Universal Serial Bus

Laboratorní úloha z předmětu 36PZ

Martin Tůma

Zadání

Vaším úkolem v této laboratorní úloze je seznámit se se sběrnicí USB, pochopit její strukturu z pohledu programátora a napsat velmi jednoduchý program, který bude příjmat data ze zařízení připojeného na sběrnici. Referát z této úlohy bude obsahovat odpovědi na jednoduché otázky a kód programu, který napíšete v rámci cvičení.

V operačním systému Linux existuje subsystém jádra pro práci s USB, který má usnadnit psaní ovladačů zařízení. Nám však bude pro seznámení s USB sloužit knihovna libusb, která nám umožní snadno dělat základní funkce, jako je inicializace sběrnice, vyhledávání zařízení a odesílaní a příjem dat. Zdrojové kódy knihovny najdeme na adrese [1]. Podle přiložených instrukcí knihovnu zkompilujeme a nainstalujeme do systému. Pečlivě si prostudujeme ukázkový program testlibusb.c v adresáři tests. Ve specifikaci USB (na adrese [2]) vyhledáme oddíl o popisovačích a seznámíme se s položkami popisovače zařízení, sestavení, rozhraní a s vlastnostmi koncového bodu. Spustíme program testlibusb, který nám vypíše USB zařízení v systému. Podle specifikace zjistíme vlastnosti jednotlivých zařízení a v tabulce výrobců a zařízení [3] si najdeme, jaká zařízení v systému máme. Zapíšeme si kolik má které zařízení možných sestavení, rozhraní a koncových bodů. Na adrese [4] můžeme vyhledat, jaké jsou třídy jednotlivých rozhraní. Najdeme si jedno zařízení, které nám poskytne data v režimu interrupt a napíšeme program, který bude tato data příjmat.

Úkoly

• zprovoznit knihovnu libusb a přiložený příklad (v distribuci KnoppiX je již obsažena)
• sepsat jaká zařízení od jakých výrobců jsou v systému (vendor, product)
• sepsat seznam zařízení, počet jejich možných sestavení, rozhraní a koncových bodů
• jaké jsou maximální proudové odběry zařízení a v jakém jsou přenosovém režimu
• jaké třídy rozhraní / zařízení jsou v systému
• napsat program, který přijme data z vybraného zařízení a zobrazí je na obrazovku
• určit jaký význam mají jednotlivé byte v doručeném datovém balíčku (tzn. který byte např. u myši signalizuje stisknutá tlačítka, který pohyb vertikálně a horizontálně atd.)
• zkuste si představit, jak asi by se asi dal napsat ovladač daného zařízení

Výsledky měření

Sběrnice a zařízení

Pomocí programu testlibusb (je součástí zdrojových kódů libusb), který vypíše všechna USB zařízení obsažená v systému a jejich parametry jsme získali následující informace:

bus/device  idVendor/idProduct
004/001     0000/0000
- Product      : USB UHCI Root Hub
- Serial Number: d800
  wTotalLength:         25
  bNumInterfaces:       1
  bConfigurationValue:  1
  iConfiguration:       0
  bmAttributes:         40h
  MaxPower:             0
    bInterfaceNumber:   0
    bAlternateSetting:  0
    bNumEndpoints:      1
    bInterfaceClass:    9
    bInterfaceSubClass: 0
    bInterfaceProtocol: 0
    iInterface:         0
      bEndpointAddress: 81h
      bmAttributes:     03h
      wMaxPacketSize:   8
      bInterval:        255
      bRefresh:         0
      bSynchAddress:    0
004/002     045E/0040
- Manufacturer : Microsoft
- Product      : Microsoft 3-Button Mouse with IntelliEye(TM)
  wTotalLength:         34
  bNumInterfaces:       1
  bConfigurationValue:  1
  iConfiguration:       0
  bmAttributes:         a0h
  MaxPower:             50
    bInterfaceNumber:   0
    bAlternateSetting:  0
    bNumEndpoints:      1
    bInterfaceClass:    3
    bInterfaceSubClass: 1
    bInterfaceProtocol: 2
    iInterface:         0
      bEndpointAddress: 81h
      bmAttributes:     03h
      wMaxPacketSize:   4
      bInterval:        10
      bRefresh:         0
      bSynchAddress:    0
003/001     0000/0000
- Product      : USB UHCI Root Hub
- Serial Number: d400
  wTotalLength:         25
  bNumInterfaces:       1
  bConfigurationValue:  1
  iConfiguration:       0
  bmAttributes:         40h
  MaxPower:             0
    bInterfaceNumber:   0
    bAlternateSetting:  0
    bNumEndpoints:      1
    bInterfaceClass:    9
    bInterfaceSubClass: 0
    bInterfaceProtocol: 0
    iInterface:         0
      bEndpointAddress: 81h
      bmAttributes:     03h
      wMaxPacketSize:   8
      bInterval:        255
      bRefresh:         0
      bSynchAddress:    0
002/001     0000/0000
- Product      : USB UHCI Root Hub
- Serial Number: d000
  wTotalLength:         25
  bNumInterfaces:       1
  bConfigurationValue:  1
  iConfiguration:       0
  bmAttributes:         40h
  MaxPower:             0
    bInterfaceNumber:   0
    bAlternateSetting:  0
    bNumEndpoints:      1
    bInterfaceClass:    9
    bInterfaceSubClass: 0
    bInterfaceProtocol: 0
    iInterface:         0
      bEndpointAddress: 81h
      bmAttributes:     03h
      wMaxPacketSize:   8
      bInterval:        255
      bRefresh:         0
      bSynchAddress:    0
001/001     0000/0000
- Product      : USB UHCI Root Hub
- Serial Number: cc00
  wTotalLength:         25
  bNumInterfaces:       1
  bConfigurationValue:  1
  iConfiguration:       0
  bmAttributes:         40h
  MaxPower:             0
    bInterfaceNumber:   0
    bAlternateSetting:  0
    bNumEndpoints:      1
    bInterfaceClass:    9
    bInterfaceSubClass: 0
    bInterfaceProtocol: 0
    iInterface:         0
      bEndpointAddress: 81h
      bmAttributes:     03h
      wMaxPacketSize:   8
      bInterval:        255
      bRefresh:         0
      bSynchAddress:    0

výpis 1 - Informace o sběrnicích a zařízeních

Z uvedeného výpisu vyplývá, že v systému jsou 4 USB sběrnice a (nepočítáme-li jednotlivé "kořenové huby") jediné zařízení:

Microsoft 3-Button Mouse with IntelliEye^TM

• Maximální proudový odběr 100mA (Dle specifikace [5] je odběr udáván v 2mA jednotkách!)
• 1 konfigurace, 1 rozhraní
• Třída rozhraní 3 - HID Class device (Human Interface device)
• 1 koncový bod s následujícími parametry:
  • Adresa 81h - udává směr toku dat: Out a číslo endpointu: 1
  • Atributy 03h - udává, že jde o zařízení s interrupt mode přenosem.
  • Maximální délka datového paketu: 4B
  • Vyvolávací (polling) interval: 10 framů (Pro USB-1 zařízení to odpovídá 10ms)

Komunikace s USB myší

Pro připojenou myš jsme napsali krátký program¹, který v "nekonečné smyčce" příjmá data z myši. Z výpisu jsme poté odhadli, význam jednotlivých bajtů, tedy vlastně komunikační protokol myši.

0 -7 10 0
0 -4 8 0
0 -5 7 0
0 -2 4 0
0 -1 1 0
0 1 -1 0
0 1 -1 0
0 -4 1 0
0 -2 0 0
0 0 1 0
0 -1 0 0
2 0 0 0
0 0 0 0
1 0 0 0
4 0 0 1
4 0 0 1
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 0 -1
0 0 0 -2
0 0 0 -2
0 0 0 -1
0 0 0 1
  ...

výpis 2 - Data z myši

Význam dat je následující:

• První byte udává stisknutá tlačítka. Levé = 1, pravé = 2, střední(kolečko) = 4. Výsledná hodnota je pak součet aktuálně zmáčknutých tlačítek (stejný systém jako u unixových práv pro přístup k souborům).
• Druhý byte udává rychlost pohybu myši v horizontálním směru. Do leva záporné hodnoty, do prava kladné. Čím větší rychlost myši, tím větší absolutní hodnota čísla.
• Třetí byte udává rychlost pohybu myši ve vertikálním směru. Nahoru záporné hodnoty, dolů kladné.
• Čtvrtý byte slouží pro informaci o scrollovacím kolečku. Kladné hodnoty znamenají pohyb kolečkem vpřed, záporné vzad. Pro rychlost scrollování a velikost absolutní hodnoty pak platí stejné pravidlo jako pro pohyb myši.

Reference

[1] http://libusb.sourceforge.net
[2] http://www.usb.org/developers/docs
[3] http://www.linux-usb.org/usb.ids
[4] http://www.xat.nl/en/riscos/sw/usb
[5] http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb2.htm

Přílohy

1. usbdev.c - Program pro "interrupt mode" čtení informací z USB zařízení (myši).