Tìm hiểu về chuẩn USB 2.0 và Ứng dụng chuẩn USB để thiết kế điều khiển từ xa

Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  42 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 loại âm thanh nào khác. Các thiết bị thuộc lớp thiết bị âm thanh có thể sử dụng kiểu truyền đẳng thời cho luồng âm thanh hoặc kiểu truyền khối cho dữ liệu đã được mã hoá bằng giao thức MIDI (Musical Instrument Digital Interface) 4.2.2 Thiết bị giao diện thẻ thông minh Thẻ thông minh là các loại thẻ quen thuộc được sử dụng cho việc gọi điện thoại, thẻ quà tặng, thẻ ra vào, trả cước cầu đường, bảo hiểm y tế, giải mã cho các bộ thu truyền hình vệ tinh và nhiều các ứng dụng khác, những ứng dụng này yêu cầu một khối lượng thông tin nhỏ hoặc trung bình với sự truy cập dữ liệu lưu trong thẻ một cách dễ dàng. Mỗi thẻ là một module bao gồm bộ nhớ và thường thêm một CPU. Nhiều thẻ cho phép cập nhật nội dung của chúng để thay đổi một số thông tin ví dụ như giá trị tiền trong thẻ tín dụng hay mã của thẻ. Để truy cập một thẻ thông minh, bạn kết nối nó với thiết bị giao diện thẻ thông minh (CCID-Chip Card Interface Device) thường bằng cách nhét thẻ vào khe đọc hoặc soi nó trước các bộ đọc đối với loại thẻ không cần tiếp xúc. USB định nghĩa lớp thiết bị giao diện thẻ thông minh vì có một số thiết bị giao diện thẻ thông minh (CCID) sử dụng giao diện USB để giao tiếp với máy tính. 4.2.3 Lớp các thiết bị truyền thông Lớp các thiết bị truyền thông bao gồm hai loại thiết bị chính là: thiết bị thoại và các thiết bị mạng tốc độ trung bình. Thiết bị thoại bao gồm điện thoại tương tự ,modem tương tự, Các bộ thích nghi đầu cuối ISDN và điện thoại số. Các thiết bị mạng bao gồm modem ADSL, modem điện tín, 10BASE-T Ethernet adapter và hub 4.2.4 Lớp thiết bị bảo mật Lớp thiết bị bảo mật định nghĩa cách thức giúp ta điều khiển sự truy cập tới các file, âm nhạc, hình ảnh hoặc các dữ liệu khác được truyền trên bus (ví Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  43 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 dụ muốn copy một file nào đó lên thiết bị hoặc đọc nội dung được lưu trong thiết bị thì phải có password). 4.2.5 Lớp thiết bị cho phép cập nhật firmware từ Host Lớp thiết bị cập nhật firmware định nghĩa một giao thức cho phép máy chủ gửi firmware tăng cường hoặc vá cho một thiết bị. Sau khi nhận sự nâng cấp firmware thì thiết bị sẽ được thiết lập lại để sử dụng firmware mới của nó. 4.2.6 Lớp thiết bị giao diện người sử dụng Lớp thiết bị giao diện người sử dụng bao gồm các loại bàn phím, thiết bị con trỏ và các bộ điều khiển dùng để chơi game. Đối với những thiết bị này, máy chủ đọc thông báo từ thiết bị và gần như lập tức thực hiện theo các yêu cầu của người sử dụng (các yêu cầu này mang tính giao tiếp trực tiếp giữa người sử dụng và máy) như sự ấn phím, sự di chuyển của con chuột. Máy chủ phải đáp ứng đủ nhanh sao cho người sử dụng không nhận thấy độ trễ rất nhỏ giữa yêu cầu của họ và các đáp ứng của máy. 4.2.7 Cầu liên kết dữ liệu hồng ngoại (Infrared Data Association Bridge) Lớp thiết bị cầu liên kết dữ liệu hồng ngoại định nghĩa những yêu cầu về phần cứng và các giao thức cho phép việc truyền tải dữ liệu ở khoảng cách ngắn thông qua năng lượng hồng ngoại. Thiết bị cầu liên kết dữ liệu hồng ngoại sẽ được nối với máy chủ qua cổng USB cho phép máy chủ sử dụng giao diện USB để giám sát, điều khiển và truyền dữ liệu qua một giao diện hồng ngoại. 4.2.8 Lớp thiết bị lưu trữ thứ cấp Lớp thiết bị lưu trữ thứ cấp chính là các thiết bị có thể truyền dữ liệu theo cả hai hướng (từ máy chủ tới thiết bị hoặc từ thiết bị về máy chủ). Điển hình cho lớp thiết bị này có thể kể đến các ổ đĩa mềm, ổ đĩa cứng, ổ CD, ổ DVD và ổ nhớ flash. Các loại camera cũng có thể sử dụng lớp lưu trữ thứ cấp Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  44 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 để cho phép việc truy cập các file hình ảnh trong bộ nhớ của camera. Trong các máy tính sử dụng hệ điều hành Windows, các thiết bị thuộc lớp lưu trữ thứ cấp sẽ xuất hiện như các ổ đĩa trong cửa sổ My Computer và hệ điều hành cho phép người sử dụng sao chép, di chuyển và xoá các dữ liệu trong các thiết bị đó. 4.2.9 Lớp các thiết bị in ấn Lớp các thiết bị in ấn được định nghĩa cho các thiết bị chuyển dữ liệu nhận được từ máy chủ thành định dạng chữ hay hình ảnh trên giấy hay vật liệu nào đó 4.2.10 Lớp thiết bị lưu giữ ảnh tĩnh Lớp thiết bị này bao gồm Các loại máy ảnh và máy quét. Công việc chủ yếu của lớp thiết bị này là truyền dữ liệu hình ảnh từ thiết bị lên máy tính chủ. Ngoài ra một vài thiết bị còn có thể nhận dữ liệu từ máy tính. Nếu tất cả những gì ta cần là truyền các file hình ảnh từ một máy ảnh lên máy tính chủ thì ta có thể đưa một máy ảnh vào lớp thiết bị lưu trữ thứ cấp. 4.2.11 Lớp các thiết bị đo lường và kiểm tra Lớp các thiết bị đo lường và kiểm tra là để dành cho các thiết bị đo đạc như các bộ ADC, DAC, cảm biến và các bộ chuyển đổi (chuyển đổi đơn vị vật lý chẳng hạn). Các thiết bị này có thể là một khối riêng rẽ hoặc là một cạc trong một máy tính lớn. 4.2.12 Lớp các thiết bị ảnh động Lớp các thiết bị ảnh động hỗ trợ các thiết bị ghi hình số xách tay, webcam, và một số thiết bị có chức năng gửi, nhận hay can chỉnh ảnh động. Lớp thiết bị này cũng hỗ trợ việc truyền các ảnh tĩnh từ các thiết bị ảnh động. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  45 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 4.2.13 Thực hiện các chức năng không tiêu chuẩn Một vài thiết bị không có sự phù hợp rõ rệt với một lớp thiết bị được định nghĩa. Ví dụ như các thiết bị điều khiển động cơ, rơ le, hay các cơ cấu chấp hành khác. Một ví dụ khác là các thiết bị kết nối giữa hai máy vi tính (Cầu sử dụng USB). Nếu một thiết bị đầu cuối mà không phù hợp để gán vào một lớp được định nghĩa thì người thiết kế sẽ phải viết driver cho thiết bị để cung cấp cho máy chủ các thông tin giúp nó giao tiếp được với thiết bị đó. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  46 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Chương 5: Lớp thiết bị giao diện người sử dụng Lớp thiết bị giao diện người sử dụng (HID-Human Interface Device) là một trong những lớp đầu tiên được hệ điều hành windows hỗ trợ. Trên những chiếc máy tính cá nhân sử dụng Windows 98 hoặc các phiên bản muộn hơn thì những ứng dụng có thể giao tiếp với các thiết bị giao diện người sử dụng bằng cách sử dụng các bộ điều khiển (driver) được xây dựng sẵn trong hệ điều hành. Cũng chính vì lý do trên mà nhiều nhà cung cấp thiết bị đầu cuối USB sử dụng lớp thiết bị giao diện người sử dụng cho sản phẩm của họ. Chương này sẽ trình bày về lớp HID với mục đích giúp người đọc nhận định xem một thiết bị nào đó có phù hợp để gán vào lớp HID hay không. Chỉ ra các yêu cầu đối với vi chương trình (firmware) để định nghĩa một thiết bị thuộc lớp HID và cho phép nó trao đổi dữ liệu với máy tính chủ. Chương cũng sẽ giới thiệu 6 yêu cầu điều khiển cụ thể. 5.1 Khái niệm về HID Từ “giao diện người sử dụng” trong tên gọi của lớp HID để chỉ ra sự tương tác trực tiếp giữa con người với thiết bị thuộc lớp này. Ví dụ một con chuột có thể phát hiện việc chúng ta di chuyển hay nhấn chuột để gửi thông tin lên máy chủ và máy chủ sử dụng thông tin này để đem lại các đáp ứng mà người sử dụng đang mong đợi trong một ứng dụng cụ thể nào đó. Bên cạnh các thiết bị phổ biến của lớp HID như bàn phím, con chuột, cần điều khiển (joystick) thì lớp HID còn bao gồm một số thiết bị khác như các núm điều Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  47 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 chỉnh, các chuyển mạch, nút nhấn, thanh trượt, điều khiển từ xa, bàn phím điện thoại, các thiết bị điều khiển dùng cho game như bao tay, bánh lái. Tuy nhiên một thiết bị thuộc lớp HID không nhất thiết phải có một giao diện người sử dụng. Một thiết bị có thể gán vào lớp HID khi các chức năng của nó nằm gọn trong các giới hạn của đặc tả lớp HID. Dưới đây là các giới hạn và khả năng chủ của các thiết bị thuộc lớp HID: - - - - - Tất cả dữ liệu được trao đổi dưới cùng một dạng cấu trúc được gọi là báo cáo (report). Máy chủ gửi và nhận dữ liệu bằng cách gửi các báo cáo và yêu cầu các báo cáo trong các phương thức truyền điều khiển hoặc truyền ngắt. Định dạng báo cáo là khá linh hoạt và nó có thể áp dụng cho rất nhiều dạng của dữ liệu song đối với mỗi một báo cáo đã được định nghĩa thì kích cỡ của nó là xác định. Một giao diện HID phải có một điểm cuối ngắt vào (interrupt IN enpoint) để gửi dữ liệu lên máy chủ. Một giao diện HID có thể có tối đa một điểm cuối ngắt vào và một điểm cuối ngắt ra (interrupt OUT enpoint). Nếu ta cần nhiều điểm cuối ngắt hơn nữa thì ta có thể tạo một thiết bị đa chức năng gồm nhiều thiết bị HID ở trong nó. Một ứng dụng phải đảm bảo sự điều khiển riêng biệt tới từng HID trong thiết bị đa chức năng. Điểm cuối ngắt vào cho phép HID gửi thông tin lên máy chủ ở những thời điểm mà không hề biết trước. Ví dụ không thể có cách nào giúp máy tính biết trước khi nào người sử dụng ấn một phím nào đó trên bàn phím do đó bộ điều khiển máy chủ sử dụng giao tác ngắt để thăm dò có định kỳ nhằm thu lượm dữ liệu mới. Tốc độ trao đổi dữ liệu là hạn chế, đặc biệt là khi truyền ở tốc độ thấp hoặc toàn tốc. Điểm cuối ngắt tốc độ thấp không thể vượt quá 800 bytes/sec [2], với các điểm cuối toàn tốc thì tốc độ tối đa là 64 KB/s [2] còn điểm cuối ngắt tốc độ cao thì tốc độ tối đa vào khoảng 24 MB/s [2]. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  48 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 -  Với bản Windows 98 Gold thì nó chỉ hỗ trợ USB 1.0 [2] tức là không hỗ trợ điểm cuối ngắt ra do đó tất cả dữ liệu truyền từ máy chủ xuống thiết bị phải sử dụng truyền điều khiển Lưu ý là giao diện HID có thể chỉ là một trong nhiều kiểu giao diện được hỗ trợ bởi một thiết bị. Ví dụ một loa USB có thể sử dụng phương thức truyền đẳng thời cho âm thanh đồng thời cũng có thể có một giao diện HID cho việc điều khiển độ to nhỏ, cân bằng, treble và bass. Một giao diện HID thường sẽ rẻ hơn cách thức điều khiển vật lý truyền thống trên một thiết bị. 5.2 Các yêu cầu về phần cứng 5.2.1 Các điểm cuối Tất cả các kiểu truyền của HID sử dụng hoặc điểm cuối điều khiển hoặc điểm cuối ngắt. Tất cả các HID phải có một điểm cuối ngắt vào để gửi dữ liệu tới máy chủ. Một điểm cuối ngắt ra là tuỳ chọn. 5.2.2 Các loại báo cáo (Report) Yêu cầu đối với một điểm cuối ngắt vào cho thấy mọi HID phải có tối thiểu là một report đầu vào được định nghĩa trong bộ mô tả report của HID. các report đầu ra và report đặc biệt là tuỳ chọn. 5.2.3 Các yêu cầu có thể gửi từ Host tới thiết bị trong kiểu truyền điều khiển Đặc tả HID định nghĩa 6 yêu cầu cụ thể mà Host có thể gửi tới thiết bị. Hai trong số đó là Set_Report và Get_Report, đem lại cách để Host và thiết bị trao đổi report thông qua kiểu truyền điều khiển. Host sử dụng Set_Report để gửi report và Get_Report để nhận thông báo. Bốn yêu cầu còn lại liên quan tới việc cấu hình thiết bị. Các yêu cầu Set_Idle và Get_Idle dùng để thiết lập và đọc tốc độ rỗi, cái cho biết có hay không việc một thiết bị gửi lại dữ liệu không hề thay đổi kể từ lần thăm dò cuối. Các yêu cầu Set_Protocol và Get_Protocol Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  49 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 thiết lập và đọc giá trị giao thức. Giá trị giao thức sẽ cho biết một thiết bị có thể được sử dụng hay không ngay cả khi bộ điều khiển đầy đủ của nó chưa được tải trên Host (ví dụ con chuột và bàn phím có thể thực hiện chức năng của nó ngay trong giai đoạn khởi động - khi mà bộ điều khiển chính thức của nó chưa được tải ở trên Host). Các loại yêu cầu vừa nêu sẽ được trình bày chi tiết hơn ở đoạn sau. 5.2.4 Kiểu truyền ngắt Các điểm cuối ngắt đem lại sự luôn phiên trong việc trao đổi dữ liệu, đặc biệt khi phía thu phải có được dữ liệu một cách nhanh chóng hoặc định kỳ. Truyền điều khiển có thể bị trễ nếu bus quá bận trong khi băng thông cho truyền ngắt lại được đảm bảo. Khả năng thực hiện truyền ngắt ra (OUT) được bổ sung ở phiên bản 1.1 của chuẩn USB. Windows 98 SE là phiên bản Windows đầu tiên hỗ trợ USB 1.1 và HID 1.1 [2]. 5.3 Các yêu cầu về vi chương trình (Firmware) Vi chương trình phải phù hợp với các yêu cầu của lớp thiết bị. Các bộ mô tả của thiết bị phải bao gồm một bộ mô tả giao diện để định nghĩa thiết bị thuộc lớp HID, một bộ mô tả HID và một bộ mô tả điểm cuối ngắt vào (IN). Bộ mô tả điểm cuối ngắt ra (OUT) là tuỳ chọn. Vi chương trình cũng phải chứa một bộ mô tả report. Một HID có thể hỗ trợ một hay nhiều report. Bộ mô tả report chỉ ra kích thước và nội dung của dữ liệu chứa trong report cũng như cách mà phía thu sẽ sử dụng dữ liệu nhận được. Các giá trị trong bộ mô tả sẽ chỉ ra mỗi report là một report đầu vào, đầu ra hay là một report đặc biệt. Máy chủ nhận dữ liệu chứa trong report đầu vào và gửi dữ liệu chứa trong report đầu ra. Một report đặc biệt có thể được truyền theo cả hai hướng Mọi thiết bị nên hỗ trợ tối thiểu một report đầu vào để máy chủ có thể thu nhận dữ liệu thông qua truyền ngắt hoặc truyền điều khiển. Các report đầu Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  50 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 ra là tuỳ chọn. Để tương thích với Windows 98 Gold thì các thiết bị sử dụng các report đầu ra nên hỗ trợ việc gửi report thông qua truyền điều khiển. Sử dụng truyền ngắt cho các thông báo đầu ra là tuỳ chọn. Còn các thông báo đặc biệt cũng là tuỳ chọn và nếu được sử dụng thì nó luôn được truyền thông qua truyền điều khiển. 5.4 Cách thức để chỉ ra một thiết bị thuộc lớp HID Với bất kỳ thiết bị USB nào thuộc lớp HID thì các bộ mô tả của nó chỉ cho máy chủ cái máy chủ cần biết để giao tiếp với thiết bị. Máy chủ tìm hiểu về giao diện HID trong suốt quá trình thiết lập bằng cách gửi một yêu cầu Get_Descriptor. Các bộ mô tả của một thiết bị thuộc lớp HID bao gồm: Bộ mô tả thiết bị (Device Descriptor), bộ mô tả cấu hình (Configuration Descriptor), bộ mô tả giao diện (Interface Descriptor), bộ mô tả HID (HID Descriptor), bộ mô tả điểm cuối ngắt vào (IN interrupt Enpoint Descriptor), bộ mô tả điểm cuối ngắt ra (OUT Interrupt Endpoint Descriptor) và bộ mô tả điểm cuối ngắt đặc biệt (Feature Interrupt Endpoint Descriptor). Hai bộ mô tả sau cùng là tuỳ chọn (tức có thể có hoặc không). Ngoài các bộ mô tả vừa liệt kê ở trên thiết bị thuộc lớp HID còn phải có một bộ mô tả nữa đó là bộ mô tả Report (bộ mô tả Report sẽ được nói cụ thể sau). Sau đây là một ví dụ về các bộ mô tả cho một thiết bị thuộc lớp HID của một nhà cung cấp [2]. { // Device Descriptor 0x12, 0x01, 0x0200, 0x00, 0x00, 0x00, 0x08, 0x0925, // Descriptor size in bytes // Descriptor type (Device) // USB Specification release number (BCD) (2.00) // Class Code // Subclass code // Protocol code // Endpoint 0 maximum packet size // Vendor ID (Lakeview Research) Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  51 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 0x1234, 0x0100, 0x01, 0x02, 0x00, 0x01  // Product ID // Device release number (BCD) // Manufacturer string index // Product string index // Device serial number string index // Number of configurations // Configuration Descriptor 0x09, 0x02, 0x0029, 0x01, 0x01, 0x00, 0xA0, 0x50, // Descriptor size in bytes // Descriptor type (Configuration) // Total length of this and subordinate descriptors // Number of interfaces in this configuration // Index of this configuration // Configuration string index // Attributes (bus powered, remote wakeup supported) // Maximum power consumption (100 mA) // Interface Descriptor 0x09, 0x04, 0x00, 0x00, 0x02, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, // Descriptor size in bytes // Descriptor type (Interface) // Interface Number // Alternate Setting Number // Number of endpoints in this interface // Interface class (HID) // Interface subclass // Interface protocol // Interface string index // HID Descriptor 0x09, 0x21, 0x0110, // Descriptor size in bytes // Descriptor type (HID) // HID Spec. release number (BCD) (1.1) Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  52 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 0x00, 0x01, 0x22, 002F,  // Country code // Number of subordinate class descriptors // Descriptor type (report) // Report descriptor size in bytes // IN Interrupt Endpoint Descriptor 0x07, 0x05, 0x81, 0x03, 0x40, 0x0A, // Descriptor size in bytes // Descriptor type (Endpoint) // Endpoint number and direction (1 IN) // Transfer type (interrupt) // Maximum packet size // Polling interval (milliseconds) // OUT Interrupt Endpoint Descriptor 0x07, 0x05, 0x01, 0x03, 0x40, 0x0A // Descriptor size in bytes // Descriptor type (Endpoint) // Endpoint number and direction (1 OUT) // Transfer type (interrupt) // Maximum packet size // Polling interval (milliseconds) } Trong ví dụ trên, ta thấy dòng thứ sáu của bộ mô tả giao diện (Interface Descriptor) có giá trị là 03 h để chỉ ra giao diện của thiết bị là giao diện của một HID. Các trường khác đáng lưu ý trong bộ mô tả giao diện là trường subclass và protocol ở các dòng thứ 7 và 8. Nếu bit subclass=1 thì có nghĩa là thiết bị hỗ trợ giao diện khởi động. Một HID với giao diện khởi động sẽ có thể thực hiện một phần chức năng của mình khi mà driver của nó chưa được máy chủ tải đến. Hoàn cảnh này có thể xuất hiện khi máy tính khởi động trực tiếp từ DOS hoặc khi sử dụng chế độ an toàn (safe mode) của Windows để gỡ lỗi hệ thống. Một bàn phím hoặc con chuột với giao diện khởi động có thể sử dụng một giao thức đã được đơn giản hoá được hỗ trợ bởi hệ thống vào ra cơ sở Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  53 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 (BIOS) của nhiều máy tính chủ. Trường protocol=1 tức là thiết bị hỗ trợ giao diện bàn phím còn nếu bằng 2 thì thiết bị hỗ trợ giao diện con chuột. Bộ mô tả HID (HID Descriptor) là bộ mô tả được bổ sung cho lớp HID. Bộ mô tả này có thể có 7 trường hoặc nhiều hơn tuỳ thuộc vào số lượng các bộ mô tả được thêm vào cho thiết bị: - - - - - - - Trường bLength có kích thước 1 byte cho biết độ dài của bộ mô tả HID tính theo byte. Trường bDescriptorType có giá trị là 21h để chỉ ra bộ mô tả này là bộ mô tả HID. Trường bcdHID có kích thước 2 byte để chỉ ra phiên bản USB mà thiết bị tuân theo. Trường bCountryCode, Nếu thiết bị được sử dụng chỉ trong phạm vi địa lý của một nước nào đó thì trường này sẽ mang mã của quốc gia đó (Đặc tả HID có danh sách mã của các nước). Nếu việc sử dụng thiết bị không phụ thuộc vào vị trí địa lý thì trường này có giá trị 00h Trường bNumDescriptors chỉ ra số lượng các bộ mô tả lớp thuộc cấp dưới của bộ mô tả này. Trường bDescriptorType chỉ ra loại của bộ mô tả thuộc cấp dưới của bộ mô tả này. (Ví dụ như trường này có giá trị 22h để chỉ ra rằng bộ mô tả cấp dưới của nó là bộ mô tả Report) wDescriptorLength cho biết kích thước tổng cộng của các bộ mô tả đã được mô tả trước nó và phần kích thước kể từ đầu cho đến trường này của bộ mô tả HID. Nếu thiết bị có thêm một bộ mô tả vật lý (physical descriptor) thì bộ mô tả HID sẽ có thêm hai trường nữa được liệt kê lần lượt là: - - bDescriptorType có giá trị là 23h để chỉ ra bộ mô tả cấp dưới là bộ mô tả vật lý. wDescriptorLength cho biết tổng kích thước của các bộ mô tả đã được mô tả tính từ đầu cho đến hết trường này. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  54 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 5.5 Bộ mô tả báo cáo (Report Descriptor) Một bộ mô tả thông báo định nghĩa khuôn dạng và công dụng của dữ liệu chứa trong các report. Ví dụ nếu thiết bị là một con chuột thì dữ liệu trong report sẽ thông báo cho máy chủ biết sự di chuyển của con chuột và sự click chuột, nếu thiết bị là một bộ điều khiển rơle thì dữ liệu trong báo cáo sẽ cho biết rơle nào mở và rơle nào đóng. Bộ mô tả report cần phải đủ linh hoạt để điều khiển thiết bị với các mục đích khác nhau. Dữ liệu lưu trong report cần được tối ưu hoá về kích thước để tránh lãng phí không gian lưu trữ và rút ngắn thời gian khi truyền trên bus. Sau đây là một ví dụ về bộ mô tả report của một keyboard và sẽ trình bày một số kiến thức liên quan đến bộ mô tả report thông qua việc giải thích ví dụ này ( hiểu đầy đủ và cặn kẽ về bộ mô tả report là một điều không hề đơn giản vì vậy mà ví dụ này chỉ mới nêu ra được một phần kiến thức về bộ mô tả). Để tạo bộ mô tả Report cho lớp HID ta sử dụng phần mềm “HID Descriptor Tool”, đây là một tiện ích miễn phí và có thể tải về từ địa chỉ sau: util/download.asp?url=/intelpress/usb/Examples/ ZipFiles/DT.zip&title=HID+Descriptor+Tool&fullpg=3&site=Developer Ví dụ mẫu cho một bộ mô tả report của keyboard [8] USAGE_PAGE (Generic Desktop) USAGE (Keyboard) COLLECTION (Application) USAGE_PAGE (Keyboard) USAGE_MINIMUM (Keyboard LeftControl) USAGE_MAXIMUM (Keyboard Right GUI) LOGICAL_MINIMUM (0) LOGICAL_MAXIMUM (1) REPORT_SIZE (1) REPORT_COUNT (8) Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 05 09 A1 05 19 29 15 25 75 95 01 06 01 07 E0 E7 00 01 01 08  55 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 INPUT (Data, Var, Abs) REPORT_COUNT (1) REPORT_SIZE (1) USAGE_PAGE (LEDs) USAGE_MINIMUM (Num Lock) USAGE_MAXIMUM (Kana) OUTPUT (Data, Var, Abs) REPORT_COUNT (1) REPORT_SIZE (3) OUTPUT (Cnst, Var, Abs) REPORT_COUNT (6) REPORT_SIZE (8) LOGICAL_MINIMUM (0) LOGICAL_MAXIMUM (101) USAGE_PAGE (Keyboard)  81 95 75 05 19 29 91 95 75 91 95 75 15 25 05  02 01 01 08 01 05 02 01 03 03 06 08 00 65 07 USAGE_MINIMUM (Reserved (no event indicated)) 19 00 USAGE_MAXIMUM (Keyboard Application) INPUT (Data, Aray, Abs) 29 81 65 00 END_COLLECTION Khi nhìn vào ví dụ trên ta thấy có 2 cột số phía bên phải, đó chính là các mã hex mà host nhận được khi nó gửi yêu cầu Get_Descriptor. Cột thứ nhất thể hiện mã hex của một mục (một mục sẽ được viết bằng chữ in hoa), cột thứ hai là mã hex thể hiện các thiết lập cụ thể của mục. Bộ mô tả bắt đầu bằng mục USAGE_PAGE có mã hex là 05h, mục này chỉ ra chức năng tổng quát của thiết bị. Hai byte sau gọi là USAGE ID, trong ví dụ này có giá trị là 01h để chỉ ra Generic Desktop. Generic Desktop là loại USAGE ID dùng cho các thiết bị kiểu như bàn phím, con chuột hay joystick. Tiếp theo ta có mục USAGE, mục này thực chất chỉ là một USAGE ID của mục USAGE_PAGE, cột thứ nhất có giá trị là 09h để chỉ ra mục này là một USAGE ID, còn cột thứ hai có giá trị là 06h để chỉ ra loại USAGE ID này là Keyboard. Nhiều USAGE ID có thể có Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  56 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 cùng chung một USAGE_PAGE. Sau khi một USAGE_PAGE xuất hiện thì tất cả các USAGE ID theo sau nó đều là các USAGE ID của nó. Điều này được áp dụng cho đến khi xuất hiện một USAGE_PAGE mới. Mục đích của 2 dòng đầu trong bộ mô tả report ở trên là để báo cho host biết thiết bị của ta có công dụng tổng quát là Generic Desktop và chức năng cụ thể của nó là một keyboard. Dòng thứ ba là mục COLLECTION, mục này được dùng để nhóm các mục có liên quan với nhau. Có 3 loại COLLECTION được định nghĩa là application, physical và logical, ngoài ra còn một loại không được định nghĩa là Vendor defined. Một application COLLECTION chứa các mục có chung một mục đích hoặc các mục cùng thực hiện một chức năng đơn nhất. Tất cả các bộ mô tả report đều phải có một application COLLECTION và các mục report (tức các mục của Input report, Output report hay feature report) phải được đặt trong application COLLECTION. Một COLLECTION sẽ kết thúc với mục END_COLLECTION. Dòng tiếp theo là mục USAGE_PAGE (Keyboard), mục này chỉ ra chức năng của Input report bởi nó được khai báo trong phần của Input report. Phần khai báo của một report sẽ bắt đầu ngay sau mục COLLECTION hoặc ngay sau sự kết thúc của một report được khai báo trước nó và phần khai báo của một report kết thúc với mục INPUT nếu loại report là Input, OUTPUT nếu loại report là Output, FEATURE nếu loại report là feature. Như vậy phần khai báo cho input report trong ví dụ của ta bắt đầu với mục USAGE_PAGE (Keyboard) và kết thúc tại mục INPUT (Data, Var, Abs) USAGE_MINIMUM và USAGE_MAXIMUM được dùng để gán chỉ số cho một mảng các USAGE ID sẽ được sử dụng của USAGE_PAGE. USAGE_PAGE (Keyboard) có 232 USAGE được đánh chỉ số từ 0 (cho sự kiện không có phím nào được ấn) tới 231 (ứng với sự kiện phím Right GUI được ấn). Đối với ví dụ ta đang xét thì hai mục USAGE_MINIMUM và USAGE_MAXIMUM chỉ ra rằng báo cáo INPUT sẽ cung cấp cho host sự kiện một trong các phím LeftControl (E0h), LeftShift (E1h), LeftAlt (E2h), LeftGUI Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  57 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 (E3h), RightControl (E4h), RightShift (E5h), RightAlt (E6h), RightGUI (E7h) được ấn hay không. LOGICAL_MINIMUM và LOGICAL_MAXIMUM định nghĩa giới hạn cho các giá trị được báo cáo. Giới hạn ở đây được hiểu là giới hạn logic, ví dụ một thiết bị đo dòng điện trong dải từ 0A tới 10A có độ chia nhỏ nhất là 0.5A thì LOGICAL_MINIMUM có giá trị là 0 còn LOGICAL_MAXIMUM có giá trị là 20. Vì việc thông báo một phím được ấn tương đương với giá trị 1 còn không được ấn tương đương với giá trị 0 nên trong ví dụ này LOGICAL_MINIMUM có giá trị là 0 còn LOGICAL_MAXIMUM có giá trị là 1. REPORT_SIZE chỉ ra kích thước tính theo bit của một trường dữ liệu trong report, còn REPORT_COUNT chỉ ra số trường dữ liệu được chứa trong một report. Trong ví dụ của ta thì có thể thấy rằng report thông báo sự kiện được ấn hay không của 8 phím nên sẽ có 8 trường và mỗi trường có kích thước 1 bit => REPORT_SIZE là 1 còn REPORT_COUNT là 8. Mục INPUT chỉ ra sự kết thúc phần khai báo cho một Input report. Các thông số (Data, Var, Abs) có ý nghĩa như sau: - - Tại thuộc tính đầu ta có thể chọn là Data hoặc Cnst (constant). Data có nghĩa là nội dung của report có thể thay đổi được tức có thể đọc hoặc ghi nội dung của report một cách tuỳ ý. Cnst có nghĩa là nội dung của report không được phép thay đổi, ta chỉ có thể đọc nội dung của report mà thôi. Tại thuộc tính thứ hai ta có thể chọn là Ary (Array) hoặc Var (Variable). Trong ví dụ của chúng ta đã chọn là Var tức mỗi một phím sẽ được biểu diễn riêng bởi một trường => ta mất 8 trường cho 8 phím và phần dữ liệu của report sẽ có kích thước là một byte. Việc chọn là Var cho phép sự kiện nhiều phím cùng được ấn một lúc. Nếu cũng trong ví dụ trên mà ta chọn là Ary thì 8 phím sẽ được biểu diễn bởi một trường duy nhất và kích thước của trường tính theo bit là 3 => REPORT_SIZE là 3 còn REPORT_COUNT là 1. Nếu ta chọn Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  58 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 như vậy thì kích thước của report sẽ rất gọn song gặp phải nhược điểm là nó sẽ chỉ có thể thông báo sự kiện một phím nào đó được ấn. Nếu có 2 phím trở lên được ấn đồng thời thì sự kiện này sẽ không được phản ánh (Khi không có phím nào được ấn thì sẽ trả về gói NAK thay vì một report). Một cách hoàn toàn tương tự ta có thể giải thích phần còn lại của ví dụ (trong phần còn lại của ví dụ có khai báo một Output report cho việc hiển thị các đèn led trên bàn phím và một Input report khác để thông tin sự kiện một phím không phải là phím đặc biệt được ấn (phím không đặc biệt trên bàn phím được hiểu là các phím còn lại trên bàn phím sau khi đã loại trừ các phím Ctrl, Alt, Shift, GUI). 5.6 Các yêu cầu mà host có thể gửi tới một thiết bị thuộc lớp HID Như đã trình bày ở mục 5.2.3 , đặc tả HID định nghĩa 6 yêu cầu mà Host có thể gửi tới một thiết bị thuộc lớp HID. Tất cả các HID phải hỗ trợ Get_Report, còn đối với các thiết bị hỗ trợ giao thức khởi động thì phải đáp ứng được các yêu cầu Get_Protocol và Set_Protocol. Các yêu cầu còn lại gồm Set_Report, Get_Idle và Set_Idle là tuỳ chọn, trừ trường hợp đối với một keyboard sử dụng giao thức khởi động phải hỗ trợ Set_Idle. Nếu một HID không có một điểm cuối ngắt ra (OUT) hoặc nếu HID đang giao tiếp với một máy chủ chỉ hỗ trợ USB 1.0 như Windows 98 Gold chẳng hạn thì HID đó nếu muốn nhận report từ host nó phải hỗ trợ Set_Report. Các yêu cầu ở trên sẽ được Host gửi tới thiết bị trong giai đoạn setup của truyền điều khiển. Giai đoạn setup của truyền điều khiển như đã được trình bày trong mục 3.5.2 diễn ra như sau: ban đầu host phát ra gói thông báo setup, theo sau đó là gói dữ liệu dành cho giao tác setup có kích thước của phần dữ liệu là 8 byte, cuối cùng host chờ gói bắt tay ACK để biết rằng giao tác setup có thành công hay không. Các yêu cầu của host được chứa trong 8 byte dữ liệu của gói dữ liệu theo sau gói thông báo setup, nó có khuôn dạng như sau: Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  59 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 5.1: khuôn dạng gói dữ liệu của giai đoạn setup trong kiểu truyền điều khiển Có một số bit trong gói trên có giá trị giống nhau đối với cả 6 yêu cầu đó là: - 5 bit Destination type =00000B để chỉ ra đích đến của yêu cầu là một thiết bị. (00001B: đích là một giao diện cụ thể, 00010B: đích là một điểm cuối trên thiết bị, 00011B: đích là một trong các thành phần khác trong thiết bị). - 2 bit Request Type =01 để chỉ ra loại yêu cầu này là để dành cho một lớp thiết bị cụ thể. (00: tức request là một trong các request chuẩn (có 11 loại request chuẩn), 10: request được định nghĩa bởi nhà cung cấp thiết bị). 5.6.1 Get_Report Host gửi yêu cầu này khi nó muốn nhận một Input report hoặc Feature report từ HID sử dụng truyền điều khiển. Bit Direction = 1 để chỉ ra rằng có một giai đoạn dữ liệu sau giai đoạn setup và hướng truyền của dữ liệu là từ thiết bị về host. bRequest = 01h cho biết yêu cầu mà host gửi tới thiết bị là Get_Report. wValue: Byte cao chứa thông tin cho biết host muốn nhận loại report nào từ thiết bị (1=Input, 3=Feature), byte thấp chứa report ID. wIndex: chứa số lượng giao diện mà yêu cầu được hướng tới. wlength: chứa chiều dài tối đa cho phép của report trong giai đoạn dữ liệu tính theo byte. Lưu ý: tất cả các HID nên hỗ trợ yêu cầu Get_Report. 5.6.2 Get_Idle Host gửi yêu cầu này để đọc tốc độ rỗi từ thiết bị. Bit Direction = 1. bRequest = 02h. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  60 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 wValue: Byte cao = 00h, byte thấp chỉ ra report ID của report mà yêu cầu tác động tới. Nếu byte = 00h thì có nghĩa là yêu cầu sẽ tác động tới tất cả các Input report của HID. wIndex chứa số lượng giao diện hỗ trợ yêu cầu này. wlength = 1. 1 byte trường dữ liệu của gói dữ liệu trong giai đoạn dữ liệu sẽ chứa tốc độ rỗi tính theo số nguyên lần của 4 ms. Các HID không buộc phải hỗ trợ yêu cầu Get_Idle. 5.6.3 Get_Protocol Mục đích của yêu cầu này là để host biết được HID có hỗ trợ giao thức khởi động hay không. Bit Direction = 1. bRequest = 03h. wValue = 0000h. wIndex chứa số lượng giao diện hỗ trợ yêu cầu này. wLength = 1. Nếu 1 byte trường dữ liệu của gói dữ liệu = 0 tức có hỗ trợ giao thức khởi động còn nếu ≠ 0 tức là không hỗ trợ giao thức khởi động. Các thiết bị có hỗ trợ giao thức khởi động thì phải đáp ứng lại yêu cầu này. 5.6.4 Set_Report Host gửi yêu cầu này để thông báo rằng nó muốn gửi một Output hoặc Feature report tới thiết bị bằng cách sử dụng truyền điều khiển. Bit Direction = 0 để chỉ ra rằng hướng của report trong giai đoạn dữ liệu là từ host tới thiết bị. bRequest = 09h. wValue: Byte cao chứa thông tin về loại report sẽ được gửi trong giai đoạn dữ liệu (2: Output report, 3: Feature report). Byte thấp chứa report ID. wIndex chứa số lượng giao diện mà yêu cầu này được hướng tới. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  61 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 wLength: cho biết chính xác kích thước của report tính theo byte sẽ được gửi trong giai đoạn dữ liệu. Các HID có thể hỗ trợ hoặc không hỗ trợ yêu cầu Set_Report. Nếu một HID không có điểm cuối ngắt ra (OUT) hoặc HID đang làm việc với một máy chủ chỉ hỗ trợ phiên bản USB 1.0 mà lại muốn nhận dữ liệu từ Host thì việc đáp ứng lại yêu cầu Set_Report là cách duy nhất để có thể nhận dữ liệu từ host. 5.6.5 Set_Idle Host gửi yêu cầu này là để tiết kiệm băng thông bằng thông qua việc giới hạn tần số gửi báo cáo của một điểm cuối ngắt vào (IN) khi dữ liệu chứa trong báo cáo không có sự thay đổi so với báo cáo gần nhất. Bit Direction = 0 để chỉ ra hướng của dữ liệu trong giai đoạn dữ liệu nếu có thì sẽ là từ host tới thiết bị. bRequest = 0Ah. wValue: Byte cao thiết lập khoảng thời gian tối thiểu phải trôi qua giữa hai Input report có dữ liệu giống nhau mà lại được gửi kế tiếp nhau, Byte thấp chứa report ID của report mà yêu cầu này tác động tới. Nếu byte thấp là 00h thì có nghĩa là yêu cầu này tác động tới tất cả các Input report của HID. wIndex chứa số lượng giao diện hỗ trợ yêu cầu này. wLength 0000h: Cho thấy không có giai đoạn dữ liệu theo sau giai đoạn setup. Chú thích: Khoảng thời gian giữa hai Input report là một số nguyên lần của 4 ms, như vậy với 1 byte cao của wValue thì khoảng thời gian này sẽ nằm trong phạm vi từ 4 tới 1020 ms. Nếu byte cao của wValue = 00h thì có nghĩa là HID chỉ được gửi Input report khi dữ liệu của report đã có thay đổi so với lần gửi ngay trước đó. Nếu dữ liệu của report có thay đổi so với lần gửi ngay trước đó thì nó có thể được gửi ngay khi có một thông báo IN bất kể giá trị byte cao của wValue là bao nhiêu. Trong trường hợp dữ liệu của report không hề có thay đổi gì so với lần gửi ngay trước đó mặt khác khoảng thời gian được gán trong byte cao của wValue chưa trôi qua kể từ lần gửi report ngay trước mà lại có Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  62 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 một thông báo IN từ host thì HID sẽ gửi gói bắt tay NAK. Còn nếu khoảng thời gian được gán trong byte cao của wValue đã trôi qua kể từ lần gửi report ngay trước thì HID sẽ gửi tới host report mặc dù dữ liệu của report không hề có thay đổi so với lần gửi ngay trước. Nếu HID trả lời yêu cầu Set_Idle của host bằng gói bắt tay STALL thì nó có thể gửi report bất cứ khi nào có thông báo IN từ host kể cả khi dữ liệu của report không hề có sự thay đổi. Các HID không bị bắt buộc phải hỗ trợ yêu cầu Set_Idle của host ngoại trừ keyboard có sử dụng giao thức khởi động. 5.6.6 Set_Protocol Host gửi yêu cầu này để chỉ định HID có nên sử dụng giao thức khởi động hay không. Bit Direction = 0 để chỉ ra hướng của dữ liệu trong giai đoạn dữ liệu nếu có thì sẽ là từ host tới thiết bị. bRequest = 0Bh. wValue = 0000h: nên sử dụng giao thức khởi động; wValue ≠ 0000h: không nên sử dụng giao thức khởi động. wIndex chứa số lượng giao diện hỗ trợ yêu cầu này wLength 0000h: Cho thấy không có giai đoạn dữ liệu theo sau giai đoạn setup. Thiết bị muốn thực hiện chức năng trong quá trình khởi động phải hỗ trợ yêu cầu Set_Pr otocol. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  63 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Chương 6: Quá trình tìm hiểu của máy chủ đối với thiết bị Trước khi ứng dụng có thể giao tiếp với thiết bị thì máy chủ cần tìm hiểu về thiết bị và gán cho thiết bị một bộ điều khiển (driver). Những công việc cần được xử lý của quá trình tìm hiểu gồm: Gán một địa chỉ cho thiết bị, đọc các bộ mô tả từ thiết bị, gán và tải một bộ điều khiển cho thiết bị, chọn một cấu hình phù hợp với những yêu cầu về công suất của thiết bị, những yêu cầu của điểm cuối và một số đặc điểm khác. 6.1 Quá trình xử lý tổng quát Một trong những nhiệm vụ của hub là phát hiện sự cắm vào hoặc tháo ra của các thiết bị. Mỗi hub có một điểm cuối ngắt để báo cáo những sự kiện trên cho máy chủ. Khi hệ thống khởi động, máy chủ thăm dò hub gốc của nó để biết có hay không các thiết bị được gắn vào, các thiết bị đó có thể là các hub bổ sung và các thiết bị khác gắn vào hub gốc hay các hub bổ sung. Sau khi khởi động, máy chủ tiếp tục thăm dò định kỳ để biết có hay không một thiết bị mới được gắn vào hoặc một thiết bị vừa được tháo ra. Để tìm hiểu về một thiết bị mới, máy chủ gửi một chuỗi các yêu cầu tới hub của thiết bị để hub này thiết lập một đường truyền giữa máy chủ và thiết bị. Sau đó máy chủ sẽ tìm hiểu về thiết bị bằng cách gửi các yêu cầu chuẩn của USB tới điểm cuối 0 của thiết bị bằng kiểu truyền điều khiển. Tất cả các thiết bị USB phải hỗ trợ truyền điều khiển, các yêu cầu chuẩn và điểm cuối 0. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  64 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Đối với người sử dụng thì quá trình tìm hiểu của máy chủ là ẩn và hoàn toàn tự động ngoại trừ một số thông báo cho biết có một thiết bị mới được gắn vào và việc cài đặt thiết bị có thành công hay không. Đôi khi, trong lần đầu tiên sử dụng, người sử dụng cần phải chọn bộ điều khiển (driver) thích hợp hoặc chỉ cho máy chủ nơi mà nó có thể tìm thấy bộ điều khiển cho thiết bị. Khi quá trình tìm hiểu được hoàn thành, Windows đưa thiết bị mới vào mục Device Manager trong Control Panel. Còn khi người sử dụng gỡ thiết bị ra khỏi hệ thống thì Windows cũng gỡ thiết bị ra khỏi danh sách trong Device Manager. Trong một thiết bị thông thường thì vi chương trình chứa các thông tin mà máy chủ sẽ yêu cầu, vi chương trình này kết hợp với phần cứng để giải mã và đáp ứng lại các yêu cầu của máy chủ. Có một vài bộ điều khiển USB ở phía thiết bị có thể đáp ứng lại quá trình tìm hiểu của máy chủ một cách hoàn toàn tự động bởi phần cứng mà không cần bất cứ một sự can thiệp nào của vi chương trình. Về phía máy chủ thì nhờ có hệ điều hành Windown nên không cần phải viết thêm bất cứ mã nguồn cho quá trình tìm hiểu. 6.2 Các bước của quá trình tìm hiểu Đặc tả USB định nghĩa 6 trạng thái của thiết bị. Trong suốt quá trình tìm hiểu thì thiết bị sẽ trải qua 4 trạng thái: Được cấp nguồn, mặc định, đã gán địa chỉ, đã được cấu hình. 2 trạng thái còn lại là: vừa được gắn và treo. Trong mỗi trạng thái thì thiết bị được chỉ định các khả năng và cách làm việc tương ứng. Các bước được liệt kê sau đây là chuỗi các sự kiện điển hình, thường xuất hiện trong quá trình tìm hiểu dưới hệ điều hành Windows. Tuy nhiên vi chương trình của thiết bị cần phải giả định rằng các yêu cầu và các bước trong quá trình tìm hiểu có thể xuất hiện theo một thứ tự không xác định trước, một thiết bị cần phải có khả năng phát hiện và đáp ứng tới bất kỳ yêu cầu điều khiển nào cũng như bất kỳ sự kiện bus nào tại một thời điểm bất kỳ. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  65 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 6.2.1 Người sử dụng gắn thiết bị vào cổng USB Khi người sử dụng gắn thiết bị vào cổng USB hoặc khi hệ thống khởi động với thiết bị USB đã được gắn sẵn thì hub mà thiết bị gắn tới sẽ cấp nguồn tới cổng có thiết bị và lúc này thiết bị ở vào trạng thái được cấp nguồn. 6.2.2 Hub phát hiện thiết bị vừa được gắn vào hệ thống Hub giám sát điện áp trên các đường dây tín hiệu tại mỗi cổng của nó để biết có hay không một thiết bị vừa được gắn vào. Hub có điện trở kéo lên với giá trị nằm trong khoảng từ 14,25 đến 24,8 Kilô ôm cho mỗi đường tín hiệu của nó (D+ và D-). Còn thiết bị cũng có điện trở kéo lên có giá trị nằm trong khoảng 900 đến 1575 ôm trên D+ đối với thiết bị tốc độ cao hoặc thiết bị toàn tốc, trên D- đối với thiết bị tốc độ thấp. Hub phát hiện thiết bị được gắn vào khi nó nhận thấy điện áp chuyển từ mức thấp lên mức cao trên một trong hai đường tín hiệu (D+ hoặc D-) 6.2.3 Máy chủ tìm hiểu về thiết bị mới Mỗi hub sử dụng điểm cuối ngắt của nó để báo cáo các sự kiện xảy ra tại hub với máy chủ. Để tìm hiểu một sự kiện diễn ra tại hub thì máy chủ gửi tới hub một yêu cầu Get_Port_Status. 6.2.4 Hub xác định xem tốc độ của thiết bị là thấp hay toàn tốc Hub xác định tốc độ của thiết bị bằng các kiểm tra điện áp trên hai đường tín hiệu D+ và D- khi bus ở trạng thái rỗi. Nếu tại trạng thái bus rỗi mà điện áp trên D- cao hơn D+ thì tốc độ của thiết bị là thấp còn ngược lại thì tốc độ của thiết bị là toàn tốc. Hub 1.x thì xác định tốc độ của thiết bị sau khi reset thiết bị còn hub 2.0 thì xác định tốc độ thiết bị (thấp hay toàn tốc) trước khi reset thiết bị vì nếu thiết bị có tốc độ cao thì đòi hỏi hub phải tìm hiểu một lần nữa trong lúc reset để phân biệt tốc độ của thiết bị là toàn tốc hay tốc độ cao. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  66 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 6.2.5 Hub reset thiết bị Khi máy chủ tìm hiểu về một thiết bị mới thì bộ điều khiển của máy chủ gửi tới hub một yêu cầu Set_Port_Feature để yêu cầu hub reset cổng có gắn thiết bị mới. Hub reset thiết bị bằng cách đưa cả hai đường tín hiệu D+ và D- về mức logic thấp trong khoảng thời gian tối thiểu là 10 ms (ở trạng thái bình thường thì hai đường tín hiệu có mức logic trái ngược nhau). 6.2.6 Máy chủ tìm hiểu thêm nếu một thiết bị là thiết bị toàn tốc có hỗ trợ tốc độ cao Nếu một thiết bị có hỗ trợ tốc độ cao thì trong quá trình reset nó sẽ gửi tới hub một chip K (tức làm cho đường D- có điện áp cao hơn đường D+) kéo dài trong khoảng thời gian từ 1 tới 7 ms. Nếu hub mà thiết bị gắn vào là hub 1.x thì hub này không có khả năng phát hiện ra chip K này vì thế sẽ không có sự trả lời tới thiết bị, khi đó thiết bị hiểu rằng nó đang giao tiếp với một hub 1.x nên không được hỗ trợ tốc độ cao và nó sẽ phải làm việc như một thiết bị toàn tốc. Nếu hub mà thiết bị gắn vào là một hub 2.0 thì hub có khả năng phát hiện ra chip K mà thiết bị gửi tới nó vì thế nó biết mình đang giao tiếp với một thiết bị tốc độ cao đồng thời nó sẽ trả lời thiết bị bằng cách gửi một chuỗi chíp KJKJKJ tới thiết bị (chip J có điện áp trên đường D+ cao hơn điện áp trên đường D-). Thiết bị sau khi nhận được chuỗi chip trả lời KJKJKJ của hub thì sẽ hiểu rằng nó được phép làm việc tại tốc độ cao. Để làm việc tại tốc độ cao thì thiết bị phải vô hiệu hoá điện trở kéo lên tại đường D+ và cho phép bộ kết cuối tốc độ cao làm việc. 6.2.7 Hub thiết lập một đường truyền tín hiệu giữa thiết bị và bus Máy chủ kiểm tra xem thiết bị đã thoát khỏi trạng thái reset hay chưa bằng cách gửi tới hub yêu cầu Get_Port_Status. Hub có nhiệm vụ trả lời lại yêu cầu này. Nếu cần thiết thì máy chủ sẽ lặp lại yêu cầu trên cho tới khi thiết bị đã ra khỏi trạng thái reset. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  67 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Khi hub gỡ bỏ trạng thái reset thì thiết bị được đưa vào trạng thái mặc định (Default state). Ở trạng thái mặc định thì thiết bị đã sẵn sàng để đáp ứng tới kiểu truyền điều khiển tại điểm cuối 0 với địa chỉ mặc định là 00h. Thiết bị cũng có thể sử dụng nguồn cung cấp từ bus lên tới 500mA. 6.2.8 Máy chủ gửi một yêu cầu Get_Descriptor để tìm hiểu kích thước lớn nhất của gói đối với đường truyền mặc định Máy chủ gửi yêu cầu tới điểm cuối 0 của thiết bị có địa chỉ 0. Sẽ chỉ có duy nhất một điểm cuối 0 ứng với duy nhất một thiết bị có địa chỉ 0 tại một thời điểm nào đó kể cả khi có nhiều hơn một thiết bị được gắn vào cùng một lúc. Trong 8 byte của bộ mô tả thiết bị (device descriptor) có chứa thông tin về kích thước tối đa cho một gói tin mà điểm cuối 0 hỗ trợ. Một máy chủ với hệ điều hành windows thường yêu cầu kích thước tối đa của một gói tin là 64 byte tuy nhiên sau khi nhận chỉ một gói đầu tiên (dù gói này có đủ 64 byte hay không) thì máy chủ cũng chuyển sang giai đoạn trạng thái của truyền điều khiển. Sau khi hoàn tất giai đoạn trạng thái thì máy chủ có hệ điều hành windows sẽ yêu cầu hub reset thiết bị giống như ở mục 6.2.5. Lần reset này có thể có hoặc không đối với các máy chủ dùng các hệ điều hành không phải là windows. Đối với máy chủ dùng hệ điều hành windows thì lần reset này chỉ là để dự phòng (phòng trường hợp lần reset trước thất bại). 6.2.9 Máy chủ gán một địa chỉ cho thiết bị Máy chủ gán một địa chỉ cụ thể không trùng lặp với địa chỉ của các thiết bị khác cho thiết bị bằng cách gửi yêu cầu Set_Address tới thiết bị. Thiết bị sẽ hoàn tất giai đoạn trạng thái của yêu cầu trên với địa chỉ mặc định là 0 và sau đó sẽ sử dụng địa chỉ mới mà máy chủ vừa gán cho nó để thực các giao tác tiếp theo. Cũng kể từ lúc này thiết bị đã ở vào trạng thái địa chỉ (address state). Địa chỉ mà máy chủ vừa gắn cho thiết bị sẽ có hiệu lực cho tới khi thiết bị được tháo ra, hoặc cổng mà thiết bị gắn vào reset hoặc hệ thống khởi động lại. Nếu thiết bị lại gắn vào hoặc sau khi cổng hub reset hoặc hệ thống khởi động lại thì Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  68 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 trong lần tìm hiểu mới, máy chủ sẽ gán cho thiết bị một địa chỉ có thể vô tình trùng với địa chỉ của lần tìm hiểu trước đó tuy nhiên thường thì địa chỉ sẽ thay đổi. 6.2.10 Máy chủ tìm hiểu về các khả năng của thiết bị Máy chủ gửi yêu cầu Get_Descriptor tới thiết bị theo địa chỉ mà nó đã gán cho thiết bị. Trong lần gửi yêu cầu này thì máy chủ sẽ thu được toàn bộ nội dung của bộ mô tả thiết bị chứ không phải là chỉ một gói như ở lần trước. Bộ mô tả thiết bị có chứa các thông tin như kích thước tối đa của gói tin cho điểm cuối 0, số lượng cấu hình mà thiết bị hỗ trợ và một số thông tin cơ bản khác. Máy chủ sử dụng các thông tin này để giao tiếp với thiết bị trong các giao tác sau này. Theo sau bộ mô tả thiết bị là một loạt các bộ mô tả khác mà máy chủ sẽ nhận như bộ mô tả điểm cuối (endpoint descriptor), bộ mô tả chuỗi ký tự (string descriptor), bộ mô tả giao diện (interface descriptor) ...và cuối cùng thường là các bộ mô tả cấu hình (configuration descriptor). Số lượng các bộ mô tả cấu hình mà máy chủ nhận có thể là 1 hoặc nhiều hơn, đó là tùy vào những gì đã khai báo trong bộ mô tả thiết bị. Để thu nhận một bộ mô tả cấu hình thì máy chủ sẽ gửi yêu cầu Get_Descriptor (với byte cao của trường wValue là 02h để chỉ ra loại bộ mô tả mà host muốn nhận là bộ mô tả cấu hình) 2 lần. Lần đầu nó chỉ nhận 9 byte của bộ mô tả cấu hình để biết được tổng kích thước của bộ mô tả cấu hình và các bộ mô tả lớp con của bộ mô tả cấu hình. Ở lần sau nó sẽ thu lấy đầy đủ nội dung của bộ mô tả cấu hình. 6.2.11 Máy chủ gán và tải một bộ điều khiển cho thiết bị Sau khi tìm hiểu về thiết bị thông qua các bộ mô tả của nó, máy chủ tìm kiếm bộ điều khiển thiết bị phù hợp nhất cho thiết bị để quản lý việc giao tiếp với thiết bị. Windows cố gắng tìm kiếm sự phù hợp giữa các thông tin chứa trong các file INF với các thông tin thu được từ thiết bị về số nhận dạng nhà sản xuất (Vendor ID), số nhận dạng sản phẩm (Product ID) và có thể là cả phiên bản của sản phẩm. Nếu Windows không tìm thấy một sự phù hợp nào thì nó sẽ xem thiết bị có thuộc một lớp được định nghĩa hay không. Nếu thiết bị Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  69 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 cũng không thuộc một lớp được định nghĩa thì windows sẽ yêu cầu bạn chỉ ra nơi mà nó có thể tìm thấy một bộ điều khiển phù hợp. Nếu như một thiết bị đã từng được cài đặt thành công trước đó thì windows có thể sử dụng thông tin trong phần đăng ký của hệ thống (system registry) thay vì tìm kiếm file INF phù hợp. Sau khi hệ điều hành gán và tải một bộ điều khiển, bộ điều khiển có thể yêu cầu thiết bị gửi lại các bộ mô tả của nó hoặc các bộ mô tả khác của một lớp cụ thể. Những gì vừa nêu trong mục 6.2.11 này sẽ diễn ra tại một thời điểm khác đối với các thiết bị đa năng (các thiết bị mà có chứa nhiều hơn một chức năng, tức là thiết bị mà cần tới hai địa chỉ thiết bị khi làm việc). Các thiết bị đa năng có thể có các bộ điều khiển khác nhau được gán cho các giao diện khác nhau trong cùng một cấu hình. Máy chủ chỉ có thể gán các bộ điều khiển sau khi các giao diện đã được cho phép làm việc. Bước sau đây sẽ làm rõ hơn vấn đề này. 6.2.12 Bộ điều khiển thiết bị của máy chủ lựa chọn một cấu hình Sau khi tìm hiểu một thiết bị thông qua các bộ mô tả, bộ điều khiển thiết bị yêu cầu một cấu hình nhờ việc gửi yêu cầu Set_Configuration với chỉ số cấu hình tương ứng. Có một vài thiết bị chỉ hỗ trợ một cấu hình duy nhất. Còn nếu thiết bị hỗ trợ nhiều cấu hình thì bộ điều khiển thiết bị có thể quyết định cấu hình nào được yêu cầu dựa vào thông tin mà bộ điều khiển có về cách thức sử dụng thiết bị hoặc bộ điều khiển có thể hỏi người sử dụng để chọn một cấu hình thích hợp. Thiết bị đọc yêu cầu từ máy chủ và cho phép một cấu hình tương ứng được tích cực (thiết bị sẽ làm việc với cấu hình đó), các cấu hình còn lại của nó sẽ là không tích cực. Thiết bị lúc này đã được đưa tới trạng thái được cấu hình (Configured state) và giao diện của thiết bị đã bắt đầu được phép hoạt động. Với các thiết bị đa chức năng, máy chủ gán các bộ điều khiển vào thời điểm này. Cách thức cũng tương tự như các thiết bị khác đã được nêu ở mục 6.2.11. Chỉ có điều cần lưu ý là thiết bị đa năng sẽ có các bộ điều khiển khác Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  70 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 nhau cho các giao diện khác nhau và tại một thời điểm thì chỉ có một bộ điều khiển làm việc tương ứng với giao diện đang hoạt động trên thiết bị. Như vậy đến lúc này thì thiết bị đã sẵn sàng cho việc sử dụng. Ngoài 4 trạng thái đã trải qua trong quá trình tìm hiểu ở trên là: Được cấp nguồn; mặc định; đã được gán địa chỉ và đã được cấu hình thì 2 trạng thái còn lại của thiết bị là: được tháo ra và trạng thái treo. Trạng thái đã tháo ra: Nếu hub không cấp nguồn tới các đường Vbus của thiết bị thì thiết bị ở vào trạng thái đã tháo ra. Hiện tượng thiết bị không được cấp nguồn mặc dù vẫn đang gắn vào hub xảy ra khi hub phát hiện thấy sự quá tải về dòng từ phía thiết bị hoặc khi hub nhận được yêu cầu từ máy chủ buộc nó cắt nguồn cấp cho thiết bị. Không được cấp nguồn trên các đường Vbus thì thiết bị không thể giao tiếp với máy chủ do đó khi thiết bị vẫn gắn vào hub mà không được cấp nguồn thì cũng giống như nó đã được tháo ra. Trạng thái treo: Thiết bị sẽ ở vào trạng thái treo khi nó phát hiện thấy đã 3 ms trôi qua mà không thấy bất kỳ một tín hiệu nào trên bus (kể cả là gói SOF (Start of Frame)). Các thiết bị đều phải hỗ trợ trạng thái này tức thiết bị phải có khả năng phát hiện khoảng thời gian 3ms không tích cực của bus và đưa thiết bị vào trạng thái treo. Khi ở vào trạng thái treo thì thiết bị nên giảm công suất tiêu thụ từ bus (ví dụ như vi điều khiển của mạch sẽ vào trạng thái nguồn giảm). Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  71