Etienne Tremblay

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Etienne Tremblay

• Ordinateurs, Structure et Applications

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Cours 19, Le USB
Université Laval, Hiver 2007
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USB

• USB signifie Universal Serial Bus
• Le USB a été conçu afin de remplacer le port
  série
• Lutilisation du USB implique des redevances.
  Être membre officiels des développeurs de USB
  coûte 2500 USD par année. Avoir un Vendor_ID
  coûte 200 USD par année
• Il existe deux normes USB principales USB1.1
  (1998) et USB2.0 (2000, révisé en 2002). Ce
  document décrit USB2.0 qui est compatible avec
  USB1.1.

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Vitesses de communication

• Le USB supporte 3 vitesses de communication
• Basse vitesse à 1.5 Mb/s pour les appareils comme
  les claviers, souris, joystick
• Pleine vitesse 12 Mb/s pour des appareils à gros
  débits comme les modems et téléphones.
• Haute vitesse 480 Mb/s pour des appareils
  multimédia à très haut débit comme les caméoscope
  (une caméra numérique).

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Caractéristique générales

• Les transactions USB se font à laide de jetons
  (voir plus loin), cest-à-dire à laide de bytes
  transmis ayant des valeurs et significations
  précises.
• Le port USB est totalement contrôlé par un
  contrôleur unique appelé hôte (host). Lhôte,
  souvent le PC, initie toutes les communications
  (même les interruptions). Il est le maître absolu
  du bus.
• Les jetons et messages transitent dans des trames
  de 1ms ou de 125us (haute vitesse) (voir plus
  loin).
• Le bus USB peut fournir lalimentation des
  appareils qui y sont connectés.
• Quatre modes de transfert sont supportés
  Contrôle, Interruptions, Bloc et Isochrone. Ils
  sont tous détaillés plus loin.
• Les appareils nouvellement branchés sur le port
  USB sont détectées automatiquement.

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Topologie dun réseau USB

• Un réseau USB a une topologie en étoile. Les
  ports descendent de lhôte vers les appareils.
  Ils montent vers lhôte.
• Les HUBs sont des appareils qui permettent de
  relier plusieurs appareils à un seul port USB. Le
  rôle principal des HUBs est de transférer les
  données de lhôte aux périphériques.
• Il y a 127 appareils maximum dans un réseau USB.
  Chaque appareil a son adresse.
• Il peut y avoir 5 niveaux de hub en plus de lhub
  racine.
• Chaque hub contrôle ses ports afin de savoir si
  un appareil sy connecte

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Classes de devices USBs

• Tous les appareils USB appartiennent à une
  classe. Les classes dappareils sont
• Audio (Haut parleurs)
• Communication (Modem)
• Human Input Device (Souris, Clavier)
• Display (Écran)
• Physical feedback devices (Force feedback
  joystick)
• Power (Uninterruptible power supply)
• Printer
• Mass storage (Disque dur)
• Hub !
• Une constante est associée à chaque classe. Cette
  constante se retrouve dans le descripteur de
  lappareil (voir plus loin) selon la classe de
  lappareil.

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Composantes logiques dune device USB

• Chaque appareil USB contient une ou plusieurs
  connections logiques appelées endpoints
  (terminaisons en français). Lhôte envoie ou
  reçoit des données dun endpoint.
• Chaque appareil doit avoir au moins un endpoint,
  le endpoint 0. Cest avec cet endpoint que lhôte
  communique avec dobtenir des informations sur
  les configurations dun appareil.
• Un groupe de enpoints est appelé une interface.
  Un groupe dinterfaces est appelé une
  configuration. Un appareil peut avoir plusieurs
  interfaces réparties dans plusieurs
  configurations. Toutefois, la plupart des
  appareils nont quune configuration avec une
  unique interface.
• Le lien entre lhôte et un endpoint est appelé
  pipe (canal en français).

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USB Hardware

• Le câble USB est constitué de 4 fils Vbus, GND,
  D et D-. Vbus et GND sont lalimentation 5Vdc
  (entre 4.75V et 5.25V) et la référence
  électrique. D et D- servent au transport des
  données.
• Il y a deux types de connecteurs USB tel que
  montré à droite.
• Plus la fréquence est élevée, plus les câbles
  doivent être courts. En haute vitesse la longueur
  max. dun câble USB est 5m.
• La puissance maximum pouvant être tirée dune
  connection USB est 5(5V100mA), soit 2.5W.
  Lunité de courant de base est 100mA.

Tiré de usb_20.pdf (http//www.usb.org/developers/
) et http//www.networktechinc.com/technote.html
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Encodage des bits USB et valeurs de D et D-

• D et D- sont 2 lignes qui pourraient transporter
  des données en référence à la masse ou Vcc.
  Toutefois, les données sont véhiculées par la
  différence entre D et D-. D et D- sont dans
  létat J lorsque D- gt D dau moins 200mV. D et
  D- sont dans létat K lorsque D gt D- dau moins
  200mV. Lorsque D et D- sont forcée près de la
  masse par lhôte, cela signifie une demande de
  reset.
• Les bits de donnés sont encodés selon le format
  NRZI un 1 est représenté par labsence de
  changement détat alors quun 0 est
  représenté par un changement détat.
• Les appareils doivent être connectés en état de
  haute impédance par rapport aux les lignes D et
  D-. Par contre, la ligne D doit être connectée à
  une tension entre 3 et 3.6Vdc par une résistance
  de 1.5KOhms pour un appareil pleine vitesse. Pour
  un appareil basse vitesse, il faut polarise la
  ligne D- ainsi. Un appareil haute vitesse doit se
  présenter comme un appareil pleine vitesse, mais
  retirer la polarisation après initialisation de
  lappareil. Ces polarisations du voltage de D et
  D- permet de détecter la présence de nouveaux
  appareils.
• Tout appareil doit pouvoir supporter un court
  circuit entre Vbus/Masse et ou D/D-.

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Types de transfert

• Le USB supporte 4 types de transfert
• Transfert de contrôle
• Transfert isochrone
• Transfert par interruption
• Transfert par bloc
• Le transfert de contrôle sert à la configuration
  et à la commande dun appareil. Il se compose
  dun jeton SETUP (voir plus loin) et de
  lendpoint 0.
• Le transfert isochrone est un mode de transfert
  pour lequel les données sont transmises à
  lintérieur dune trame et elles sont
  synchronisées avec les débuts de trames. Ce type
  de transfert est utilisé pour la pleine et la
  haute vitesse.
• Le transfert par interruption est utilisé par les
  appareils ayant peu de données à transmettre,
  mais ayant des données qui doivent être
  transmises rapidement (exemple clavier ou
  souris). Les interruptions sont détectées par
  polling de la par de lhôte. La fréquence de
  polling requise est donnée par les descripteurs
  de lappareil.
• Le transfert par bloc permet de transferer des
  volumes importants de données lorsquil ny a pas
  de contraintes temporelles (exemple imprimante).

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Protocole de bas niveau
Voir http//membres.lycos.fr/grandzebu/electroniqu
e/usb/usb_resume.htm
Branchement dun périphérique
Voir http//membres.lycos.fr/grandzebu/electroniqu
e/usb/usb_resume.htm
Requêtes du jeton SETUP
Voir http//membres.lycos.fr/grandzebu/electroniqu
e/usb/usb_resume.htm
Les descripteurs
Voir http//membres.lycos.fr/grandzebu/electroniqu
e/usb/usb_resume.htm
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Figures reliées au items précédents (1/2)
Trame USB
Exemples de paquets USB
13
Figures reliées au items précédents (2/2)
Transactions USB
Descripteurs USB
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Identification dun appareil USB

• Windows identifie un appareil USB grâce à ses
  Hardware IDs. Les Hardware IDs sont formés des
  champs idVendor, idProduct et bcdDevice du
  descripteur dappareil.
• Si Windows ne trouve pas de pilote de
  périphérique pour les Hardware IDs, il cherche un
  pilote de périphérique avec les Compatibles IDs.
  Les Compatibles IDs sont formés des champs
  bInterfaceClass, bInterfaceSubClass et
  bInterfaceProtocl du descripteur dinterface.
• Si Windows ne trouve pas de pilote compatible
  encore une fois, il demande à lusager de fournir
  le pilote.

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Conception dun périphérique sur le port USB

• Au niveau matériel, concevoir un appareil
  communiquant par USB est relativement simple
  lalimentation peut être fournie par le port et
  il ny a que deux lignes de communication à
  brancher. En faisant attention aux niveaux de
  tensions requis sur D et D- en fonction de
  létat de lappareil et des bits transmis/reçus,
  concevoir le matériel nest pas très difficile.
  Cependant, utiliser un microprocesseur est
  presque obligatoire les bits sont transmis en
  série (il faut léquivalent dun registre à
  décalage), il faut décoder ladresse des messages
  transmis, il faut permettre la détection
  automatique de lappareil, il faut implémenter
  les descripteurs USB, il faut Notez que certains
  microprocesseurs comme le PIC16C745 gèrent les
  pins D/D- et lensemble des fonctionnalités
  requises pour communiquer sur le port USB.
  Veuillez communiquer avec le professeur pour plus
  dinfo!
• Pour communiquer avec un périphérique sur le port
  USB à partir dun PC, il faut, idéalement, créer
  un pilote de périphérique générique pour
  lappareil. Ensuite, il faudra créer modifier le
  pilote pour y introduire du code spécifique à
  lappareil. Veuillez communiquer avec le
  professeur pour plus dinfo!

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Références et exercices

• Références
• Irv Englander p.258, 260-261
• Writing Windows WDM Device Drivers, Chris Cant,
  CMP Books, 1999, ISBN 0-87930-565-7, Chapitre 20
• http//membres.lycos.fr/grandzebu/electronique/usb
  /usb_resume.htm
• http//www.usb.org/developers/
• Exercices
• De quelle manière est détectée le branchement
  dun nouvel appareil USB?
• Donnez les états de D et D- pour la séquence
  binaire suivante 00110101.
• Un jeton OUT est-il toujours suivi dun jeton
  DATA?
• Comment sont détectées les interruptions dun
  appareil USB?
• Quest quun descripteur? Donnez 3 exemples
  dutilisation des descripteurs.
• Décrivez les quatres types de transfert USB.
• Discutez du problème de synchronisation pour les
  transfert isochrones.
• À quoi servent les requêtes standards du JETON
  SETUP?