Version et nature des spécifications USB

USB
1) Transfert, distances, spécifications
Toutes les versions d’USB exploitent un modèle de communication maître-esclave en point à
point. Le maître, piloté en général par un logiciel de contrôle, ordonne à loisir aux esclaves
d’effectuer les opérations pour lesquelles ils sont prévus. C’est lui qui coordonne l’action des
esclaves et il est le seul à connaître leur état. Il est aussi le seul à connaître leurs fonctions et
leurs caractéristiques. Le maître est donc le seul habilité à s’adresser à un esclave, à lui
ordonner d’effectuer des opérations et à pouvoir en récupérer les résultats. C’est finalement
le seul point de contact commun entre tous les esclaves.
Le maître organise et gère le réseau, notamment lors de la connexion ou de la déconnexion
d’esclaves. Il énumère les nœuds présents en récupérant leur identité et les fonctions qu’ils
offrent. Un type particulier d’esclave permet d’interconnecter les nœuds USB entre eux : le
hub.
Figure 2 - Différents niveaux d’abstraction de la communication dans USB
Figure 3 - Pile de protocoles USB
Il y a donc trois grands types de nœuds :
Le maître.
Le hub, sorte de répéteur sophistiqué qui, outre sa fonction de retransmission vers les
nœuds qui lui sont connectés, gère leurs besoins en énergie.
Le périphérique esclave, qui offre les fonctions utiles.

Un hub est aussi considéré comme un nœud du réseau. Il est donc aussi un périphérique
esclave.
Les données sont transférées entre le maître et un esclave au travers des tuyaux de
communications qui sont établi entre le maître et les fonctions de l’esclave, chacune
représentée par un point d’entrée (figure 2).
Le maître est aussi chargé de gérer la bande passante disponible. Un esclave a en effet la
possibilité de réserver une partie de la bande passante, pour des services de type isochrone
ou interruption. Le maître est alors chargé de vérifier si cette demande peut être satisfaite
et, si c’est le cas, d’en assurer la bonne exécution.
2) Normes (IEEE1314, 802.3…)
Universal Serial Bus (USB), n’est pas une norme mais une spécification constructeur
qui comporte un ensemble de spécifications techniques. Il en existe plusieurs :
Version et nature des spécifications USB
Version
Date
Initiateur
Nature
USB 1.0
15 janvier
1996
Compaq, Intel, Microsoft
et NEC
Bus maître- esclave, 12 Mbit/s
USB 1.1
23 septembre
1998
Compaq, Intel, Microsoft
et NEC
Bus maître- esclave, 12 Mbit/s
USB 2.0
27 avril 2000
Compaq, HP, Intel,
Lucent, Microsoft, NEC
et Philips
Bus maître- esclave, 480 Mbit/s
USBCDCD1.0
8 mai 1998
–
Universal Serial Bus Class
Definitions for Communication
Devices
UHCI 1.1
mars 1996
Intel
Universal Host Controller
Interface

La norme définit 4 modes de transmission :
- Control :
C’est un mode défini essentiellement pour gérer les phases d’énumération et de
configuration du bus. Il est bidirectionnel et un système de détection d’erreur est présent.
- Bulk :
C’est un mode utilisé pour le transfert de quantités importantes (fichiers, flux audio ou
vidéo). Il n’est pas prioritaire et les transmissions se font sur les moments où le bus est libre.
Très rapide en théorie, une transmission peut s’avérer pourtant très lente en raison de sa
non-priorisation et à un trafic important sur le bus. Une détection des erreurs est présente
mais on ne retransmet pas les données si elles sont erronées.
- Interrupt : il s'agit d'un mode prioritaire paramétrable, la gestion du bus assurant que le
temps séparant deux transactions ne sera pas supérieur au délai exigé. Ce mode de
transmission est utilisé dans des applications nécessitant qu'une quantité variable de
données soit acheminée prioritairement au trafic sur le bus.
C’est un mode prioritaire pour transmettre des petites quantités de données
- "Isochronous" : il s'agit d'un mode prioritaire paramétrable, la gestion du bus assurant le
débit de données demandé. Contrairement aux trois autres modes, la répétition du message
en cas d'erreur n'est pas gérée ; ce mode de transmission est utilisé pour les applications
temps réel.
Deux types de périphériques sont pris en compte dans USB 1 .1 :
Ceux pouvant se satisfaire du mode « low-speed » (basse vitesse).
Ceux nécessitant l’emploi du mode « full speed » (pleine vitesse).
Ces modes déterminent également la possibilité d’utiliser tout ou partie des services
disponibles dans USB, notamment les échanges isochrones.
Le mode « low-speed » permet d’échanger des trames à 1,5 Mbit/s au travers des services
bulk et contrôle.
Le mode « full-speed » permet d’échanger des trames à 12 Mbit/s au travers des services
bulk, isochrone, interruption et contrôle.
La version 2.0 d’USB introduit un troisième mode, qui permet d’échanger des trames à
480 Mbit/s au travers des quatres services précédents.
Il est possible de mélanger les deux modes au sein d’un même réseau.

Cette possibilité est offerte par les hubs. Lors de la configuration du réseau, les capacités de
chaque nœud présent au sein du réseau sont indiquées au hub auquel il est rattaché ainsi
qu’au maître du réseau. Une des limitations du principe est qu’une telle branche déclarée
« low-speed » par un hub sera totalement dans ce mode, même si la plupart des nœuds en
aval supportent aussi le mode « full-speed ».
3) Application
Applications historiques
USB a été initialement conçu pour remplacer les connexions de type série et parallèle, souris
et clavier, simplement, à moindre coût et en limitant le nombre de connecteurs. Il était donc
prévu de connecter des dispositifs simples à faible débit, tels que les modems.
Applications spécifiques
En voulant également les connexions SCSI (Small Computer System Interface ), USB plaçait la
barre très haut. De fait, les périphériques SCSI et USB ont continué à coexister durant
quelques temps. Finalement, la norme SCSI a été combattue par USB pour les applications
peu exigeantes et par IEEE1394 Firewire pour les applications haut de gamme.
USB a ensuite permis la connexion des appareils numériques grands publics comme les
appareils photo numériques, dont les capteurs ont grandi. USB a rapidement été dépassé
par les applications de manipulation d’images, ce qui a justifié l’apparition de la version 2.0.
Aujourd’hui, on trouve des centaines de dispositifs connectés au travers d’USB, comme des
disques durs ou Flash, des ensembles sonores multivoies, des caméras hautes résolution,
des cartes Ethernet.
Utilisation dans le domaine industriel
USB n’a pas été conçu pour fonctionner dans le milieu industriel, ni pour offrir des services
aux applications industrielles. Néanmoins, ses qualités sont suffisantes pour entrevoir des
possibilités d’utilisation dans des applications nécessitant le transfert de grands volumes
d’information sur de courtes distances, dans un environnement pas trop perturbé.
Il est en effet envisageable d’assurer des transferts de diverses natures, sujet à des
contraintes temporelles, comme :
- Transfert de bout en bout soumis à des délais bornés, exprimant la capacité à borner
la durée de certaines transactions.
- Temps de transmission et diverses latences dans USB lors de l’exécution d’une
transaction.

- Trafic sporadique, autrement dit le support du trafic n’apparaissant
qu’épisodiquement mais à des instants déterminés.
- Trafic cyclique, autrement dit le support du trafic apparaissant de manière récurrente
et à assurer au pire avant l’apparition de l’occurrence suivante.
- Trafic périodique, relatif au trafic apparaissant de manière récurrente et à assurer au
pire dans un délai précis après son occurrence (respect de la périodicité du transfert).
Par exemple, les services de transfert de données isochrones ou interruption forment une
base pratique pour le transfert de données cycliques.
4) Spécificités
L’USB utilise une transmission différentielle :
L’architecture USB a pour caractéristique de fournir l’alimentation électrique aux
périphériques en utilisant pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND,
l’alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+). 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.
La signalisation différentielle symétrique est une méthode de transmission de signaux sur
une paire torsadée. Elle consiste à envoyer sur un fil le signal et sur l'autre le signal inverse.
On reconstitue le signal à l'arrivée en effectuant la différence des signaux.
Par exemple, si sur un fil 1 est codé par une tension de 5V et 0 est codé par 0V, alors sur
l'autre fil 1 est codé par -5V et 0 est codé par 0V. À l'arrivée on fait la différence des signaux,
si la différence est 10V, on a reçu un 1 et si la différence est un 0, on a reçu un zéro.
Même si une perturbation électromagnétique dégrade le signal, la différence est inchangée.
On réalise ainsi une transmission relativement immune au bruit.
Exemple : Une tension parasite de 2 V est insérée dans le câble alors qu'on est en train de
coder un 1 : le signal reçu va être 7 V et -3 V (au lieu de 5 V et -5 V). Cependant, la différence
est inchangée. Elle vaut toujours 10 V, ce qui assure un décodage du 1 sans ambiguïté.