Comme son nom l'indique, l'USB est un port serie. Il a été conçu pour remplacer les anciens ports serie et parallèle des cartes mères.
Les premières spécifications furent rédigées par un groupe d'entreprises comprenant Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC et le constructeur de matériel téléphonique Nortel.
Son évolution est contrôlée par une association de constructeurs:
l' USB Implementers Forum. Cette association a été créée par un groupe de sociétés citées ci-dessus. L'USB a fait son apparition en novembre 1995 mais ce n'est qu'à partir de 1997, sur l'initiative d'Intel, que la plupart des cartes mères des nouveaux PC furent équipées d'un contrôleur USB.
Malheureusement dans 60 % des cas, ce contrôleur n'était pas relié à un connecteur situé à l'arrière des machines ce qui rendait difficile les possibilités de connections.
Depuis 1998
, les PC sont livrés avec le fameux connecteur, et même souvent avec deux.
On trouve également des cartes PCI comportant des contrôleur USB, pour équiper les PC non pourvus d'un connecteur USB en standard.
La première révision (nommée 1.1) a été publiée à l'automne 1998.
Une nouvelle spécification (USB 2.0) a vu le jour en 2000.
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Utilisation de l'USB
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Aujourd'hui toutes les cartes mères sont équipées au minimum de deux ports usb
(Ici à droite des connecteurs PS/2).
Elles sont en général aussi pourvues de connecteurs d'extension pour des ports supplémentaires.
La majorité des périphériques existent aujourd'hui en connection USB à l'exception des périphériques analogiques que sont les moniteurs et les haut parleurs.
On peut donc aussi bien trouver des disques durs externes, des manettes de jeu, des scanners, des modems ou encore des claviers, imprimantes, lecteurs externes et souris.
Actuellement les "clés" USB sont une application exemplaire des atouts de ce port série. En effet ces mini-disques durs sont en fait de petites mémoires flash pourvues d'une extension USB leur permettant d'être branchées "à chaud" sur n'importe quel PC sans installation de pilotes (sauf sous windows 9X).
Pour ceux qui n'auraient pas encore de ports usb inclus dans leur machine, il existe aussi des cartes PCI offrant des connecteurs.
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Les vitesses USB
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L'USB 1.1 comprend 2 vitesses, un mode vitesse rapide de 12 Mbits/s et un mode vitesse
lente de 1,5 Mbits/s.
Le mode de 1,5 Mbits/s est plus lent et moins sujet aux perturbations
Electromagnétiques (EMI).
Il permet de connecter à un micro-ordinateur jusqu´à 127 périphériques pour un débit maximal de 12 Mbits/s, soit 1.5 Mo/s, le tout sur un bus série comme son nom l´indique. Il est principalement destiné aux périphériques lents.
L'USB 2.0 a fait monter les
enchères jusqu'à 480 Mbits/s.
Le débit de 480 Mbits/s est connu sous le nom de mode Haute vitesse (High Speed) et a été
crée pour entrer en compétition avec le Bus Série Firewire.
- Vitesse Haute - 480 Mbits/s ou 60 Mo/s (High Speed)
- Vitesse Pleine - 12 Mbits/s ou 1,5 Mo/s (Full Speed)
- Vitesse Basse - 1,5 Mbits/s ou 188 Ko/s (Low Speed)
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Connectique
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L'USB, comme son nom l'indique est un Bus Série.
Il utilise 4 fils isolés:
- Deux sont l'alimentation:
+5V (1) et
GND (4).
- 2 (DATA -) et 3 (DATA +) forment une paire torsadée qui véhiculent les signaux de données
différentiels.
L'USB supporte le système " Plug'n play " branchement à chaud avec des drivers qui sont
directement chargeable et déchargeable.
L'utilisateur branche simplement l'appareil sur le Bus.
L'Hôte détectera cet ajout, interrogera l'appareil nouvellement inséré et chargera le driver
approprié pendant le temps qu'il faut au sablier pour clignoter sur votre écran assurant qu'un driver
est installé pour votre appareil.
L'utilisateur n'a pas besoin de se soucier des terminaisons, d' IRQ et adresses de ports, ou de la réinitialisation de l'ordinateur.
Une fois que
l'utilisateur a terminé, on peut simplement retirer le câble, l'Hôte détectera cette absence et
déchargera automatiquement le driver.
La simplicité de l'USB est une qualité particulièrement prisée au moment où les périphériques numériques se multiplient, en particulier ceux destinés au grand public (scanner, appareil photo numérique, et même caméra vidéo ou caméscope numérique).
On notera que deux périphériques particuliers ne peuvent pas être reliés à l'unité centrale à l'aide du bus USB, parce que les signaux qu'ils reçoivent sont de nature analogique. Il s'agit du moniteur et des enceintes acoustiques.
Tous les appareils ont une connexion amont vers l'hôte et tous les hôtes ont une connexion aval
vers l'appareil.
Les connecteurs amont et aval ne sont pas interchangeables mécaniquement,
éliminant ainsi les connexions de rebouclage interdite.
Il y a généralement 2 types de connecteurs, appelé type A et type B présenté cidessous.
Les seuls appareils avec prise type A vers prise type A sont des ponts
que l'on utilise pour brancher 2 ordinateurs entre eux.
D'autres câbles prohibés sont les extensions
USB qui ont une prise mâle à une extrémité (soit de type A ou de type B) et une prise femelle à
l'autre.
Ils ne respectent pas les exigences de longueur de câble de l'USB.
La raison d'être des mini connecteurs est issue de la gamme d'appareils électroniques miniatures
comme les téléphones mobiles et les agendas électroniques.
Le connecteur ordinaire de type B est
trop grand pour être facilement intégré à ces appareils.
On utilise des couleurs standards pour les fils intérieurs des câbles USB de façon à faciliter
l'identification des fils d'un constructeur à un autre.
La normalisation précise les différents
paramètres électriques pour les câbles.
De nouveaux mini ports usb ont étés mis au point pour s'adapter aux besoins des petits périphériques tels que les mini-caméras et les "palm" organisers.
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Décomposition des évenements lors du branchement
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Lorsqu'un périphérique est introduit dans le bus USB, les événements suivants se produisent :
- L'ordinateur envoie un message d'interrogation à l'adresse par défaut du bus.
- Le périphérique nouvellement connecté s'identifie.
- L'ordinateur attribue une adresse à ce nouveau périphérique.
- Le système d'exploitation charge les pilotes en mémoire vive et configure le périphérique.
- Le périphérique devient opérationnel.
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Un des avantages de l'USB réside dans ces appareils alimentés par le Bus.
Ceux-ci obtiennent leur
alimentation à partir du Bus et ne demande aucune prise externe et câble additionnel.
Il existe 3 classes de fonctions USB.
- Les fonctions alimentées par le Bus à basse puissance (Low-Power)
- Les fonctions alimentées par le Bus à haute puissance (High-Power)
- Les fonctions auto alimentées (Self-powered)
Le BUS basse et pleine vitesse a une impédance caractéristique de 90 Ohms +/-15%.
Le mode vitesse haute utilise un courant constant de 17,78 mA pour
réduire le bruit.
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Un appareil USB entrera en veille lorsqu'il n'y a aucune activité sur le Bus pendant plus de 3ms.
Il
dispose ensuite de 7ms de plus pour éteindre l'appareil et ne prendre que le courant de veille
désigné.
Pour
un appareil d'une unité de charge (par défaut) le courant de veille maximum est de 500µA.
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l'USB est un Bus géré par l'hôte.
L'hôte initie toutes les
transactions.
Chaque transaction USB est décomposée en trois phases:
- Envoi d'un Jeton (Token) pour décrire ce qui va
suivre et si la transaction de données sera en lecture ou écriture et ce que sera l'adresse de
l'appareil et la terminaison désignée.
- Envoi de données transportant la " charge utile " (Payload))
- Envoi d'un signal d'état utilisé pour valider la transactions et pour fournir des moyens de
corrections d'erreurs (Handshaking).
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Le bus USB étant bien plus évolué que les bus parallèle et série, la détection d´erreur ne se fait pas par un système de contrôle de parité mais utilise le CRC
(Code de redondance cyclique, qui permet de corriger parfaitement 100% de mots contenant 1 ou 2 erreurs).
De plus, le contrôleur peut réinitialiser jusqu´à 3 fois de manière hardware la liaison avec un autre élément avant d´en avertir le logiciel client.
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L'USB n'est pas seulement une interface, c'est aussi un système qui gère des entrées/sorties (E/S, en anglais I/O),
fonctionnant suivant le schéma maître/esclave.
L´USB propose une topologie peer-to-peer, il établie donc des connexions point à point entre le contrôleur maître et chaque périphérique branché.
Le maître est le contrôleur USB de l'unité centrale de l'ordinateur,
et les périphériques sont les esclaves.
C'est le contrôleur qui identifie les périphériques sur le bus,
qui leur assigne une adresse, et qui charge en mémoire vive les pilotes nécessaires.
C'est lui qui initie les transactions à destination d'un périphérique donné.
Un bus USB possède une topologie arborescente qui peut s'étendre sur cinq niveaux.
Pour connecter plusieurs périphériques à une unité centrale ne possédant qu'une seule sortie,
il faut utiliser un concentrateur (Hub).
En plus de son rôle de connexion (de 4 ou 7 connecteurs en général),
le concentrateur fonctionne comme un répétiteur bidirectionnel et gère,
si nécessaire, l'énergie requise par les périphériques qui lui sont raccordés.
En général, le concentrateur s'alimente en énergie sur son bus.
Tous les périphériques USB sont des esclaves et doivent respecter le protocole USB.
L'unité centrale expédie des messages (Tokens) sur le bus, et le périphérique concerné répond.
Les échanges d'information entre unité centrale et périphériques s'effectuent par paquets.
On distingue quatre types d'échanges (transferts) :
- Ceux qui sont destinés à identifier et configurer un périphérique qui vient d'être connecté (control transfers) ;
- Ceux qui sont réservés à certains périphériques d'entrée (interrupt transfers), tels que les claviers ou la souris ;
- Ceux qui s'effectuent sans confirmation de la réception des paquets (isochronous transfers), et qui sont destinés au transport de la voix ;
- Ceux qui s'effectuent avec confirmation de la réception des paquets (bulk transfers), et qui concernent la plupart des périphériques.
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FireWire est le nom déposé par Apple Computer, Inc.´s pour l' implémentation de l´IEEE-1394 sur les ordinateurs.
P1394 fut le nom donné à la première version de l´IEEE-1394 avant sa normalisation par l´IEEE en décembre 1995
P1394.x désigne pour sa part les fonctions additionnelles proposées par différents constructeurs, comme l´utilisation par Sony d´un câble à 4 conducteurs (6 conducteurs composent le câble normalement, les 2 conducteurs de l´alimentation sont supprimés)
DigitalLink, ou i-Link, est l´implémentation de l´IEEE-1394 déposée par Sony Corporation pour sa gamme de produits Digital Handycam
De bien nombreuses terminologies pour désigner en fait un seul et même bus ...
Sa définition prévoit les avantages suivants :
- Interface numérique : pas de conversion analogique/numérique dégradante pour les données.
- Taille réduite : câble fin et peu coûteux.
- Utilisation très facile, Hot Plug and Play.
- Taux de transfert importants, bus supportant des périphériques mixtes ayant une vitesse de transmission de 100, 200 ou 400 Mbits/s.
- Topologie flexible : support de la topologie en bus, en étoile, ainsi qu'avec la communication poste à poste. On peut connecter à un tel réseau 63 appareils.
- Garantie de bande passante pour tous les périphériques raccordés.
Grâce à ses performances, l´IEEE-1394 est destinée particulièrement à relier :
- Les produits manipulant de l´audio, des images et de la vidéo.
- Les disques durs.
- Les caméscopes.
D´une topologie très proche de celle du l´USB, le FireWire se démarque ( de l'USB 1.1) par sa bande passante supérieure .
Par beaucoup de caractéristiques, le FireWire ressemble à l´USB.
L´IEEE 1394 permet de relier numériquement jusqu´à 63 périphériques (127 dans le cas de l´USB) entre-eux, ne nécessitant pas de matériel supplémentaire.
En plus de l´utilisation d´une transmission isochrone, tout comme l´USB, le FireWire supporte le transport de deux flux vidéo temps réél avec une qualité broadcast en simultanée.
Aux chapitres des ressemblances, les câbles et connecteurs USB et FireWire présentent la même qualité et présente d´étranges ressemblances avec les câbles utilisés pour relier plusieurs Gameboy de Nintendo !!
A noter également, les contrôleur FireWire peut délivrer un courant de 1.5 Ampères pour alimenter les périphériques.
Une nouvelle version de l´IEEE 1394 vient de voir le jour : l´IEEE 1394b, un petit « b » pas si négligeable que cela. Explications : prévu pour concurrencer le FireWire, l´USB2 propose des caractéristiques attrayantes. Destiné pourtant à un marché un peu différent, l´USB 2.0 pourrait faire de l´ombre au FireWire, qui dispose d´une implantation inférieure à l´USB dans le monde de la micro-informatique.
Dans sa nouvelle déclinaison, l´IEEE 1394 propose des caractéristiques et fonctionnalités encore plus avancées que son concurrent et son prédécesseur.
Avec une bande passante qui atteindra les 800 Mbits/s, l'IEEE 1394b devrait être amené rapidement à 1.6 Gbits/s puis 3.2 Gbits/s grâce à l´utilisation de fibre optique plastique multimodes.
Dans cette configuration, les câbles reliant deux appareils pourront dépasser les 100 mètres ! Il sera néanmoins possible d´atteindre des raccordements de 100 mètres avec des câbles UTP catégorie 5 en 100 Mbits/s.
Cette évolution du FireWire est clairement un grand pas en avant pour ce standard qui s´est récemment vu rattraper, du moins en terme de vitesse, par l´USB 2.0.
Comme nous pouvons le voir, la compatibilité avec l´"ancienne" norme IEEE 1394 n´est pas oubliée puisque la version appelée 1394b "bilingual" (bilingue) garantit le fonctionnement des anciens produits.
On peut imaginer que du fait de son implantation réussie dans le domaine Audio/Vidéo grand public et de sa nouvelle norme à 800Mbits/seconde, le Fire Wire réussira à s'imposer comme une référence dans ce secteur.
L'USB 2.0 qui est quant à lui orienté uniquement vers l'informatique tendra à devenir le futur port standart d'entrée/sortie des PC.
