Maneras de utilizar el USB en sistemas embebidos

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The Robotics Institute of Yucatan
Exposición de Paper por Javier Enrique Gascón
Grajales 26 de Octubre de 2009 estabadato_at_hotmail.
com

• Ways to use USB in embedded systems.
• Yingbo Hu.
• TechOlnline Digital Magazine, ARM IQ Article,
  December 2008.

Título
Autor
Presentado
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Ways to use USB in embedded systems

• Yingbo Hu, RD Embedded Software
• Engineer and Ralph Moore, President
• of Micro Digital

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Autores

• Yingbo Hu
• Maestría en Control Automático en la Universidad
  de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing. Se
  especializa en controladores para dispositivos de
  escritura en periféricos embebidos, tales como
  USB y flash y en el desarrollo de software en
  tiempo real para sistemas embebidos.

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• Ralph Moore
• Licenciatura en Física en el Instituto de
  Tecnología de California (Caltech). Fundador y
  actual presidente de la compañía Micro Digital.
  Desarrollo el primer smx en 1987 que es un núcleo
  multitareas en tiempo real para sistemas
  embebidos.

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Introducción

• El USB es una forma de interconexión que brinda
  facilidad de uso, diversidad de aplicaciones, así
  como un excelente desempeño para el usuario final.

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• Originalmente lanzado en 1995 para PCs, es ahora
  que su uso se esta expandiendo hacia los sistemas
  embebidos y esta reemplazando interfases antiguas
  tales como los puertos seriales y paralelos.

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Universal Serial Bus

• El USB cuenta con un host que actúa como maestro
  y con periféricos o dispositivos USB que se
  conectan a éste y actúan como esclavos.
• El host para funcionar requiere de 3 partes
• (1) USB host controller driver
• (2) USB host stack
• (3) USB class driver

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• De igual forma los dispositivos USB requieren
  para su funcionamiento de prácticamente las
  mismas partes
• (1)USB device controller driver
• (2) USB device stack
• (3) USB function driver.

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• A continuación se muestran diversas maneras de
  cómo el USB puede ser utilizado en sistemas
  embebidos.

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1. USB Serial

• Muchas PCs y laptops nuevas no cuentan con
  puertos paralelo y serial.
• Los SO populares incluyen drivers CDC como parte
  de su stack de archivos USB Host.
• El embebido cuenta con un driver de
  funcionamiento Serial/CDC y será reconocido por
  el SO como un dispositivo serial.

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• Así los emuladores finales y aplicaciones
  seriales pueden comunicarse con el dispositivo
  embebido sin ninguna modificación.

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2. USB disk

• El sistema embebido emula una unidad de disco
  USB.
• Los SO contienen drivers para almacenamiento
  masivo USB que intercomunican los archivos del
  sistema con el stack del USB host.
• Añadiéndole al embebido un driver de
  funcionamiento de almacenamiento masivo permite
  que sea reconocido como una unidad de disco vía
  USB.

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• Cuando el embebido es conectado, la Pc lo
  reconoce como un disco y le asigna una letra, por
  lo tanto se pueden arrastrar y pegar archivos
  como si fuera una unidad de disco.

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3. RNDIS

• Remote Network Driver Interface Specification
  permite emular Ethernet sobre el USB.
• Añadir al embebido un driver para RNDIS permite
  la interfaz entre el stack Usb y el stack TCP/IP
  y asi conectarse al servidor web.
• Cuando el embebido es conectado a la PC, el
  explorador inmediatamente se conecta a su
  servidor web.

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• De esta manera el explorador se puede conectar al
  servidor del embebido aunque no este conectado
  vía Ethernet.
• La misma información de la red a la cual este
  conectada el embebido, puede ser accesada por la
  Pc vis USB.

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4.Conexión por Audio

• Si se añade el driver de sonido adecuado al
  embebido, éste puede ser reconocido por la PC
  como una tarjeta de sonido.
• El driver provee tanto la interfaz de audio como
  la MIDI con la cual pueden conectársele
  dispositivos como bocinas, micrófonos o
  instrumentos musicales.

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• Tanto el audio como la corriente de la MIDI
  pueden ser transferidos vía USB usando el modo
  síncrono de transferencia de datos.

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5. Multipuertos seriales con UART

• Es posible manejar múltiples e independientes
  canales seriales mediante un solo puerto USB.
• Esto es posible con un driver especial llamado
  CDC ACM class driver el cual simula diversos
  puertos COM virtuales para la PC y multiplexa los
  canales seriales correspondientes en la conexión
  USB.

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• En el embebido el driver CDC demultiplexa los
  canales seriales.
• La PC puede comunicarse con dispositivos como
  impresoras o lectores de barras conectados a una
  UART como si estuvieran conectados en puertos
  seriales.

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6. USB Composites

• Es posible que un solo dispositivo USB aparente
  multiples dispositivos para un host USB, a traves
  del USB Composite Device Framework.
• La PC reconoce cada diferente dispositivo en el
  embebido y carga los drivers de clase
  correspondientes a cada uno.

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• En este ejemplo el dispositivo luce como un disco
  USB y un puerto serial, por lo cual los 2 drivers
  correspondientes están presentes.

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7. Acceso a memoria USB

• Un sistema embebido puede acceder a una memoria
  USB añadiendo un driver de almacenamiento masivo,
  el cual se sitúa entre el stack del host USB y el
  sistema local de archivos.
• Se crea la dirección API de lectura/escritura
  esperada para los drivers de un disco de
  almacenamiento.

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• Las memorias USB son muy convenientes para
  transferencia de datos entre el embebido y la PC,
  o para actualizar el firmware o la configuración
  del embebido.

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8. USB a Ethernet

• Si un embebido tiene capacidad de host, es
  posible conectarlo a una red local Ethernet
  utilizando un adaptador USB a Ethernet.
• Esto se hace sin cambiar el hardware del
  embebido, solo añadiendo el driver adecuado que
  interconecte el stack del host con un stack
  TCP/IP en el mismo.

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• Esto permite que algunas unidades se conecten a
  una LAN sin necesidad de agregar la conexión a
  Ethernet en todas las unidades.

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9. Conexión WiFi

• Existen chipsets especiales que habilitan la
  conectividad inalámbrica WiFi en dispositivos que
  tengan puertos USB.
• Estos chipsets se encuentran comúnmente en los
  denominados WiFi dongles.
• El MAC 802.11 provee una interfaz similar a
  Ethernet en el stack del TCP/IP y maneja al
  controlador 802.11 en el chipset WiFi.

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• El driver del chipset controla la interfaz USB
  del mismo.
• EL MAC 802.11 proporciona también claves WEP o
  WPA para seguridad.

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10. Conexión telefónica vía USB

• La conexión telefónica vía USB es posible
  utilizando un driver USB CDC-ACM.
• Existen módems USB que se conectan vía telefónica
  o inalámbricamente al sistema PSTN.
• Es especialmente útil cuando la conexión
  telefónica es necesaria solo ocasionalmente.

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• Un modem USB puede ser compartido entre diversos
  dispositivos, lo que economiza el diseño y no
  implementa mas hardware.

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11.Conexión a sensores y actuadores

• El diagrama muestra como un hub externo puede ser
  usado para conectar múltiples sensores y
  actuadores a una unidad de control en un sistema
  embebido.
• En el diagrama se asume que los sensores son
  dispositivos seriales y se les agrega un driver
  serial.

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• Los actuadores se asumen como dispositivos
  diversos y requieren drivers especificos.
• Impresoras y lectores de barras seran manejados
  por drivers estandares, mientras que teclados o
  joysticks por drivers HID.

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CONCLUSIÓN

• El uso del USB en sistemas embebidos se ha
  centrado en la pérdida de puertos seriales y
  paralelos en las nuevas computadoras y
  dispositivos y en poder manejar y transportar
  informacion por medio de memorias USB. Sin
  embargo existen muchas aplicaciones mas como se
  han mostrado en este articulo y un mundo de
  posibilidades para resolver otros problemas en el
  espacio embebido.

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VIDEOS
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Enlaces

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• http//www.smxrtos.com/articles/usb_art/waysusb.pd
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