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Les Ports USB

Présentation du port USB

Les ports USB (Universal Serial Bus, ports séries universels) sont, comme leur nom l'indique, basés sur une architecture de type série. Il s'agit toutefois d'une interface entrée-sortie beaucoup plus rapide que les ports série standards. L'architecture qui a été retenue pour ce type de port est en série pour deux raisons principales:

L'architecture série permet d'utiliser une cadence d'horloge beaucoup plus élevée qu'une interface parallèle, car celle-ci ne supporte pas des fréquences trop élevées (dans une architecture à haut débit, les bits circulant sur chaque fil arrivent avec des décalages, provocant des erreurs)
Les câbles séries coûtent beaucoup moins chers que des câbles parallèles

Fonctionnement du port USB

Ainsi, dès 1995, le standard USB a été élaboré. Il propose deux modes de communication (12 Mbps en mode haute vitesse et 1.5 Mbps à basse vitesse) pour la connexion d’une grande variété de périphériques. L’architecture USB a pour caractéristique de fournir l’alimentation électrique aux périphériques qu’elle relie. Elle utilise pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND, l’alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+).

La norme USB permet le chaînage des périphériques, en utilisant une topologie en bus ou en étoile. Les périphériques peuvent alors être soit connectés les uns à la suite des autres, soit ramifiés.
La ramification se fait à l’aide de boîtiers appelés hubs (ou concentrateurs), comportant une seule entrée et plusieurs sorties. Certains sont actifs (fournissant de l’énergie électrique), d’autres passifs.

La communication entre l’hôte (l’ordinateur) et les périphériques se fait selon un protocole (langage de communication) basé sur le principe de l’anneau à jeton (token ring). Cela signifie que la bande passante est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. L’hôte émet un signal de début de séquence chaque milliseconde (ms), intervalle de temps pendant lequel il va donner simultanément la « parole » à chacun d’entre-eux. Lorsque l’hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet un jeton (un paquet de données, contenant l’adresse du périphérique, codé sur 7 bits) désignant un périphérique. Si ce dernier reconnaît son adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données en réponse. Sinon, il fait suivre le paquet aux autres périphériques connectés à lui. Puisque l’adresse est codée sur 7 bits, 128 périphériques (2^7) 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. (cf plus loin). A raison de 5m de câble maximum entre deux périphériques, il est possible de créer une chaîne longue de 636m !

Les ports USB supportent le Hot plug and play. Ainsi, il est possible de brancher les périphériques sans éteindre l’ordinateur (branchement à chaud). 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-. A 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 100mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique et récupère temporairement l’adresse par défaut (l’adresse 0). L’étape suivante consiste à lui fournir son adresse définitive (c’est la procédure d’énumération). Pour cela, l’ordinateur interroge les périphériques déjà branchés pour connaître la leur et en attribue une au nouveau, qui en retour s’identifie. L’hôte, disposant de toutes les caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié...