Generalites sur L’USB

GENERALITES SUR L’USB

Actuellement, parmi les divers ports d’interfaçage de l’ordinateur, l’USB est le plus utilisé et même le plus avancé. Il est aussi employé dans plusieurs applications. Ainsi, il est important de connaître les raisons de sa situation actuelle.

PRESENTATION DE L’USB

L’USB est une norme relative à un bus de transmission, servant à connecter des périphériques informatiques au PC. Le bus USB s’est répandu de façon très significative ces dernières années, que ce soit dans les applications grand public (imprimantes, scanners, appareils photos) ou dans les applications professionnelles (programmateurs, automates, appareils de mesure). Les raisons principales de son architecture série sont :
➜L’interface série permet d’utiliser une cadence d’horloge beaucoup plus élevée qu’une interface parallèle (dans une architecture parallèle à haut débit, les bits circulant sur chaque fil arrivent avec des décalages temporels, provoquant des erreurs).
➜La connexion série est plus économique que la connexion parallèle de part la simplicité des connecteurs et du faible nombre de conducteurs du câble.

HISTORIQUE DE L’USB

Au milieu des années 1990, pour remplacer plusieurs ports externes lents et incompatibles du PC, l’USB a été conçu. Ensuite au fur à mesure que les technologies s’avancent, différentes versions de la norme sont développées. Le standard USB a été élaboré par l’alliance de sept partenaires industriels (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC et Northern Telecom). La première version de la norme, l’USB 1.0, voit ses spécifications publiées en 1996. Puis la version USB 1.1 lui apporte des corrections en 1998. Dans ces normes, deux vitesses de communication sont possibles : 1,5 Mbit/s (faible vitesse, ou Low Speed), et 12 Mbit/s (soit 1.5 Mo/s, pleine vitesse ou Full Speed). En 2000 sort la version USB 2.0 qui apporte des communications à 480 Mbit/s (60 Mo/s, haute vitesse ou High Speed). En 2005, le Wireless USB Promoter Group publie les spécifications d’une version sans-fil de l’USB : le Wireless USB. En 2008 c’est au tour de l’USB 3.0 de voir ses spécifications publiées. Elle introduit les communications à 4,8 Gbit/s (soit env. 600 Mo/s, vitesse supérieure ou Super Speed). Les nouveaux périphériques disposeront de connexions à 8 contacts au lieu de 4, mais la compatibilité ascendante des prises et des câbles avec les versions précédentes est assurée. L’introduction de l’USB 3.0 dans des produits grand public a commencé en début de l’année 2010.

CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DU BUS USB

Etats sur les lignes de données

Les lignes de données D+ et D- fonctionnent en mode différentiel. Les circuits doivent avoir un état haut impédance ; les lignes doivent résister à un court-circuit avec Vbus ou la masse (GND). Selon la norme USB, il existe trois états sur les lignes du bus :
➜Etat J : D+ – D- < -200 mV, indiquant un périphérique connecté ou un état inoccupé;
➜Etat K : D+ – D- > 200 mV, indiquant un périphérique débranché ;
➜Etat SEO : -200mV < D+ – D- < 200 mV, indiquant un reset.

Version d’un périphérique

Pour utiliser l’une des deux versions d’USB : Low Speed ou Full Speed, et pour permettre le hub amont à détecter la connexion ou la déconnexion, on doit placer une résistance de tirage (Pull Up de 1.5 kΩ) sur l’interface d’entrée (Function ou Hub). Cette résistance est placée soit sur D- pour Low Speed et D+ pour Full Speed. D’autre part, il y a une résistance sur chacune des lignes D+ et D- (Pull Down de 15 kΩ) à la sortie du hub. .

Codage NRZI

Le codage NRZI « No Return to Zero Inverted » ou Non-Retour à Zéro Inversé est uniquement utilisé pour le transport à travers le cordon USB dans le but d’éliminer les bruits et assurer l’intégrité des données.

COMMUNICATION SUR LE PORT USB

STRUCTURE D’UN DEVICE

Un USB device (dispositif utilisant le port USB) peut avoir plusieurs configurations, mais une dans une période ; et pour changer de configuration, le fonctionnement du device doit être arrêté. On peut employer diverses configurations, par exemple, pour définir les différentes conditions courantes, alors que l’actuel nécessaire est défini dans le descripteur de configuration. Cependant, le fait d’avoir beaucoup de configuration n’est pas courant. Les drivers standards de Windows choisissent toujours la première configuration, donc il n’y a pas beaucoup de points. Un dispositif peut avoir une ou plusieurs interfaces, et chacun peut avoir un certain nombre d’endpoints (terminaisons) et représente une unité fonctionnelle appartenant à une classe particulière.

Chaque endpoint est une source de donnée ; il peut seulement être dans une interface, mais aussi peut être utilisé dans les remplacements multiples dans cette interface. Un appareil basse vitesse est limité à deux endpoints optionnels en plus de l’endpoint numéro zéro, qui est obligatoire. A part l’endpoint numéro 0, un appareil plein vitesse peut avoir 15 montantes et 15 descendantes.

FLUX DE COMMUNICATION

Pour les différents flux de communication, le système USB crée des pipes (canaux virtuels). Les pipes de type contrôle sont bidirectionnels, les autres sont unidirectionnels. Chaque canal aboutit au device sur un endpoint. Un device possède plusieurs endpoints, et est toujours relié à l’hôte au moins par le canal par défaut aboutissant à l’endpoint numéro 0, qui est bidirectionnel. Pour les autres endpoints, il peut y avoir deux pipes : montant et descendant.

Pipe

Une pipe est une connexion logique entre le host et les endpoints. Les pipes possèdent plusieurs paramètres comme : le nombre de leur bande passante, le type de transfert, la direction des flux et les tailles maximales des paquets/tampon. L’USB définit deux types de pipe tels que :
➤Les flux de données (Stream Pipes) : n’ayant pas de format USB défini ; supportant les transferts en bloc, isochrone et par interruption. Ces flux peuvent être contrôlés par le host ou le device.
➤Les canaux de messages (Message Pipes) : ayant un format USB défini, supportant seulement les transferts de commande. Ils sont contrôlés par le host, et initiés par une requête qui y provient.

Différents types de transfert

L’USB définit quatre types de transfert, qui sont les suivants.

Transfert de contrôle (Control)
Ce mode de transfert est compatible avec l’USB Low et Full Speed, et est employé pour les opérations d’initialisations et de configurations. On peut aussi l’utiliser pour les transferts standards, pour l’obtention d’un débit Low Speed acceptable, ou pour utiliser le driver de classe HID (Human Interface Driver) standard.

Transfert par interruption (Interrupt)
Ce mode de transfert est aussi compatible avec le Low et Full Speed USB. Il est utilisé pour les échanges limités et périodiques, il assure la fréquence de scrutation ainsi que la reprise sur les erreurs. On l’emploie aussi pour des transferts à l’initiative du device (asynchrones) et pour des transferts périodiques ou permanents comme les claviers.

Transfert isochrone (Isochronous)
Ce mode de transfert est particulièrement pour le Full USB. La bande passante est garantie (début, latence), par contre il n’y a pas de reprise sur les erreurs. Il est utilisé pour des transferts nécessitant un flux régulier de données (ex : les caméras ou les téléphones,…). La bande passante réclamée et non utilisée est perdue.

Transfert en masse (Bulk)
Ce mode de transfert est spécialement pour le Full USB. Ce mode est réservé pour les gros transferts de données (ex : imprimantes,…). Le débit est variable et dépend de la disponibilité. Il garantit la reprise sur les erreurs.

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Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I: CONTEXTE GENERAL
Chapitre 1 : GENERALITES SUR L’USB
1.1 PRESENTATION DE L’USB
1.2 HISTORIQUE DE L’USB
1.3 AVANTAGES DE L’UTILISATION DE L’USB
1.4 ARCHITECTURE DU BUS USB
1.5 CARACTERISTIQUES MECANIQUES DU BUS USB
1.5.1 Câble
1.5.2 Connecteur
1.6 CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DU BUS USB
1.6.1 Etats sur les lignes de données
1.6.2 Version d’un périphérique
1.6.3 Codage NRZI
1.7 CONCLUSION
Chapitre 2 : COMMUNICATION SUR LE PORT USB
2.1 STRUCTURE D’UN DEVICE
2.2 MODELE DE COMMUNICATION
2.3 FLUX DE COMMUNICATION
2.3.1 Pipe
2.3.2 Différents types de transfert
2.3.2.1 Transfert de contrôle (Control)
2.3.2.2 Transfert par interruption (Interrupt)
2.3.2.3 Transfert isochrone (Isochronous)
2.3.2.4 Transfert en masse (Bulk)
2.4 ENUMERATION
2.4.1 Définition de l’énumération
2.4.2 Principe de fonctionnement
2.5 PROTOCOLE USB
2.5.1 Différents champs d’une trame USB
2.5.2 Types de paquet USB
2.6 DESCRIPTEURS
2.7 CONCLUSION
PARTIE II: METHODOLOGIE
Chapitre 3 : PILOTE DE PERIPHERIQUE POUR WINDOWS NT
3.1 GENERALITES SUR WINDOWS NT
3.1.1 Présentation de Windows NT
3.1.2 Architecture de Windows NT
3.1.3 Registre de Windows NT
3.2 PILOTES DE WINDOWS
3.2.1 Présentation du pilote de Windows
3.2.2 Kernel Mode Drivers
3.2.3 WDM
3.2.3.1 Présentation de WDM
3.2.3.2 Architecture de WDM
3.2.3.3 Routines de support pour les drivers de WDM
3.2.3.4 IRQ Level (IRQL)
3.2.3.5 Paquet de demande d’E/S
3.2.3.6 Objet de driver et Objet de dispositif
3.2.3.7 Les routines d’entrée
3.3 CONCLUSION
Chapitre 4 : CONTROLEUR D’USB
CONCLUSION