El flujo de datos del bus USB
Un dispositivo USB desde un punto de vista lógico hay que entenderlo como una serie de endpoints, a su vez los endpoints se agrupan en conjuntos que dan lugar a interfaces, las cuales permiten controlar la función del dispositivo.
Como ya se ha visto la comunicación entre el host y un dispositivo físico USB se puede dividir en tres niveles o capas. En el nivel mas bajo el controlador de host USB se comunica con la interfaz del bus utilizando el cable USB, mientras que en un nivel superior el software USB del sistema se comunica con el dispositivo lógico utilizando la tubería de control por defecto ("Default Control Pipe"). En lo que al nivel de función se refiere, el software cliente establece la comunicación con las interfaces de la función a través de tuberías asociadas a endpoints.
Endpoints y direcciones de dispositivo
Cada dispositivo USB está compuesto por una colección de endpoints independientes, y una dirección única asignada por el sistema en tiempo de conexión de forma dinámica. A su vez cada endpoint dispone de un identificador único dentro del dispositivo al que pertenece, a este identificador se le conoce como número de endpoint y viene asignado de fábrica. Cada endpoint tiene una determinada orientación de flujo de datos. La combinación de dirección, número de endpoint y orientación, permite referenciar cada endpoint de forma inequívoca. Cada endpoint es por si solo una conexión simple que soporta un flujo de datos en una única dirección, bien de entrada o bien de salida.
Cada endpoint se caracteriza por:
- Frecuencia de acceso al bus requerida
- Ancho de banda requerido
- Número de endpoint
- Tratamiento de errores requerido
- Máximo tamaño de paquete que el endpoint puede enviar o recibir
- Tipo de transferencia para el endpoint
- La orientación en la que se transmiten los datos
Existen dos endpoints especiales que todos los dispositivos deben tener, los endpoints con número 0 de entrada y de salida, que deben de implementar un método de control por defecto al que se le asocia la tubería de control por defecto. Estos endpoints están siempre accesibles mientras que el resto no lo estarán hasta que no hayan sido configurados por el host.
Tuberías
Una tubería USB es una asociación entre uno o dos endpoints en un dispositivo, y el software en el host. Las tuberías permiten mover datos entre software en el host, a través de un buffer, y un endpoint en un dispositivo. Hay dos tipos de tuberías:
- Stream: Los datos se mueven a través de la tubería sin una estructura definida.
- Mensaje: Los datos se mueven a través de la tubería utilizando una estructura USB.
Además una tubería se caracteriza por:
- Demanda de acceso al bus y uso del ancho de banda
- Un tipo de transferencia
- Las características asociadas a los endpoints
Como ya se ha comentado, la tubería que esta formada por dos endpoints con número cero se denomina tubería de control por defecto. Esta tubería está siempre disponible una vez se ha conectado el dispositivo y ha recibido un reseteo del bus. El resto de tuberías aparecen después que se configure el dispositivo. La tubería de control por defecto es utilizada por el software USB del sistema para obtener la identificación y requisitos de configuración del dispositivo, y para configurar al dispositivo.
El software cliente normalmente realiza peticiones para transmitir datos a una tubería vía IRPs y entonces, o bien espera, o bien es notificado de que se ha completado la petición. El software cliente puede causar que una tubería devuelva todas las IRPs pendientes. El cliente es notificado de que una IRP se ha completado cuando todas las transacciones del bus que tiene asociadas se han completado correctamente, o bien porque se han producido errores.
Una IRP puede necesitar de varias tandas para mover los datos del cliente al bus. La cantidad de datos en cada tanda será el tamaño máximo de un paquete excepto el último paquete de datos que contendrá los datos que faltan. De modo que un paquete recibido por el cliente que no consiga llenar el buffer de datos de la IRP puede interpretarse de diferentes modos en función de las expectativas del cliente, si esperaba recibir una cantidad variable de datos considerará que se trata del último paquete de datos, sirviendo pues como delimitador de final de datos, mientras que si esperaba una cantidad específica de datos lo tomará como un error.
Streams: No necesita que los datos se transmitan con una cierta estructura. Las tuberías stream son siempre unidireccionales y los datos se transmiten de forma secuencial: "first in, first out". Están pensadas para interactuar con un único cliente, por lo que no se mantiene ninguna política de sincronización entre múltiples clientes en caso de que así sea. Un stream siempre se asocia a un único endpoint en una determinada orientación.
Mensajes: A diferencia de lo que ocurre con los streams, en los mensajes
la interacción de la tubería con el endpoint consta de tres fases. Primero se
realiza una petición desde el host al dispositivo, después se transmiten los datos en
la dirección apropiada, finalmente un tiempo después se pasa a la fase estado. Para
poder llevar a acabo este paradigma es necesario que los datos se transmitan siguiendo
una determinada estructura.
Las tuberías de mensajes permiten la comunicación en ambos sentidos, de hecho la tubería
de control por defecto es una tubería de mensajes. El software USB del sistema se encarga
de que múltiples peticiones no se envíen a la tuberia de mensajes concurrentemente. Un
dispositivo ha de dar únicamente servicio a una petición de mensaje en cada instante
por cada tubería de mensajes.
Una tubería de mensajes se asocia a un par de endpoints de orientaciones opuestas
con el mismo número de endpoint.
USB establece una unidad de tiempo base equivalente a 1 milisegundo denominada frame y aplicable a buses de velocidad media o baja, en alta velocidad se trabaja con microframes, que equivalen a 125 microsegundos. Los (micro)frames no son mas que un mecanismo del bus USB para controlar el acceso a este, en función del tipo de transferencia que se realice. En un (micro)frame se pueden realizar diversas transacciones de datos.
La interpretación de los datos que se transmitan a través de las tuberías, independientemente de que se haga siguiendo o no una estructura USB definida, corre a cargo del dispositivo y del software cliente. No obstante, USB proporciona cuatro tipos de transferencia de datos sobre las tuberías para optimizar la utilización del bus en función del tipo de servicio que ofrece la función.
Estos cuatro tipos son: