Comprendre : Les E/S externes du PC

L´USB 1.1

Première version commerciale de l´Universal Serial Bus, l´interface USB 1.1 permet de connecter à un micro-ordinateur jusqu´à 127 périphériques pour un débit maximal de 12 Mbits/s, soit 1.5 Mo/s, le tout sur un bus série comme son nom l´indique. Principalement destiné aux périphériques lents, l´interface a été développée par Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC et Philips depuis 1994 pour aboutir sur le marché grand public en 1998.

Les principaux critères du développement de ce bus ont été les suivants :

• Facilité d´utilisation
• Solution bas-prix pour des périphériques pouvant communiquer jusqu´à 12 Mbits/s
• Transmission en temps réel de la voix, du son et de vidéos compressées
• Support de l´architecture CTI (Computer Telephony Integration)
• Facilité et ajout de possibilités d´extensions pour tout micro-ordinateur

Conçu pour remplacer les ports série, parallèle, clavier, souris et joystick, l´interface USB permet de connecter à nos PC une multitude de périphériques se raccordant à ces anciennes interfaces tout en supportant le « Plug and Play », ce que ne supportait pas la plupart de ces ports vieillissants. Initiée dans le but de développer également les interconnexions téléphonie numérique - PC, cette interface commence à se répandre de plus en plus de par son faible coût, que ce soit au niveau des câbles ou des contrôleurs à intégrer dans les périphériques.

L´un des principaux intérêts de cette interface est aussi sa facilité d´utilisation, puisqu´elle supporte le « Hot Plug and Play », ce qui signifie qu´un périphérique peut être relié au PC à tout moment et particulièrement pendant son fonctionnement et est configuré automatiquement, ne nécessitant pas le redémarrage de la machine, si l´OS le permet bien évidemment.

Parmi les périphériques pouvant être raccordés au micro-ordinateur, nous pouvons citer claviers, souris, joysticks, scanners, imprimantes, téléphones numériques, assistants personnels, baladeurs mp3, lecteurs/graveurs de cd-rom, disques optiques et magnétiques, webcams, modems et la liste est encore longue et ne cesse de s´agrandir de jour en jour. Autant dire que les constructeurs pensent que cette interface est vouée à remplacer à court terme toutes les autres interfaces d´entrées/sorties de nos micro-ordinateurs.

Topologie

L´USB propose une topologie peer-to-peer, il établie donc des connexions point à point entre le contrôleur maître et chaque périphérique branché.


Même si théoriquement, la topologie du bus USB permet de connecter dans n´importe quel ordre des périphériques, certaines règles doivent être respectées. Ainsi, une architecture USB se construit à base de 3 éléments :

• Un contrôleur maître USB
• Des périphériques USB
• Des câbles permettant de relier les périphériques au contrôleur

La structure de connexion des périphériques USB au contrôleur maître se fait sous forme d´étoile, où le centre est le contrôleur maître et les extrémités de celle-ci les périphériques.

Un élément supplémentaire s´avère indispensable à la connexion d´un certain nombre de périphériques USB au contrôleur principal. Celui-ci se situant principalement soit dans le South Bridge du chipset de la carte mère ou soit sur une carte additionnelle, qu´elle soit au format PCI, PC Card (PCMCIA) ou autre, il ne dispose généralement pas plus de 5 connecteurs USB, ceux-ci reliés au HUB principal intégré à ces composants. Il devient alors nécessaire d´introduire dans l´arborescence des HUB USB.

La topologie du bus USB devient ainsi un arbre, où les n´uds sont alors les HUB et les feuilles les périphériques.

Toutefois, il faut faire attention car deux types de HUB USB sont disponibles sur le marché : les HUB possédant un circuit d´alimentation individuel pour chaque port et d´autres dépourvus de cette caractéristique. Ces derniers, plus pratique car ne nécessitant pas d´alimentation externe au secteur, s´avèreront inutilisables pour les périphériques alimentés par le bus USB car ils ne pourront pas fournir la plupart du temps le courant nécessaire à leur alimentation. Ainsi, plusieurs HUB USB ont vu le jour, leurs spécifications variant suivant son type :

• Bus-powered hubs: 500 mA (moins l´alimentation du HUB) sur la totalités des ports.
• Low power, bus-powered functions hubs ou Self-powered functions hubs: Draw Max 100 mA.
• High power, bus-powered functions hubs ou Self-powered hubs : doivent fournir 500 mA sur chaque port.

Le protocole

La possibilité d´une telle topologie entraîne des conséquences quant aux protocoles d´échanges de données entre le PC et les périphériques. L´USB prend en charge principalement deux modes de transmission, le mode asynchrone, tout comme un port série classique, mais utilise également un mode isochrone, qui permet une communication périodique et continue entre le contrôleur maître et les périphériques. À chaque miliseconde précisément, le contrôleur maître transmet un paquet pour maintenir tous les périphériques synchronisés. Il y a quatre sortes de paquets: les paquets de contrôle, les paquets isochrones, les paquets en vrac et les paquets d´interruption.

Les paquets de contrôle servent à configurer des périphériques, à leur donner des commandes et les interroger sur leur statut. Les paquets isochrones servent aux périphériques temps réel comme les webcams et les téléphones, qui ont besoin d´envoyer ou de recevoir des données à des intervalles de temps réguliers. Ils ont un délai fixe, mais ne permettent pas de retransmission en cas d´erreur. Les paquets en vrac servent pour des transferts en direction ou en provenance d´un périphérique sans exigence de temps réel, comme des imprimantes. Enfin, les paquets d´interruption sont nécessaires parce que le USB ne support pas les interruptions.

Les câbles

Le bus USB nécessite une connectivité propre composée de connecteurs de deux types, les connecteurs de type A disposés aux entrées du contrôleur maître et des HUB, et des connecteurs de type B sur les périphériques, ainsi un seul type de câble est nécessaire pour relier tous périphériques au micro-ordinateur.

Ce câble se compose de 4 fils, une paire torsadée pour le transfert des données, un fil au potentiel de +5V qui permet d´alimenter les périphériques USB si nécessaire et enfin la masse. Il peut être blindé ou non, le mode basse vitesse de 1.5 Mbits/s ayant une tolérance supérieure aux perturbations électromagnétiques. Un blindage est fortement recommandé pour une utilisation à 12 Mbits/s. Les spécifications de ce bus prévoient une longueur maximale de 5 mètres de câble entre 2 éléments de l´arborescence.

Enfin, un autre atout de ce bus est qu´il peut transporter l´alimentation des périphériques s´y raccordant, dans la limite de 500 mA pour un appareil relié à un port le permettant.

Détection d´erreurs

Le bus USB étant bien plus évolué que les bus précédemment cités, la détection d´erreur ne se fait pas par un système de contrôle de parité mais utilise le CRC (Code de redondance cyclique, qui permet de corriger parfaitement 100% de mots contenant 1 ou 2 erreurs). De plus, le contrôleur peut réinitialiser jusqu´à 3 fois de manière hardware la liaison avec un autre élément avant d´en avertir le logiciel client.

Performances

Le bus USB 1.1 peut négocier des transferts à 2 vitesses différentes, une vitesse dite basse et une vitesse dite moyenne.

La première vitesse permet des transferts entre 10 et 500 kbits/s et est destinée à l´usage de périphériques interactifs comme les claviers, les souris, les stylets, les joysticks et autres volants, les accessoires de réalité virtuelle, la configuration de moniteurs.

La vitesse moyenne est quant à elle utilisé pour des périphériques nécessitant une bande passante bien supérieure afin de transmettre de la voix, de l´audio ou de la vidéo compressée, comme par exemple modems, webcams et même liaison pour échanger des données entre PCs. Bien sûr, d´autres appareils gourmands en bande passante utilisent cette vitesse, comme par exemple les scanners, les imprimantes ou même les lecteurs optiques et magnétiques externes. La bande passante fournie peut alors monter jusqu´à 12 Mbits/s.

Mais en pratique, même s´il est toujours possible de connecter 127 périphériques, les performances constatées, lors du branchement d´une dizaine d´appareils, sont bien loin des débits théoriques prévus. L´augmentation de la bande passante afin de pouvoir connecter des périphériques plus rapides et dans une proportion bien plus importante était alors nécessaire.

L´USB 2.0

Déjà prévues dans les spécifications de l´USB 1.1, les caractéristiques de l´USB 2.0 sont peu différentes de celles de son prédécesseur. Fort de sa compatibilité ascendante et descendante avec la version 1.1, l´USB 2.0 s´enrichit d´une troisième vitesse de connexion entre le contrôleur maître et les périphériques USB 2.0.

Avec les mêmes câbles et connecteurs, il est maintenant possible de relier des disques durs externes, imprimantes, scanners et autres lecteurs à des vitesses frôlant les 480 Mbits/s.

Cette augmentation de vitesse a été notamment possible grâce à la réduction du voltage des signaux transmis dans les câbles, ceux-ci passant de 3.3V à 0.4V.

La topologie du bus USB reste la même, les périphériques répondant à la norme 2.0 ne pouvant pas bénéficier de la vitesse haute s´ils sont raccordés derrière un HUB USB 1.1. Attention toutefois, brancher un périphérique USB 1.1 dans une chaîne de périphériques USB 2.0 grève considérablement les performances du tout.

Mis sur le marché depuis décembre 2000 avec la sortir des puces USB 2.0 NEC 720100, les premiers contrôleurs ont été commercialisés tout récemment : le premier aura été OrangeMicro, qui mettait en vente son OrangeUSB 2.0 PCI-Borad le 28 mars dernier. Le second est la carte d´Adaptec, l´USB2connect qui est en vente depuis le 9 avril.

Les constructeurs de chipsets ne sont pas en reste pour autant, la plupart d´entre eux ayant déjà annoncé des produits supportant cette norme. ALi qui prévoit de sortir d´ici le premier trimestre 2002 un nouveau Southbridge, le M1563 supportant l´USB 1.1/2.0. Intel fait de même avec ses futurs chipsets i830 et i845, alors que VIA annonce le support de cette norme par son futur chipset pour la famille des Hammer d´AMD, le K8T266.

MSI pour sa part propose déjà une carte mère intégrant une interface USB 2.0, la K7T266 Pro RU2, disposant d´un chip NEC pour gérer l´USB 2.0.

Reste que l´USB 2.0 ne décollera vraiment qu´à la sortie de ces chipsets.