Configuring Linux
Gadgets
Old hardware
Periphery
DIY
November 2018 22

Как превратить «столетний» usb-хаб в «умный» управляемый и сэкономить при этом 300$

Как-то давно понадобился мне хаб, желательно с большим количеством портов и c достаточно удобной формой, пригодной для встраивания вместо флоппи-дисковода в отсек 3,5''. Беглый просмотр барахолки подкинул модель D-link DUB-H7, да еще и в комбинации «2 по цене 1». Внешний осмотр ничего особенного не дал, хаб как хаб, сделан добротно, капитальный «принтерный» USB AM-BM на оборотной стороне и 3 А блок питания. Как всегда первым делом разобрал, порадовался малому количеству пустых мест вместо элементов вкупе с качественной пайкой и успокоился. Правда на всякий случай зашел в интернет посмотреть, а что это за хаб и есть ли интересные проекты с его участием. Проектов не оказалось, отзывы пользователей 50/50, в общем, никакой динамики. Хаб на протяжении 5-7 лет довольно сносно работал и выполнял свою задачу, потом плавно переместился в коробку для электронного хлама и вполне возможно сгинул бы в итоге вместе с безызвестными переходниками, адаптерами и т. п. Но произошло у меня в жизни событие, которое заставило-таки меня покопаться в мешках со старым барахлом, найти этот, как оказалось уникальный D-link, и стряхнув пыль извлечь его на божий свет. Если интересно послушать зачем — добро пожаловать под cut.


миг-миг-миг

Intro или Плач о жадных производителях usb-хабов


С появлением маленьких удобных SoC роутеров (вроде любовно описанного мной в статье Руководство по доведению «до кондиции» клона популярного китайского мини-роутера Hame A15, он же «unbranded A5-V11» ) и повсеместного внедрения openwrt для управления сонмами устройств (в абсолютном большинстве случаев, это устройства подключаемые по USB) очень актуальной задачей становится задача управления электропитанием всевозможных модемов, картридеров, usb-rs232 преобразователей и т. д. и т. п. Найболее часто встречается необходимость управления портом при работе с GSM-модемами (для перезагрузки, например). В принципе, народ наработал уже достаточное количество решений. Для этих целей, начиная от использования свободных GPIO выводов в роутере, и заканчивая готовыми реле. Существуют решения и от сторонних производителей. Это например программируемый USB хаб на 4 порта от Acroname, который и в корпусе приятном и программным обеспечением богат, но стоит около 300$.


image

Есть вариант подешевле, умный переключаемый хаб с приятным названием Yupkit YKUSH всего лишь за 35€:


image

Самые же экономные могут использовать связку из самого дешевого usb хаба, нормально закрытого 5V реле, и любой из Arduino-к для отключения питания от usb порта в случае необходимости. Стоимость такого решения < 10$, без учета временных затрат на пайку и программирование Arduino.


Казалось бы тупик. Либо дорого и красиво, либо просто и на соплях неказисто. Но оказалось существует третий вариант. Притом решение старо, как сама спецификация USB 2.0 для хабов в которой оно описано.


Выдержки из спецификации, касающиеся управления питания USB

Self-powered hubs may have power switches that control delivery of power downstream facing ports but it is not required. Bus-powered hubs are required to have power switches. A hub with power switches can switch power to all ports as a group/gang, to each port individually, or have an arbitrary number of gangs of one or more ports. A hub indicates whether or not it supports power switching by the setting of the Logical Power Switching Mode field in wHubCharacteristics. If a hub supports per-port power switching, then the power to a port is turned on when a SetPortFeature(PORT_POWER) request is received for the port. Port power is turned off when the port is in the Powered-off or Not Configured states. If a hub supports ganged power switching, then the power to all ports in a gang is turned on when any port in a gang receives a SetPortFeature(PORT_POWER) request. The power to a gang is not turned off unless all ports in a gang are in the Powered-off or Not Configured states.

Although a self-powered hub is not required to implement power switching, the hub must support the Powered-off state for all ports. Additionally, the hub must implement the PortPwrCtrlMask (all bits set to 1B) even though the hub has no power switches that can be controlled by the USB System Software.


Переводя на русский, получается, что в стандарте USB уже прописана возможность управления питанием портов, с помощью т.н. Per-Port Power Switching (PPPS), но вот встретить устройство, которое бы поддерживало эту возможность не просто тяжело, а очень тяжело. Для реализации PPPS-функционала необходимы дополнительные компоненты (полевые транзисторы и обвязка), которые в целях экономии в хабы не устанавливаются.


Чутко реагируя на запросы рынка некоторые производители указывают в спецификациях хабов функцию PPPS, но на деле дальше надписи на коробке дело не идет. И в принципе, придраться тяжело, ведь многие чипы внутри хабов эту функцию поддерживают, но вот реализовать ее без дополнительных переключателей (транзисторов) невозможно (чаще всего USB порты напрямую подключены к линии +5V).


Я даже разобрал специально несколько маленьких USB-хабов, которые планировал использовать совместно c A5-V11 роутером. Внутри оказались: чип GL850G и горяче любимый китайцами FE1.1s. Естественно внутри обнаружились только сами контроллеры с минимумом деталей. Ввиду миниатюрного размера платы поместить даже навесным монтажом транзистор и примкнувшие к нему детали тяжело. Пришлось это успокоится. Хотя, в зависимости от чипа, если в даташите встречается упоминание о over-current detection and Individual or ganged power control, то можно провести операцию по smart-изации такого устройства по методу описанному в статье. Товарищ использовал комбинацию из транзистора и кучки резисторов для включения функции PPPS в своем хабе.


Схема переделки и внешний вид устройства
image
image

Также читая документацию, ловишь себя на том, что в ней нет-нет да и встречается упоминание о том, что режим управления портами можно реализовать, добавив дополнительно в схему какой-нибудь AIC1526-0 или MIC2026 (Dual-channel power distribution switch).


Схемы из даташитов не дадут соврать


Часть основная или переходим к сути


Обуреваемый невеселыми мыслями по поводу покупки китайских хабов с неизвестным функционалом ("кота в мешке") и невозможности предварительной их проверки, я нечаянно натолкнулся на статью, посвященную настройке openwrt для управления питанием USB-хаба, притом в качестве примера приведен тот самый, заброшенный и забытый D-Link DUB-H7 в сером корпусе.



Изучив матчасть стало ясно, что на борту хаба помимо достаточно продвинутого контроллера Philips ISP1521BE есть и целая куча тех самых dual-channel power distribution switch AIC1528-0 для полноценного переключения питания. Хотя судя по даташиту, чип с минимальным обвесом сам может управлять питанием downstream портов (а еще там много чего, как оказалось, не реализовано, например индикация активности upstream порта с помощью технологии GoodLink, или хост USB 1.1 для корректной поддержки смеси 2.0 и 1.1 на downstream портах и т.д. и т.п.).


Кстати, для тех, кто решится повторить пройденный мной путь, сразу скажу, что современные версии D-Link DUB-H7 (в черном глянцевом корпусе) уже не так полезны, как старички серого цвета.



По информации с wikidevi.com (1,2,3,4) существует несколько ревизий данного хаба, с различным набором компонентов на борту, и соответственно с различным функционалом (А1/A5 — ISP1521BE 7-port, B1-2xGL854G 4-port, C1 — 2xGL850Z 4-port).


Внимание на D-Link DUB-H7 обращено еще и потому, что помимо его неплохого функционала, это еще и самый доступный (как по цене, так и по распространенности) в наших краях вариант. Из моделей, которые могли упоминаться попутно с "Per-Port Power Switching" можно дополнительно отметить, например, такие:


  • Linksys USB2HUB4 USB 2.0 hub.
  • D-Link DFB-H7 Combo Hub
  • Elecom U2H-G4S
  • Sanwa Supply USB-HUB14GPH
  • Targus Inc. PAUH212
  • Hawking Technology UH214

Мне искать упомянутые устройства не довелось, потому что когда-то повезло с версией ревизии A5. Правда сейчас, если бы пришлось покупать такой хаб, я бы постарался найти ревизию B1, потому что помимо управления питанием портов, чип, на котором она построена (GL854G) имеет внутри такую штуку, как Multi Transaction Translator.



Важность наличия Multi Transaction Translator (MTT) в USB хабе


Небольшое отступление для того, чтобы расказать, что такое этот Multi Transaction Translator (MTT) и почему он так важен и нужен. Передатчик операции (англ. transaction translator, TT) является важным компонентом любого высокоскоростного хаба, который обеспечивает связь между upstream и downstream портами концентратора, особенно в случае, когда эти порты работают на разных скоростях передачи данных. Фактически, TT отделяет низко- и среднескоростные устройства, от высокоскоростных (сугубо USB 2.0, например) и отвечает за работу на скоростях USB 1.1.


Передатчик операции может быть двух видов — одинарным (англ. Single Transaction Translator, STT) или множественным (англ. Multiple Transaction Translator, MTT). В случае STT используется один передатчик для всех портов, а в случае MTT — у каждого порта свой передатчик. Понятно что первый вариант более дешевый и простой, откуда происходит и основной недостаток такого варианта — в случае подключения к хабу нескольких USB 1.1 портов все они будут работать через одно-единственное "бутылочное горлышко". Думаю можно представить что будет со скоростью обмена.



Говоря простым языком, STT-хабы имеют ограничение на количество устройств, которыми можно пользоваться одновременно. В противном случае это чревато потерей пакетов из-за конфликтов в планировании передачи данных, перегрузкой хаба (особенно в случае использования активно обменивающихся данными устройств, вроде звуковых карт) и т.п. Поэтому лучше при выборе хаба сразу ориентироваться на устройства с MTT, а не искать потом причину нестабильности в работе. Если хаб уже имеется, и он, к несчастью, оказался с STT, то остается только внимательно проверить стандарты подключенных к хабу устройств и, по возможности, сократить количество подключенных USB 1.1 до одного.


К сожалению, абсолютное большинство недорогих хабов, построенных на бюджетных чипах (fe1.1s, GL850G, и ISP1521BE моего A5 хаба) на борту имеют STT, более дорогие и продвинутые (GL852G, GL854G (B1 ревизия обсуждаемого D-link DUB-H7), GL3520, VL812, VL813, SMSC USB2514) работают под управлением MTT.


Проверить тип передатчика операции можно либо прочитав даташит на чип (но часто китайцы не могут или не хотят сообщать марку чипа), либо подключив хаб к компьютеру с *nix и выполнив команду lsusb -v и найдя кусок служебной информации, относящийся к исследуемому хабу (по названию). В строке DeviceProtocol будет указано либо Single TT либо Multi TT. Ясно, что покупать лучше только с Multi :)


Описание характеристик хаба выданное командой lsusb

Bus 001 Device 005: ID 2001:f103 D-Link Corp. DUB-H7 7-port USB 2.0 hub
Couldn't open device, some information will be missing
Device Descriptor:
bLength 18
bDescriptorType 1
bcdUSB 2.00
bDeviceClass 9 Hub
bDeviceSubClass 0 Unused
bDeviceProtocol 1 Single TT
bMaxPacketSize0 64
idVendor 0x2001 D-Link Corp.
idProduct 0xf103 DUB-H7 7-port USB 2.0 hub
bcdDevice 1.00
iManufacturer 0
iProduct 0
iSerial 0
bNumConfigurations 1
Configuration Descriptor:
bLength 9
bDescriptorType 2
wTotalLength 25
bNumInterfaces 1
bConfigurationValue 1
iConfiguration 0
bmAttributes 0xe0
Self Powered
Remote Wakeup
MaxPower 0mA
Interface Descriptor:
bLength 9
bDescriptorType 4
bInterfaceNumber 0
bAlternateSetting 0
bNumEndpoints 1
bInterfaceClass 9 Hub
bInterfaceSubClass 0 Unused
bInterfaceProtocol 0 Full speed (or root) hub
iInterface 0
Endpoint Descriptor:
bLength 7
bDescriptorType 5
bEndpointAddress 0x81 EP 1 IN
bmAttributes 3
Transfer Type Interrupt
Synch Type None
Usage Type Data
wMaxPacketSize 0x0001 1x 1 bytes
bInterval 12


При запуске команды lsusb -v -t можно увидеть симпатичную иерархическую структуру подключенных usb-устройств.



Вместо lsusb можно использовать утилиту hwinfo с ключем --usb (ее желательно предварительно установить через sudo apt-get install hwinfo). Тогда вывод информации о usb устройствах будет выглядеть немного иначе:


Информация выдаваемая hwinfo

lab@lab-G:~$ hwinfo --usb
23: USB 00.0: 10a00 Hub
[Created at usb.122]
Unique ID: zFuK.sOcBcpBDhs4
Parent ID: k4bc.9T1GDCLyFd9
SysFS ID: /devices/pci0000:00/0000:00:1d.7/usb1/1-8/1-8:1.0
SysFS BusID: 1-8:1.0
Hardware Class: hub
Model: "D-Link DUB-H7 7-port USB 2.0 hub"
Hotplug: USB
Vendor: usb 0x2001 "D-Link"
Device: usb 0xf103 "DUB-H7 7-port USB 2.0 hub"
Revision: "1.00"
Driver: "hub"
Driver Modules: "usbcore"
Speed: 480 Mbps
Module Alias: "usb:v2001pF103d0100dc09dsc00dp01ic09isc00ip00in00"
Config Status: cfg=new, avail=yes, need=no, active=unknown
Attached to: #21 (Hub)


В общем, кратенько с особенностями работы низкоскоростных устройств разобрались и теперь самое время перейти к программной части.


Управляем питанием USB-портов


Cкажу сразу, найти способ реализации функционала PPPS в среде Windows мне не удалось (хотя бы из праздного интереса). Максимум — включить/отключить устройство с помощью утилиты devcon. Буду рад, если кто-то из читателей поправит и дополнит. А пока же все процедуры проводятся на примере Ubuntu (в случае openwrt – алгоритм аналогичен, хотя в последних trunk-ах она уже должна быть включена в состав "дистрибутива").


Итак, возможность Per-Port Power Switching (PPPS) или "попортового переключения питания" реализуется на хабах с аппаратной поддержкой этой функции с помощью программы hub-ctrl или ее потомка uhubctrl. Рассмотрю их по-очереди.


HUB-CTRL


Программа написана японским борцом за независимость инженером Niibe Yutaka в далеком 2006 году. Но работает без проблем и сейчас. Для установки нам понадобится любой *nix и библиотека libusb-dev. На примере Ubuntu 16.04 LTS алгоритм следующий:


Устанавливаем доп. пакеты: sudo apt-get update && sudo apt-get install libusb-dev git gcc
Скачиваем исходники: git clone https://github.com/codazoda/hub-ctrl.c
Комплируем с помощью gcc: cd hub-ctrl.c && gcc -o hub-ctrl hub-ctrl.c -lusb

В случае недоступности адреса, можно вручную закачать исходники отсюда или отсюда и скомпилировать описанной выше командой.


У программы достаточно простой синтаксис командной строки, укладывающийся в следующее описание:


./hub-ctrl [{-h HUBNUM | -b BUSNUM -d DEVNUM}] \ [-P PORT] [{-p [VALUE] | -l [VALUE]}]
где HUBNUM — номер хаба, BUSNUM-номер шины, DEVNUM-номер устройства, PORT-номер порта


Для того, чтобы узнать эти параметры, достаточно запустить команду lsusb:



Кстати, программа hub-ctrl может выступать в качестве своеобразного "пробника" usb-хаба на факт наличия в нем способности к управлению питанием портов. Достаточно ее запустить с ключом -v. Получаем список имеющихся в системе поддерживаемых хабов (строка INFO) и состояние портов (в моем случае все порты выключены).


lab@lab-G:~/hub$ sudo ./hub-ctrl -v
Hub #0 at 001:006
INFO: individual power switching.
WARN: Port indicators are NOT supported.
Hub Port Status:
Port 1: 0000.0000
Port 2: 0000.0000
Port 3: 0000.0000
Port 4: 0000.0000
Port 5: 0000.0000
Port 6: 0000.0000
Port 7: 0000.0000

А вот так будет выглядеть конфигурация, когда все порты включены:


lab@lab-G:~/hub$ sudo ./hub-ctrl -v
Hub #0 at 001:006
INFO: individual power switching.
WARN: Port indicators are NOT supported.
Hub Port Status:
Port 1: 0000.0100 power
Port 2: 0000.0100 power
Port 3: 0000.0100 power
Port 4: 0000.0100 power
Port 5: 0000.0100 power
Port 6: 0000.0100 power
Port 7: 0000.0100 power

Чтобы включить какой-то из портов нужно выполнить команду sudo ./hub-ctrl -h 0 -P 1 -p 1, где -h указывает какой хаб используем (0-й в моем случае), -P говорит какой порт (1-й порт в моем случае), а -p указывает на состояние (0-выключен, 1-включен).



Чтобы получить конфигурацию как на картинке выше, понадобилось последовательно выполнить следующие команды (для изначально отключенных портов):


sudo ./hub-ctrl -h 0 -P 2 -p 1
sudo ./hub-ctrl -h 0 -P 4 -p 1
sudo ./hub-ctrl -h 0 -P 6 -p 1


Соответственно, не сложно написать скрипт, который заставит for fun мигать светодиоды в нужной последовательности. Примеры таких вещей уже есть и успешно функционируют:
азбука Морзе на usb-хабе, елочные гирлянды и т.д. и т.п. Мне вот из возможностей hub-ctrl не хватило функции циклического включения для реализации своих сиюминутных светотехнических фантазий (чтобы не тратить время на написание скрипта ну и т.п.). Этот досадный недостаток устранен в преемнике — uhubctl.


UHUBCTL


Программа uhubctl представляет из себя оптимизированный аналог hub-ctrl и обладает некоторыми косметическими отличиями (ну и конечно же поддерживает большее количество устройств).


С uhubctl работают:

Теоретически, утилита может быть скомпилирована для запуска в среде windows, но… Но пока взаимодействует она с утройствами через драйвер winusb.sys, который не может обращаться напрямую к хабу. Также в программе заявлена поддержка USB 3.0 (хабов USB 3.0 поддерживающих Per-Port Power Switching, кстати, намного больше чем хабов USB 2.0 с аналогичным функционалом). При работе с USB 3.0 хабом, подключенным к USB 3.0 upstream-порту, программа определяет его как два независимых виртуальных хаба: USB 2.0 и USB 3.0, а уже сами USB-устройства будут подключены к одному из них в зависимости от их возможностей и скорости соединения. Соответственно, для управления такими устройствами программа по-умолчанию включает/отключает питание на виртуальных хабах (перевести утилиту в ручной режим можно добавив в команду запуска ключ -е).


Важно: некоторую путаницу может вызвать система адресации для USB-портов (она схожа для hub-ctrl и uhubctl). При работе использует тот же метод адресации аналогичный таковому в ядре Linux: b-x.y.z, где b — номер шины USB, а x, y, z — номера портов цепочки узлов, начиная с корневого USB-хаба для данной шины. Если имеется больше чем один управляемый USB-хаб, определить правильные параметры можно запустив uhubctl с параметром -l (location). Отмечу, что эта адресация является полустабильной — она не изменится, если вы отключите и подключите USB-устройства обратно к одному и тому же физическому порту.


Алгоритм компиляции программы аналогичен алгоритму для hub-ctrl. За тем только исключением, что дополнительно нужно установить библиотеку libusb-1.0 (версия 1.0.12 или позднее) привычной командой sudo apt-get install libusb-1.0-0-dev, а затем скомпилировать бинарик командой make.


Синтаксис запуска программы следующий


uhubctl -a off -p 2


Эта команда отключает питание (-a off, или -a 0) на порту 2 (-p 2). Поддерживаемые команды off/on/cycle (или 0/1/2). Ключ cycle отключает питание, выжидает некоторое время (определяется ключом -d) и включает его обратно. Т.е. теперь хаб запросто для мигания может заменить микроконтроллер.


Что из этого всего следует, или Выводы


А следует из этого то, что "секрет" в старом хабе от D-Link все-такие есть. Использование описанной технологии (PPPS) вполне обосновано при необходимости удаленного управления массивом устройств, подключенных к шине USB. Более того, способ этот уже используется для отключения жестких дисков, веб-камер и GSM-модемов (таких как на картинке):


image

Хотя, что касается модемов и упомянутого мной D-link DUB-H7, то есть люди, которые подвергают сомнению работоспособность такой связки (при работе с программой hub-ctrl).


Причина заключается в том, что...

"… эксперименты с использованием Dlink DUB H-7 показали, что hub-ctrl -p 0 понижает напряжение только до уровня 1.47V. При этом после вставки модема в такой "выключенный порт" светодиод не моргает, однако файлы /dev/ttyUSBx для данного модема в системе появляются. Они даже могут быть открыты. Однако запись команд и чтение ответов из этого порта не заканчиваются успехом."


Описанные в статье утилиты (lsusb, hwinfo, hub-ctrl) могут выступать отличным подспорьем при выборе очередного USB-хаба, особенно, если нет доступа к просмотру внутреннего устройства. На хабре уже описывались пользовательские идеи и ожидания от идеальных usb-хабов (здесь и здесь). Описанные алгоритмы проверки существующих хабов, на мой взгляд, отлично дополнят и разбавят описанные авторами подходы. Ну и так, вдогонку, герой моей статьи (D-link DUB-H7 ver. A5) на мой взгляд очень неплохо выглядит с точки зрения схемотехнических решений. На сим, пожалуй, откланяюсь :)



P.S. Вдогонку вопрос к членам хабра-сообщества, у которых вдруг совершенно случайно завалялся такой же как у меня D-link DUB-H7 в сером корпусе.



Что за детали установлены на обведенных позициях (а может быть кто-то даже видел схему)? Особенно интересуют элементы RP1...RP2 (подозреваю на резисторную сборку из 0-х cопротивлений).


Дополнение: если вдруг кому-то понадобится дамп прошивки микросхемы EEPROM 24C02, то выглядит он вот так:




+53
49.9k 197
Support the author
Comments 33