USB (Universal Serial Bus) : fonctionnement

L’USB (Universal Serial BUS) que l’on peut traduire par bus universel en série est une technologie de connexion pour périphériques externe comme une imprimante, manette de jeu ou tout autre appareil comme un Smartphone ou tablette.
On l’utilise aussi pour des périphériques de stockage comme les clés USB.
Enfin l’USB s’utilise aussi pour la charge électrique de périphériques.

Cet article aborde donc l’USB avec tous les détails comme le débit, niveau de charge et alimentation d’un port.

Qu’est ce que l’USB

L’USB est une norme et standard établis par l’USB Implementers Forum (USB-IF) de la couche 1 du modèle OSI.
Ce standard établit à la fois :

• Un bus informatique en série qui permet l’échange d’informations entre composant
• Le protocole de communication de l’USB
• Un type de connectique avec l’USB avec l’USB type-c, a, b, mini USB et Micro-B

Le but de l’US est de remplacer les ports externes (port parallèle, port série, port SCSI, etc.).
Conçus à l’origine pour les imprimantes et les modems à faible vitesse, les ports série et parallèle, ces derniers présentaient trop de limites.
Leur taux de transfert de données est faible.
De plus à chaque appareil nécessite sa propre interruption matérielle (IRQ) qui limite la quantité d’extension possible.
Il n’y a pas non plus d’espoir de parvenir à un fonctionnement plug and play avec ces interfaces, ce qui est essentiel si la connexion de périphériques à un PC doit être réalisée par des utilisateurs non techniques

Le besoin d’une interface plug and play à vitesse moyenne et peu coûteuse pouvant être utilisée pour connecter un nombre pratiquement illimité d’appareils a finalement été reconnu, et la solution était le bus série universel (USB).

Les versions de l’USB

La maintenance des spécifications de l’USB est faites par l’organisation à but non lucratif l’USB (Universal Serial Bus).

Les vitesses, débits, taux de transfert de l’USB

Voici les vitesses et débits par version USB.

Version USB	Taux de transfert	Qualificatif
USB 1.0	1,5 Mbit/s en mode lent 12 Mbit/s en mode rapide	Low-speed (LS) Full-speed (FS)
USB 2.0	480 Mbit/s	High-speed (HS)
USB 3.2 Gen 1	5 Gbps	SuperSpeed (SS)
USB 3.2 Gen 1×2	10 Gbps	SuperSpeed+ (SS+)
USB 3.2 Gen 2×1	10 Gbps	SuperSpeed+ (SS+)
USB 3.2 Gen 2×2	20 Gbps	SuperSpeed+ (SS+)
USB 4.0	40 Gbit/s

Les connecteurs USB type-c, a, b, mini USB et Micro USB

Au fil des versions, les normes de la connectique USB a évolué.
Ainsi, le type-a, b, c, mini USB et Micro USB sont apparus.
L’article suivant explique tout cela :

L’USB comment ça marche ?

Une topologie en étoile

L’USB utilise une topologie en étoile à plusieurs niveaux qui ressemble à un arbre.
Là où le bus se divise en deux ou plusieurs branches est un hub.
À la fin de chaque branche se trouve une fonction périphérique.
Cette structure permet une arborescence jusqu’à cinq niveaux et de connecter jusqu’à 127 périphériques USB à la fois.

Un hôte USB peut avoir plusieurs contrôleurs d’hôte.
Chaque contrôleur hôte fournit un ou plusieurs ports USB.
L’USB permet de connecter jusqu’à 127 périphériques sur un seul contrôleur hôte.

En termes de matériel PC, le concentrateur racine, ou plutôt le contrôleur USB via lequel le logiciel PC le contrôle, est un périphérique unique avec ses propres exigences d’IRQ et d’E/S.
Une fois configuré, l’USB ne nécessitera aucune reconfiguration matérielle, quels que soient les périphériques que vous y branchez.
Tout ce que vous aurez à faire est d’installer le pilote pour le nouveau périphérique.

Le gestionnaire de périphériques de Windows permet de vérifier l’état des contrôleurs de bus et concentrateurs USB.

Le branchement d’un appareil USB

L’USB a été conçu pour permettre le branchement à chaud de tous les périphériques, ce qui signifie que tout périphérique peut être connecté ou déconnecté pendant que le reste du système reste sous tension.
Lors de la connexion d’un périphérique, ce dernier est identifié par le contrôleur hôte et attribué une adresse dans la structure actuelle.
La vitesse à laquelle le dispositif fonctionne est également identifiée, et le port auquel il est connecté est alors configuré pour fournir le niveau de service souhaité.
Lorsque chaque périphérique est identifié, le pilote approprié pour ce périphérique ou cette classe de périphérique peut être chargé par le système hôte par exemple avec le plug and play sur Windows ou udev sur Linux.

La communication USB

La communication avec le périphérique USB est basée sur des canaux.
Un périphérique USB peut avoir jusqu’à 32 canaux actifs : 16 dans le contrôleur hôte et 16 hors du contrôleur.

La communication USB se fait sous forme de paquets un peu comme le réseau.
Les transferts d’informations sur le bus sont appelés transactions.

Une transaction commence lorsque le contrôleur envoie un paquet décrivant le type et la direction de la transaction, l’adresse du périphérique USB.
Ce paquet est appelé le paquet de jetons.

Tous les paquets sont constitués d’octets de 8 bits.
Le premier octet est un octet d’identificateur de paquet (PID).
Le PID est en fait de 4 bits; l’octet se compose du PID à 4 bits suivi de son complément au niveau du bit.
Les paquets sont de trois types de base : poignée de main, jeton, données.
Chacun avec un format et un CRC (contrôle de redondance cyclique).

L’alimentation en USB

Les concentrateurs USB peuvent être alimentés ou non alimentés comme son nom l’indique, un concentrateur alimenté a sa propre alimentation et ne dépend pas de la ligne +5 VDC fournie par sa connexion «en amont».

Dans les deux cas, tous les ports USB «en aval» (tels que ceux fournis par l’hôte ou un concentrateur pour la connexion de périphériques) doivent fournir jusqu’à 500 mW de puissance (100 mA) sur la ligne +5 VDC lorsqu’un périphérique est connecté et initialisé.
Sous le contrôle de l’hôte, un périphérique donné peut alors être doté de jusqu’à 2,5 W (500 mA), si cela reste dans les limites de l’hôte ou du concentrateur.

Enfin le standard USB prévoit des états pour réduire la consommation électrique pour prolonger l’autonomie de la batterie.
Sur Windows 10, cela se nomme la suspension sélective.

État du port USB	Intensité	Voltage	Puissance Max
État de très faible puissance	100 mA	5 V	0.50 W
État de très faible puissance	150 mA	5 V	0.75 W
Haute puissance	500 mA	5 V	2.5 W
Haute puissance SuperSpeed (USB 3.0)	900 mA	5 V	4.5 W

État du port USB	Intensité	Voltage	Puissance Max
Standard	5 A	20 V	100 W
Etendue	5 A	48 V	240 W