Comment fonctionne le protocole USB? [fermé]

Jessaierai de répondre à vos questions dans lordre que vous les avez proposées (numérotation peut aider).

Il y a en effet quatre fils (ignorant USB3.x pour le moment). Deux en effet pour lalimentation (+ 5V et GND), et deux pour la signalisation (D + et D -).

La chose clé à noter à propos des fils de signal est leur nom, notez les + et – (parfois aussi P et N ou P et M). Ceux-ci indiquent généralement en électronique que quelque chose est différentiel. signifie que les 1 « s et 0 » sont indiqués par la polarité de la tension entre chaque câble. Cest par opposition à une seule extrémité où les 1 « s et 0 » sont transportés comme un tension par rapport à GND.

Quest-ce que jentends par polarité? Eh bien, imaginez que le câble D + est conduit à \ $ + 3,3 \ m athrm {V} \ $, et le D- est conduit à \ $ 0 \ mathrm {V} \ $. La différence entre les deux est \ $ V_ {D +} – V_ {D-} = 3,3 – 0 = 3,3 \ mathrm {V} \ $. Maintenant, si à la place le câble D + a été conduit à \ $ 0 \ mathrm {V} \ $ et le D- conduit à \ $ + 3.3 \ mathrm {V} \ $, la différence devient \ $ V_ {D +} – V_ {D- } = 0 – 3,3 = -3,3 \ mathrm {V} \ $. Notez le signe moins, indiquant la polarité opposée.

Pour que cela fonctionne alors, les deux câbles de données doivent être le complément lun de lautre (quand lun est haut, lautre est bas) pour transférer des données, donc doit fonctionner à la même fréquence. Vous vous demandez peut-être pourquoi, utilisez un seul câble. Le fait est que le monde est un endroit plutôt bruyant, un fil à une seule extrémité (mode commun) est très sujet au bruit qui à haute vitesse (même à basse vitesse dans des environnements difficiles) peut corrompre les données (faire un 1 à 0). En signalisation différentielle, les deux câbles sont exposés au même bruit, donc ça sannule!

Un exemple rapide. Supposons que le signal que vous envoyez soit \ $ 2 \ mathrm {V} \ $ ou \ $ 0 \ mathrm {V} \ $. Disons également que sur chaque fil, vous obtenez \ $ 1 \ mathrm {V} \ $ de bruit (irréaliste, mais un exemple). Pour les signaux simples, vos signaux au récepteur seraient soit \ $ 2 + 1 = 3 \ mathrm {V} \ $ qui est clairement un 1 logique, soit \ $ 0 + 1 = 1 \ mathrm {V} \ $ à quel point vous Je nai aucune idée de ce que cétait. Pour le différentiel cependant, vos signaux au récepteur seraient soit \ $ (2 + 1) – (0 + 1) = 2 \ mathrm {V} \ $ ou \ $ (0 + 1) – (2 + 1) = – 2 \ mathrm {V} \ $ qui sont les mêmes que sil ny avait aucun bruit!

Il y a dautres avantages à avoir deux fils. Lorsquelle nenvoie pas de données, la spécification USB utilise les deux fils indépendamment pour les signaux de contrôle, par ex. un signal de synchronisation, une commande de réinitialisation, etc. Ceux-ci peuvent être clairement distingués des paquets de données par diverses astuces qui sont probablement trop approfondies (tout cela sera dans la spécification USB mentionnée dans les commentaires).

En USB, les deux appareils doivent avoir la même fréquence. Il sagit généralement dun multiple de 12 MHz – cest pourquoi vous verrez des périphériques USB fonctionner à des fréquences dhorloge telles que 48 MHz ou 12 MHz, etc. Ces fréquences sont générées par une référence de cristal généralement précise à environ 20 ppm (240 Hz pour un cristal de 12 MHz ). Ceci est généralement assez proche quen raison des impulsions de synchronisation sur les lignes de données et du fait que les données sont envoyées en rafales (ce qui signifie que la dérive de fréquence ne sadditionne pas sur une longue période), les deux appareils peuvent rester synchronisés. Si vous deviez utiliser accidentellement, disons, un cristal de 16 MHz, lappareil échouera probablement à énumérer.

Comment le maître sait-il que lappareil a besoin dalimentation? Simple, tous les périphériques USB sont autorisés à dessiner quantité de courant sans le demander – jusquà \ $ 100 \ mathrm {mA} \ $ pour autant que je me souvienne. Cela donne à lappareil assez de puissance pour sallumer, affirmer sa présence (avec une résistance de rappel sur la ligne D + – encore probablement Une fois que le maître est conscient du périphérique, il alloue une allocation de puissance à ce périphérique et demande sil en aura besoin de plus (par exemple pour un périphérique haute puissance, sil veut le \ $ 500 \ mathrm {mA} \ $ puissance de courant élevée).

Le protocole USB est entièrement dans les spécifications. Essayer de le dépasser serait probablement encore trop approfondi.Cela dit, vous voudrez peut-être consulter cette réponse à une autre question qui donne quelques détails.

USB 1.x (1,5 Mbit / s et 12 Mbit / s) et 2.0 (480 Mbit / s) utilisent quatre fils, V \ $ _ {BUS} \ $ ( +5), D +, D- et GND. Le D + et le D- forment une paire différentielle. Il existe également une extension appelée OTG (On-The-Go) qui permet à un appareil dagir en tant quhôte ou périphérique USB, et cela utilise un cinquième fil didentification que nous pouvons ignorer.

Si le Le débit maximal de chacun des hôtes et périphériques est différent, une négociation a lieu et la vitesse la plus élevée commune aux deux est utilisée.

La signalisation différentielle permet un degré élevé dimmunité au bruit. Les signaux de données sont envoyés positifs sur la ligne D + et négatifs sur la ligne D. Du côté de la réception, le lead plus est envoyé dans le lead + dun comparateur (agissant comme un soustracteur), et le lead moins est envoyé au lead – du comparateur.

Pour les impulsions valides, ces deux ajoutent (puisque limpulsion négative a été envoyée dans le – plomb du comparateur, ajoutent-ils). Mais si du bruit est induit sur la ligne, cela affectera en général les lignes D + et D- de la même manière, et le comparateur les soustraira.

Le diagramme montre les données allant dans une seule direction. En effet, les signaux USB étant semi-duplex, les données ne vont que dans une direction à la fois.

LUSB 3.0 (jusquà 10 Gbit / s) utilise neuf fils au lieu de quatre et fournit un fonctionnement en duplex intégral depuis il y a des paires différentielles dans chaque sens pour la transmission et la réception.

Les appareils peuvent tirer jusquà 100 mA sans avoir à «demander». Pour USB 1.x et 2.0, lappareil peut demander à lhôte de fournir jusquà 500 mA. Pour lUSB 3.0, cela a été augmenté à 900 mA. Il existe un protocole séparé utilisé pour le chargement de la batterie (pas déchange de données); cela peut aller jusquà 5A dans certains cas.

Commentaires

• Merci pour la réponse. Que se passe-t-il si les deux appareils ont des fréquences dhorloge différentes?
• Une technique appelée " clock recovery " est utilisée: arrowdevices.com/blog/beginners-guide-to-clock-data-recovery

LUSB utilise une signalisation différentielle pour réduire les interférences et permettre une transmission à grande vitesse sur une longue distance. Un bus différentiel est construit avec deux fils, lun représentant les données transmises et lautre le complément. Lidée est que la tension «moyenne» sur les fils ne transporte aucune information, ce qui entraîne moins dinterférences. Série la plus moderne les bus (USB, Ethernet, PCIe, SATA, etc.) sont différentiels car le coût des câbles supplémentaires est largement compensé par les avantages de la réduction du bruit. USB 2 est aussi ce que lon appelle « semi-duplex ». Cela signifie que le lien uniquement fonctionne dans une seule direction à tout moment. Par exemple, votre ordinateur peut envoyer un message à votre souris. Ou votre souris peut envoyer un message à votre ordinateur. Mais pas les deux à la fois. Le bus doit être «retourné» à chaque fois les données de temps doivent être envoyées dans lautre sens.

En ce qui concerne le pointage, lUSB exploite des périphériques appelés sérialiseurs et désérialiseurs. Le sérialiseur est responsable de la génération des données série à lextrémité de transmission, et le désérialiseur est responsable de la récupération des bits sur lautre en ré. Une partie du travail du sérialiseur consiste à encoder les données de manière à ce quelles soient faciles à décoder en incluant des informations de cadrage et de synchronisation. Une partie du travail du désérialiseur consiste à récupérer le signal dhorloge. LUSB utilise un encodage appelé NRZI, ou inversé sans retour à zéro. Dans NRZI, le 0 logique est représenté par une transition et le 1 logique est représenté par aucune transition. LUSB utilise le bourrage de bits pour limiter la longueur des 1 successifs envoyés sur le fil. Le résultat de cela signifie quil y a des transitions assez souvent pour récupérer tous les bits, même si les horloges de lémetteur et du récepteur ne tournent pas exactement au même rythme. Cependant, ils doivent être relativement proches. Il existe également des séquences de synchronisation explicites qui sont envoyées avec les données.

En ce qui concerne lalimentation, lappareil est autorisé à consommer une certaine quantité dénergie sans demander à lhôte. Pour dessiner plus que cela, il est nécessaire de négocier pour sassurer que lhôte ne soit pas surchargé. Lappareil doit attendre jusquà ce quil obtienne lautorisation avant de pouvoir tirer plus de courant.