¿Por qué el retardo del cable está limitado a 26ns en el USB 2.0?

Question

El usb.org Las FAQ explican esta limitación de esta manera:

La longitud del cable estaba limitada por una especificación de retardo de 26 ns para permitir que las reflexiones se asentaran en el transmisor antes de enviar el siguiente bit. Dado que el USB utiliza una terminación en la fuente y controladores en modo de tensión, esto tiene que ser así, ya que, de lo contrario, las reflexiones pueden acumularse y hacer estallar el controlador.

Pero está claro que esta explicación no es válida para el USB 2.0. El modo Hi-Speed funciona a 480 Mbit/s y su tiempo de transmisión de un solo bit es de sólo 2ns. En un cable de 5 metros de largo, las reflexiones no se asentarán en el transmisor antes de que se envíe el siguiente bit en el modo Hi-Speed.

26ns es alrededor de 38 MHz, así que no está muy claro por qué se introdujo también para el modo USB 1.0 de 12 MHz de velocidad completa. Pero bueno... tiempo de subida + retardo + tiempo de caída, la elección puede tener sentido, al menos.

No es un tiempo de retardo ACK. El tiempo de respuesta del dispositivo fue fijado en ~ 400ns por la especificación USB. Tampoco puede ser inferior a 50ns para cables de 5 metros de longitud.

¿De dónde viene esta misteriosa constante de 26ns y qué importancia tiene para el USB 2.0 de alta velocidad?

Answer 1

La limitación original de 26ns se impuso en el tipo de transmisión original USB1.1 FS (Full Speed) (83ns de temporización UI). La especificación cita dos razones para el límite de longitud del cable, (a) la atenuación del cable (suena muy gracioso hoy en día), y (b) "la interferencia con el transmisor". Los 26ns corresponden a unos 5m de cable. Con la terminación de la fuente siempre habrá una reflexión, pero no estoy seguro de que el transmisor reventado sea la razón principal de esta limitación.

Tras la introducción de USB2.0 y la llegada del esquema de terminación HS (en ambos extremos), no hay reflexiones. La limitación de 5m ahora viene de:

(1) incapacidad de los cables de calidad industrial (producidos en masa) para proporcionar un diagrama de ojos decente al final de 5 m de cable: la amplitud de los ojos cae, y el jitter acumulado se convierte en un problema. Así que el límite de 5 m era un buen compromiso entre la calidad de la señal HS y el legado de la señal FS.

(2) La otra limitación proviene de la arquitectura de concentradores de 5 niveles de USB, e incluye el tiempo de propagación del repetidor del concentrador, la respuesta del dispositivo y los retrasos del cable en los cinco niveles. El protocolo USB2.0 exige un tiempo de espera para la respuesta de la función (ACK/NAK/...) de 1700ns el peor de los casos. Las especificaciones de USB2.0 reúnen todos estos requisitos en una arquitectura coherente.

En realidad, no está claro qué es lo primero, si el coste de los cables o el tiempo de espera del protocolo. Pero todos estos requisitos se alían, lo que da lugar a un retardo de puntal de cable estándar de 26 ns en un sentido.

Si se puede hacer un cable de muy buena calidad y utilizar un enlace de un solo nivel, el cable puede ser de unos 125m de longitud, como esta respuesta explica .

EDIT: Si la pregunta real es "Conecté mi puerto host USB2.0 a algún concentrador USB (con interruptores adicionales en la ruta de datos) a través de un cable de 20 m de CAT7a, y no funciona. ¿Por qué?" Entonces la respuesta es:

El enlace USB2.0 tiene cinco elementos en serie: (1) puerto de host, (2) puerto de dispositivo, (3) cable, (4) conector de host y (5) conector de dispositivo. Los cinco componentes deben funcionar por encima de las especificaciones para que un cable de 40 metros (100 ohmios fuera de especificación) funcione.

(1) El puerto anfitrión debe conducir la señal HS al extremo superior de las especificaciones (440mV), y la sensibilidad del receptor del puerto debe estar en el extremo inferior del umbral de silenciamiento (por debajo de 100mV);

(2) El puerto del dispositivo debe hacer lo mismo que (1). Los componentes adicionales en la ruta del dispositivo no suelen mejorar la integridad de la señal, sobre todo debido a la considerable capacitancia parásita.

(3) El cable debe ser capaz de ofrecer al menos 100mV de apertura de ojo a través de él, y el jitter de borde debe mantener el ojo abierto.

(4) La interconexión en ambos extremos debe ser perfecta (traza de la placa - conector - conector del cable) en ambos extremos.

Si no se dispone de un equipo de prueba de gran ancho de banda (osciloscopio de 1-2 GHz y reflectómetro de dominio temporal TDR) con un costoso conjunto de accesorios de prueba, es imposible determinar qué elemento de este enlace es el que falla. Es probable que los cinco elementos contribuyan a la incapacidad del enlace de 20 metros para proporcionar una señal decodificable. La especificación que exige un límite de puntal de 26 ns en el cable HS no es el factor limitante en esta situación.

Answer 2

He vuelto a mirar las especificaciones del USB 2.0. Parece ser porque el avance EOF como se indica en la sección 11.2.3.2:

El hub debe avanzar sus puntos EOF en función de su tiempo de decodificación SOF en para asegurar que en la topología escalonada, los hubs más alejados del del host siempre tendrán puntos EOF más tardíos que los hubs más cercanos al anfitrión. La magnitud del avance depende de la implementación; el El rango posible de avance se deduce a continuación.

El circuito de sincronización descrito anteriormente depende de que decodificación de un identificador de paquete SOF (PID). Esto significa que el temporizador de la (micro)trama se sincronizará a un tiempo que es posterior a el punto de sincronización en el paquete SOF: más tarde en al menos 40 bits para la alta velocidad o 16 bits para la velocidad máxima. Cada implementación también se toma un tiempo para reaccionar a la decodificación del SOF y establecer los valores apropiados del temporizador/contador. Este tiempo de reacción depende depende de la implementación, pero se supone que es inferior a 192 bits para la alta velocidad y cuatro tiempos de bits para la máxima velocidad. Las secciones siguientes describen las acciones controladas por el temporizador de (micro)trama. Estas acciones se definen en EOF1, EOF2 y EOF. EOF1 y EOF2 se definen en secciones posteriores. Estas secciones asumen que el temporizador de cuenta a cero al final de la (micro)trama (EOF). (EOF). El circuito descrito anteriormente tendrá el temporizador de (micro)trama contando a cero después de 40 a 192 para tiempos de bits de alta velocidad o 16-20 tiempos de bits de alta velocidad tras el inicio de una (micro)trama (o el final de (micro)trama anterior). Los tiempos y compensaciones de bits en las secciones posteriores secciones deben adelantarse para tener en cuenta este retraso (es decir, añadir 40-192 para alta velocidad o 16-20 bits para máxima velocidad a los puntos EOF1 y EOF2 ).

El adelanto de los puntos EOF por el retardo de procesamiento garantiza que el entre los EOF se debe únicamente al retraso de propagación. En ejemplo, para la alta velocidad, la máxima dispersión entre 2 puntos EOF en cualquier parte del USB es inferior a 216 bits (144 + 72). Los 144 tiempos de bits se deben a 36 tiempos de bits de latencia máxima a través de 4 repetidores. Los 72 tiempos de bits se deben a cinco retrasos máximos de cable y de interconexión de 30 ns cada uno. Como puede verse en la Figura 11-4 sin avance de EOF, un hub con un número de nivel mayor podría tener un EOF ocurriendo antes que un hub con un número de nivel menor. En la Figura 11-5 con avance de EOF se asegura que en la topología escalonada, los hubs con números de nivel más grandes siempre tienen puntos EOF más tardíos que los centros con números de nivel más pequeños. Nota: El tiempo de 13 bits en las figuras es un ejemplo retardo máximo del cable (aproximadamente 30 ns).