The Universal Serial Bus
Andrea Esposito
Marco Marinello
Corso di Computer Systems Architecture
Prof. Flavio Vella
Anno accademico 2020-21

A. Esposito, M. Marinello
The Universal Serial Bus
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Agenda
●
Primi passi di USB
●
Invenzione di USB
●
Prima di USB
●
Differenza tra seriale e parallelo
●
Specifiche di USB
●
Caratteristiche del bus
●
(A)sincronia e arbitraggio
●
Signaling
●
Transceiver
●
Codifica NRZI
●
Analisi del protocollo
●
Tipi di trasferimento
●
USB contro i suoi avversari
●
USB è migliorata col tempo
●
Porte e connettori

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Invenzione di USB
Nel 1994, 7 società iniziarono assieme lo sviluppo di USB:
Compaq, Hewlett-Packard, IBM, Microsoft, NEC e Nortel.
L'obiettivo era rendere più semplice il collegamento di
dispositivi esterni ai PC oltre a migliorare velocità di
trasferimento e altri problemi di usabilità (hot-plug, ...).
Ajay Bhatt e il suo team hanno lavorato allo standard
alla Intel; i primi circuiti integrati che supportano USB
sono stati prodotti nel 1995.

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Prima di USB
Moltitudine di standard diversi a
seconda della periferica da collegare

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Prima di USB: EIA RS-232
●
Interfaccia seriale
●
Bassa velocità di trasmissione
●
Scambio dati fra dispositivi digitali
●
Scambio dati fra mainframe e
terminali
●
Utilizzata per collegare i primi
mouse, stampanti, scanner e
dispositivi di rete
●
Ad oggi ancora utilizzata ad es.
per management di switch o altri
SBC/Embedded
Topory - Opera propria, CC BY-SA 3.0

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Prima di USB: Porta parallela
Afrank99 - Opera propria, CC BY-SA 3.0,
●
Detta anche LPT, dall'inglese Line
Printer Terminal
●
usata inizialmente per collegare
un computer a una stampante o a
un plotter
●
in seguito, nella versione
bidirezionale, impiegata anche
per altre periferiche tra le quali
scanner, unità ZIP, hard disk,
lettori di CD-ROM e webcam
●
È parallela e non seriale

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Differenza fra seriale e parallelo
Courtesy of Quantil.com

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Prima di USB: Game port
●
Ideata dalla IBM e distribuita nel
1981 come una scheda di
espansione del primo PC IBM
●
Inizialmente consentiva di gestire
quattro assi analogici e quattro
pulsanti su una porta
●
Microsoft nel 2006 ha cessato il
supporto di game port con
Windows Vista mentre nel kernel
Linux è ad oggi supportato dal
modulo snd_cmipci e joydev

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Prima di USB: altre porte
Quark67 - Opera propria, CC BY-SA 3.0
Apple Desktop Bus (ADB) PS/2 (mini-DIN)

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USB – caratteristiche del bus
Il bus USB è di tipo tiered star, in cui
ogni nodo connesso fa capo a un hub.
Un hub mette a disposizione porte per
la connessione simultanea di più nodi
(lato downstream); a sua volta l’hub fa
capo a un altro hub nel livello (tier)
superiore (lato upstream), fino ad
arrivare al Root Hub, ovvero quello
dell’host.
Nella topologia USB un dispositivo
(non un hub) che occupa un nodo è
chiamato funzione.

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USB – caratteristiche del bus
L’architettura USB è host-centrica. L’host gestisce le connessioni (rilevamento di
inserimento e rimozione, alimentazione, enumerazione dei device connessi) e avvia
tutte le transazioni (scambi di dati) da e verso i nodi. Questi rimangono in attesa di
un pacchetto proveniente dall’host (il pacchetto token); se questo contiene l’indirizzo
del device in questione, rispondono di conseguenza. Per questo meccanismo di
attesa e controllo quello USB è definito un polled bus.

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USB – (a)sincronia e arbitraggio
Per la sua natura seriale, il bus USB è un bus
sincrono: la scansione degli intervalli è fissata
dal data rate adottato da host e device e
alcuni accorgimenti vengono impiegati
affinché i segnali di clock rimangano tra loro
sincronizzati.
Dal fatto che tutte le transazioni sono avviate
dall’host deriva il sistema di arbitraggio USB:
un device utilizza il bus solo quando richiesto
dall’host e continua ad occuparlo fino al
termine della transazione.
L’host non avvia nuove transazioni finché la
precedente non si conclude.

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USB – signaling
VBUS e GND sono le linee di alimentazione (nominalmente +5V). Il signaling USB, ovvero
la generazione degli impulsi alla base della codifica e del trasferimento dei dati, avviene
sulle linee D+ e D-. Una corrente può essere indirizzata dal trasmittente in D+ o
(invertita) in D-. Il ricevente rileva un impulso positivo o negativo tra le due linee.
Questi due stati vengono descritti come J e K. Questa modalità di trasmissione è
denominata differential signaling.
I segmenti di connessione tra i nodi del bus USB sono costituiti da quattro linee elettriche.

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USB – transceiver
Un transceiver USB 2.0 include la circuiteria per trasmettere e ricevere segnali
a tre diversi data rate:
• High Speed – 480 Mb/s (la sola mostrata in figura)
• Full Speed – 12 Mb/s
• Low Speed – 1.5 Mb/s
In base al data rate supportato dal device, la trasmissione avviene su intervalli
di tempo differenti.

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USB – codifica NRZI
La codifica utilizzata sul bus USB è denominata Non Return to Zero Inverted, o NRZI.
Consiste nel rappresentare il valore logico basso [0] con un cambiamento di stato J-K e il
valore logico alto [1] con una persistenza di stato J-K (nessun cambiamento).
Diversi meccanismi di rilevamento e correzione degli errori vengono utilizzati in base al
tipo di trasferimento in atto sul bus. A livello bitwise viene applicato il bit stuffing, che
consiste nel trasmettere un impulso logico basso [0] dopo ogni occorrenza di una
sequenza di almeno sei impulsi alti [1].
TPERIOD

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USB – analisi del protocollo
Ogni transazione USB consiste nello scambio di un numero variabile di pacchetti tra i
device connessi. Ogni pacchetto USB inizia con una sequenza di sincronizzazione
(SYNC), impiegata per allineare i clock tra i due nodi.
Seguono otto bit che identificano il tipo di pacchetto (PID). Si distinguono quattro tipi di
pacchetti:
• Token, contengono direzione della transazione (IN o OUT) e indirizzo del nodo e
dell’endpoint;
• Data, contengono da 0 a 1024 byte di dati annessi alla transazione;
• Handshake, contengono le possibili risposte a seguito di una transazione riuscita
(ACK) o fallita (NAK o STALL);
• Special, contengono informazioni aggiuntive (ad es. richieste di utilizzare il bus da
parte di dispositivi Low Speed).
Ogni transazione termina con una sequenza End of Packet (EOP).

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USB – analisi del protocollo
Diverse sequenze di pacchetti sono associate a diversi tipi di trasferimenti sul bus USB.
Per avviare una transazione con un device, l’host emette un pacchetto che ne specifica
l’indirizzo e un suo endpoint, ovvero una porzione dedicata del device stesso,
univocamente identificabile.
Si instaura così una pipe, ovvero un’associazione tra host e device che funge da canale di
trasferimento dati. Una pipe è sempre unidirezionale e permette un solo tipo di
trasferimento tra i quattro possibili: Control, Interrupt, Bulk e Isochronous.
Le quattro tipologie differiscono per direzione della transazione, dimensione dei
pacchetti, limiti di latenza e gestione degli errori.

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USB – tipi di trasferimento
Control Bulk / Interrupt Isochronous

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USB contro i suoi avversari
RS-232
(serial port)
Parallel port Game port
Apple
Desktop Bus
IEEE 1394
(“FireWire”)
PS/2 USB Thunderbolt
Presentation
date
1962 1981 1981 1986 1986 1987 1996 2009
Reversible       
(only type-C)

(only v. 3)
Hotplug  
(usually)
 Sometimes  Sometimes  
Maximum
length
15m 4.5m -unknown- 5m 4.5m 25m
5m
(v. 2.0+)
0.5 (40Gbps)
2m (20Gbps)
Maximum
bitrate
115200 bit/s 200 Mbps 4.8 Mbps 0.125 Mbps 3200 Mbps 0.012 Mbps 40 Gbps 40 Gbps

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USB – porte e connettori
USB 1.1
USB 2.0
USB 3.0+
1994 2000 2007 2013
2001
OTG
2014
Seguendo le esigenze del mercato e l’avanguardia tecnologica, lo standard USB ha
periodicamente rinnovato le porte e i connettori da esso utilizzati, riducendo le dimensioni e
migliorando robustezza e versatilità.

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USB è migliorata col tempo

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Grazie dell’attenzione
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Bibliografia e sitografia
●
USB 2.0 Specification
https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification
●
Data transmission – Parallel vs Serial
https://www.quantil.com/content-delivery-insights/content-
acceleration/data-transmission/
●
USB Hardware – Wikipedia (vector images)
https://en.wikipedia.org/wiki/USB_hardware