Universal Serial Bus

L'Universal Serial Bus est une norme relative à un bus informatique en transmission série qui permet de connecter des périphériques informatiques à un ordinateur.



Catégories :

USB - Connectique - Composant électronique - Protocole réseau sur la couche physique

Définitions :

  • le Port de Série Universel permet le branchement à chaud (sans éteindre la machine) de périphériques à un ordinateur et la transmission... (source : cybercommerces)
  • USB (bus de transport de données donnant la possibilité surtout le branchement d'un périphérique à l'ordinateur sans avoir à relancer ce... (source : lipsie)
  • interface de connexion de périphériques divers, conçue pour terme à remplacer les bus série et parallèle. (source : top-pcs)
Connecteur USB de type A mâle.

L'Universal Serial Bus (USB) est une norme relative à un bus informatique en transmission série qui permet de connecter des périphériques informatiques à un ordinateur. Le bus USB sert à connecter des périphériques à chaud et en bénéficiant du Plug and Play. Il peut alimenter certains périphériques en énergie, et dans sa version 2, il autorise des débits allant de 1, 5 Mbit/s à 480 Mbit/s. La version 3 propose des débits jusqu'à 5 Gbit/s.

Historique

L'USB a été conçu au milieu des années 1990 pour remplacer les nombreux ports externes d'ordinateurs lents et incompatibles. Différentes versions de la norme furent développées au fur et à mesure des avancées technologiques.

La première version de la norme, l'USB 1.0, voit ses spécifications publiées en 1996. En 1998 la version USB 1.1 lui apporte des corrections. Deux vitesses de communication sont envisageables dans ces normes : 1, 5 Mbit/s (faible vitesse, ou Low Speed), et 12 Mbit/s (pleine vitesse ou Full Speed). En 2000 sort la version USB 2.0 qui ajoute des communications à 480 Mbit/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[1] (vitesse supérieure ou SuperSpeed[2]). Les nouveaux périphériques disposeront de connexions à 8 contacts au lieu de 4, mais la compatibilité ascendante des prises et câbles avec les versions précédentes est assurée. L'introduction de l'USB 3 dans des produits grand public a commencé début 2010.

Marché concerné

USB a supplanté divers bus qui équipaient jusque là les ordinateurs : port série RS-232, port parallèle, port PS/2, port joystick (ou port MIDI), port SCSI, et même des bus internes comme PCI pour la connexion de certains systèmes (par exemple cartes son ou cartes de réception TV).

La gamme des périphériques disponibles pour le bus USB est extrêmement vaste ; on peut cependant relever les applications suivantes :

Le bus USB peut alimenter en énergie les périphériques, dans une certaine limite de courant consommé (500 mA pour une application haute puissance, 100 mA pour une application normale[3]). Ceci est surtout mis à profit pour permettre la recharge d'appareils portables, pour lesquels on voit naitre des adaptateurs secteur disposant d'une connectique USB limitée à l'alimentation électrique. La connectique USB a par conséquent une certaine diffusion au-delà des périphériques informatiques stricto sensu, comme connecteur électrique de faible puissance. A titre d'exemple, un certain nombre de gadgets alimentés sur port USB sont apparus sur le marché, qui ne sont pas des périphériques informatiques : lampes d'appoint, petits ventilateurs… Cependant, cette source de courant peut s'avérer trop juste pour alimenter un disque dur externe, au quel cas on utilise un deuxième port USB pour compléter l'alimentation ou un transformateur branché sur le secteur.

Le bus USB est utilisé en interne dans certains ordinateurs, pour connecter des périphériques internes tels que webcams, récepteurs infrarouges[4] ou lecteurs de cartes mémoire.

Spécifications techniques

Caractéristiques générales

L'Universal Serial Bus est une connexion à haute vitesse qui sert à connecter des périphériques externes à un ordinateur (hôte dans la terminologie USB). Il permet le branchement simultané de 127 périphériques par contrôleur (hôte). Le bus autorise les branchements et débranchements à chaud («Hot-Plug», sans avoir besoin de redémarrer l'ordinateur) et apporte l'alimentation électrique des périphériques sous 5 V, dans la limite de 500 mA.

Le bus possède une topologie arborescente (dite aussi en étoile)  : les feuilles de cet arbre sont les périphériques ; les nœuds internes sont des hubs qui permettent de greffer des sous-arborescences dans l'arborescence principale. On trouve dans le commerce ces hubs sous forme de petits boîtiers alimentés soit sur le bus, soit sur le secteur, et qui s'utilisent comme des multiprises. Certains périphériques intègrent aussi un hub (moniteurs, claviers…). Cependant, tout bus USB possède au moins un hub localisé sur le contrôleur : le hub racine, qui peut gérer les prises USB de l'ordinateur. Le nombre de hubs connectés en cascade est limité : hub racine compris, il ne doit pas exister plus de 7 couches dans l'arborescence. [5]

La version 1. x du bus peut communiquer dans deux modes : lent (1, 5 Mbit/s) ou rapide (12 Mbit/s, soit 1, 5 Mo/s)  :

USB 2.0 introduit un troisième mode servant à communiquer à 480 Mbit/s (soit 60 Mo/s). Ce mode est nommé «high Speed». Il est utilisé par les périphériques rapides : disques durs, graveurs… Mais en 2009, la majorité des périphériques ont une vitesse inférieure à ce que permet l'USB 2.0.

La dernière version, l'USB 3.0, comporte un quatrième mode («Super Speed») servant à communiquer à 4, 8 Gbit/s (soit 600 Mo/s). Les premiers appareils commercialisés sont prévus pour 2010.

Quand on parle d'un équipement USB, il est indispensable de préciser la révision de la norme (1.1 ou 2.0) mais également la vitesse (Low, Full ou High Speed). Une clef USB spécifiée en USB 2.0 n'est pas nécessairement High Speed si cela n'est pas précisé par un logo «High Speed».

Le bus USB reste plus lent que des bus internes comme PCI ou AGP.

Connectique et caractéristiques électriques

Différents types de connecteurs USB, de gauche à droite : 8 pin mâle propriétaire[6], mini B mâle, B mâle, A femelle et A mâle. La micro USB n'est pas sur cette photo
Différents types de prises USB.
Prises USB de type A et B, vue de face.

L'architecture USB a pour caractéristique d'apporter l'alimentation électrique aux périphériques en utilisant pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND, l'alimentation VBUS et deux fils de données nommés D- et D+). Les fils D+ et D- forment une paire torsadée et utilisent le principe de la transmission différentielle pour garantir une certaine immunité aux bruits parasites de l'environnement physique du périphérique ou de son câble.

Le bus USB ne permet pas de relier entre eux deux périphériques ou deux hôtes : l'unique schéma de connexion autorisé est un périphérique sur un hôte. Pour éviter des branchements incorrects, la norme spécifie deux types de connecteurs : le type A, conçu pour être localisé sur l'hôte, et le type B, conçu pour être localisé sur le périphérique. Un hub peut comporter à la fois un connecteur B, qui sert au relier à l'hôte, et des connecteurs A, qui permettent d'y relier des périphériques. Les appareils (hôte et périphériques) sont équipés de connecteurs femelles. Les câbles de connexion ont toujours une extrémité de type A mâle, et une extrémité de type B mâle, ce qui garantit le respect de la topologie du bus. Il peut aussi exister des câbles de prolongation équipés de connecteurs de même type mais de genres différents.

Au départ il existait par conséquent quatre connecteurs, pour deux types et deux genres. Par la suite, devant le développement d'appareils compacts, une version miniature du connecteur B a été spécifiée. Elle est fonctionnellement équivalente au connecteur B, mais de dimensions nettement réduites.

Le brochage des connecteurs est le suivant :

Fonction Couleur Numéro de broche pour les types A et B Numéro de broche pour le type mini B
Alimentation +5V (VBUS) 500 mA maximum
Rouge
1
1
Données (D-)
Blanc
2
2
Données (D+)
Vert
3
3
Masse (GND)
Noir
4
5

Protocole

La bande passante est partagée temporellement entre l'ensemble des périphériques connectés. Le temps est subdivisé en trames (frames) ou microtrames (microframes) pendant lesquels plusieurs transferts peuvent avoir lieu.

La communication entre l'hôte (l'ordinateur) et les périphériques se fait selon un protocole basé sur l'interrogation successive de chaque périphérique par l'ordinateur. Quand l'hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet un jeton (un paquet de données, contenant l'adresse du périphérique, codée sur sept bits) désignant un périphérique. Si le périphérique reconnait son adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données (de 8 à 255 octets) en réponse. Les données ainsi échangées sont codées selon le codage NRZI. Puisque l'adresse est codée sur 7 bits, 128 périphériques (27) peuvent être connectés simultanément à un port de ce type. Il convient en réalité de ramener ce chiffre à 127 car l'adresse 0 est une adresse réservée.

USB définit quatre types de transferts :

Il est envisageable de structurer la communication entre un hôte et un périphérique en plusieurs canaux logiques (pipes et endpoints) pour simplifier la commande du périphérique.

Connexion à chaud et Plug and Play : processus d'énumération

Les ports USB supportent la connexion à chaud et la reconnaissance automatique des systèmes (Plug and Play). Ainsi, les périphériques peuvent être branchés sans éteindre l'ordinateur.

Lors de la connexion du périphérique à l'hôte, ce dernier détecte l'ajout du nouvel élément grâce au changement de la tension entre les fils D+ et D-. Dès lors, l'ordinateur envoie un signal d'initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui apporte du courant grâce aux fils GND et VBUS (jusqu'à 100 mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique et peut utiliser provisoirement l'adresse par défaut (l'adresse 0). L'étape suivante consiste à lui apporter son adresse définitive ainsi qu'à obtenir sa description : c'est la procédure d'énumération.

En effet, après avoir reçu son adresse, le périphérique transmet à l'hôte une liste de caractéristiques qui autorisent ce dernier de l'identifier (type, constructeur, nom, version). L'hôte, disposant de l'ensemble des caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié.

Les périphériques sont regroupés en types ou classes dans la terminologie USB. L'ensemble des systèmes d'une classe donnée reconnaissent le même protocole normalisé. Il existe par exemple une classe pour les périphériques de stockage de masse (mass storage class, MSC), implémentée par la quasi-totalité des clés USB, disques durs externes, appareils photo et par certains baladeurs. La majorité des dispositifs d'exploitation possèdent des pilotes génériques, pour chaque type de périphérique. Ces pilotes génériques donnent accès aux fonctions de base, mais des fonctions avancées peuvent manquer.

Norme «On-The-Go»

Article détaillé : USB On-The-Go.

La norme USB 2.0 s'est enrichie d'une fonctionnalité nommée On-The-Go (OTG) pour pouvoir effectuer des échanges de données point à point entre deux périphériques sans avoir à passer par un hôte (généralement un ordinateur personnel). Un périphérique OTG peut se connecter à un autre périphérique OTG, à un périphérique (non OTG) ou à un hôte.

Dans le cas d'une connexion OTG-OTG, c'est la position du connecteur du câble sur la prise mini AB, à chaque extrémité, qui va permettre de déclarer lequel des deux périphériques OTG va être l'hôte. Par la suite, il peut se produire un renversement des rôles suite à une étape de négociation entre les deux dispositifs OTG (protocole HNP) [7].

Les applications de cette technologie sont par exemple la connexion directe d'un appareil photo avec une imprimante, la connexion d'un mobile avec un lecteur MP3

Notes et références

  1. [1]
  2. «Le nom commercial de la norme USB 3.0 sera : Super Speed USB»
  3. USB 2.0 Specification, 7.3.2 Bus Timing/Electrical Characteristics, table 7.7
  4. La webcam et le récepteur infrarouge des MacBook Pro sont connectés sur le bus USB en interne.
  5. Universal Serial Bus Specification, révision 2.0, 27 avril 2000, chapitre 4, Architectural Overview.
  6. (en) English Wikipedia - discussion on «mystery USB connector»
  7. (en) FAQ Microship sur l'USB - Question 53

Voir aussi

Liens externes

Recherche sur Amazon (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/USB.
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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