Les Caractéristiques générales du USB | THE BEST USB

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 de redémarrer l’ordinateur) et fournit l’alimentation électrique des périphériques sous 5 V, dans la limite de 0,5 A, soit 2,5 W.

D'un point de vue logiciel, le bus possède une topologie arborescente (dite également 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 desmultiprises. Certains périphériques intègrent également un hub (moniteurs, claviers…). Cependant, tout bus USB possède au moins unhub situé 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'arborescence28.

À plus bas niveau, il s'agit d'un anneau à jeton (ou Token Ring) : chaque nœud dispose successivement du bus. Il n'y a pas de collision de paquets comme en Ethernet, mais le nombre maximal de nœuds est prédéfini. Pour cette raison, l'USB n'est pas adapté aux communications réseau : l'apparition des "modems" ADSL USB était un moyen de diffuser l'ADSL à une époque où la plupart des PC bas de gamme disposaient du port USB mais pas d'Ethernet^{[réf. nécessaire]}.

Protocole[modifier | modifier le code]

La bande passante est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. Le temps est subdivisé en trames (frames) ou microtrames (microframes) pendant lesquels plusieurs transferts peuvent avoir lieu^[pas clair].

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 (polling). Lorsque l’hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet pour ce faire un jeton (paquet de données contenant l’adresse du périphérique codée sur sept bits). Si le périphérique reconnait sa propre adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données (de 8 à 255 octets) en réponse. Les données ainsi échangées sont codées selon lecodage 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 :

• 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 informatique 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 pas de garantie sur l'acheminement des données. Ce type de transfert est utilisé pour les flux audio et vidéo ;
• transfert en masse (bulk), 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 du port USB.

• L'USB 3.1 introduit l'Alternate Mode (Mode Alternatif) qui est utilisé par exemple pour faire passer de la vidéo avec le protocole Display Port contrairement à des technologies existantes comme DisplayLink qui encapsulaient de la vidéo au travers du protocole USB standard. Ce mode permet aux constructeurs d'étendre l'usage de l'USB à d'autres fonctions. Pendant la négociation de protocole de l'USB-PD 2.0 (Power Delivery, rendu obligatoire avec les connecteurs Type-C), un identifiant assigné par l'USB-IF est échangé pour déterminer le mode de fonctionnement alternatif. On peut utiliser seulement les canaux supplémentaires, mais aussi ceux destinés à l'USB 2.0.

Connexion à chaud et Plug and Play : processus d'énumération[modifier | modifier le code]

Les ports USB supportent la connexion à chaud et la reconnaissance automatique 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 entre les fils D+ et D-. À ce moment, l’ordinateur envoie un signal d’initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui fournit du courant grâce aux fils GND et VBUS (jusqu’à 100 mA); le périphérique étant alors alimenté électriquement 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; 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 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 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.

Alimentation électrique[modifier | modifier le code]

Prises USB de type A et B, vue de face. USB 1 et 2.

L’architecture USB a pour caractéristique de fournir aussi l’alimentation électrique aux périphériques. Il utilise pour cela un câble composé de quatre fils pour les USB 1 et 2 (la masse GND, l’alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+) et de six fils pour l'USB 3 (séparation des données IN/OUT). Les fils D+ et D- forment une paire torsadée et utilisent le principe de la transmission différentielle afin de garantir une certaine immunité aux bruits parasites de l’environnement physique du périphérique ou de son câble.

USB Battery Charging 1.0 à 1.2[modifier | modifier le code]

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USB Power Delivery[modifier | modifier le code]

« USB Power Delivery » permet de délivrer jusqu'à 100 W de puissance sur une tension maximale de 20 V au travers du câble USB, tout en maintenant la communication.L'alimentation électrique est désormais bidirectionnelle, elle peut se faire dans les deux sens^{[réf. nécessaire]}. Les 5 A d'intensité électrique à assurer au minimum laissent prévoir cependant une plus contraignante rigidité des câbles^{[réf. souhaitée]}.

Lors de la connexion, les deux périphériques négocient la puissance à délivrer par l'intermédiaire de contrôleurs spécifiques et chaque port USB pourra ainsi indiquer les tensions et intensités qu'il supporte.

La norme prévoit cinq profils :

• profil 1 : 5 V / 2 A → 10 W
• profil 2 : 5 V / 2 A et 12 V / 1,5 A → 18 W
• profil 3 : 5 V / 2 A et 12 V / 3 A → 36 W
• profil 4 : 5 V / 2 A et 12 V ou 20 V / 3 A → 60 W
• profil 5 : 5 V / 2 A et 12 V ou 20 V / 5 A → 100 W

source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus