Capítulo 3. Bus serie universal (USB)

Introducción

Este capítulo trata sobre el estándar USB y su funcionamiento, con especial énfasis en los temas relacionados con la implementación del osciloscopio.

El estándar USB

El bus serie universal (Universal Serial Bus, o simplemente USB) es un estándar diseñado para conectar dispositivos, a través de un bus serie. Fue originalmente pensado para conectar dispositivos a computadoras, eliminando la necesidad de conectar tarjetas PCI (o similares), como así también conectar y desconectar los dispositivos sin tener que reiniciar la PC (hot-swap). Sin embargo, hoy en día también se utiliza en consolas de juegos e incluso en algunos equipos de audio y video.

El diseño del protocolo USB está a cargo del USB Implementers Forum (USB-IF), una organización compuesta por varias empresas del ramo de la computación y la electrónica, entre las que se encuentran Apple Computer, Hewlett-Packard, Microsoft e Intel.

La versión actual del protocolo USB es la 2.0, pero su especificación a tenido varias revisiones a lo largo de la historia, las cuales se muestran en la siguiente tabla.

La versión 1.1 es el estándar mínimo que debe cumplir todo dispositivo USB hoy en día. La última versión (2.0) soporta tasas de transferencia de altas velocidades, comparables (o incluso superiores) a la de un disco duro o almacenamiento magnético, lo cual ha permitido ampliar el uso del USB a aplicaciones de video y almacenamiento masivo. Una de las razones a la cual se atribuye su gran popularidad es que todas las versiones del protocolo son compatibles hacia atrás. Es decir, que cualquier dispositivo 2.0 puede ser conectado a un dispositivo 1.0, aunque funcionará la velocidad del más lento.

Las tres velocidades de transferencia soportadas son:

El tipo de Alta velocidad fue introducido en la revisión USB 2.0, mientras que los otros ya existían desde la 1.0. Los de baja velocidad generalmente son dispositivos de interacción con la computadora como ratones, teclados y joysticks.

Topología

USB tiene un diseño asimétrico ya que consiste de un host controlador conectado a múltiples dispositivos conectados en daisy-chain.

USB conecta varios dispositivos a un_host controlador a través de un cadenas de hubs. Los hubs (al igual que en redes) son dispositivos que permiten, a partir de un único punto de conexión, poder conectar varios dispositivos, es decir, disponer de varios puntos de conexión. De esta forma se crea una especie de estructura de árbol. El estándar admite hasta 5 niveles de ramificación por host controlador con un límite absoluto de 127 dispositivos conectados al mismo bus (incluyendo los hubs). Siempre existe un hub principal (conocido como el hub raíz) que está conectado directo al host controlador.

Un mismo dispositivo USB puede cumplir varias funciones. Por ejemplo, un mouse puede ser también lector de tarjetas, y de esa forma sería como dos dispositivos conectados al bus USB. Por lo tanto es muy común hablar de funciones en lugar de dispositivos.

Funcionamiento

Los dispositivos (o mejor dicho, las funcionas) tienen asociados unos canales lógicos unidireccionales (llamados pipes) que conectan al host controlador con una entidad lógica en el dispositivo llamada endpoint. Los datos son enviados en paquetes de largo variable (potencia de 2). Típicamente estos paquetes son de 64, 128 o más bytes.

Estos endpoints (y sus respectivos pipes) son numerados del 0 al 15 en cada dirección, por lo cual un dispositivo puede tener hasta 32 endpoints (16 de entrada y 16 de salida). La dirección se considera siempre desde el punto de vista del host controlador. Así un endpoint de salida será un canal que transmite datos desde el host controlador al dispositivo. Un endpoint solo puede tener una única dirección. El endpoint 0 (en ambas direcciones) está reservado para el control del bus.

Cuando un dispositivo es conectado al bus USB, el host controlador le asigna una dirección única de 7 bit (llamado proceso de enumeración) que es utilizada luego en la comunicación para identificar el dispositivo (o, en particular, la función). Luego, el host controlador consulta continuamente a los dispositivos para ver si tiene algo para mandar, de manera que ningún dispositivo puede enviar datos sin la solicitud previa explícita del host controlador.

Para acceder a un endpoint se utiliza una configuración jerárquica de la siguiente manera: un dispositivo/función conectado al bus tiene un único descriptor de dispositivo, quien a su vez tiene uno (o varios) descriptores de configuración. Estos últimos guardan generalmente el estado del dispositivo (ej: activo, suspendida, ahorro de energía, etc). Cada descriptor de configuración tiene uno (o más) descriptores de interfaz, y éstos a su vez tienen una configuración por defecto (aunque puede tener otras). Y éstos últimos finalmente son los que contienen los endpoint, que a su vez pueden ser reutilizados entre varias interfaces (y distintas configuraciones).

Como puede verse, la comunicación USB es bastante compleja y extremadamente más complicada que una simple comunicación serie.

Tipos de transferencia

Los canales también se dividen en cuatro categorías según el tipo de transmisión:

• transferencias de control - usado para comandos (y respuestas) cortos y simples. Es el tipo de transferencia usada por el pipe 0
• transferencias isócronas - proveen un ancho de banda asegurado pero con posibles pérdidas de datos. Usado típicamente para audio y video en tiempo real
• transferencias interruptivas - para dispositivos que necesitan una respuesta rápida (poca latencia), por ejemplo, mouse y otros dispositivos de interacción humana
• transferencias masivas - para transferencias grandes y esporádicas utilizando todo el ancho de banda disponible, pero sin garantías de velocidad o latencia. Por ejemplo, transferencias de archivos.

En realidad las transferencias interruptivas no son tales ya que los dispositivos no pueden enviar datos sin recibir autorización del host controlador. Por lo tanto, las transferencias interruptivas simplemente le dan más prioridad al sondeo del host controlador.

Señalización y conectores

Las señales USB son transmitidas en un par trenzado (cuyos hilos son denominados D+ y D-) utilizando señalización diferencial half-duplex minimizando el ruido electromagnético en tramos largos. El diseño eléctrico permite un largo máximo de 5 metros, sin necesidad de un repetidor intermediario.

Existen dos tipos de conectores: estándar y mini. Los estándar son los que típicamente encontramos en un computador y vienen en dos tipos: A y B. El tipo A es el que es chato y se encuentra del lado del host controlador, mientras que el tipo B es el cuadrado y se encuentra del lado del dispositivo. Todos los cables son machos, mientras que los enchufes (ya sea en la computadora o los dispositivos) son hembra. No existen intercambiadores de género puesto que las conexiones cíclicas no están permitidas en un bus USB. Los conectores mini siguen la misma política que los estándar pero son utilizados para dispositivos pequeños como Palm y celulares.

Los pines de un cable USB son los siguientes:

A continuación se muestra un diagrama de los conectores (las medidas están en mm) y los números de los pines se corresponden con la tabla anterior.

Fig 3.1 Conector USB tipo A (izquierda) y tipo B (derecha)

Fig 3.2 Conector USB Mini tipo A (izquierda) y tipo B (derecha)

Potencia

El bus USB suministra 5V de continua regulados por cada uno de sus puertos, entre los pines 1 y 4. Por lo tanto, dispositivos de bajo consumo de potencia (que de otra forma vendría con un fuente de alimentación) puede obtener de allí la corriente necesaria para el funcionamiento. El límite de corriente suministrada es de 500mA por cada puerto. Además, el estándar exige no más de 5.25V en ningún caso, ni menos de 4.375V en el peor caso. Típicamente el voltaje se mantiene en los 5V.

Algunos hubs se alimentan directamente del bus USB, en cuyo caso la corriente total de todos los dispositivos conectados a él no puede superar los 500mA. Sin embargo, la especificación permite solo un nivel de hub alimentados por el bus, de forma que no es posible conectar un hub sin alimentación a otro hub sin alimentación. Los hubs con alimentación propia no tienen esta restricción y generalmente son necesario para conectar dispositivos de alto consumo como impresoras o discos duros.

Cuando un dispositivo es conectado le reporta al host controlador cuanta potencia va a consumir. De esta manera el host controlador lleva un registro de los requisitos de cada puerto y cuando un dispositivo se excede generalmente se apaga, cortándole el suministro de corriente, de forma de no afectar al resto de los dispositivos. El estándar exige que los dispositivos se conecten en un modo de bajo consumo (100 mA máximo) y comuniquen al host controlador cuanta corriente precisan, para luego cambiar a un modo de alto consumo (si el host se lo permite).

Los dispositivos que superen los límites de consumo deben utilizar su propia fuente de poder.

Los dispositivos que no cumplan con los requisitos de potencia y consuman más corriente de la negociada con el host, pueden dejar de funcionar sin previo aviso o, en algunos casos, dejar todo el bus inoperativo, dependiendo del tipo de host controlador usado.

Clases de dispositivos

Los dispositivos que se conectan puede tener sus propios drivers personalizados. Sin embargo, existen lo que se llaman clases de dispositivos que son pequeños estándar para distintos tipos de dispositivos y especifican como deben compartirse los dispositivos en términos de los descriptores de interfaz y de dispositivo, endpoints, etc. Esto permite que todos los dispositivos sean fácilmente intercambiables y/o sustituibles puesto que hablan el "mismo idioma". Por su parte, los sistema operativos solo tienen que implementar drivers genéricos para todas las clases conocidas de dispositivos lo cual alivia el alto costo de desarrollar y mantener un driver particular para cada producto y modelo.

En conclusión, las clases de dispositivos son una estandarización de funcionalidades a un nivel superior al del bus BUS y que utiliza a éste último como medio de comunicación e intercambio de datos.

Tanto los descriptores de dispositivos como los descriptores de interfaz tiene un byte que identifica la clase. En el primer caso, todo el dispositivo/función pertenece a la misma clase, mientras que en el segundo un mismo dispositivo puede tener diferentes clases, cada una asociada a su descriptor de interfaz.

Dado que el identificador de la clase es un byte, existe un máximo de 253 clases diferentes (0x00 y 0xFF están reservados). Los códigos de las clases son asignados por el el USB Implementers Forum, y a continuación se presenta una lista de los más comunes.

Nuestro osciloscopio USB, en particular, pertenece a la clase CDC (0x0A).

Referencias

• USB Implementers Forum (USB-IF)
  • http://www.usb.org/
• Especificación USB 2.0
  • http://www.usb.org/developers/docs/