Le bus série universel (USB) est une interface permettant d’établir la communication entre les périphériques et un contrôleur hôte (généralement un ordinateur personnel). Nowdays USB a remplacé une variété d’interfaces PC antérieures (telles que la série RS-232, le port parallèle et même FireWire). En raison de la possibilité d’alimenter les périphériques pré-périphériques, l’USB est souvent utilisé comme chargeur d’alimentation pour les appareils portables.

Une architecture système USB se compose d’un contrôleur hôte, de ports USB et de plusieurs périphériques connectés. Des concentrateurs USB supplémentaires peuvent être inclus, ce qui permet de se ramifier dans une structure arborescente avec jusqu’à cinq niveaux. USB peut connecter des périphériques d’ordinateur tels que des souris, des claviers, des appareils photo numériques, des PDA, des téléphones mobiles, des imprimantes, des lecteurs multimédias personnels, des périphériques MTP (Media Transfer Protocol), des lecteurs flash, des GPS, des adaptateurs réseau et des disques durs externes. Pour beaucoup de ces appareils, l’USB est devenu la méthode de connexion standard.

L’interface USB visait à supprimer le besoin d’ajouter des cartes d’extension dans le bus PCI ou PCI-Express de l’ordinateur et à améliorer les capacités plug-and-play en permettant aux périphériques d’être échangés à chaud ou ajoutés au système sans redémarrer l’ordinateur.

USB connectors

There are several types of USB connectors. Le connecteur monté sur l’hôte ou l’appareil s’appelle le réceptacle et le connecteur fixé au câble s’appelle la fiche. Les spécifications USB d’origine détaillaient les fiches et prises Standard-A et Standard-B. Aujourd’hui, il existe 7 connecteurs USB connus: Standard-A, Standard-B, Mini-A, Mini-B, Micro-A, Micro-AB, Micro-B, Type-C. Le brochage Mini-USB et le brochage Micro-USB sont légèrement différents: l’USB standard utilise 4 broches tandis que le Mini-USB et le Micro-USB utilisent 5 broches dans le connecteur. La broche supplémentaire est utilisée comme indicateur de présence de l’appareil connecté.

Signaux de brochage USB

L’USB est un bus série. Il utilise 4 fils blindés: deux pour l’alimentation (+5v & GND) et deux pour les signaux de données différentiels (étiquetés comme brochage D + et D-in). Schéma de codage NRZI (Non Return to Zero Invert) utilisé pour envoyer des données avec un champ de synchronisation pour synchroniser les horloges hôte et récepteur. Dans le câble de données USB, les signaux Data + et Data- sont transmis sur une paire torsadée. Aucune résiliation nécessaire. La signalisation différentielle semi-duplex aide à lutter contre les effets du bruit électromagnétique sur les lignes plus longues. Contrairement à la croyance populaire, D+ et D- fonctionnent ensemble; ce ne sont pas des connexions simplex séparées. L’USB 2.0 offre une longueur de câble maximale de 5 mètres pour les appareils fonctionnant à haute vitesse.

Modes de transfert USB

Le bus série universel prend en charge les modes de contrôle, d’interruption, de transfert en vrac et Isochrones.

Spécifications des interfaces USB.

Certaines versions USB majeures sont connues aujourd’hui :

USB 1.0 – Basse vitesse ou Pleine vitesse

• sortie en 1996.
• Spécifie des débits de données de 1.5 Mbit / s (Bande passante faible, est principalement utilisé pour les périphériques d’entrée humains (HID) tels que les claviers, les souris, les joysticks et souvent les boutons sur les périphériques à vitesse élevée tels que les imprimantes ou les scanners) et 12 Mbit / s (bande passante complète).
• de nos jours est encore utilisé par certains appareils qui n’ont pas besoin de taux de transfert de données plus rapides.

USB 2.0 – Haute vitesse

• sorti en 2000
• en plus de l’USB 1.0 ajoute un taux de signalisation de 480 Mbit / s (Haute vitesse)
• compatible avec l’USB 1.0, mais certains matériels conçus pour l’USB 2.0 peuvent ne pas fonctionner avec les contrôleurs hôtes USB 1.0.

USB 3.0- SuperSpeed

• sortie en 2008
• ajout de débits de transmission jusqu’à 5 Gbit/ s (SuperSpeed)
• USB 3.1 sortie en 2013 ajout d’un débit de transmission SuperSpeed + jusqu’à 10 Gbit/s
• USB 3.2 sortie en 2017 ajout d’un débit de transmission SuperSpeed + jusqu’à 20 Gbit/s et de modes multi-liaisons

USB 1.0 et USB 2.0 partage le même brochage de connecteur, le brochage USB 3.0 et l’USB Type C disposent de nouveaux connecteurs avec leurs propres brochages.

Un périphérique USB doit indiquer sa vitesse en tirant la ligne D+ ou D-high à 3,3 volts. Ces résistances de traction à l’extrémité de l’appareil seront également utilisées par l’hôte ou le concentrateur pour détecter la présence d’un appareil connecté à son port. Sans résistance de traction, l’USB suppose qu’il n’y a rien de connecté au bus.

Afin d’aider l’utilisateur à identifier la vitesse maximale du périphérique, un périphérique USB spécifie souvent sa vitesse sur sa couverture avec l’un des logos marketing spéciaux USB.

Lorsque le nouveau périphérique se branche pour la première fois, l’hôte l’énumère et charge le pilote de périphérique nécessaire pour l’exécuter. Le chargement du pilote approprié se fait à l’aide d’une combinaison PID/VID (ID Produit/ID fournisseur) fournie par le matériel connecté. Les contrôleurs hôtes USB ont leurs propres spécifications: UHCI (Interface de Contrôleur Hôte Universelle), OHCI (Interface de Contrôleur Hôte Ouverte) avec USB 1.1, EHCI (Interface de Contrôleur Hôte Améliorée) est utilisé avec USB 2.0.

Périphériques alimentés par USB

Le connecteur USB fournit un seul fil de 5 volts à partir duquel les périphériques USB connectés peuvent s’alimenter eux-mêmes. Un segment donné du bus est spécifié pour délivrer jusqu’à 500 mA. Cela suffit souvent pour alimenter plusieurs appareils, bien que ce budget doit être partagé entre tous les appareils en aval d’un concentrateur non alimenté. Un périphérique alimenté par bus peut utiliser autant de cette puissance que le permet le port sur lequel il est branché.

Les concentrateurs alimentés par le bus peuvent continuer à distribuer l’alimentation fournie par le bus aux périphériques connectés, mais la spécification USB ne permet qu’un seul niveau de périphériques alimentés par le bus à partir d’un concentrateur alimenté par le bus. Cela interdit la connexion d’un concentrateur alimenté par bus à un autre concentrateur alimenté par bus. De nombreux concentrateurs incluent des alimentations externes qui alimenteront les périphériques connectés via eux sans prendre de courant du bus. Les appareils nécessitant plus de 500 mA ou plus de 5 volts doivent fournir leur propre alimentation.

Lorsque les périphériques USB (y compris les concentrateurs) sont connectés pour la première fois, ils sont interrogés par le contrôleur hôte, qui s’enquiert de leurs besoins en puissance maximaux. Cependant, il semble que toute charge connectée au port USB puisse être traitée par le système d’exploitation comme un périphérique. Le système d’exploitation hôte garde généralement une trace des besoins en alimentation du réseau USB et peut avertir l’opérateur de l’ordinateur lorsqu’un segment donné nécessite plus d’énergie que ce qui est disponible et peut arrêter des périphériques afin de maintenir la consommation d’énergie dans la ressource disponible.

Utilisation de l’alimentation USB:

Pour reconnaître la charge de la batterie, un port de charge dédié place une résistance ne dépassant pas 200 Ω sur les bornes D+ et D−.

Mode chargeur dédié:

Un simple chargeur USB doit intégrer une résistance de 200 Ohms entre les fils D+ et D- (parfois un court-circuit D+ et D- ensemble suffit). L’appareil ne tentera alors pas de transmettre ou de recevoir des données, mais pourra tirer jusqu’à 1,8A, si l’alimentation peut le fournir.

Tension USB:

La tension fournie par un hôte ou un port de concentrateur alimenté est comprise entre 4,75 V et 5,25 V. La chute de tension maximale pour les concentrateurs alimentés par bus est de 0,35 V entre son hôte ou son concentrateur et le port de sortie du concentrateur. Tous les concentrateurs et fonctions doivent pouvoir envoyer des données de configuration à 4,4 V, mais seules les fonctions de faible puissance doivent fonctionner à cette tension. La tension de fonctionnement normale pour les fonctions est d’au moins 4,75 V.

Blindage du câble USB:

Le blindage ne doit être connecté qu’à la masse de l’hôte. Aucun appareil ne doit connecter le bouclier à la terre.

Fils de câble USB:

Blindé:
Données: Puissance torsadée de 28 AWG
: 28 AWG – 20 AWG non-twisted

Non-shielded:
Data: 28 AWG non-twisted
Power: 28 AWG – 20 AWG non-twisted