Couverture ElectroniqueS n°127

Basée sur un câble unique, la dernière mouture de la liaison série vedette permet de véhiculer jusqu'à 10 Gbit/s de signaux USB ou non (y compris DisplayPort) et d'alimenter un périphérique sous 100 W… Les fabricants de semi-conducteurs sont dans les starting-blocks. L 'Universal Serial Bus mérite bien son nom: les ports USB ont envahi toute l'électronique grand public, en dépit des multiples évolutions de la connec-tique qui peuvent parfois créer une certaine frustration quand on n'a pas le bon câble sous la main. A l'instar de ce qui s'est passé pour les deux premières générations de l'interface série USB, les contrôleurs USB 3.0, après avoir doté nos ordinateurs fixes et portables d'un débit de données brut de 5 Gbit/s dix fois supérieur à celui de l'USB2.0, se répandent doucement dans les appareils électroniques nomades pour accélérer la capture d'images et de vidéos ou le stockage de données. La dernière mouture du standard, baptisée USB3.1, double encore ce débit de données et se veut SuperSpeed+. A 10 Gbit/s, l'objectif consiste à rester au coude-à-coude avec le port Thunderbolt utilisé notamment par Apple et qui, lui, atteint déjà les 10Gbit/s. L'USB 3.1 utilise pour cela un nouveau connecteur, dit type C, qui présente l'avantage d'être plus compact et réversible. Ses dimensions (8,4x2,6 mm) sont proches de celles du câble Lightning d'Apple dédié aux récents iPhone et iPad. Les ports USB3.1 type C devraient faire leur apparition dans les ordinateurs grand public d'ici la fin de l'année 2015. Jusqu'à 5A sous 20V! Surtout, il s'avère compatible avec la nouvelle spécification UPD ( USB Power Delivery ) 2.0, qui prévoit la possibilité de générer jusqu'à 100 W (soit 5A sous 5, 12 ou 20V) à partir d'un port USB3.1 ad hoc, ce qui étend considérablement le champ des possibles, notamment en matière de recharge de batteries. Jusqu'à présent, les ports USB ne pouvaient délivrer que 0,75 W en USB1.1, 2,5W en USB2.0 et 4,5W en USB3.0. LES SPÉCIFICATIONS DE L'USB3.1 TYPE C EN BREF > Rétrocompatible avec les précédentes normes USB > Nouveau connecteur réversible 8,3x2,5 mm > Jusqu'à 10 Gbit/s de débit de données > Possibilité de transmettre des flux A/V (DisplayPort, HDMI) > Alimentation négociée jusqu'à 100 W selon 5 profils En outre, la spécification USB3.1 ouvre la voie à la transmission de signaux non-USB à travers une connectique type C, avec, en premier cas d'école, l'exemple d'une liaison DisplayPort pour écran. Le connecteur comprend pour cela deux rangées de douze broches symétriques. Ces broches sont chargées respectivement de la masse, de la tension de bus, de la réception et de l'émission haut débit (USB ou DisplayPort, donc), d'une interface USB 2.0 pour assurer la rétrocompatibilité, d'un bus secondaire (par exemple le canal AUX d'une liaison DisplayPort, utilisé pour l'audio, les signaux anticopie HDCP et bien d'autres choses encore) et d'une broche servant de détection d'orientation, d'identification et de mode de fonctionnement. Dans un mode alternatif comme Display-Port, les signaux ne sont pas ici encapsulés dans un protocole USB (comme c'est le cas avec Thunderbolt), mais directement émis sur les lignes attribuées lors de la négociation initiale entre les deux appareils reliés et prévues par la spécification. Avec un seul connecteur type C, il devient donc possible de véhiculer à la fois des signaux DisplayPort sur deux lignes (le standard actuel 1.2a requiert 5,4Gbit/s, et même le DisplayPort1.3 récemment annoncé n'exige « que » 8,1 Gbit/s), des signaux USB3.1 sur deux autres et une forte quantité de puissance. De même, des câbles portant d'un côté un connecteur USB type C et de l'autre un connecteur HDMI2.0 ou VGA devraient rapidement voir le jour. De quoi simplifier de manière significative la connectique des ultrabooks et des tablettes numériques, et donc d'en réduire l'encombrement et le coût. Les premiers circuits arrivent Du côté des composants, les fabricants de semi-conducteurs impliqués sur ce marché commencent à fourbir leurs armes, et 2015 sera à n'en pas douter l'année de lancement de nombreux circuits d'émission-réception et de hubs USB3.1. En attendant les composants dédiés de Renesas Electronics (qui a présenté un prototype de contrôleur compatible UPD2.0 lors du dernier Intel Developer Forum ), STMicroelectronics ou encore Texas Instruments, c'est du côté des circuits logiques programmables que les pionniers de la dernière génération d'USB doivent se tourner. Lattice Semiconductor vante ainsi l'usage de ses petits FPGA à bas coût pour réaliser des solutions USB3.1 dès à présent. Par rapport à l'USB actuellement disponible, ces circuits doivent remplir de nouvelles fonctions. Via des résistances de tirage, diverses tensions analogiques doivent tout d'abord être détectées sur les broches CC1 et CC2 afin de détecter la présence d'un câble, son orientation et le type de port, à savoir UFP ( Upstream-Facing Port ), DFP ( Downstream-Facing Port ) ou DRP ( Dual Role Port qui, comme son nom l'indique, est susceptible de passer dynamiquement d'un flux ascendant à un flux descendant). Pour pouvoir négocier une puissance d'alimentation supérieure, le contrôleur doit embarquer la gestion de couche physique (PHY) relative à la spécification UPD, si possible au niveau matériel (une gestion logicielle par un microcontrôleur reste possible, mais s'avère mécaniquement plus gourmande en énergie, et, dans de nombreux cas comme les chargeurs muraux à port USB, il n'y a même pas de microcontrôleur embarqué). Enfin, la gestion des différents modes de communication à haut débit de ce connecteur type C implique elle aussi des négociations entre appareils par l'intermédiaire des Vendor Defined Messages . Ces commandes de paramétrages permettent de choisir le mode de fonctionnement, mais aussi de sortir des sentiers battus et d'implémenter des fonctions non standardisées comme l'agrégation d'entrées-sorties à usage général ou la transmission de données d'authentification. Tout ceci nécessite au contrôleur USB d'embarquer le traitement du signal et la capacité de commutation de données nécessaires. Dans les cas de figure les plus courants (chargeur intelligent, interface de smartphone, station d'accueil), Lattice assure que ces fonctions peuvent être assurées par un simple FPGA, auquel on ajoutera selon les cas un circuit de gestion d'alimentation. L'américain propose d'ailleurs des conceptions de référence téléchargeables gratuitement pour ces trois applications typiques, des conceptions qui sont basées sur ses FPGA iCE40 et qui comprennent la schématique, la liste des composants, le brochage, le bitstream et le code pour la personnalisation de la fonction Policy Engine . « Les premiers adeptes de l'USB3.1 type Cont beaucoup à gagner en choisissant nos FPGA en termes de délai de conception et de mise sur le marché, sans sacrifier la consommation du système », avance Keith Bladen, vice-président de Lattice chargé du marketing, qui assure pouvoir maintenir le coût de ces solutions USB3.1 type C sous la barre du dollar en volume. < Les plus petits contrôleurs USB 3.1 de Cypress tiendront dans la tête d'un câble type C. Cypress mise sur l'architecture PSoC A mi-chemin entre les réseaux prédiffusés programmables et les composants dédiés standards se trouvent les PSoC de Cypress, ces microcontrôleurs à blocs analogiques et numériques paramétrables. L'américain, par ailleurs fournisseur important de circuits d'interface USB dédiés, utilise même parfois cette gamme pour arriver plus vite sur un marché émergent. C'est le cas avec l'USB3.1 : Cypress vient dans un premier temps de lancer la production des CYPD11xx CCG1, une famille de contrôleurs USB3.1 type C basés sur l'architecture PSoC4 et son cœur 32 bits Cortex-M0 cadencé jusqu'à 48 MHz et épaulé de 32 Ko de mémoire flash et 4 Ko de SRam. Ces circuits gèrent jusqu'à deux ports USB3.1 type C et jusqu'à cinq profils d'alimentation. Un convertisseur analogique-numérique 12 bits 1 Méch./s assure la surveillance de tension et de courant. La puce est alimentée sous 1,71 à 5,5 V, avec une consommation démarrant à 1,3 µA en veille profonde et 1,3 mA en veille. Les CCG1 sont disponibles en boîtier QFN, SSOP, SOIC et même un WLCSP de 6,8 mm² seulement – de quoi les embarquer dans bon nombre d'appareils nomades. Ils ont été rapidement suivis par les EZ-PD CCG2, des contrôleurs USB 3.1 type C en boîtier WLCSP ultra-compact. Mesurant 3,3 mm², ils embarquent l'émetteur-récepteur USB 3.1 avec fourniture d'alimentation PD jusqu'à 100 W, ainsi que les résistances d'adaptation nécessaires. Ils conviennent notamment à la réalisation de câbles EMCA ( Electronically Marked Cable Assembly ) passifs et actifs ou d'adaptateurs de câble permettant la connexion d'appareils avec port type C à des périphériques plus anciens disposant par exemple de ports DisplayPort ou HDMI. Le cœur Cortex-M0 et ses 32 Ko de mémoire flash permettent de modifier le firmware y compris sur site. La protection contre les décharges électrostatiques atteint 8 kV au contact et 15 kV à l'air. Les CCG2 seront disponibles en volume au mois de juin. En instrumentation, on notera par exemple que Tektronix a développé une suite de tests de conformité USB 3.1 optimisée pour ses oscilloscopes DPO/ MSO7000. Ces tests prennent en charge de manière automatique le paramétrage, la mesure d'erreurs et la gestion des résultats – ils s'appuient d'ailleurs sur les batteries de test déjà disponibles pour les transmissions de données répondant aux standards USB2.0 et USB3.0. Sont notamment étudiés les débits de données étendus jusqu'à 10 Gbit/s, l'alimentation UPD et le câblage type C.

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