Układy transmisji przewodowej na przykładzie USB

Układy transmisji przewodowej na przykładzie USB

Układy transmisji przewodowej
na przykładzie USB
1
Standardy
2
Standardy
•
•
•
•
•
•
•
•
USB 1.1: Low Speed (LS) 1,5 Mb/s, Full Speed (FS)12 Mb/s
USB 2.0: High Speed (HS) 480 Mb/s
USB 3.0: Super Speed (SS) 5 Gb/s, dupleks
Kabel USB 1.1 i USB 2.0: masa, +5V, D+, DKabel USB 3.0: jak wyżej, oraz Tx+, Tx-, Rx+, RxMax. długość kabla 5 m
Dopuszczalne tłumienie kabla: 6dB dla 400 MHz
Impedancja kabla: różnicowa 90Ω ± 15%, dla pojedynczej żyły
względem masy 30Ω ± 30%
2
Topologia sieci USB
Host inicjuje transmisje
Host
Urz.
Urz.
Poziom 0
Hub
Urz.
Hub
Poziom 1
Hub
Poziom 2
itd.
Max. 6 poziomów (plus zerowy), max. 127 urządzeń
Po każdej zmianie w sieci następuje ustalenie trybu komunikacji z największą możliwą
dla danego urządzenia szybkością.
W razie występowania urządzeń LS/FS i HS w tej samej sieci, pierwszy hub (licząc od
dołu) działający w szybszym standardzie przekształca pakiety LS/FS
w pakiety HS
3
Nadajnik i odbiornik USB 1.1
UDD
wejście D+
kształt.
impulsu
45Ω±10%
D+
90Ω
sterowanie
UDD
wejście D-
kształt.
impulsu
D-
45Ω±10%
Dopasowanie impedancji tylko
na wyjściu nadajnika - występują odbicia
wzm.
wyjście
+wzm.
różn.
–
wyjście
wzm.
wyjście
Poziomy napięć dla USB 1.1:
H: 2.8 ... 3.6 V
L: 0 ... 0.3 V
4
Nadajnik i odbiornik USB 2.0
UDD
17,8 mA
dane
ster.
kształt.
impulsu
Układ
sterujący
T2
wzm.
D+
kształt.
impulsu
kształt.
impulsu
T3
90Ω
T1
D-
+wzm.
różn.
–
45Ω±10% 45Ω±10%
wzm.
Gdy nadajnik nadaje:
T1 włączony: zero (SE”0”) na obu liniach
T2 włączony: różnicowe “0”
T3 włączony: różnicowa “1”
Gdy nadajnik nie nadaje, wszystkie tranzystory
wyłączone dla zmniejszenia poboru prądu;
zero (SE”0”) na obu liniach
wyjście
wyjście
wyjście
Poziomy napięć dla USB 2.0:
H: 360 ... 440 mV
L: 0 ... 10 mV
Dopasowanie impedancji
na obu końcach kabla
5
Sygnały w kablu: USB 2.0
Sygnał różnicowy na początku i końcu kabla
G. W. den Besten, “The USB 2.0 Physical Layer: Standard and Implementation”, w: A. van Roermund et al. (red.), Analog Circuit
Design, Kluwer Academic Publishers, 2003.
6
Transmisja: kodowanie NRZI
0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0
D+
(z wykładu 1)
DK J K J K J
J
J K K K
Zero: zmiana “K”->”J” lub “J”->”K”
Jedynka: brak zmiany
Po każdych sześciu bitach dodawane jest 0 (“bit stuffing”); pojawienie się siedmiu
kolejnych jedynek oznacza błąd.
7
Transmisja: struktura pakietu
Początek pakietu danych (SYNC - ta sekwencja służy także do synchronizacji zegara
na obu końcach linii):
Dla FS 8 bitów: 00000001, czyli “J”,“K”, “J”,”K”,”J”,“K”, “J”,”K”,”K”
Dla HS podobnie, ale 32 bity.
Dla HS 32 bity, bo przy transmisji przez kilka poziomów część bitów (max. 4 dla
każdego poziomu) może się gubić.
Koniec pakietu danych (EOP):
Dla FS: SE”0” o czasie trwania równym dwóm bitom, potem stan “J”
Dla HS: 8 (lub 40) stanów różnych od ostatniego stanu danych - to nie ma prawa
wystąpić wewnątrz pakietu (bo “bit stuffing”), więc jest trantowane jako koniec
pakietu.
Pakiet może zawierać do 1024 bajtów, czyli około 10 kb.
8
Dopuszczalne stany linii
D+
D-
Różnicowa “1”
H
L
stan “J” stan “J” stan “K”
Różnicowe “0”
L
H
stan “K” stan “K” stan “J”
Stan
HS
FS
LS
SE “0”
L
L
koniec pakietu/reset/
rozłączone
SE “1”
H
H
niedozwolone
Przy ustalaniu szybkości transmisji dla USB 1.1 (FS czy LS?)
oraz w czasie przerwy w transmisji (“idle”)
D+ jest w stanie H dla FS, a D- jest w stanie H dla LS
Rozróżnienie między USB 1.1, a USB 2.0 jest bardziej skomplikowane.
9
Identyfikacja trybu transmisji (1)
FS (USB1.1), HS(USB2.0) LS (USB1.1)
UDD
UDD
Nadajnik HS
(USB2.0)
1,5kΩ±5%
Odłączalny dla HS
Nadajnik HS
(USB2.0)
D+
90Ω
D-
45Ω±10%
15kΩ±5%
45Ω±10%
Rezystory 45Ω odłączone
Nadajnik LS/FS
(USB1.1)
Host
Rozróżnienie LS - FS przez
miejsce podłączenia rezystora
1,5 kΩ; nie pozwala odróżnić
FS od HS (czyli USB1.1 od
USB2.0)
Nadajnik LS/FS
(USB1.1)
Urządzenie
10
Identyfikacja trybu transmisji (2)
LS (USB1.1)
UDD
UDD
1,5kΩ±5%
Host
USB2.0
D+
Urządzenie USB1.1
LS
90Ω
D-
45Ω±10%
15kΩ±5%
45Ω±10%
Identyfikacja trybu LS:
1. Przed podłączeniem urządzenia stan SE”0” (rez. 15 kΩ)
2. Po podłączeniu stan “K” (H na linii D-)
3. Host wysyła do urządzenia długi (10 ms) sygnał SE”0” - reset urządzenia
11
Identyfikacja trybu transmisji (3)
FS (USB1.1)
UDD
UDD
1,5kΩ±5%
Host
USB2.0
D+
Urządzenie USB1.1
FS
90Ω
D-
45Ω±10%
15kΩ±5%
45Ω±10%
Identyfikacja trybu FS:
1. Przed podłączeniem urządzenia stan SE”0” (rezystory 15 kΩ)
2. Po podłączeniu stan “J” (H na linii D+)
3. Host wysyła do urządzenia długi (10 ms) sygnał SE”0” - reset urządzenia
12
Identyfikacja trybu transmisji (4)
HS (USB2.0)
UDD
UDD
1,5kΩ±5%
Host
USB2.0
Urządzenie
USB2.0
D+
90Ω
D-
45Ω±10%
15kΩ±5%
45Ω±10%
Identyfikacja trybu HS:
1. Przed podłączeniem urządzenia stan SE”0” (rezystory 15 kΩ)
2. Po podłączeniu stan “J” (H na linii D+)
3. Host wysyła do urządzenia długi (10 ms) sygnał SE”0” i czeka 7 ms na
odpowiedź (to nie koniec, ciąg dalszy nastąpi...)
13
Identyfikacja trybu transmisji (5)
HS (USB2.0)
UDD
UDD
1,5kΩ±5%
Host
USB2.0
Urządzenie
USB2.0
D+
90Ω
D-
45Ω±10%
15kΩ±5%
45Ω±10%
Identyfikacja trybu HS - ciąg dalszy:
4. Przed upływem 7 ms urządzenie wysyła “chirp K” - stan “K”, 800 mV
5. Po zakończeniu stanu “K” host włącza tryb HS i wysyła serię stanów “J”
i “K” (“chirp “J”, “chirp “K”)
6. Urządzenie rozpoznaje tę sekwencję i włącza tryb HS
14
Identyfikacja trybu transmisji (6)
HS (USB2.0)
UDD
UDD
1,5kΩ±5%
Host
USB2.0
Urządzenie
USB2.0
D+
90Ω
D-
45Ω±10%
15kΩ±5%
45Ω±10%
Identyfikacja trybu HS - ciąg dalszy:
7. Jeśli urządzenie nie wyśle “chirp K”, host pozostaje w trybie FS
8. Jeśli host jest typu USB1.1, to nie wyśle sekwencji “chirp “J”, “chirp “K”,
wtedy urządzenie pozostaje w stanie FS
15
Identyfikacja trybu transmisji (7)
Włączenie
urządzenia
Host wykrywa “chirp
“K”, włącza tryb HS i
wysyła sekwencję
“K”-”J”
Host
wysyła
SE”0”
Jeśli nie nastąpi
identyfikacja
trybu HS, kończy
się oczekiwanie
hosta w stanie
SE”0”
D+
>10 ms
<7 ms
D3 - 3,125 ms
<875 µs
Reset:
urządzenie
włącza
tryb FS
>1 ms
100
µs
Urządzenie
wykrywa
stan SE”0”
i wysyła
“chirp “K”
Urządzenie
wykrywa
sekwencję
“K”-”J” i
włącza
tryb HS
16
Eliminacja zakłóceń w trybie HS
UDD
UO
+
–
+
–
wyjście
+
–
Idea:
D+
D-
Układ daje na wyjściu stan “1”, sygnalizujący zakłócenie, jeśli wykryje napięcie
różnicowe poniżej pewnej wartości progowej, zwykle z przedziału 100 mV ... 150 mV.
Kondensator na wyjściu zapewnia poprawne działanie w stanach przejściowych.
17
Rozłączenie
Jeśli połączenie jest przerwane, należy przerwać bezużyteczne nadawanie.
Przerwanie połączenia z urządzeniem USB1.1:
Dopóki istnieje połączenie, w przerwie między pakietami linia D+ jest w stanie H
dla FS, a linia D- jest w stanie H dla LS (rezystor 1,5kΩ między linią, a UDD).
Jeśli urządzenie zostanie odłączone, pojawia się stan SE”0”, co pozwala wykryć
rozłączenie.
Przerwanie połączenia z urządzeniem USB2.0:
Przy odłączeniu urządzenia USB2.0 odłączone zostają rezystory 45Ω dopasowujące
do impedancji kabla. W rezultacie napięcie na liniach D+ i D- w stanach “J” i “K”
rośnie z 400 mV do 800 mV. Ten stan jest wykrywany przez układ podobny do
układu wykrywania zakłóceń, ale z napięciem progu na poziomie około 600 mV.
18
Całość układów nadajnika/odbiornika
St
3,3 V
nadajnik HS
D+
DSt
nadajnik LS/FS
D+
D-
Część
cyfrowa
St
D
St
St
D
St
St
45Ω
1,5kΩ
45Ω
D+
90Ω
odbiornik HS
Dwykrywacz zakłoceń
USB1.1 i USB2.0
wykrywacz rozłączenia
USB2.0
odbiornik LS/FS
USB1.1 i USB2.0 Host
odbiorniki stanów SE
USB1.1 FS i USB2.0 Urz.
USB1.1 LS Urz.
St
PLL
Oscylator
1,5kΩ
45Ω
45Ω
15kΩ
15kΩ
19
Implementacja (1)
USB1.1 nie wymaga “szybkich” technologii CMOS. Można zastosować praktycznie
każdą technologię od 700 nm lub nowszą o napięciu dopuszczalnym 5 V.
W USB2.0 występują sygnały o częstotliwościach aż do 480 MHz.
Wymaga to użycia technologii CMOS 180 nm lub bardziej zaawansowanej. (CMOS
350 nm przy użyciu różnych nietrywialnych rozwiązań układowych w części
cyfrowej).
Napięcia dopuszczalne dla technologii poniżej 350 nm są niższe od 5 V wymaganego
dla USB1.1. Możliwym rozwiązaniem jest użycie w części USB1.1 tranzystorów o
dopuszczalnym napięciu 5 V (grubszy tlenek bramkowy, dłuższy kanał), które
normalnie są przeznaczone tylko do układów wejścia/wyjścia.
20
Implementacja (2)
Precyzyjne rezystory: wymagane są rezystancje o dokładności 5% i 10%.
Rozwiązanie 1: rezystory zewnętrzne
Rozwiązanie 2: autokalibracja (następuje podczas resetu)
Idea:
UDD
Dekoder
UO
+
–
Rezystor
wzorcowy
(zewnętrzny)
A/C
Rezystor
kalibrowany
21