USB

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Pour les articles homonymes, voir USB (homonymie).

Connecteur USB de type A mâle.
Symbole de l'USB

Le Universal Serial Bus (USB, en français Bus universel en série, dont le sigle, inusité, est BUS) est une norme relative à un bus informatique en transmission série qui sert à connecter des périphériques informatiques à un ordinateur. Le bus USB permet de connecter des périphériques à chaud (quand l'ordinateur est en marche) et en bénéficiant du Plug and Play (le système reconnaît automatiquement le périphérique). Il peut alimenter les périphériques peu gourmands en énergie (disques SSD en particulier). Apparu en 1996, ce connecteur s'est généralisé dans les années 2000 pour connecter souris, clavier d'ordinateur, imprimantes, clés USB et autres périphériques bon marché sur les ordinateurs personnels.

Les performances de l'USB, notamment concernant les débits, se sont grandement améliorées au fil des versions (USB 2.0, 3.0…). Un futur standard 3.1 a été annoncé en 2013 et ses spécifications techniques publiées en août 2014.

Pour plus de clarté, les débits dans cet article seront indiqués en octets et non en bits (pour rappel, 1 octet = 8 bits).

Évolution de la norme USB

L’USB a été conçu au milieu des années 1990 afin de remplacer les nombreux ports externes d’ordinateurs, lents et incompatibles les uns avec les autres. Différentes versions de la norme ont été développées au fur et à mesure des avancées technologiques, chacune étant vouée à remplacer les précédentes car plus performante.

USB 1

En 1996, la première version de la norme, l'USB 1.0, est spécifiée par sept partenaires industriels (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC et Northern Telecom). Mais elle reste théorique et n'a jamais vraiment été appliquée : par manque de composants, il faudra attendre la seconde version de la norme 1998, intitulée USB 1.1, pour que l'USB commence à être effectivement utilisé[1]. Ce que nous appelons couramment "USB 1" est donc en réalité de l'USB 1.1.

L'USB 1.1 apporte des corrections à la norme 1.0 et définit également deux vitesses de communication :

  • le mode lent (Low Speed) a un débit de 190 Ko/s. Il permet de connecter des périphériques qui ont besoin de transférer peu de données, comme les claviers et souris ;
  • le mode pleine vitesse (Full Speed) débite à 1,5 Mo/s. Il 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 (ce mode permet la vitesse « 10 X » des CD).

En août 1998, avec la sortie de l'iMac G3, Apple est le premier[2] constructeur à proposer un appareil disposant uniquement de ports USB en remplacement des ports d'ancienne génération, ce qui a fait décoller[2] le marché des périphériques USB.

USB 2

En avril 2000 est publiée la norme USB 2.0, qui optimise l'utilisation de la bande passante[1] et surtout introduit un troisième débit à 60 Mo/s, baptisé Haute vitesse (High Speed). Il est utilisé par les périphériques rapides : disques durs, graveurs… Mais au moment de sa sortie, la plupart des périphériques ont une vitesse inférieure à ce que permet l'USB 2.0.

En 2005, le Wireless USB, une version sans-fil de l'USB, est spécifiée par le Wireless USB Promoter Group. Elle promet 50 Mo/s à une distance de 3 m et 14 Mo/s à 10 m[3].

L'extension On-The-Go (OTG), ajoutée à la norme USB 2.0 en 2007, permet d'effectuer des échanges de données point à point entre deux périphériques sans avoir à passer par un hôte (généralement un ordinateur personnel). La norme OTG s'impose désormais comme un standard.

USB 3

En 2008, l'USB 3.0 introduit le mode vitesse supérieure (SuperSpeed), qui débite théoriquement à 625 Mo/s[4]. Mais ce nouveau mode utilisant un codage des données de type 8b/10b, la vitesse de transfert réelle est de seulement 500 Mo/s. L'USB 3 délivre une puissance électrique de 4,5 watts.

Les nouveaux périphériques disposent de connexions à 6 contacts au lieu de 4, mais la compatibilité ascendante des prises et câbles avec les versions précédentes est assurée. En revanche, la compatibilité descendante est impossible, les câbles USB 3.0 de type B n'étant pas compatibles avec les prises USB 1.1/2.0[5], mais il existe des adaptateurs.

Début 2010, l'USB 3 est introduit dans des produits grand public. Les prises femelles correspondantes sont signalées par une couleur bleue. Apparition aussi des prises femelles USB rouges, signalant une puissance électrique disponible supérieure, et appropriée au chargement rapide de petits appareils y compris (à condition de le paramétrer dans le BIOS ou l'EFI) lorsque l'ordinateur est éteint.

USB 3.1

Un standard 3.1[6] à 10 Gb/s est annoncé en août 2013 ; ses spécifications techniques sont finalement publiées par le consortium USB Implementers Forum en août 2014.

L'USB 3.1 promet des débits doubles de ceux de l'USB 3.0, soit 1,2 Go/s. Le nouveau standard (câbles, interface) est rétro compatible avec l'USB 3.0 et l'USB 2.0[7]. Toutefois la connectique change, elle est plus fine et n'impose pas de sens de branchement. Pour tout de même permettre la connexion vers des connecteurs USB 2.0 et 3.0, le standard permet la possibilité d'avoir des adaptateurs passifs (à l'inverse des adaptateurs Lightning, le connecteur réversible qu'Apple a lancé avec l'iPhone 5 en 2012), pour garder une taille réduite et un coût de fabrication mesuré[8]. Cette nouvelle connectique se nomme Type C[9].

Résumé des débits

Lorsque l’on parle d’un équipement USB, il est nécessaire de préciser la version de la norme (1.1, 2.0 ou 3.0) mais également la vitesse (low/full/high/super speed). Une clef 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 certaines interfaces internes comme PCI ou AGP ou SATA / e-Sata, mais il comble son retard au fil des versions, au moins en termes de débits théoriques. Ainsi, si l'USB était dix fois plus lent en version 2.0 (60 Mo/s) que le SATA III (768 Mo/s), sa version 3.0 fait presque jeu égal (600 Mo/s) et la version 3.1 la surclasse largement (1,2 Go/s).

Débit théorique des normes USB
Version USB 1.0 USB 1.1 USB 2.0 Wireless USB USB 3.0 USB 3.1
Année 1996 1998 2000 2005 2008 2013
Débit 1,5 Mbit/s
0,19 Mo/s		 12 Mbit/s
1,5 Mo/s		 480 Mbit/s
60 Mo/s		 480 Mbit/s
60 Mo/s		 5 Gbit/s
600 Mo/s		 10 Gbit/s
1,2 Go/s

Ces débits ne sont toutefois que théoriques. Afin de trouver des valeurs concrètes, divisez la vitesse par 2 en utilisation optimale, 4 en utilisation normale, voire 15 avec beaucoup de périphériques USB simultanément utilisés.

Évolution des connecteurs USB

Différents connecteurs de type USB 1 et 2, de gauche à droite :
• micro-B mâle ;
• UC-E6 propriétaire (non USB) ;
• mini-B mâle ;
• A femelle ;
• A mâle ;
• B mâle.
Les différents types de connecteurs USB 1 et 2.
Fiche micro-B USB 3.

Les premiers connecteurs : les types A et B

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 USB 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.

Les mini-connecteurs

Chaque type (A ou B) existait dans les deux genres (mâle ou femelle), ce qui fait qu'il existait au départ quatre connecteurs. En octobre 2000, devant le développement des appareils compacts (téléphones portables, appareils photo numériques), une mise à jour de la norme USB 2 introduit une version miniature du connecteur B : le mini-B[10],[11]. Elle est fonctionnellement équivalente au connecteur B, mais de dimensions nettement réduites.

En décembre 2001, l'USB 2 introduit le connecteur mini-AB, utilisé dans le cadre de l'extension « On-The-Go »[12]. Il permet aux appareils compatibles de jouer indifféremment le rôle d'hôte ou celui de périphérique, contrairement à l'USB classique où l'hôte se branche obligatoirement sur un connecteur de type A et le périphérique sur un connecteur de type B.

Les micro-connecteurs

Les appareils mobiles s'étant encore réduits, les connecteurs mini-B sont devenus à leur tour trop gros. En janvier 2007, le nouveau connecteur micro-B est annoncé[13]. Il est non seulement plus fin que le mini-B, mais également prévu pour supporter un grand nombre de cycles de connexion/déconnexion (jusqu'à 10 000[11]), ce qui le rend particulièrement bien adapté aux appareils mobiles souvent branchés/débranchés (tablettes tactiles, smartphones, etc.).

Pour les mêmes raisons, en avril 2007, une nouvelle norme micro-AB vient remplacer la norme mini-AB, qui est officiellement dépréciée le mois suivant[14],[15],[11].

La nouvelle norme : le type C

Un nouveau connecteur est introduit dans la norme le 11 août 2014 : le type C, destiné à remplacer tous les connecteurs précédents. Il a la particularité d'être réversible, c'est-à-dire qu'il n'a plus de sens haut/bas[16]. Outre l'aspect pratique, il est compatible à la fois avec le standard USB 3.1 (qui porte le débit maximal théorique à 10 Gbit/s) et l'USB Power Delivery (jusqu'à 100 watts dans les deux sens). C'est l'unique port externe du macbook 2015 par apple.

Applications de l'USB

Pour le transfert des données

USB a supplanté divers bus qui équipaient auparavant 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 dispositifs (par exemple cartes son ou cartes de réception TV).

La gamme des périphériques utilisant le bus USB est extrêmement vaste :

Le bus USB est également utilisé en interne dans certains ordinateurs pour connecter des périphériques tels que webcams, récepteurs infrarouges (c'est le cas par exemple sur les MacBook Pro) ou lecteurs de cartes mémoire.[réf. nécessaire]

Pour l'alimentation électrique

Ventilateurs alimentés par USB
Petit accessoire affichant et enregistrant la tension (V), le courant (A) et la charge (mAh) au cours de l'alimentation d'un appareil par USB, telle que la recharge d'un téléphone.

Le bus USB peut alimenter en énergie les périphériques, dans une certaine limite de courant consommé (2 A pour une application haute puissance, 100 mA pour une application normale[17]). Ceci est notamment mis à profit pour permettre la recharge d'appareils portables, pour lesquels on voit apparaître des adaptateurs secteur disposant d'une connectique USB limitée à l'alimentation électrique.

La connectique USB a ainsi une diffusion au-delà des périphériques informatiques stricto sensu, en tant que connecteur électrique de faible puissance. Un certain nombre de gadgets alimentés par port USB qui ne sont pas des périphériques informatiques sont apparus sur le marché : lampes d'appoint, petits ventilateurs, etc.

Cependant le courant délivré par l'USB reste pour le moment trop faible pour certains périphériques, par exemple certains disques durs externes. La solution actuelle consiste à compléter l'alimentation par un branchement sur un second port USB, mais cette pratique est discutable car le périphérique monopolise à lui seul deux ports.

Ce problème devrait être résolu avec la nouvelle norme USB. En effet, un câble standard avec prises de type C (norme USB 3.1) est prévu pour une puissance électrique de 60W. Des câbles spécifiques peuvent faire transiter jusqu'à 100W. On tend vers l'utilisation d'un câble unique pour les périphériques qui assure à la fois l'alimentation et le transfert des données. Par exemple, on peut connecter un écran à un hub USB intégré avec un seul câble USB. Et ce, sans se soucier du sens du câble ou de la prise.

L'USB est aussi devenue un moyen d'alimenter un ordinateur et pas seulement ses périphérique. En 2015, apple sort un macbook où l'unique port (à par le port casque) et une prise type C qui permet de le recharger.

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 des multiprises. Certains périphériques intègrent également un hub (moniteurs, claviers…). Cependant, tout 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 de hubs connectés en cascade est limité : hub racine compris, il ne doit pas exister plus de 7 couches dans l'arborescence[18].

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

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.

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 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 :

  • 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

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 est alors alimenté en courant électrique 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 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

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

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USB Power Delivery

USB Power Delivery permet de délivrer jusqu'à 100 W de puissance sur une tension maximale de 20 V au travers de l'USB, tout en maintenant la communication. L'alimentation électrique est désormais bidirectionnelle, elle peut se faire dans les deux sens.

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 5 profils :

  • Profil 1 : 5V / 2A → 10W
  • Profil 2 : 5V / 2A et 12V / 1.5A → 18W
  • Profil 3 : 5V / 2A et 12V / 3A → 36W
  • Profil 4 : 5V / 2A et 12V ou 20V / 3A → 60W
  • Profil 5 : 5V / 2A et 12V ou 20V / 5A → 100W

Brochage

Types A et B

Fichier:USB 3.0 Micro B plug.PNG
Description prise Micro-B USB 3
• 1 : alimentation (VBUS)
• 2 : USB 2.0 paire différentielle (D−)
• 3 : USB 2.0 paire différentielle (D+)
• 4 : USB OTG ID pour identifier les lignes
• 5 : masse
• 6 : USB 3.0 ligne de transmission du signal (−)
• 7 : USB 3.0 ligne de transmission du signal (+)
• 8 : masse
• 9 : USB 3.0 ligne de réception du signal (−)
• 10 : USB 3.0 ligne de réception du signal (+)

Le brochage des connecteurs de type A et B est le suivant :

Fonction Couleur Numéro de broche pour
les types A et B 		Numéro de broche pour
le type mini B
Alimentation +5 V (VBUS) Rouge 1 1
Données (D-) Blanc 2 2
Données (D+) Vert 3 3
Masse (GND) Noir 4 5[19]

Type C

Le brochage de la prise de type C, vue de face, est le suivant :

A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1
GND RX2+ RX2- VBus SBU1 D- D+ CC VBus TX1- TX1+ GND
GND TX2+ TX2- VBus VConn SBU2 VBus RX1- RX1+ GND
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

La broche CC indique l'orientation du connecteur, la broche VConn pour l'alimentation.

Le brochage du connecteur de réception de type C, vue de face, est le suivant :

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
GND TX1+ TX1- VBus CC1 D+ D- SBU1 VBus RX2- RX2+ GND
GND RX1+ RX1- VBus SBU2 D- D+ CC2 VBus TX2- TX2+ GND
B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1

L'alimentation passe par les broches VBus et GND. Les signaux de configurations par CC1 et CC2 et il y a 2 broches SBU (SideBand Use).

Notes et références

Notes

Références

  1. ↑ a et b L'USB et sa norme
  2. ↑ a et b IBM - The ins and outs of USB, voir le paragraphe "Enter the iMac."
  3. ↑ (en) Wireless USB from the USB-IF, sur le site usb.org
  4. ↑ (en) SuperSpeed USB from the USB-IF, sur le site usb.org
  5. ↑ (en) Jamais les deux ne se rencontreront, sur le site tomshardware.com
  6. ↑ USB 3.1 officialisé: Le haut débit à 10 Gb/seconde, sur le site zone-numerique.com
  7. ↑ USB 3.1 officialisé: Le haut débit à 10 Gb/seconde, sur le site zone-numerique.com
  8. ↑ « L'USB 3.1 proposera un nouveau connecteur totalement réversible », sur Next INpact, 4 décembre 2013.
  9. ↑ L'USB 3.1 devrait venir avec un nouveau format réversible , sur le site lesnumeriques.com
  10. ↑ (en) « USB 2.0 Specification Engineering Change Notice (ECN) #1: Mini-B connector », sur USB.org, 20 octobre 2000.
  11. ↑ a b et c http://www.lammertbies.nl/comm/cable/USB-connector.html
  12. ↑ (en) « On-The-Go Supplement to the USB 2.0 Specification, Revision 1.0 », sur USB.org, 18 décembre 2001.
  13. ↑ (en) « Micro-series USB technology will replace Mini-series USB in OTG products », sur USB.org, 4 janvier 2007.
  14. ↑ (en) « Micro-USB Cables and Connectors Specification, Revision 1.01 », sur USB.org, 4 avril 2007.
  15. ↑ (en) « Deprecation of the Mini-A and Mini-AB Connectors », sur USB.org, 23 mai 2007.
  16. ↑ Le connecteur USB 3.1 de type C, réversible, prêt pour la production
  17. ↑ (en) USB 2.0 Specification, 7.3.2 Bus Timing/Electrical Characteristics, table 7.7
  18. ↑ (en) Universal Serial Bus Specification, révision 2.0, 27 avril 2000, chapitre 4, Architectural Overview.
  19. ↑ (en) By default, a Mini-b cable is presumed to have 5 pins., sur le site cablestogo.com

Annexes

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  • USB, sur le Wiktionnaire
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Articles connexes

Liens externes

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