PDF de programación - Periféricos Interfaces y Buses - III. Interfaces de E/S de datos Interfaces de comunicaciones serie (RS-232, USB, Firewire)

Periféricos Interfaces y Buses

UNIVERSIDAD
DE CANTABRIA

I. Arquitectura de E/S
II. Programación de E/S
III. Interfaces de E/S de datos

Interfaces de comunicaciones serie (RS-232, USB, Firewire). Interfaz
paralelo. Modelo de programación de dispositivos con las interfaces
descritas.

IV. Dispositivos de E/S de datos
V. Buses
VI. Controladores e interfaces de dispositivos de almacenamiento
VII. Sistemas de almacenamiento

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Interfaces de E/S de datos

Bloque II
• Bus USB
• Programación del bus USB
• Firewire

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Introducción al bus USB

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El USB (Universal Serial Bus) es una red para la conexión de
periféricos
• no tiene una topología de bus al uso con arbitrio y estructura de

maestro/esclavo, o con resolución de colisiones en un bus al
que cualquiera puede acceder en cualquier instante (CSMA)
• se parece más a una topología de paso de testigo en estrella

-

tiene una arquitectura en árbol en el que las hojas representan a los
periféricos

- necesita usar hubs para la conexión de los periféricos
- sólamente hay un host por bus para controlarlo
- el host es responsable de realizar todas las transacciones y

planificar el ancho de banda

- esta topología permite desconectar a un dispositivo si falla sin

afectar a los demás

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Introducción al bus USB (cont.)

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Algunas características del bus USB:
• el USB 1.1 dispone de dos especificaciones de la interfaz del

controlador
- UHCI - Universal Host Controller Interface desarrollada por Intel
- OHCI - Open Host Controller Interface desarrollada por Compaq,

Microsoft y National Semiconductors

• la especificación del USB 2.0 es única y ha sido desarrollada por

Intel, Compaq, NEC, Lucent y Microsoft
- EHCI - Enhanced Host Controller Interface

• velocidades de comunicación

- 480 Mbps (High Speed) versión 2.0
- 12 Mbps (Full Speed) versión 1.1
- 1.5 Mbps (Low Speed) versión 1.1

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Introducción al bus USB (cont.)

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• admite hasta 127 dispositivos por controlador

- si se necesitan más se pueden añadir más controladores

• longitudes de cable de hasta 5 metros
• usa 4 cables apantallados
- alimentación (5 V) y tierra
- un par trenzado por el que va la señal diferencial con los datos
• usa una codificación NRZI (Non Return to Zero Invert) en el

envío, con un campo que sincroniza el host con los relojes de
recepción
- en NRZI un 1 se identifica por el mantenimiento de la señal y un 0

por el cambio de nivel

- una secuencia de ceros produce un cambio de nivel en cada tiempo

de bit y una secuencia de unos un nivel constante

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Introducción al bus USB (cont.)

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• soporta la carga y descarga dinámica de drivers

- el host detecta la presencia del dispositivo
-

la carga del driver apropiado se hace mediante la identificación de
los parámetros PID/VID (Product ID/Vendor ID)

• dispone de varios modos de transferencia incluyendo uno con

ancho de banda garantizado

• dispone de varios tipos de conectores, para los tipos A y B

Pin

Cable

Función

Rojo
Blanco
Verde
Negro

VBUS (5 V)
D-
D+
GND

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Introducción al bus USB (cont.)

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Características eléctricas para Low Speed y Full Speed
• en transmisión

- un 1 diferencial se consigue con D+ por encima de 2.8 V y D- por

- un 0 diferencial se consigue con D- por encima de 2.8 V y D+ por

debajo de 0.3 V

debajo de 0.3 V

• en recepción

- un 1 diferencial es D+ 200 mV mayor que D-
- un 0 diferencial es D+ 200 mV menor que D-

• un dispositivo USB puede especificar el consumo de potencia

en unidades de 2 mA

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Introducción al bus USB (cont.)

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Suspensión
• un dispositivo entra en modo de suspensión si no tiene

actividad en el bus por un tiempo de 3 ms

• la corriente que consume en este caso está limitada a 500 μA por

unidad de consumo

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Protocolo USB

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A diferencia de interfaces como la RS-232 que sólo envía bytes, el
USB dispone de protocolos con varios niveles

Todas las transacciones de datos las inicia el host

La mayoría de las transacciones USB constan de
• un paquete de testigo

- enviado por el host para describir si se trata de una lectura o una

escritura y cuál es el dispositivo con el que se va a comunicar

• un paquete de datos opcional
• paquete de estado

- para reconocer la transacción (si los datos o el testigo se han

recibido correctamente, o reportar el error)

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Protocolo USB (cont.)

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El modelo de transferencia de datos entre el host y un endpoint
(dispositivo) se denomina pipe (tubería), y puede ser de dos tipos:
• stream: los datos no tienen una estructura definida
• mensaje: los datos tienen una estructura definida

A las tuberías en tiempo de configuración del dispositivo se les
asocia:
• el ancho de banda
• el tipo de servicio
• las características del endpoint

- direccionalidad
-

tamaño de los buffers

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Protocolo USB (cont.)

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Otras características del protocolo:
• Robustez incorporando mecanismos de detección y corrección

de errores

• El bus USB soporta que un dispositivo se conecte o desconecte

en cualquier instante
- el software debe soportar estos cambios en caliente

• El bus asigna una dirección única a los dispositivos conectados

(la asignación de direcciones es una actividad dinámica)

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Protocolo USB (cont.)

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Tipos de datos del protocolo:
• Control: usados para configurar un dispositivo en el momento

en el que se conecta y para otras actividades específicas del
dispositivo

• Bulk: usado para datos generados o consumidos relativamente

grandes y a ráfagas

• Interrupt: para transmisión temporizada y fiable de datos
• Isochronous: utiliza un ancho de banda garantizado

previamente negociado (también llamado streaming real time
transfers)

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Dispositivos USB

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Los dispositivos se dividen en clases como hubs, interfaces
humanas, impresoras, dispositivos de imagen, o dispositivos de
almacenamiento

Sin embargo, hay una división fundamental en dos clases:
• hubs

- permiten la conexión de otros dispositivos

• functions

- dispositivo capaz de recibir o transmitir información de datos o de

control

- aquí están todos los dispositivos

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Dispositivos USB (cont.)

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Todos los dispositivos tienen una dirección en el bus, y puede
soportar una o más tuberías con las que se comunican con el host

En particular todo dispositivo debe soportar una tubería en el
endpoint 0 a través de la cual se puede controlar y que lleva los
siguientes tipos de información asociados:
• Standard: información común a todos los dispositivos

-

identificador del fabricante, clase de dispositivo, capacidad de
control de la energía

- descripciones de dispositivo, configuración, interfaz USB y

endpoint

• Class: información dependiente de la clase
• USB Vendor: información dependiente del fabricante

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Interfaces de E/S de datos

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• Bus USB
• Programación del bus USB
• Firewire

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Drivers USB

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El núcleo de Linux soporta dos tipos de drivers USB:
• drivers de host

- control desde el punto de vista del host (computador)

• drivers de dispositivo

- control desde el punto de vista del dispositivo
- para algunos sistemas empotrados
- para distinguirlos se llaman también USB gadget drivers

Linux soporta los drivers del primer grupo (host) mediante un
subsistema llamado USB Core que maneja la mayor parte de la
complejidad asociada al bus USB

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Estructura de drivers USB

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Estructura de dispositivos USB

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Endpoints

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Soporta la comunicación más básica en el bus USB:
• lleva datos en una sola dirección

- out endpoint: del computador al dispositivo
-

in endpoint: del dispositivo al computador

• se puede pensar como una tubería unidireccional
• puede ser de uno de tipos de datos USB

- Control
-
Interrupt
- Bulk
-

Isochronous

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Endpoints (cont.)

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Normalmente control y bulk se usan para transferencias de datos
asíncronas

En camb