Capitolo 37. USB
La sigla USB sta per Universal serial bus e rappresenta un tipo di bus in cui i vari componenti si possono collegare in una struttura che ricorda quella dell'albero. In questo tipo di bus, le comunicazioni sono controllate da un protocollo che non consente alle unità periferiche di comunicare direttamente tra di loro.
37.1 Caratteristiche generali
Il bus USB è fatto per connettere unità periferiche esterne a un elaboratore, al contrario di SCSI, che prevede la possibilità di un collegamento interno e di uno esterno. Il bus USB ha un collegamento speciale, attraverso connettori di tipo differente, a seconda che si tratti del lato rivolto verso l'unità periferica (il tipo «B»), oppure verso l'unità di controllo (il tipo «A»). La continuazione del bus avviene attraverso dei concentratori (HUB), che da un lato si collegano come unità periferiche e dall'altro offrono più connettori uguali a quelli dell'unità di controllo. In particolare, l'unità di controllo viene definita anche root hub, come dire che si tratta del primo concentratore della struttura.
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Figura 37.1. Porta USB di tipo «B» di un'unità periferica.
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Figura 37.2. Un cavo USB, dove si possono notare i due connettori, «A» e «B», che hanno forme diverse.
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Figura 37.3. Connettori USB: quello in alto va collegato all'unità di controllo (tipo «A»), oppure al concentratore, mentre quello in basso va collegato all'unità periferica (tipo «B»).
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Il bus USB consente di collegare un massimo di 127 dispositivi, oltre all'unità di controllo. In questo numero vanno contati anche i concentratori. A differenza del bus SCSI, qui i dispositivi non devono essere numerati manualmente, perché a questo provvede automaticamente il sistema.
37.2 Alimentazione elettrica
Una caratteristica molto importante del bus USB è la possibilità di alimentare i dispositivi che vi si collegano, attraverso il collegamento del bus stesso. La corrente elettrica che può essere fornita in questo modo arriva normalmente a un massimo di 500 mA.
Un dispositivo USB comune può essere alimentato anche in modo indipendente, soprattutto se il suo consumo è elevato; tuttavia, il fatto che l'alimentazione esterna non sia sempre necessaria, consente di ridurre il cablaggio per la connessione di componenti esterni, soprattutto quando questi sono di piccole dimensioni.
37.3 Collegamento di una porta USB
In condizioni normali, non è necessario essere a conoscenza del modo in cui i quattro terminali di una porta USB devono essere collegati da un punto di vista elettrico. Tuttavia, alcune vecchie schede madri hanno un bus USB integrato a cui si accede attraverso una o due file di cinque o di quattro piedini ciascuna, senza che esista uno standard preciso per il collegamento di questi alla porta USB di tipo «A». Si osservi la figura 37.4 a questo proposito.
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Figura 37.4. Piedini per collegare due porte USB di tipo «B» su una scheda madre molto vecchia, in cui non è chiaro come siano disposti i vari terminali.
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Per prima cosa occorre comprendere un po' la logica delle connessioni USB, dal punto di vista fisico. La figura 37.5 schematizza una porta USB di tipo «A» su un pannello di un elaboratore.
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Figura 37.5. Collegamento elettrico di una porta USB di tipo «A». 1 2 3 4 terminale .==================. 1 + alimentazione 5 V | ** ** ** ** | 2 - dati | | 3 + dati | .--. .--. | 4 - alimentazione (massa) `------------------' |
Si può osservare che i terminali utilizzati per l'alimentazione sono quelli più esterni; inoltre, i terminali interni per i dati, hanno una polarità invertita rispetto all'alimentazione. Con un po' di fortuna, anche i terminali che sporgono da una scheda madre dovrebbero rispettare questa logica, tenendo conto che, se esistono cinque terminali, uno va collegato alla massa esterna, in modo distinto dall'alimentazione negativa. Una disposizione tipica dei piedini di una scheda madre è questa:
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alimentazione +5 V;
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dati, terminale negativo;
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dati, terminale positivo;
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massa dell'alimentazione (0 V);
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massa esterna.
Un'altra possibilità comune è la seguente:
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alimentazione +5 V;
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dati, terminale negativo;
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non collegato (piedino assente);
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dati, terminale positivo;
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massa dell'alimentazione (0 V);
In queste condizioni, è necessario verificare almeno i terminali che sono adibiti al trasporto dell'alimentazione, attraverso uno strumento di misura. A elaboratore spento, si può verificare quali piedini risultano essere collegati direttamente alla massa; se sono due per ogni fila, quello più interno dovrebbe corrispondere alla massa di alimentazione (0 V), mentre quello più esterno dovrebbe essere collegato alla massa vera e propria. Il terminale esterno opposto di ogni fila, dovrebbe essere il positivo di alimentazione (+5 V), mentre i due terminali rimanenti dovrebbero essere quelli dei dati, con polarità alternate (vicino al positivo di alimentazione dovrebbe trovarsi il negativo dei dati; vicino al negativo di alimentazione, dovrebbe trovarsi il positivo dei dati). Se ci sono due file parallele di terminali, si può verificare che i piedini esterni riguardano l'alimentazione, perché risultano collegati assieme (i due terminali del positivo di alimentazione sono collegati tra loro, così come i due o i quattro terminali di massa). Accendendo l'elaboratore si può verificare che il terminale positivo dell'alimentazione ha una tensione di (+5 V).
37.4 Tipi di unità di controllo
Le unità di controllo USB sono fondamentalmente di due tipi, in base alla loro compatibilità con lo standard OHCI (Open host controller interface) o con lo standard UHCI (Universal host controller interface). Il secondo tipo è più semplice e più economico, ma richiede un carico maggiore per la CPU, a causa della maggiore complessità del software di gestione relativo.
37.5 Kernel Linux
La gestione di un bus USB in un sistema GNU/Linux parte dal kernel, che deve essere stato predisposto per questo (sezione 29.2.17). In particolare, deve essere stato selezionato il tipo di unità di controllo; in pratica si deve attivare la gestione UHCI, oppure OHCI. Eventualmente, per sapere a quale tipo appartiene la propria unità di controllo, dovrebbe essere sufficiente leggere il rapporto relativo al bus PCI (infatti, il bus USB si innesta normalmente in un bus PCI).
$ less /proc/pci
PCI devices found:
...
Bus 0, device 7, function 2:
USB Controller: VIA Technologies, Inc. UHCI USB (rev 17).
IRQ 11.
Master Capable. Latency=32.
I/O at 0xd400 [0xd41f].
Quello che si vede sopra è l'esempio di ciò che si può leggere nel file /proc/pci, mentre sotto si vede un'interrogazione delle stesse notizie attraverso lspci:
# lspci -v
00:07.2 USB Controller: VIA Technologies, Inc. VT82C586B USB (rev 11)
(prog-if 00 [UHCI])
Subsystem: Unknown device 0925:1234
Flags: bus master, medium devsel, latency 32, IRQ 11
I/O ports at d400 [size=32]
Capabilities: [80] Power Management version 2
In entrambi i casi, si vede la sigla UHCI, che chiarisce di che tipo sia il bus USB.
37.5.1 Informazioni
Nel kernel, dopo aver attivato la gestione del bus USB, conviene attivare anche la gestione di un file system virtuale che consente poi di avere maggiori informazioni sul funzionamento del bus e dei suoi componenti. La voce relativa a questa funzionalità dovrebbe essere Preliminary USB device filesystem.
Quando questo file system è disponibile, conviene montarlo nella directory /proc/bus/usb/, per rispettare le convenzioni comuni. Nel file /etc/fstab si può aggiungere una riga simile a quella seguente:
none /proc/bus/usb usbdevfs defaults 0 0
In questo modo, si otterrà l'inserimento automatico delle informazioni sul bus USB, a partire dalla directory /proc/bus/usb/. In particolare, il file /proc/bus/usb/devices è particolarmente ricco di informazioni.
T: Bus=01 Lev=00 Prnt=00 Port=00 Cnt=00 Dev#= 1 Spd=12 MxCh= 2 B: Alloc= 11/900 us ( 1%), #Int= 1, #Iso= 0 D: Ver= 1.00 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1 P: Vendor=0000 ProdID=0000 Rev= 0.00 S: Product=USB UHCI Root Hub S: SerialNumber=d400 C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr= 0mA I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 1 Cls=09(hub ) Sub=00 Prot=00 Driver=hub E: Ad=81(I) Atr=03(Int.) MxPS= 8 Ivl=255ms T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=00 Cnt=01 Dev#= 2 Spd=12 MxCh= 0 D: Ver= 1.00 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS=64 #Cfgs= 1 P: Vendor=03f0 ProdID=0105 Rev= 1.00 C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr=100mA I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 3 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 Driver=usbscanner E: Ad=01(O) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms E: Ad=82(I) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms E: Ad=83(I) Atr=03(Int.) MxPS= 1 Ivl= 1ms T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=02 Dev#= 3 Spd=12 MxCh= 0 D: Ver= 1.00 Cls=00(>ifc ) Sub=00 Prot=00 MxPS= 8 #Cfgs= 1 P: Vendor=07c4 ProdID=0103 Rev= 9.04 S: Manufacturer=OnSpec Electronic, Inc. S: Product=USB Disk S: SerialNumber=02A86999A8 C:* #Ifs= 1 Cfg#= 1 Atr=40 MxPwr= 0mA I: If#= 0 Alt= 0 #EPs= 2 Cls=08(stor.) Sub=06 Prot=50 Driver=usb-storage E: Ad=01(O) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms E: Ad=82(I) Atr=02(Bulk) MxPS= 64 Ivl= 0ms
L'esempio mostra le informazioni ottenute dalla presenza di un'unità di controllo, uno scanner e un disco esterno. Il punto di riferimento che indica l'inizio di un dispositivo è dato dalle righe che iniziano con la lettera «T»:
T: Bus=01 Lev=00 Prnt=00 Port=00 Cnt=00 Dev#= 1 Spd=12 MxCh= 2 ... T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=00 Cnt=01 Dev#= 2 Spd=12 MxCh= 0 ... T: Bus=01 Lev=01 Prnt=01 Port=01 Cnt=02 Dev#= 3 Spd=12 MxCh= 0
Per conoscere il significato delle informazioni che appaiono in questo file, conviene consultare The Linux USB sub-system, di Brad Hards, citato anche alla fine del capitolo.
37.5.2 Dischi esterni
Vale la pena di annotare il caso particolare delle unità a disco collegate attraverso un bus USB. Quando vengono collegati, anche a caldo, dovrebbero essere individuati dal kernel, che li associa a unità SCSI. Anche in questo contesto può tornare utile cdrecord con l'opzione -scanbus:
# cdrecord -scanbus
Cdrecord 1.8 (i686-pc-linux-gnu) Copyright (C) 1995-2000 Jörg Schilling
Using libscg version 'schily-0.1'
scsibus0:
0,0,0 0) *
0,1,0 1) *
0,2,0 2) 'FUJITSU ' 'M2513A ' '1200' Removable Optical Storage
0,3,0 3) 'TEAC ' 'CD-R55S ' '1.0E' Removable CD-ROM
0,4,0 4) *
0,5,0 5) *
0,6,0 6) *
0,7,0 7) *
scsibus1:
1,0,0 100) 'LITE-ON ' 'LTR-12102B ' 'NS1H' Removable CD-ROM
1,1,0 101) *
1,2,0 102) *
1,3,0 103) *
1,4,0 104) *
1,5,0 105) *
1,6,0 106) *
1,7,0 107) *
scsibus2:
2,0,0 200) 'IBM-DJSA' '-210 ' 'AB8A' Disk
2,1,0 201) *
2,2,0 202) *
2,3,0 203) *
2,4,0 204) *
2,5,0 205) *
2,6,0 206) *
2,7,0 207) *
Trattandosi di un disco, dato che esiste già un'unità a disco nelle coordinate «0,2,0» (mentre gli altri componenti sono unità CD-ROM), si potrà accedere a questo con i file di dispositivo /dev/sdb*.
37.6 Riferimenti
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Brad Hards, The Linux USB sub-system, Sigma Bravo Pty
daniele @ swlibero.org