USB for everyone

Có một vài chủ đề hỏi về USB chứng tỏ đây là một vấn đề nóng hổi. Gom vào đây post bài và trả lời cho tiện.

Đầu tiên là sơ đồ chân và thông số cổng USB cho bạn nào cần biết:
- Thông tin lấy chủ yếu từ trang Web chính thức của hiệp hội phát triển USB
www.usb.org

Đầu tiên là sơ đồ chân và thông số cổng USB cho bạn nào cần biết:
- Thông tin lấy chủ yếu từ trang Web chính thức của hiệp hội phát triển USB
www.usb.org

USB Technical Overview
( David J. Meppelink, April 10, 2003)
 
Giới thiệu
 
        USB [Universal Serial Bus] là một chuẩn kết nối ngoại vi như là chuột, bàn phím, camera, ổ đĩa đến PC.
1. Đầu tiên USB thay thế tất cả các loại đầu nối cổng song song và nối tiếp khác với một đầu cắm chuẩn và kết hợp cổng.
2. Với PCs kèm theo USB và ngoại vi bạn chỉ cần cắm chúng và bật chúng lên. USB thực hiện mọi quá trình tự động.
3. USB là thiết bị thay nóng, không cần bật tắt máy khi cắm hay rút thiết bị USB.
4. USB hỗ trợ cắm nhiều thiết bị trong cùng một lúc.
5. Một đặc điểm dễ chịu khác của USB là cung cấp điện cho nhiều thiết bị ngoại vi. USB khiến PC tự động phát hiện công suất yêu cầu và cung cấp cho thiết bị.
 
i.                   Chuẩn USB:
 
        Chuẩn USB được phát triển Diễn đàn thực hiện USB (Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, NEC, Phillips, etc)... Các máy Mac cũng hỗ trợ nó:
        Có hai phiên bản chuẩn:
-         USB 1.1 (1995) định nghĩa hai tốc độ 12Mbps (full speed) và 1.5Mbps (low speed) và hai dạng đầu nối Series A và Series B.
-         USB 2.0 (5-2000) định nghĩa 3 tốc độ 480Mbps (high speed), 12Mbps và 1.5Mbps. Nó hoàn toàn tương thích ngược với USB 1.1.
        Sau khi chuẩn USB 2.0 phát hành (10-2000), Engineering Change Notice (ENC) thêm đầu nối Series mini-B.

USB Technical Overview
( David J. Meppelink, April 10, 2003)
 
Giới thiệu
 
        USB [Universal Serial Bus] là một chuẩn kết nối ngoại vi như là chuột, bàn phím, camera, ổ đĩa đến PC.
1. Đầu tiên USB thay thế tất cả các loại đầu nối cổng song song và nối tiếp khác với một đầu cắm chuẩn và kết hợp cổng.
2. Với PCs kèm theo USB và ngoại vi bạn chỉ cần cắm chúng và bật chúng lên. USB thực hiện mọi quá trình tự động.
3. USB là thiết bị thay nóng, không cần bật tắt máy khi cắm hay rút thiết bị USB.
4. USB hỗ trợ cắm nhiều thiết bị trong cùng một lúc.
5. Một đặc điểm dễ chịu khác của USB là cung cấp điện cho nhiều thiết bị ngoại vi. USB khiến PC tự động phát hiện công suất yêu cầu và cung cấp cho thiết bị.
 
i.                   Chuẩn USB:
 
        Chuẩn USB được phát triển Diễn đàn thực hiện USB (Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, NEC, Phillips, etc)... Các máy Mac cũng hỗ trợ nó:
        Có hai phiên bản chuẩn:
-         USB 1.1 (1995) định nghĩa hai tốc độ 12Mbps (full speed) và 1.5Mbps (low speed) và hai dạng đầu nối Series A và Series B.
-         USB 2.0 (5-2000) định nghĩa 3 tốc độ 480Mbps (high speed), 12Mbps và 1.5Mbps. Nó hoàn toàn tương thích ngược với USB 1.1.
        Sau khi chuẩn USB 2.0 phát hành (10-2000), Engineering Change Notice (ENC) thêm đầu nối Series mini-B.

i.                   So sánh tốc độ:
 
        Bảng sau cho thấy tốc độ truyền (megabytes per second) của USB và các chuẩn giao diện thường sử dụng khác:
 
Connection Type                                                           Mbytes/sec Comments
serial port                                                                       0.013
standard parallel port                                                       0.115
Original USB                                                                  1.5 (10x faster than typical IO ports)
ECP/EPP parallel port                                                     3
IDE                                                                               16.7
SCSI-1                                                                           5
SCSI-2 (Fast SCSI, Fast Narrow SCSI)                           10
Fast Wide SCSI (Wide SCSI)                                          20
Ultra SCSI (SCSI-3, Fast-20, Ultra Narrow)                     20
UltraIDE                                                                        33 (typical max for PC disks)
Wide Ultra SCSI (Fast Wide 20)                                      40
Ultra2 SCSI                                                                    40
IEEE-1394 (Firewire)                                                      50
Hi-Speed USB                                                                60 (2x faster than typical disks)
Wide Ultra2 SCSI                                                           80
Ultra3 SCSI                                                                    80
Wide Ultra3 SCSI                                                           160
FC-AL Fiber Channel                                                     400
 
This table is adapted from the Frequently Asked Question ?oHow does this compare to other connections used
with PCs and workstations?? at http://www.usb.org/faq
 
ii.                 Bus cấu trúc [Bus Topology]
 
        Thiết bị USB bao gồm cả hubs, là thiết bị cung cấp thêm các điểm gắn cho USB hoặc các functions - cung cấp khả năng như digital camera, disk, keyboard, mouse.
USB sử dụng tiered star topology [mạng xếp tầng ngôi sao] để thực hiện hub và các nút function. Một hub đặt tại trung tâm của mỗi ngôi sao. Một đoạn dây là nối điểm-đến-điểm giữa hub và các hub khác hoặc function đặt ở tầng [tier] tiếp theo.
Vì sự ép buộc về thời gian [timing constraints], USB giới hạn ở 7 tầng. Host nằm một mình ở tầng 1 và cũng chỉ có thể có một host trong một hệ thống USB. Chỉ cho phép functions ở tầng 7. Các tầng từ 2 - 6 có thể có cả hubs hoặc functions. Một thiết bị phức hợp mà có cả hub và function  chiếm hai tầng vì vậy nó không thể đặt ở tầng 7.

i.                   So sánh tốc độ:
 
        Bảng sau cho thấy tốc độ truyền (megabytes per second) của USB và các chuẩn giao diện thường sử dụng khác:
 
Connection Type                                                           Mbytes/sec Comments
serial port                                                                       0.013
standard parallel port                                                       0.115
Original USB                                                                  1.5 (10x faster than typical IO ports)
ECP/EPP parallel port                                                     3
IDE                                                                               16.7
SCSI-1                                                                           5
SCSI-2 (Fast SCSI, Fast Narrow SCSI)                           10
Fast Wide SCSI (Wide SCSI)                                          20
Ultra SCSI (SCSI-3, Fast-20, Ultra Narrow)                     20
UltraIDE                                                                        33 (typical max for PC disks)
Wide Ultra SCSI (Fast Wide 20)                                      40
Ultra2 SCSI                                                                    40
IEEE-1394 (Firewire)                                                      50
Hi-Speed USB                                                                60 (2x faster than typical disks)
Wide Ultra2 SCSI                                                           80
Ultra3 SCSI                                                                    80
Wide Ultra3 SCSI                                                           160
FC-AL Fiber Channel                                                     400
 
This table is adapted from the Frequently Asked Question ?oHow does this compare to other connections used
with PCs and workstations?? at http://www.usb.org/faq
 
ii.                 Bus cấu trúc [Bus Topology]
 
        Thiết bị USB bao gồm cả hubs, là thiết bị cung cấp thêm các điểm gắn cho USB hoặc các functions - cung cấp khả năng như digital camera, disk, keyboard, mouse.
USB sử dụng tiered star topology [mạng xếp tầng ngôi sao] để thực hiện hub và các nút function. Một hub đặt tại trung tâm của mỗi ngôi sao. Một đoạn dây là nối điểm-đến-điểm giữa hub và các hub khác hoặc function đặt ở tầng [tier] tiếp theo.
Vì sự ép buộc về thời gian [timing constraints], USB giới hạn ở 7 tầng. Host nằm một mình ở tầng 1 và cũng chỉ có thể có một host trong một hệ thống USB. Chỉ cho phép functions ở tầng 7. Các tầng từ 2 - 6 có thể có cả hubs hoặc functions. Một thiết bị phức hợp mà có cả hub và function  chiếm hai tầng vì vậy nó không thể đặt ở tầng 7.

i.                   Bus cấu trúc [Bus Topology]
 
        Thiết bị USB bao gồm cả hubs, là thiết bị cung cấp thêm các điểm gắn cho USB hoặc các functions - cung cấp khả năng như digital camera, disk, keyboard, mouse.
USB sử dụng tiered star topology [mạng xếp tầng ngôi sao] để thực hiện hub và các nút function. Một hub đặt tại trung tâm của mỗi ngôi sao. Một đoạn dây là nối điểm-đến-điểm giữa hub và các hub khác hoặc function đặt ở tầng [tier] tiếp theo.
Vì sự ép buộc về thời gian [timing constraints], USB giới hạn ở 7 tầng. Host nằm một mình ở tầng 1 và cũng chỉ có thể có một host trong một hệ thống USB. Chỉ cho phép functions ở tầng 7. Các tầng từ 2 - 6 có thể có cả hubs hoặc functions. Một thiết bị phức hợp mà có cả hub và function  chiếm hai tầng vì vậy nó không thể đặt ở tầng 7.
 
ii.                 Đặc tính điện
 
        USB sử dụng dây dẫn 4 sợi: 5V nguồn và đất (28 - 20 AWG) và hai dây tín hiệu (28 AWG cặp xoắn)
Có 3 tốc độ truyền: tốc độ cao (480MHz), tốc độ đầy đủ (12Mbps) và tốc độ thấp (1.5 Mbps). Nếu thiết bị ở tốc độ đầy đủ hoặc thấp được gắn vào host qua một hoặc nhiều hub và sau đó truyền tín hiệu giữa host và hub thì tín hiệu này được truyền ở tốc độ cao. Điều này làm giảm thiểu băng thông tiêu thụ bởi thiết bị.
Xung clock được chuyển mã [encode] dựa trên NRZI với dồn bit [bit stuffing].
Non Return to Zero Invert (NRZI): A method of encoding serial data in which ones and zeroes are represented by opposite and alternating high and low voltages where there is no return to zero (reference) voltage between encoded bits. This eliminates the need for clock pulses.
Bit Stuffing: Insertion of a zero bit into a data stream to cause an electrical transition on the data wires, allowing
a PLL to remain locked.
Tài liệu chi tiết định nghĩa những lớp công suất sau:
1. Bus-power hubs: lấy công suất cho bản thân hub và downstream ports từ upstream port. Lấy 100mA tại thời điểm bắt đầu và 500mA hoặc ít hơn sau khi cấu hình. Mỗi downstream port có thể nhận tối đa 100mA, không tính dòng rút từ các port khác.
2. Self-powered hubs: lấy công suất cho bản thân hub và downstream port từ một nguồn ngoài. Nhưng nó có thể rút đến 100mA theo yêu cầu đến function khi hub không được cấp công suất [powered off]. Hub có thể cung cấp 100 - 500mA cho mỗi downstream port.
3. Low power bus-powered function: không được rút nhiều hơn 100mA từ USB port.
4. High power bus-powered function: không được rút nhiều hơn 100mA từ USB port lúc mới cấp và lên đến 500mA sau khi cấu hình. Công tắc để chuyển dang công suất cao điều khiển bởi phần mềm.
5. Self powered functions: có thể rút ra từ 100mA theo yêu cầu function khi thiết bị tắt nguồn. Tất cả các tiêu thụ công suất khác lấy từ nguồn ngoài.
Nếu các thiết bị rút quá nhiều dòng, hub sẽ thông báo tình trạng cho phần mềm USB.
USB cũng hỗ trợ quản lý nguồn vì vậy host có thể tắt thiết bị.
 

i.                   Bus cấu trúc [Bus Topology]
 
        Thiết bị USB bao gồm cả hubs, là thiết bị cung cấp thêm các điểm gắn cho USB hoặc các functions - cung cấp khả năng như digital camera, disk, keyboard, mouse.
USB sử dụng tiered star topology [mạng xếp tầng ngôi sao] để thực hiện hub và các nút function. Một hub đặt tại trung tâm của mỗi ngôi sao. Một đoạn dây là nối điểm-đến-điểm giữa hub và các hub khác hoặc function đặt ở tầng [tier] tiếp theo.
Vì sự ép buộc về thời gian [timing constraints], USB giới hạn ở 7 tầng. Host nằm một mình ở tầng 1 và cũng chỉ có thể có một host trong một hệ thống USB. Chỉ cho phép functions ở tầng 7. Các tầng từ 2 - 6 có thể có cả hubs hoặc functions. Một thiết bị phức hợp mà có cả hub và function  chiếm hai tầng vì vậy nó không thể đặt ở tầng 7.
 
ii.                 Đặc tính điện
 
        USB sử dụng dây dẫn 4 sợi: 5V nguồn và đất (28 - 20 AWG) và hai dây tín hiệu (28 AWG cặp xoắn)
Có 3 tốc độ truyền: tốc độ cao (480MHz), tốc độ đầy đủ (12Mbps) và tốc độ thấp (1.5 Mbps). Nếu thiết bị ở tốc độ đầy đủ hoặc thấp được gắn vào host qua một hoặc nhiều hub và sau đó truyền tín hiệu giữa host và hub thì tín hiệu này được truyền ở tốc độ cao. Điều này làm giảm thiểu băng thông tiêu thụ bởi thiết bị.
Xung clock được chuyển mã [encode] dựa trên NRZI với dồn bit [bit stuffing].
Non Return to Zero Invert (NRZI): A method of encoding serial data in which ones and zeroes are represented by opposite and alternating high and low voltages where there is no return to zero (reference) voltage between encoded bits. This eliminates the need for clock pulses.
Bit Stuffing: Insertion of a zero bit into a data stream to cause an electrical transition on the data wires, allowing
a PLL to remain locked.
Tài liệu chi tiết định nghĩa những lớp công suất sau:
1. Bus-power hubs: lấy công suất cho bản thân hub và downstream ports từ upstream port. Lấy 100mA tại thời điểm bắt đầu và 500mA hoặc ít hơn sau khi cấu hình. Mỗi downstream port có thể nhận tối đa 100mA, không tính dòng rút từ các port khác.
2. Self-powered hubs: lấy công suất cho bản thân hub và downstream port từ một nguồn ngoài. Nhưng nó có thể rút đến 100mA theo yêu cầu đến function khi hub không được cấp công suất [powered off]. Hub có thể cung cấp 100 - 500mA cho mỗi downstream port.
3. Low power bus-powered function: không được rút nhiều hơn 100mA từ USB port.
4. High power bus-powered function: không được rút nhiều hơn 100mA từ USB port lúc mới cấp và lên đến 500mA sau khi cấu hình. Công tắc để chuyển dang công suất cao điều khiển bởi phần mềm.
5. Self powered functions: có thể rút ra từ 100mA theo yêu cầu function khi thiết bị tắt nguồn. Tất cả các tiêu thụ công suất khác lấy từ nguồn ngoài.
Nếu các thiết bị rút quá nhiều dòng, hub sẽ thông báo tình trạng cho phần mềm USB.
USB cũng hỗ trợ quản lý nguồn vì vậy host có thể tắt thiết bị.
 

v.                 Cơ khí
 
        USB định nghĩa 4 loại connectors:
1. Series A: đầu cắm hình chữ nhật (15.7mm x 7.5 mm) và luôn luôn hướng đến host. Series A cũng cho phép function như là ngõ ra từ hosts và/hoặc hubs.
2. Series B: đầu cắm gần hình vuông (11.5 mmx 10.5mm) và luôn luôn hướng đến thiết bị. Series B chấp nhận functions như là ngõ vào đến hubs hoặc thiết bị.
3. Series mini-B: đầu cắm gần hình chữ nhật nhỏ (6.8 mmx 10.5mm) và luôn luôn hướng đến thiết bị. Series mini-B chấp nhận functions như là ngõ vào đến hubs hoặc thiết bị.
4. Captive cable assembly: là bất kì đầu cắm phi chuẩn nào nối đến thiết bị nó phải sử dụng một phía đầu nối Series A cắm vào host hoặc hub.
Những đầu nối này đề phòng sắp xếp dây nối sai thứ tự.
Bản mô tả kĩ thuật này không khuyến khích nối dài dây vì nó chỉ có thể cho phép nối từ điểm đến điểm không quá giới hạn là 5m.
 
vi.               Giao thức Bus
 
        USB là một bus hỏi vòng [polled bus]; Bộ điều khiển host khởi tạo tất cả các dữ liệu giao dịch [transaction] chuyển qua. Phần lớn các giao dịch liên quan đến 3 gói:
1. Bộ điều khiển Host gửi một "token packet" [gói đánh dấu] mô tả loại và hướng của hành vi giao dịch, địa chỉ thiết bị và số điểm kết thúc [endpoint number].
- Device Address: A seven-bit value representing the address of a device on the USB. Devices are assigned a unique device address by the USB System Software.
- Device Endpoint: A uniquely addressable portion of a USB device that is the source or sink of information in a communication flow between the host and device.
2. Nguồn của giao dịch gửi gói dữ liệu hoặc một gó "no data" [dữ liệu trống].
3. Đích sẽ gửi gói bắt tay [handshacking packet] mà chỉ ra dữ liệu truyền thành công.
        Giao dịch giữa bộ điều khiển host và một hub sử dụng 4 gói để quản lý dữ liệu ở tốc độ thấp và tốc độ đầy đủ.
        Giao thức bao gồm những CRC ( error check) khác nhau và trường dữ liệu của mỗi gói. CRC cho 100% bao hàm trên lỗi bit đơn và lỗi bit kép. Phục hồi lỗi có thể thực hiện bằng phần cứng (thử lại 3 lần) và phần mềm (thực hiện theo chỉ dẫn ở client).
        Dữ liệu kết nối dữ phần mềm host và một điểm kết thúc riêng gọi là ống [pipe]. Mỗi ống hoạt động độc lập và một thiết bị đơn có thể có nhiều hơn một ống.
Một ống hỗ trợ chỉ một trong các kiểu truyền sau đây tại một thời điểm:
1. Control Transfer [Truyền điều khiển]: được dùng để cấu hình một thiết bị và có thể sử dụng cho các thiết bị có mục đích tương tự khác bao gồm điều khiển các ống khác trong thiết bị.
2. Bulk Data Transfer [Truyền dữ liệu trọng tải lớn] : tạo ra hoặc tiêu thụ một lượng số liệu tương đối lớn và theo khối [burst] mà không có những định hạn quét.
3. Interrupt Data Transfers [Truyền dữ liệu gián đoạn]: được sử dụng cho dữ liệu cần nhận đúng thời điểm và có độ tin cậy. Ví dụ: chuột, game pad.
4. Isochoronous Data Transfers [] (còn gọi là truyền luồng dữ liệu thời gian thực) giữ và dàn xếp trước [prenegotiated] một số băng thông USB với một hệ thống phân phát ngầm thỏa thuận trước [prenegotiated delivery latency]. Dữ liệu thì liên tục và thời gian thực trong quá trình tạo ra, phân phát và tiêu thụ.