Quattro Fili per un Mondo di Possibilità

Quattro Fili per un Mondo di Possibilità – USB Diventa Sempre più Forte
By (Steve Kolokowsky , Cypress Semiconductor Corp., and
Trevor Davis)
Sommario
Quattro fili per un mondo di possibilità: USB si conferma come lo standard più diffuso per la connettività delle periferiche PC.
Il suo raggio d’azione riguarda tutto: dai telefoni alle stampanti, dai microfoni ai giochi, dagli altoparlanti a qualsiasi altro
oggetto possiate pensare. Un aspetto interessante è che USB è molto diffuso anche al livello SO: quasi tutti sanno di cosa si
tratta, ma pochi hanno capito la tecnologia che c’è dietro e le possibilità che offre alle applicazioni.
Introduzione
Molti, danno USB per scontato, assumendo semplicemente che si tratta dello standard con cui possono collegare PDA,
riproduttori MP3, stampanti o hard drive esterni. In larga parte la ragione sta dalla loro; tutti i nuovi apparati elettronici si
collegano con USB, e nei dispositivi forniti con una connessione proprietaria o non-standard, è molto probabile che la
tecnologia di base sia ancora di origine USB; alcuni progettisti addirittura dissimulano USB in un connettore proprietario (che
ne dite di Xbox?).
Ma come è arrivata la tecnologia USB in tutti questi dispositivi? Quali sono le applicazioni più adatte per USB? Quale futuro
si può ipotizzare? Qual è il segreto di questa tecnologia?
Le basi di USB
Una cosa importanti che l’utente deve capire di USB, è che quando collega i vari dispositivi uno di essi è sempre considerato
“master” (o “host”) mentre l’altro è considerato “slave” (o “periferica”). E’ proprio questa relazione che permette di comunicare
senza conflitti. Nel caso di collegamento a un PC, esso di propone come Host ed assume la responsabilità di tutte le
comunicazioni sul bus. Qualsiasi dispositivo esterno o periferico connesso al PC, comunica solo se comandato a farlo dal
processore Host.
Questo schema è valido in un modello basato su PC, dove il processore host è il master di tutto quello che c’è intorno.
Figura 1. Tipica comunicazione Master - Slave USB
Quando un dispositivo viene collegato per la prima volta a un sistema USB host, si avvia un processo di configurazione
denominato “enumerazione”: all’inizio del processo di enumerazione il PC Host chiede al dispositivo periferico di identificarsi.
A tale proposito, tutti i dispositivi USB devono avere un unico Vendor ID (VID) e un unico Product ID (PID). L’host inizia quindi
a considerare il software, cercando un “USB driver” già installato associato con il particolare dispositivo. I dispositivi più
comuni (mouse, tastiere, memorie esterne, “thumb drives” e fotocamere) utilizzano dei “Class Driver”, cioè dei driver già a
corredo del sistema operativo. Le classi di dispositivi più recenti o meno comuni richiedono invece un driver specifico, fornito
a corredo su CD ROM all’atto dell’acquisto. Questo driver rende il dispositivo disponibile alle applicazioni e agli altri driver della
CPU host. Una volta che il dispositivo è connesso appropriatamente all’Host, possono iniziare le comunicazioni e i
trasferimenti di dati.
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Per lo standard USB su cavo sono attualmente previste tre diverse velocità operative: la Low Speed trasferisce i dati a 1.5
Mbit/sec, la Full Speed USB trasferisce i dati a 12 Mbit/sec, e la High Speed USB trasferisce i dati a 480 Mbit/sec.
Non confondetevi: USB 2.0 non equivale all’USB High Speed.
L’USB High Speed è stato inizialmente introdotto nella versione 2.0 della specifica USB, release che contemplava anche le
velocità di trasferimento dati Low Speed e Full Speed.
Alcuni fornitori poco scrupolosi promuovono i loro prodotti a velocità “USB 2.0” sottintendendo prestazioni High Speed: in
realtà stanno solo offrendo un USB Full Speed. Se volete essere certi di acquistare lo standard USB più veloce disponibile,
controllate la presenza della garanzia High Speed testimoniata dal relativo logo.
Figura 2. Logo USB High-speed
La tabella 1 offre un piccolo glossario dei termini USB di base necessari per capire meglio la tipologia e la struttura delle
comunicazioni.
Tabella 1. Glossario base della terminologia USB
Tutte le comunicazioni dati USB utilizzano una segnalazione differenziale: un filo trasporta il segnale, l’altro filo trasporta
l’inverso dello stesso segnale. Con questo schema, la somma delle tensioni sui due fili è sempre costante. Nel punto terminale
della connessione, il dispositivo ricevente legge non il singolo segnale, bensì la differenza tra i due segnali. Questa tecnica
consente di garantire trasferimenti dati più chiari, immuni da errori e capaci sia di resistere alle interferenze indotte da altri cavi
sia di generare essi stessi un livello minimo di disturbi. Ciò rappresenta un grande vantaggio, soprattutto considerando il
groviglio di cavi collegati dietro a qualsiasi PC.
Fisicamente, il cavo USB contiene solo 4 fili, due per trasportare i dati, uno per l’alimentazione, l’altro per la massa (figura 2).
Lo stesso cavo può essere utilizzato per tutte e tre le velocità USB.
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Figura 2. connettori USB tipo A (sinistra) e B (destra) con Vcc, Dati e massa
Sezione orizzontale: Bianco e Verde trasporto dati, grigio per la massa, rosso per l’alimentazione (VBUS)
Figura 3.
Questa configurazione a quattro fili è importante per numerose ragioni:
1) i cavi sono poco costosi e possono essere forniti con migliaia di prodotti periferici a basso costo
2) i connettori sono poco costosi e permettono di aggiungere una presa USB anche ai prodotti più economici
3) la segnalazione differenziale offre un trasferimento dati affidabile, veloce e omogeneo
4) la presenza di alimentazione e massa permette di utilizzare il cavo USB non solo per il trasferimento dati ma anche
per alimentare i dispositivi periferici.
Com’è arrivato USB nei moderni dispositivi?
Quando giriamo in un punto vendita di qualsiasi colosso dell’elettronica –Fortress a Taiwan o Fry’s negli Stati Uniti – è
evidente come USB sia ormai onnipresente. Ma come siamo arrivati a questo punto? Come mai ci sono così tante società che
progettano con USB?
È importante innanzitutto comprendere i tre blocchi funzionali principali di un sistema USB. Dopo questa analisi il lettore
comprenderà meglio come un progettista di periferiche PC possa considerare con favore l’idea di utilizzare USB per i propri
dispositivi:
1)
2)
3)
Transceiver – ad esso fa capo la funzione di trasmissione e ricezione fisica del sistema USB. Questi componenti
analogici operano a frequenze molto alte in modo da permettere un’adeguata trasmissione dei dati sulle linee USB.
Serial Interface Engine (SIE) – questa funzione è svolta da una logica digitale che traduce in USB il traffico di linea
creato dal transceiver. USB è un protocollo a pacchetti: il SIE s’incarica della la pacchettizzazione e della
comprensione dei dati
Microcontroller – la logica di microcontrollo è utilizzata trasformare in azione i segnali USB decodificati dal SIE.
Poiché le funzionalità USB possono essere facilmente suddivise riferendosi a queste tre funzioni primarie, i progettisti possono
scegliere di partire secondo differenti opzioni – o “livelli d’integrazione USB”. Ciascuna delle funzioni descritte sopra DEVE
essere onorata, ma non esiste alcuna imposizione standard che determini il comportamento dei chip a semiconduttore. Per
una rappresentazione grafica relativa al trend d’integrazione di USB, è possibile fare riferimento alla figura 3
Figura 4. Crescita dell’integrazione di USB nei sistemi periferici
Basic System: USB enabled PC with Peripheral Handheld Device
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External USB Microcontroller: Transceiver, SIE, and protocol in external chip
External SIE + TX: Protocol handled by device processor
Analog transciever external. SIE and protocol handled by device processor
Full ASIC integration: All functions by device processor. ASIC logic controls USB
Poiché qualsiasi scelta progettuale offre sia dei benefici sia degli svantaggi, lo sviluppatore deve adottare il compromesso più
appropriato in funzione delle proprie esigenze.
Microcontroller USB esterno– tutte e tre le funzioni primarie - TX, SIE e uC – sono gestite in un chip stand
alone, come ad esempio il dispositivo Cypress Semiconductor FX2LP. Tutte le transazioni USB sono a carico di
questo dispositivo. Tale approccio è utile quando il progettista della periferica non vuole imparare il protocollo
USB o quando l’intero progetto è integrabile nel chip USB. Questo modello è utilizzato per i mouse USB e per i
dispositivi di memorizzazione di massa dedicati.
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TX + SIE esterni – il protocollo di basso livello viene gestito da questo dispositivo, ma il processore esterno deve
gestire le transazioni USB di alto livello. In questo dispositivo è integrato anche il transceiver USB 2.0. Tale
schema è utile quando si aggiunge USB a un progetto esistente dotato di DSP o di microprocessore esterno.
Transceiver esterno– questo approccio è utile quanto è coinvolto un ASIC e il progettista non vuole incorrere nei
rischi legati all’integrazione – nell’ASIC stesso - del transceiver analogico USB 2.0. Si tratta di un modello valido
anche se le tecnologie di processo dell’ASIC e del transceiver USB non sono compatibili (a causa delle tensioni
relativamente alte dell’USB). Il protocollo USB è gestito all’interno dell’ASIC da una logica dedicata fornita sotto
forma di IP dalle design house. Questo approccio può anche interessare per la prototipazione con FPGA o
CPLD. Esistono numerosi chip conformi allo standard UTMI, compreso il dispositivo Cypress Semiconductor
TX2.
Integrazione ASIC– è il ivello di integrazione più alto. L’esperienza di sviluppo USB deve essere disponibile inhouse o acquistata all’esterno. Permette di realizzare le soluzioni più economiche, ma prevede numerosi rischi
in quanto le funzioni USB possono creare problemi legati alle alte frequenze, soprattutto nei progetti ASIC su
geometrie ridotte.
Molti possono pensare che, essendo ormai USB una tecnologia matura, potrebbe essere integrata in tutti i nuovi dispositivi di
elaborazione primaria: questo non sempre è vero. Infatti, nell’ultimo decennio – dal rilascio della prima specifica USB – le
applicazioni hanno tutte seguito il medesimo cammino di integrazione. Primo, il progetto viene sviluppato sulla base delle sue
funzionalità “core” (per esempio il video processing) e viene arricchito con un dispositivo USB esterno. Poi, con il tempo e
quando i volumi garantiscono lo spazio di die extra necessario per il transceiver, l’USB viene integrato nei progetti ASIC. In
generale, durante lo sviluppo iniziale dei loro chip, i produttori non sono disposti ad assorbire i rischi aggiuntivi legati al
progetto USB. Ma dopo avere costruito l’esperienza necessaria ricorrendo a delle soluzioni USB esterne, sono
sufficientemente padroni della tecnologia per integrarla. Come risultato, nel contesto tecnologico attuale le quattro le opzioni
illustrate sopra sono tutte altrettanto valide.
Quali sono le applicazioni più adatte a USB?
Senza dubbio, mouse e tastiere restano il target primario dell’USB. Con centinaia di milioni di dispositivi consegnati ogni anno,
una soluzione a basso costo come USB è ideale. Ma, quali altre applicazioni si stanno affermando? Quali sono i nuovi trend
della tecnologia?
Elettronica portatile – telefoni cellulari, riproduttori MP3, prodotti video mobili
Host USB mobili per applicazioni On-the-go
Multimedia - Video Capture, cuffie e telefoni USB, altoparlanti USB, TV USB, Webcam USB
Dispositivi di Input – Mouse, tastiere, Game Controller
Networking - 802.11b, 802.11g, Bluetooth, condivisione periferiche
Memorizzazione - Hard Drive, CD & DVD Burners esterni, U3, Flash Drive USB, chiavette
Bridge USB, cavi USB, schede USB, estensori USB, hub USB
Per tutto il 2006 e oltre la diffusione di USB in tali applicazioni continuerà ad aumentare in quanto questa tecnologia offre una
soluzione di connettività ideale.
Telefoni cellulari + riproduttori MP3: uno dei trend internazionali più evidenti è l’integrazione tra telefoni e
riproduttori MP3. Anche questi dispositivi includono una connessione USB. Per esempio, il Samsun A900, da poco
annunciato negli Stati Uniti, è equipaggiato con una telecamera che consente di stampare le immagini direttamente su
una stampante grazie alla tecnologia PictBridge (http://en.wikipedia.org/wiki/PictBridge). Prima di stampare è necessario
connettere i due dispositivi con un cavo USB. Questa opzione consente di trasferire i dati direttamente dal telefono a un
PC via USB.
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Figura 5. Il nuovo A900 Samsung con prestazioni USB to PC e USB PictBridge
Host USB mobili per applicazioni USB On-The-Go: come visto nell’esempio del telefono Samsung A900, si sta
sviluppando un nuovo mercato per le comunicazioni peer-to-peer (da pari a pari). In precedenza abbiamo illustrato il
meccanismo Master/Slave in cui le piattaforme PC giocano il ruolo di Master. Nel caso dell’A900 e della stampante, è il
telefono cellulare a comandare l’interfaccia USB. Questa relazione si basa sulle capacità di Mastering presenti in
Pictbridge. Un’altra tecnologia è la “USB OTG” o On-The-Go (http://en.wikipedia.org/wiki/USB_On-The-Go) : essa offre
una funzionalità Master/Slave similare che permette di instaurare delle connessioni generiche tra dispositivi periferici
USB.
Dispositivi Media portatili: secondo un’indagine Jupiter Research, il 51% dei consumatori gradirebbe guardare i film
su un riproduttore portatile. Il 55% di essi è interessato anche agli show televisivi. Senza dubbio gli sviluppatori
riconoscono nel mobile video un’enorme opportunità a patto che siano disponibili fonti legali di contenuti video. Il concetto
Portable Media Center di Microsoft (http://www.playsforsure.com/Default.aspx) tenta di risolvere il problema della legalità
dei contenuti media utilizzando USB come link protetto di trasferimento.
Figura 6: il PMC Zen di Creative Labs e il PMC tascabile Samsung YH-999
Video Capture: la migrazione dei PC dalla sfera lavorativa alla sfera casalinga e ai salotti dell’ambiente domestico di
concretizzerà in una crescita della domanda di sistemi di video capture. I dispositivi USB hanno una porzione significativa
di questo mercato in quanto facilitano la connessione al PC domestico. Benché sia probabile che i dispositivi di video
capture interni migreranno su PCIExpress, i dispositivi connessi esternamente continueranno a fare affidamento su USB.
Memorizzazione: la maggior parte delle esigenze dei sistemi di memorizzazione interna è soddisfatta dalle
interfacce già integrate sulle motherboard dei PC: SATA (Serial ATA) o PATA (Parallel ATA). La maggior parte delle
esigenze dei sistemi di memorizzazione esterna continuano invece a essere indirizzate con i chip bridge USB-ATA. A
dispetto della crescita di capacità dei drive miniaturizzati per PC notebook e dell’enorme capacità dei moderni hard drive
per desktop, i sistemi esterni continuano a rappresentare l’opzione di backup più diffusa in ambiente domestico e small
office.
Un ulteriore trend significativo in atto per quanto riguarda la tecnologia USB è la capacità dei dispositivi – molti dei quali relativi
alle applicazioni sopra elencate – di sostenere il traffico USB senza doversi collegare a una presa a muro. Solo fino a poco
tempo fa, questi prodotti potevano utilizzare USB solo se connessi a una fonte di alimentazione esterna.
Nel mondo USB, prima di essere configurato, un dispositivo può assorbire solo 100 mA dal cavo. Durante il processo di
enumerazione, il dispositivo può richiedere di accedere a una modalità di alimentazione più alta (fino a 500 mA max.). In
funzione del fatto che questa corrente sia o non sia erogabile dall’host, al dispositivo può essere concesso o meno di
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connettersi. Questi vincoli energetici hanno un grosso impatto sulla progettazione in quanto determinano se creare
un’applicazione alimentata dal bus o autolimentata.
Secondo le specifiche USB, i dispositivi possono essere sia “Bus-powered” (alimentati attraverso il cavo USB) sia “Selfpowered” (alimentati da una batteria o dalla rete). USB definisce anche due livelli di potenza per i dispositivi Bus-powered
alimentati attraverso le porte: High Power e Low Power. Le porte high power sono in grado di erogare al dispositivo a valle
fino a 500mA. Le porte low power possono erogare solo fino a 100mA. Perché esistono due livelli differenti? L’intento
originario delle porte low-power era di permettere la realizzazione di hub bus-powered. Questi dispositivi assorbono 500mA
dalla porta a monte, usano 100mA internamente e distribuiscono 100mA a ciascuna porta a valle (Figura 6).
Figura 7. configurazione in cui la potenza fornita dal PC Host PC all’Hub permette l’espansione delle porte
I dispositivi Bus-powered sono disponibili dall’avvento di USB. Quando le specifiche USB 2.0 sono state arricchite con la
velocità di trasferimento High-Speed (480Mbps), nessun fornitore di silicio era in grado di produrre un chip controller USB
high-speed capace di connettersi al di sotto della soglia critica dei 100mA. In altre parole, quando una periferica con il nuovo
USB High-Speed tentava di connettersi, eccedeva il limite dei 100mA e non veniva appropriatamente configurata. Nel 2003,
Cypress Semiconductor ha introdotto l’EZ-USB FX2LP, il primo prodotto programmabile high-speed capace di generare la
corrente necessaria per i dispositivi low-power.
Quando USB sarà wireless?
Le previsioni indicano che nel 2006 inizieremo a vedere i primi prodotti basati sulla tecnologia Wireless USB. Wireless USB
(WUSB), estensione naturale di USB, può rendere ancora più semplice la connessione tra periferiche o dispositivi elettronici
consumer e PC host. Man mano che appariranno sul mercato nuovi prodotti consumer, la domanda di questo tipo di
interfaccia crescerà. Wireless USB è basato su una tecnologia ultra-bandalarga (UWB) che supporta una velocità di 480 Mbps
su distanze fino a due metri. Se la velocità è ridotta a 110 Mbps, UWB può coprire distanze maggiori (fino a 10 metri). Per gli
ambienti domestici o office, questa tecnologia sarebbe indubbiamente utile. Come nel caso dell’USB su cavo, vi sono due
fattori che decreteranno il successo o l’insuccesso di Wireless USB: presso e potenza!
Se gli sviluppatori non saranno in grado di realizzare prodotti sufficientemente economici per essere utilizzati universalmente o
se la potenza assorbita sarà eccessiva, i consumatori non si affideranno mai questa tecnologia.
A dispetto dei problemi potenziali, gli analisti sono fiduciosi circa le prospettive di Wireless USB. InStat ha sostenuto:
“prevediamo che il mercato Wireless USB muoverà i primi passi nel 2006 e beneficerà di crescite significative nel 2007 e nel
2008. Globalmente, ipotizziamo che i prodotti dotati di Wireless-USB cresceranno del 193% annuo dal 2006 al 2009.”
Se questo accadrà, auspichiamo un altro decennio di apprendimento, d’integrazione e di nuove applicazioni: il mercato
consumer continuerà infatti a chiedere dal miglior standard di connettività al mondo – USB (su cavo o meno) – più qualità,
costi più bassi e connessioni più veloci.
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