgnd, tensión nominal entre ellas de 5Vdc y corriente máxima de 1Adc. Esta nueva alimentación es proporcionada por el periférico, no por el bus. Si, por ejemplo, tenemos una impresora USB 3.0 con un conector hembra con alimentación tipo B, en vez de conectarla por cable al bus USB (al host o a alguna salida de algún hub), podrá conectarse a un adaptador wireless USB y alimentarlo. O sea que el adaptador wireless USB obtendrá su alimentación de la impresora y no requerirá un alimentador aparte. Lógicamente el adaptador wireless USB tendrá un conector macho con alimentación tipo B (un conector macho normal con dos terminales más, para recoger la alimentación dpwr y dgnd que le proporciona el conector hembra de la impresora). Tubería, endpoint, transacción? Algo sobre jerga USB: tubería: Camino virtual de datos entre host y endpoint. endpoint: Es el destino de cada tubería. Son buffers de memoria para almacenar múltiples bytes y físicamente suelen ser registros o posiciones de memoria dentro de los dispositivos. Se numeran del 0 al 15 (EP0, EP1, EP2,, EP15) y pueden ser de entrada o salida, desde el punto de vista del host. Todos son opcionales (excepto el EP0) y dan lugar a 15 endpoint de entrada y otros tantos de salida (EP1 entrada, EP2 entrada,, EP15 entrada, EP1 salida, EP2 salida,, EP15 salida). El EP0 siempre existe y es de entrada y salida (EP0 entrada y EP0 salida) y sirve para acceder a la información de configuración del dispositivo. Ya que el EP0 siempre existe, también existe siempre una tubería entre él y el host que se denomina: tubería predeterminada de control. transacción: Es el intercambio de datos entre el host y los endpoint del dispositivo a través de las tuberías. Los endpoint, además de ser de entrada o salida, también se clasifican en: control, bulk, interrupt y isochronous, dando lugar a cuatro tipos de transacciones (tabla 8). Si un endpoint de entrada de un dispositivo tiene que enviar datos al host, lo notifica y comienza la transacción. Este protocolo se denomina flujo de tráfico asíncrono, nuevo y mejor que el flujo de tráfico por sondeo del : el host está periódicamente comprobando si algún dispositivo quiere enviar datos hacia el host. El sondeo es peor técnica porque incrementa el tráfico en el bus. Tabla 8 Transacciones Control Bulk Interrupt Isochronous Uso típico Configuración Impresora Teclado Audio Escáner Ratón Video Imprescindible Si No No No Corrección de errores si Si Si No Sentido flujo de datos Bidireccional E o SE E o SE E o SE Típico de mensaje Control Dato Dato Dato 64 elektor, electronics worldwide - 5/2009

6 Descriptores en Los dispositivos tienen ciertos descriptores (tablas de datos que el host utiliza para configurar y manejar los dispositivos. Los más importantes son: device descriptor: Sólo hay uno. Incluye información general del dispositivo: VID/PID (pareja de números que identifican al dispositivo) y número de formas distintas de configuración que presenta. configuration descriptor: Uno por cada forma de configurar el dispositivo: Incluye información específica del dispositivo: número de interfaces y máximo consumo de corriente (en múltiplos de 8mA). Recordar que la transferencia de datos se realiza entre el host y los interfaces de las funciones del dispositivo. interface descriptor: Uno por cada interfaz. Básicamente contiene: número de endpoint y no de este interfaz. En la práctica cada interfaz es un conjunto de caminos virtuales de datos (tuberías), uno por endpoint. endpoint descriptor: Uno por cada endpoint o no. Describe si el endpoint es entrada o salida, el tipo de transferencia (control, bulk, interrupt o isochronous), etc. superspeed endpoint companion descriptor: Uno por cada endpoint. Es específico de la versión ; los anteriores descriptores también están en la versión. Proceso de enumeración en La enumeración se produce al conectar un dispositivo al bus USB y ocurren varias cosas: Se establece la tubería predeterminada de control entre el host y el endpoint 0 del dispositivo. Por el momento la máxima corriente que puede absorber el device es de una unidad de carga (150mA). El host asigna una dirección al dispositivo (1 a 127). El host lee mediante la tubería predeterminada de control el device descriptor para conocer el VIP/PID y el número de configuraciones posibles que tiene el dispositivo. El host lee mediante la tubería predeterminada de control los configuration descriptor. Tendrá tantos configuration descriptor como configuraciones posibles tenga el dispositivo. El resto de los descriptores, interface descriptor, endpoint descriptor y superspeed endpoint companion descriptor, también se leen en este momento pues van asociados al configuration descriptor. Con toda esta información el host configura todos los endpoint y establece todas las tuberías. En función de los datos leídos del dispositivo, el host puede responder a las necesidades de corriente del dispositivo, aumentando desde 1 unidad de carga (150mA) hasta 6 unidades de carga (900mA). Enlace de Internet [1] ( I) Publicidad C Programming for Embedded Microcontrollers NUEVO! Aprender haciéndolo La tecnología está cambiando constantemente. Cada año están disponible nuevos microcontroladores y los antiguos llegan a ser redundantes. Lo único que permanece invariable es el lenguaje de programación C utilizado para programar estos microcontroladores. Si quieres aprender este leguaje de programación estándar para la programación de microcontroladores este libro (en inglés) es para ti. No se necesita experiencia previa en programación! El aprendizaje se inicia desde el nivel más bajo, con programas sencillos, y se va avanzando lentamente desde aquí. Inicialmente, la programación se realiza solo sobre PC, con lo que no es preciso un hardware dedicado. Este libro emplea solamente software de código abierto (open source) o gratuito y programas de ejemplo y ejecicios que pueden ser descargados desde Internet. Aunque este libro se centra en los microcontroladores ARM de Atmel, el lenguaje de programación se aplica de igual manera a otros fabricantes de ARMs de igual forma que a otros microcontroladores. 324 páginas ISBN ,50 Elektor International Media Spain, S.L. Apartado de Correos Sitges (Barcelona) España Tel.: Fax: Más información y pedidos en 5/ elektor, electronics worldwide 65

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