Universal Serial Bus

Bref historique

La première version du Universal Serial Bus a été créée en 1995. Cette nouvelle technologie a connu un succès immédiat. Depuis l'introduction de l'USB, les fabricants d'appareils électroniques ont réfléchi à la manière dont ils pourraient l'utiliser à l'avenir. Aujourd'hui, l'USB permet de connecter un ordinateur ou d'autres appareils comme les ordinateurs portables et les lecteurs MP3 à des périphériques.

Le bus a été introduit par sept entreprises qui représentent les leaders de l'industrie des technologies de l'information : Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom et Digital Equipment Corporation (DEC).

Plusieurs années auparavant, les adopteurs et les développeurs de l'USB avaient organisé une réunion appelée Plugfest dans un hôtel spécial en Californie pour tester leurs appareils. Ils ont choisi un hôtel qui comprenait des chambres pour dormir et pour tester. La réunion a duré trois jours. Au cours de la réunion, les représentants d'une cinquantaine d'entreprises ont connecté leurs dispositifs USB à un système hôte général.

Le logo du périphérique USB a également sa propre histoire. Le logo USB a été développé pendant plusieurs mois.

• 1994 - Sept entreprises s'unissent pour commencer le développement de l'USB.
• 1995 - 340 entreprises ont formé le Forum de mise en œuvre de l'USB.
• 1996 - Plus de cinq cents produits USB sont déjà en cours de développement dans le monde.
• 1997 - Le forum de mise en œuvre de l'USB s'enrichit de 60 entreprises supplémentaires.
• 1998 - L'USB devient la technologie la plus populaire sur le marché de l'électronique.
• 2000 - L'introduction de l'USB 2.0. Il s'agit aujourd'hui du périphérique USB le plus utilisé.
• 2005 - L'USB devient sans fil.
• 2008 - Introduction de l'USB 3.0. Elle est plus de 10 fois plus rapide que l'USB 2.0.
• 2013 - Introduction de l'USB 3.1. Elle est environ deux fois plus rapide que l'USB 3.0.
• 2015 - Introduction de l'USB Type-C. Il s'agit d'un connecteur réversible, ce qui signifie que vous pouvez le brancher dans les deux sens.

Prise USB-B pleine grandeur

Des normes différentes

Actuellement, cinq normes USB différentes sont utilisées : USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 et USB 3.1. L'USB 3.1 est sortie en 2016 et a doublé la vitesse de l'USB 3.0. Elle utilise en option un connecteur différent appelé USB Type-C, qui est réversible (ce qui signifie que vous pouvez le brancher dans les deux sens). L'USB 1.0 est maintenant rarement utilisée.

L'USB offre cinq vitesses de transfert différentes : 1,5 MBit par seconde (appelé basse vitesse), 12 MBit par seconde (pleine vitesse), 480 MBit/seconde (haute vitesse), 5Gbit par seconde (appelé super vitesse), et 10 Gbit/s ("super vitesse+"). Le haut débit n'est disponible qu'à partir de la version USB 2.0, et le super débit n'est disponible qu'à partir de la version USB 3.0. Ces vitesses sont des débits bruts (en millions de bits par seconde). Le débit réel est généralement inférieur en raison de la surcharge du protocole.

Pour pouvoir utiliser le taux de transfert à grande vitesse, le contrôleur USB et le dispositif connecté doivent tous deux le prendre en charge. L'USB est rétrocompatible. Les périphériques et contrôleurs USB plus rapides et plus lents peuvent être connectés ensemble, mais ils fonctionneront à la vitesse la plus lente.

Hubs USB

Presque tous les ordinateurs vendus aujourd'hui ont des ports USB, et la plupart d'entre eux supportent l'USB 2.0 ou plus. Le nombre de ports dont ils disposent est toutefois généralement limité. Entre deux et six ports sont courants. L'USB permet de connecter des concentrateurs USB pour ajouter des ports USB supplémentaires.

Les hubs eux-mêmes sont également conformes à l'une des normes USB. Les appareils connectés à un concentrateur USB 1.1 n'iront que jusqu'à la vitesse de l'USB 1.1. Les appareils connectés à un contrôleur ultérieur peuvent utiliser des normes différentes.

Les hubs USB comme celui-ci sont courants.

Connecteurs USB

L'USB a été conçue pour être facile à utiliser. Les ingénieurs ont appris des autres connecteurs avant de concevoir les connecteurs USB. Il y a 3 connecteurs.

• Type A, couramment utilisé à l'extrémité du câble de l'ordinateur
• Micro-A (rare)
• Type B, à l'extrémité périphérique, rare sauf pour les imprimantes
• Micro-B, à l'extrémité périphérique, pour la plupart des smartphones
• Type C, à chaque extrémité. A partir de 2017, de nombreux nouveaux ordinateurs, téléphones et périphériques l'utilisent.

Utilisabilité

• Il n'est pas possible de brancher un connecteur USB A ou B dans le mauvais sens. Ils ne peuvent pas entrer à l'envers, et cela se voit à l'aspect et à la sensation kinesthésique, quand ils entrent correctement. Cependant, il arrive parfois qu'un utilisateur ne comprenne pas ou ne voie pas comment le connecteur fonctionne, il peut donc être nécessaire d'essayer dans les deux sens.
• Les connecteurs USB de type C peuvent être branchés dans les deux sens. La façon dont le connecteur est branché n'a pas d'importance.
• Il n'est pas nécessaire de pousser ou de tirer très fort pour le brancher ou le débrancher. C'était dans le cahier des charges. Les câbles USB et les petits dispositifs USB sont maintenus en place par la force de préhension de la prise. L'USB n'a pas besoin de vis, de clips ou d'autres éléments de fixation. La force nécessaire pour établir ou interrompre une connexion est faible. Cela permet d'effectuer des connexions dans des positions difficiles ou par des personnes ayant un handicap moteur.
• Avant l'avènement du type C, les connecteurs appliquaient la topologie dirigée d'un réseau USB. L'USB ne prend pas en charge les réseaux cycliques, de sorte que les connecteurs de périphériques USB incompatibles sont eux-mêmes incompatibles. Contrairement à d'autres systèmes de communication (par exemple le câblage RJ-45), les changeurs de genre n'étaient presque jamais utilisés avant l'avènement de l'USB-On-The-Go (OTG), ce qui rend difficile la création d'un réseau USB cyclique.

Durabilité

• Les connecteurs sont conçus pour être résistants. Les premiers modèles de connecteurs étaient fragiles, avec des broches ou d'autres composants délicats qui pouvaient facilement se plier ou se casser, même s'ils étaient traités avec précaution. Les contacts électriques d'un connecteur USB sont protégés par une languette en plastique. L'ensemble de la connexion est généralement protégé par une gaine métallique. Ainsi, les connecteurs USB peuvent être manipulés, insérés et retirés en toute sécurité, même par un jeune enfant.
• La construction du connecteur garantit toujours que la gaine extérieure de la fiche entre en contact avec son homologue dans la prise avant que les quatre connecteurs qui la composent ne soient connectés. Cette gaine est généralement connectée à la terre du système, ce qui permet de décharger en toute sécurité les charges statiques autrement dommageables par cette voie (plutôt que par l'intermédiaire de composants électroniques délicats). Ce type de gaine signifie également qu'un degré (modéré) de protection contre les interférences électromagnétiques est accordé au signal USB lorsqu'il traverse la paire de connecteurs connectés (c'est le seul endroit où la paire de données autrement torsadée doit parcourir une certaine distance en parallèle). De même, les connexions d'alimentation et les connexions communes sont effectuées après la mise à la terre du système mais avant les connexions de données. Ce type de synchronisation de la mise à la terre par étapes permet un échange à chaud en toute sécurité et a été utilisé pour les connecteurs dans l'industrie aérospatiale.
• Les nouvelles micro-prises USB sont conçues pour permettre jusqu'à 10 000 cycles d'insertion et d'effort entre la prise et la fiche, contre 500 pour les prises USB et mini-USB standard. Cela se fait en ajoutant un dispositif de verrouillage et en déplaçant le connecteur à ressort à lames de la prise à la fiche, de sorte que la partie la plus sollicitée se trouve du côté du câble de la connexion. Cette modification a été effectuée de manière à ce que le connecteur du câble (relativement peu coûteux) supporte la plus grande usure au lieu du dispositif micro-USB.

Compatibilité

• La norme USB prévoit des tolérances relativement importantes pour les connecteurs USB conformes. Cela permet de réduire au minimum les incompatibilités entre les connecteurs produits par différents fournisseurs (un objectif qui a été atteint avec beaucoup de succès). Contrairement à la plupart des autres normes de connecteurs, la spécification USB définit également des limites à la taille d'un dispositif de connexion dans la zone autour de sa prise. Cela a été fait pour éviter qu'un dispositif ne bloque les ports adjacents en raison de sa taille. Les dispositifs conformes doivent soit respecter les restrictions de taille, soit prendre en charge un câble d'extension conforme, ce qui est le cas.
• Une communication bidirectionnelle est également possible. Habituellement, les câbles n'ont que des fiches, et les hôtes et les appareils n'ont que des prises : les hôtes ayant des prises de type A et les appareils de type B. Les fiches de type A ne sont reliées qu'à des prises de type A, et les prises de type B à des prises de type B. Cependant, une extension de l'USB appelée USB On-The-Go permet à un seul port d'agir soit comme hôte, soit comme dispositif - choisi par l'extrémité du câble qui se branche dans la prise de l'appareil. Même après que le câble ait été branché et que les appareils aient parlé, les deux appareils peuvent "échanger" leurs extrémités sous le contrôle du programme. Ce dispositif vise les appareils tels que les PDA, où la liaison USB peut se connecter au port hôte d'un PC en tant que dispositif dans un cas, mais se connecter en tant qu'hôte lui-même à un clavier et une souris dans un autre cas.

Un connecteur et une prise de série "A".


Un connecteur USB de type C.


Rallonge USB

Comment se fait l'USB

Un système USB a une conception asymétrique. Il est constitué d'un hôte, de plusieurs ports USB en aval et de plusieurs périphériques connectés en étoile. Des hubs USB supplémentaires peuvent être inclus dans les niveaux, permettant de se ramifier en une structure arborescente comportant jusqu'à cinq niveaux.

Un hôte USB peut avoir plusieurs contrôleurs hôtes. Chaque contrôleur hôte fournit un ou plusieurs ports USB. Jusqu'à 127 dispositifs, y compris les concentrateurs, peuvent être connectés à un seul contrôleur hôte.

Les périphériques USB sont reliés en série par des hubs. Il y a toujours un hub connu sous le nom de hub racine. Le concentrateur racine est intégré au contrôleur hôte. Il existe des hubs spéciaux, appelés "hubs de partage". Ils permettent à plusieurs ordinateurs d'accéder aux mêmes périphériques. Ils fonctionnent en commutant l'accès entre les PC, soit manuellement, soit automatiquement. Ils sont populaires dans les petits bureaux. En termes de réseau, ils convergent plutôt que de faire diverger les branches.

Un dispositif USB physique peut comporter plusieurs sous-dispositifs logiques appelés fonctions de dispositif. Un seul appareil peut fournir plusieurs fonctions, par exemple, une webcam (fonction d'appareil vidéo) avec un microphone intégré (fonction d'appareil audio).

La communication par dispositif USB est basée sur des tuyaux (canaux logiques). Les tuyaux sont des connexions du contrôleur hôte à une entité logique sur le dispositif appelée un point d'extrémité. Le terme "endpoint" est parfois utilisé pour désigner de manière incorrecte le tuyau. Un périphérique USB peut avoir jusqu'à 32 tuyaux actifs, 16 dans le contrôleur hôte et 16 en dehors du contrôleur.

Chaque point d'extrémité peut transférer des données dans une seule direction, soit vers l'appareil, soit vers l'extérieur, de sorte que chaque tuyau est unidirectionnel. Les points d'extrémité sont regroupés en interfaces et chaque interface est associée à une seule fonction du dispositif. Une exception à cette règle est le point d'extrémité zéro, qui est utilisé pour la configuration du dispositif et qui n'est associé à aucune interface.

Lorsqu'un dispositif USB est connecté pour la première fois à un hôte USB, le processus de dénombrement des dispositifs USB est lancé. Le dénombrement commence par l'envoi d'un signal de réinitialisation au périphérique USB. La vitesse du dispositif USB est déterminée pendant la signalisation de réinitialisation. Après la réinitialisation, les informations du dispositif USB sont lues par l'hôte, puis une adresse unique de 7 bits est attribuée au dispositif. Si le périphérique est pris en charge par l'hôte, les pilotes de périphérique nécessaires pour communiquer avec le périphérique sont chargés et le périphérique est mis dans un état configuré. Si l'hôte USB est redémarré, le processus d'énumération est répété pour tous les dispositifs connectés.

Le contrôleur hôte interroge le bus pour connaître le trafic, généralement de manière circulaire, de sorte qu'aucun périphérique USB ne peut transférer de données sur le bus sans une demande explicite du contrôleur hôte.

Contrôleurs de l'hôte

Le matériel informatique qui contient le contrôleur hôte et le concentrateur racine possède une interface pour le programmeur. Elle est appelée Host Controller Device (HCD) et est définie par l'implémenteur du matériel.

Pour l'USB 1.0 et 1.1, il y a eu deux implémentations différentes du HCD, l'Open Host Controller Interface (OHCI) et l'Universal Host Controller Interface (UHCI). L'OHCI a été développée par Compaq, Microsoft et National Semiconductor, l'UHCI par Intel.

VIA Technologies a obtenu d'Intel une licence pour la norme UHCI ; tous les autres fabricants de puces électroniques utilisent la norme OHCI. La norme UHCI repose davantage sur le logiciel. Cela signifie que la norme UHCI est légèrement plus exigeante en termes de processeur que la norme OHCI, mais qu'elle est plus facile et moins coûteuse à réaliser. Comme il y avait deux implémentations différentes, les fournisseurs de systèmes d'exploitation et de matériel devaient développer et tester les deux. Cela a augmenté les coûts.

La spécification USB ne spécifie aucune interface HCD et n'est pas concernée par celle-ci. En d'autres termes, USB définit le format du transfert de données par le port, mais pas le système par lequel le matériel USB communique avec l'ordinateur dans lequel il se trouve.

Pendant la phase de conception de l'USB 2.0, l'USB-IF a insisté sur le fait qu'il n'y avait qu'une seule implémentation. L'implémentation de l'USB 2.0 HCD est appelée Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Seule l'EHCI peut prendre en charge les transferts à haut débit (480 Mbit/s). La plupart des contrôleurs EHCI basés sur PCI ont d'autres implémentations HCD appelées "contrôleur hôte compagnon" pour supporter le Full Speed (12 Mbit/s) et peuvent être utilisés pour tout appareil qui prétend appartenir à une certaine classe. Un système d'exploitation est censé mettre en œuvre toutes les classes de périphériques, il peut donc fournir des pilotes génériques pour n'importe quel périphérique USB. Les classes de périphériques sont décidées par le groupe de travail sur les périphériques du forum des implémenteurs USB.

Classes de dispositifs USB

Les classes de dispositifs comprennent :

Classe	Utilisation	Description	Exemples
00h	Dispositif	Classe non spécifiée 0	(La classe de l'appareil n'est pas précisée. Les descripteurs d'interface sont utilisés pour déterminer les pilotes nécessaires).
01h	Interface	Audio	Haut-parleur, microphone, carte son
02h	Les deux	Communications et contrôle du CDC	Adaptateur Ethernet, modem, adaptateur de port série
03h	Interface	Dispositif d'interface humaine (HID)	Clavier, souris, joystick
05h	Interface	Dispositif d'interface physique (PID)	Joystick à retour de force
06h	Interface	Image	Appareil photo numérique (la plupart des appareils photo fonctionnent en tant que mémoire de masse pour un accès direct aux supports de stockage).
07h	Interface	Imprimeur	Imprimante laser, imprimante à jet d'encre
08h	Interface	Stockage de masse	Lecteur flash USB, lecteur de carte mémoire, lecteur audio numérique, lecteurs externes
09h	Dispositif	Hub USB	Un hub à pleine vitesse, un hub à haute vitesse
0Ah	Interface	CDC-Data	(Cette classe est utilisée conjointement avec la classe 02h - Communications et contrôle des CDC).
0Bh	Interface	Carte à puce	Lecteur de carte à puce USB
0Dh	Interface	Sécurité du contenu	-
0Eh	Interface	Vidéo	Webcam
0Fh	Interface	Soins de santé personnels	-
DCh	Les deux	Dispositif de diagnostic	Dispositif de test de conformité USB
E0h	Interface	Contrôleur sans fil	Adaptateur Wi-Fi, adaptateur Bluetooth
EFh	Les deux	Divers	ActiveSync et dispositif de synchronisation Palm
FEh	Interface	Application spécifique	Pont IrDA
FFh	Les deux	Spécifique au vendeur	(Ce code de classe indique que l'appareil a besoin de pilotes spécifiques au fournisseur).

Note classe 0 : utiliser les informations de classe dans les descripteurs d'interface. Cette classe de base est définie pour être utilisée dans les descripteurs de dispositifs afin d'indiquer que les informations de classe doivent être déterminées à partir des descripteurs d'interface du dispositif.

Les terminaux USB se trouvent en fait sur le dispositif connecté : les canaux vers l'hôte sont appelés "tuyaux".


Un connecteur USB typique.

Pages connexes

• FireWire