USB w urządzeniach elektronicznych

Sterowniki urządzeń

Rys. 3. Ostrzeżenie wyświetlane przez system Windows XP, gdy instalowane są sterowniki bez certyfi katu Microsoftu

Po podłączeniu urządzenia USB do komputera system operacyjny rozpoczyna wyszukiwanie dla niego sterowników, jednak przed ich zainstalowaniem należy określić, jakie urządzenie zostało podłączone do hosta. Służą do tego specjalne numery przesyłane w procesie enumeracji. Są one oznaczane skrótami VID (Vendor ID) oraz PID (Product ID). Pierwszy z nich jest numerem przyznawanym producentom sprzętu elektronicznego przez organizację USB-IF (USB Implementers Forum).

Numer PID jest natomiast identyfikatorem produktu określającym konkretny wyrób i jest nadawany samodzielnie przez producenta urządzenia. Numery VID oraz PID stanowią kombinację pozwalającą jednoznacznie określić, jaki sprzęt został podłączony. Kombinacja ta musi być niepowtarzalna, gdyż w innej sytuacji nie będzie można jednoznacznie określić, który sterownik zainstalować.

W związku z tym organizacja USB-IF prowadzi ścisły nadzór nad przyznawaniem numerów VID, aby zapobiegać użytkowaniu jednego numeru przez kilku producentów. Za zarządzania numerami PID odpowiedzialni są już sami producenci. Tworząc nowy produkt, zapisują oni w deskryptorze przyznany VID oraz wybrany przez siebie PID, którego dotychczas nie wykorzystywali.

Może się zdarzyć, że urządzenia różnych producentów będą miały ten sam PID, ale będą się różniły numerem VID, więc ich jednoznaczna identyfikacja będzie możliwa. Warto wyraźnie zaznaczyć, że kombinacja VID/PID musi być unikalna dla danego typu urządzenia, a nie dla każdej sztuki urządzenia.

Przykładowo wszystkie myszki komputerowe pochodzące od jednego producenta i stanowiące ten sam model mają identyczne numery VID/PID, ale już klawiatury tego samego producenta będą się różnić numerem PID. Oznaczenia VID oraz PID przypominają, odpowiednio, nazwę producenta oraz model produktu - odszukanie sterowników np. do drukarki wymaga wejścia na stronę producenta wyszukaną w Internecie na podstawie jego nazwy (VID) oraz pobrania właściwych sterowników na podstawie modelu drukarki (PID).

Trzymając się dalej tego przykładu, można zauważyć, że nic nie stoi na przeszkodzie, aby wielu użytkowników miało ten sam model drukarki pochodzący od tego samego producenta (zgodność VID oraz PID). Nie może jednak być tak, że różne drukarki, np. laserową i atramentową, produkuje ten sam producent i nazywa je tak samo. Niektórzy producenci mikrokontrolerów (np. Microchip, Texas Instruments) oferują sublicencje na numery PID w ramach przyznanej im puli.

Oznacza to, że można wystąpić z prośbą o przyznanie PID dla opracowanego przez siebie produktu w ramach numeru VID należącego do Microchipa lub Texas Instruments. Taka możliwość jest dostępna po spełnieniu kilku warunków, m.in. wypełnieniu stosownego formularza znajdującego się na stronie internetowej oraz zaakceptowaniu stawianych w nim warunków licencji.

Warto jednak zauważyć, że numery te są przyznawane na potrzeby rozwojowe produktu (testowanie) oraz dla potrzeb wczesnej fazy sprzedaży. Licencja wygasa automatycznie po sprzedaniu ponad 10 tys. urządzeń (Microchip). Wtedy pozostaje jedynie zwrócić się do organizacji USB-IF w celu pozyskania "normalnego" numeru VID. Koszt jest zależny od wybranego wariantu i wynosi 2-4 tys. dolarów.

Pisanie sterowników do obsługi urządzeń wykorzystujących USB jest z wielu względów niepożądane. Po pierwsze. znalezienie osób dobrze zaznajomionych z tym zagadnienie może okazać się bardzo trudne, a zlecenie tego zadania byle komu jest na tyle ryzykowne, że nie powinno być w ogóle rozważane. Sterowniki pracują w obrębie jądra systemu i mają dostęp do krytycznych funkcji systemu.

Najmniejsze błędy mogą powodować niestabilną pracę bądź zawieszenie komputera. Brak należytej troski oraz wiedzy może też spowodować, że użytkownicy otrzymają niedopracowane i zawierające luki oprogramowanie, które ułatwi hakerom przeprowadzenie ataku. Opracowując sterowniki, należy mieć na uwadze ich testowanie, najlepiej przez dostawcę systemu operacyjnego.

Najczęściej będzie to Microsoft oferujący testowanie oprogramowania bądź sprzętu w ramach programu Windows Hardware Quality Labs (WHQL). Otrzymywany na końcu certyfikat umożliwia instalację sterowników bez ostrzeżeń o ich potencjalnej szkodliwości. Co prawda można samodzielnie przygotować stosowny certyfikat dla Windows Vista i Windows 7, ale XP nie będzie go honorował i wyświetli ostrzeżenie (rys. 3).

Instalacja dojdzie do skutku zarówno z certyfikatem, jak i bez niego, ale użytkownik może odnieść wrażenie, że zakupiony przez niego sprzęt jest niedopracowany i złej jakości. Problemy z pisaniem własnych sterowników sprawiają, że dużą popularnością cieszą się te gotowe znajdujące się w systemie operacyjnym przeznaczone dla różnych klas urządzeń (patrz ramka).

Można z nich skorzystać, jeżeli zaprojektowane urządzenie jest oprogramowane w taki sposób, aby posiadało funkcjonalność jednej ze zdefiniowanych klas urządzeń. Dzięki temu system operacyjny będzie w stanie zainstalować standardowe sterowniki i pozwoli to uniknąć problemów z samodzielnych ich przygotowaniem.

Biorąc pod uwagę fakt, że producenci mikrokontrolerów dostarczają biblioteki dla przynajmniej jednaj klasy urządzeń, można powiedzieć, że jest to w większości przypadków najlepsze rozwiązanie.

OTG

Tabela 1. Oznaczenia przewodów w standardzie USB

Tradycyjne urządzenia USB współpracują z hostem, którym najczęściej jest komputer. Zajmuje się on enumeracją sprzętu, przydziałem pasma i obsługą transmisji. Niekiedy zachodzi potrzeba połączenia dwóch urządzeń peryferyjnych bez udziału komputera, np. aparatu fotograficznego z drukarką, aby wydrukować zdjęcia. Pominięcie w tej kwestii komputera znacznie upraszcza cały proces i czyni go wygodniejszym oraz szybszym.

Specyfikacja USB 2.0 nie przewiduje jednak takiej ewentualności. Z tego względu organizacja USB-IF opracowała suplement wprowadzający taką możliwość - USB On-The-Go (USB OTG). Wśród wprowadzonych zmian należy wymienić:

• możliwość współpracy urządzeń peryferyjnych w trybie punkt-punkt (point- -to-point),
• nowe, mniejsze złącza,
• możliwość pracy jako układ peryferyjny bądź host,
• mechanizmy zmniejszania poboru energii, aby wydłużyć czas działania na bateriach.

Warto zauważyć, że współpraca urządzeń tradycyjnie uważanych za peryferyjne jest możliwa w sytuacji, gdy jedno z nich posiada funkcjonalność OTG. Jeżeli oba urządzenia są zgodne z OTG, wykorzystywany jest protokół HNP (Host Negotiation Protocol) pozwalający uzgodnić, który z nich będzie spełniać funkcję hosta.

Specyfikacja OTG przewiduje dodatkowo możliwość wyłączenia zasilania na linii Vbus, gdy nie jest ono wykorzystywane. Uzyskano w ten sposób oszczędność energii, ale kosztem utrudnionego wznowienia komunikacji i wprowadzenia dodatkowego protokołu zażądania rozpoczęcia sesji SRP (Session Request Protocol). Żądanie sesji odbywa się dwojako: poprzez pulsowanie na linii lub poprzez pulsowanie na linii Vbus.

Jakub Borzdyński