Universal Serial Bus - Définition et Explications

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Introduction

Connecteur USB de type A mâle.

L’Universal Serial Bus (USB) est une norme relative à un bus informatique en transmission série qui sert à connecter des périphériques informatiques à un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...). Le bus USB permet de connecter des périphériques à chaud et en bénéficiant du Plug and Play. Il peut alimenter certains périphériques en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), 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, proches des 6 Gbit/s du SATA 3.

Historique

L’USB a été conçu au milieu des années 1990 afin de remplacer les nombreux ports externes d’ordinateurs lents et incompatibles. Différentes versions de la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) furent développées au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) 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 (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) sont possibles dans ces normes : 1,5 Mbit/s (faible vitesse, ou Low Speed), et 12 Mbit/s (soit 1.5 Mo/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) (soit 60 Mo/s). 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 (soit env. 600 Mo/s) (vitesse supérieure ou SuperSpeed). 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.

Spécifications techniques

Caractéristiques générales

L’Universal Serial Bus est une connexion à haute vitesse qui permet de 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 (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de redémarrer l’ordinateur) et fournit l’alimentation électrique des périphériques sous 5 V, dans la limite de 500 mA.

Le bus possède une topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par...) arborescente (dite également en étoile) : les feuilles de cet arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) 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 également un hub (moniteurs, claviers…). Cependant, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) bus USB possède au moins un hub situé sur le contrôleur : le hub racine, qui peut gérer les prises USB de l'ordinateur. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de hubs connectés en cascade est limité : hub racine compris, il ne doit pas exister plus de 7 couches dans l'arborescence.

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) :

  • le mode lent (« Low Speed ») permet de connecter des périphériques qui ont besoin de transférer peu de données, comme les claviers et souris ;
  • le mode rapide (« Full Speed ») est utilisé pour connecter des imprimantes, scanners, disques durs, graveurs de CD et autres périphériques ayant besoin de plus de rapidité. Néanmoins il est insuffisant pour beaucoup de périphériques de stockage de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) (ce mode permet la vitesse « 10 X » des CD).

USB 2.0 introduit un troisième mode permettant de communiquer à 480 Mbit/s (soit 60 Mo/s). Ce mode est appelé « high Speed ». Il est utilisé par les périphériques rapides : disques durs, graveurs… Mais en 2009, la plupart 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 ») permettant de communiquer à 4,8 Gbit/s (soit 600 Mo/s). Les premiers appareils commercialisés sont prévus pour 2010.

Lorsque l’on parle d’un équipement USB, il est nécessaire de préciser la révision de la norme (1.1 ou 2.0) mais également la vitesse (Low, Full ou High Speed). Une clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible...) USB spécifiée en USB 2.0 n’est pas forcément 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 (Pin désigne :) mâle propriétaire, mini (MINI est une marque automobile de BMW Group. L'ancien modèle Mini était construit par MG Rover.) B mâle, B mâle, A femelle (En biologie, femelle (du latin « femella », petite femme, jeune femme) est le...) et A mâle. La micro USB n'est pas sur cette photo
Prises USB de type A et B, vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de face.

L’architecture USB a pour caractéristique de fournir 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 appelés D- et D+). Les fils D+ et D- forment une paire torsadée (Un câble paires torsadées décrit un modèle de câblage où une ligne de transmission est...) et utilisent le principe de la transmission différentielle afin de garantir une certaine immunité aux bruits parasites de l’environnement physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) du périphérique ou de son câble.

De base, le bus USB ne permet pas de relier entre eux deux périphériques ou deux hôtes : le seul 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, destiné à être situé sur l'hôte, et le type B, destiné à être situé sur le périphérique. Un hub peut comporter à la fois un connecteur B, qui permet de le 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 donc 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) nettement réduites.

La version 2 de la norme a introduit connecteur mini-AB, utilisé dans le cadre de l'extension , qui permet à certains appareils compatibles de jouer selon les cas, soit le rôle d'hôte, soit le rôle de périphérique.

Le brochage des connecteurs est le suivant :

Fonction Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) Numéro de broche pour les types A et B Numéro de broche pour le type mini B
Alimentation +5V (VBUS) 500 mA maximum
Rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...)
1
1
Données (D-)
Blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...)
2
2
Données (D+)
Vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...)
3
3
Masse (GND)
Noir
4
5

Protocole

La bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la...) est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. Le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) 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. Lorsque 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 (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de...) 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 (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des...) 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 (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) à 127 car l’adresse 0 est une adresse réservée.

USB définit quatre types de transferts :

  • transfert de commande, utilisé pour l'énumération et la configuration des périphériques. Il convient pour des données de taille restreinte ; il y a garantie de livraison (renvoi des paquets erronés) ;
  • transfert d’interruption, utilisé pour fournir des informations de petite taille avec une latence faible. Ce ne sont pas des interruptions au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...) du terme : le périphérique doit attendre que l’hôte l’interroge avant de pouvoir effectuer un tel transfert. Ce type de transfert est notamment utilisé par les claviers et les souris ;
  • transfert isochrone, utilisé pour effectuer des transferts volumineux (bande passante garantie), et en temps réel. Il n'y a par contre pas de garantie sur l'acheminement des données. Ce type de transfert est utilisé pour les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) audio et vidéo ;
  • transfert en masse (bulk (Bulk est un mot anglais signifiant volume. Dans l'industrie informatique ce terme caractérise un...)), utilisé pour transférer des informations volumineuses, avec garantie d'acheminement, mais sans garantie de bande passante. Ce type de transfert est utilisé par les dispositifs de stockage.

Il est possible 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 (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la...) des dispositifs (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 (La tension est une force d'extension.) entre les fils D+ et D-. À ce moment, l’ordinateur envoie un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) d’initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui fournit du courant grâce aux fils GND et VBUS (jusqu’à 100 mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) et peut utiliser temporairement l’adresse par défaut (l’adresse 0). L’étape suivante consiste à lui fournir son adresse définitive et 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 permettent à ce dernier de l'identifier (type, constructeur, nom, version). L’hôte, disposant de toutes les caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié.

Les périphériques sont regroupés en types ou classes dans la terminologie USB. Tous les dispositifs d'une classe donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) reconnaissent le même protocole normalisé. Il existe par exemple une classe pour les périphériques de stockage de masse (mass storage class (CLASS (CLS) est un célèbre groupe de l'underground informatique. CLASS a cessé son...), MSC), implémentée par la quasi-totalité des clés USB, disques durs externes, appareils photo et par certains baladeurs. La plupart des systèmes 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.

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