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Rappels

Nous étudions ici la couche n°1 dans la classification OSI
décrite à la page précédente.

Le bus servent à communiquer, échanger des données binaires.

Cette couche se concentre sur les méthodes de représentation physique des unités binaires (bits)
par des signaux électriques pouvant circuler sur le bus (constitué d'une paire de conducteurs métalliiques).
Et les méthodes de codage/décodage des signaux en ligne.


Mais avant, deux rappels de notions prérequises pour la compréhension de la suite.
La transmission sérielle et la transmission différentielle.


Transmission sérielle


Certains bus anciens transportaient les données par des câbles
contenant autant de fils que de bits de données
(8 en général à l'époque, plus GND plus des signaux de mise en accord entre dispositifs communicants)
On pouvait ainsi transmettre 8 bits simultanément.
On nomme ce type de transmission "transmission en parallèle". Précisions ici :

La pratique a montré que ces bus parallèles, exigeant des câbles épais et onéreux,
étaient plus sensibles aux perturbateurs électromagnétiques environnants
et que pour de longues distances les signaux des divers fils n'arrivaient pas tout à fait en même temps.
Retards dûs aux inégalités géométriques des conducteurs.

Finalement et paradoxalement, on parviendra à des débits binaires (bit/s) bien supérieurs
en transùettant ces bits les uns après les autres !

Comme ceci :

les performances en termes de débit binaire maximal
sont paradoxalement meilleures tout en n'exigeant qu'un simple câble à deux fils (signal et 0V).

Bien entendu, les machines communicantes devront être dotées de protocoles
pour s'entendre sur le début des séquences représentant des octets (par exemple),
le début des messages, leur fin, etc...
Les interfaces (cartes USB pour PC par exemple) devront donc être dotées de processeurs spécialisés.


Transmission différentielle

Le but
Une plus grande immunité aux perturbateurs électromagnétiques ambiants
agissant sur les câbles de transmission.

Principe :
A l'émission, le signal initial S à transmettre est applique (côté transmetteur)
à un amplificateur à sorties symétriques .
(dont l'amplification nous est indifférente ici, mettons 1)

Le signal S est disponible :

  • tel quel à la sortie D+ : S
  • inversé à la sortie D- : -S
Le récepteur dispose d'un amplificateur différentiel.
Us = A×(UD+ - UD-)
Us tension de sortie
A amplification (= 1 ici)
UD+ et UD- tensions aux entrées du récepteur.

Ce mode de transmission dite "différentielle"
a pour avantage d'être grandement insensible aux "parasites" électromagnétiques.
( " perturbateurs électromagnétiques " PEM est plus correct).

En effet, ces perturbateurs agissent identiquement sur les deux fils de connexion.
Leurs brèves tensions perturbantes P modifient de la mème manière les tensions des deux conducteurs.
Elles ajoutent des tensions P égales sur les deux lignes.

Si bien que les tensions sur les entrées de l'aplificateur différentiel du récepteur sont :
Entrée de ligne D+ : +S+P
Entrée de ligne D- = -S+P

En sortie de l'amplificateur différentiel : Us = A×(UD+ - UD-) = 1×(+S+P) -(-S+P) = 2×S
Ces tensions P se sourstraient l'une l'autre en sortie du l'amplificateur différentiel d'entrée du récepteur..


Codage des signaux en ligne

La manière la plus plus simple de transmettre des données binaires semble être d'émettre,
à intervalles réguliers de durée T fixe, nommée "Période d'horloge" ou "Temps de bit":

  • Une certaine tension (mettons U1) pour transmettre un 1 logique
  • Une autre tension (mettons U0) pour transmettre un 0 logique


Ce mode de codage se nomme NRZ ( No Return to Zero)
Info. sur cette dénomination "NRZ" ici :  
Il peut être mis en oeuvre en unipolaire ou en bipolaire :
  • Unipolaire : U0 =    0 V ; U1 = + 5V (ou toute autre tension convenue d'avance).
  • Bipolaire :   U0 = -12V  ; U1 = +12 V (ou toute autre tension convenue d'avance).

Il est impératif que la durée T de chacun des états haut ou bas
soit rigoureusement la même pendant toute la durée de la transmission.
Cette durée est assurée par un oscillateur du transmetteur nommé "Horloge"
battant à la fréquence constante de F = 1/T.

Dans une transmission codée NRZ
elle correspond au nombre de bits émis par seconde.
C'est le "débit binaire", mesuré en bit/s ( ou kbit/s, ou Mbit/s...)
On trouve parfois "bps"...

Dans le cas du codage NRZ ce débit binaire peut également s'exprimer en Bauds.
Relation bit/s et Baud détaillée ici :

Mais... ce n'est pas ce type de codage qui a été retenu pour le bus USB !
(Dans les techniques de transmission on désigne par "bus" tout système normalisé de transport de données)


Codage de l'information sur les bus USB
NRZI
( No Return to Zero Inverted)


On constate, et on démontre en électronique,
que les tensions continues se propagent moins bien que les changements brusques de tension.

C'est pourquoi on a créé le code NRZI ( Non Return to Zero Inverted)
basé sur des transitions de tension.
Schéma ci-dessous.



Principe du codage NRZI :
(Variante USB)
  • Le signal émis en ligne reste tel quel si le bit à transmettre est 1.
    Le signal change si le bit à transmettre est 0.

  • En absence de transition au milieu d'une période d'horloge l'état logique transmis est 0.

Corollaire

  • Si le récepteur n'observe pas, au cours du temps de bit (horloges isochrones),
    un changement de tension en ligne, il recopie l'état binaire noté précédemment.

  • S'il observe un changement, il en déduit que le bit reçu est le coplémentaire du précédent.

D'autres versions de NRZI pour d'autres application que USB
associent un changement d'etat à "1" et non à "0"
comme le fait le codage NRZI pour le bus USB


Remarque

Le procédé de codage par des transitions de signal indifféremment montantes ou descendantes
pose un problème.

Au tout début d'une séquence reçue à décoder,
comment le récepteur peut-il savoir si le bit d'avant était un "0" ou un "1" ?
Il faut qu'il le sache pour déterminer le bit suivant !
Or, dans ce cas il n'y a pas de bit avant !


Solution !

Nous verrons par la suite que toute les séquences binaires transmises, nommées ici "paquets",
doivent être précédées d'une marque de début de transmission ( SOP Start Of Packet)
et suivies d'une marque de fin ( EOP End Of Packet)

Comme nous allons le voir sous peu,
la séquence initiale dite "SOP", est précédée d'une séquence dite de "synchronisation"
constituée de 7 zéros suivie de 7 uns : 00000001111111
On peut la voir en pointant ici :

Aucun doute n'est possible sur l'état du dernier bit de cette séquence : c'est "1" !
Le bit d'après (premier bit du paquet) sera 0 ou 1 suivant qu'il y a transition ou pas.

Pour plus de précisions, consulter les états du bus USB ici : (Voir plus loin signal SOP entre autre)

La mécanique : Connectique - Brochages


Broche n°
Couleur du fil dans le câble
Fonction
Dénomination
usuelle
1
Rouge
+ Alimentation
5 V
2
Blanc
Transmission/Réception
du signal en ligne
D-
3
Vert
Transmission/Réception
du signal en ligne
D+
4
Noir
OV Alimentation
Vss = 0V

Les brochages indiqués correspondent aussi bien aux fiches mâles ( PLUGS)
qu'aux prises "femelles" ( Receptacles)
que l'on pourrait avantageusement nommer "Réceptacles" en français.


Notez que le mot "Prise" désigne précisément un connecteur femelle.
Par exemple les prises de courant murales.
Tandis que "Fiche" désigne précisément un connecteur mâle.
Exemple : on enfonce la fiche de la lampe de chevet dans une prise murale proche.

Les numéros des contacts se correspondent
Le retournement nécessaire de la fiche pour que sa partie pleine (grisée sur la fig.)
pénètre dabs la partie vide de la prise
fait que les mêmes numéros se trouvent bien les uns en face des autres.



  • Les prises USB (fig. de gauche)
    se rencontrent du côté des appareils qui gèrent les signaux USB
    (p.ex. ordinateur)

  • Les fiches USB (fig. de droite)
    se trouvent à l'extrêmité d'un cordon émanant des dispositifs commandés.
    (Clavier, Souris, Imprimante, etc.)

Mécaniquement, les prises sont entourées d'un réceptacle métallique
permettant de maintenir la fiche enfoncée de manière que les contacs se touchent.

Note pratique.
Quant on tente d'enfoncer une fiche USB dans sa prise, on hésite sur le sens.
On essaie au hasard et ...le plus souvent, elle ne rentre pas au premier essai.

Noter que la plupart des machines reliables au bus USB
ont une prise de type A femelle disposée horizontalement comme sur la fig. ci-dessus.

Il convient donc d'y enfoncer la fiche de l'appareil à connecter
de manière que sa partie pleine soit en bas.

Cette remarque peut éviter bien d'infructueux essais lors des branchements.

Signaux en ligne

Les tensions électriques du signal USB sont disponibles aux broches 2 et 3 des connecteurs.

Le signal de transmission est de type différentiel.

  • Broche 1 : tension d'alimentation +5V
  • Broche 2 : tension difféentielle D- (VD- ou UD- suivant les documents)
  • Broche 3 : tension difféentielle D+ (VD+ ou UD+ suivant les documents)
  • Broche 4 : tension d'alimentation 0V
    Cette tension est souvent nommée Vss.
    Les circuits électroniques des pilotes commandant les signaux
    étant de technologie CMOS, les tensions d'alimentation se nomment traditionnellement (Vdd pour la plus haute et Vss pour la plus basse)

Les prises USB équipant les générateurs de signaux USB,
tels qu'un ordinateur par exemple.
fournissent la lension d'alimentation nécessaire
aux appareils explotant ces signaux auxquels ils se relient
par l'intermédiaire d'une fiche USB.

La norme USB exige que les bornes 1 et 4 de chaque prise USB
fournisse la tension d'alimentation
nécessaire au dispositif qui lui est relié.
(dans certaines limites de puissance)

Il n'est donc pas utile de prévoir un quelconque adaptateur
entre dispositifs aux normes US
B



Le diagramme tension/temps de la tension sur la borne D+ est en rouge
Celui de la borne D- en bleu.

Vss est le potentiel de référence de l'alimentation.
Les composants électroniques de commande sont en technologie CMOS
pour lesquels les tensions d'alimentation prennent traditionnellement les noms de Vdd et Vss


Dans l'état SE0 les deux tensions sont les mêmes
malgré un décalage "artistique" pour éviter leur recouvrement.

Attention !
L'état noté "Différentiel 1" ne signifie pas que le bit transmis est "1" !
De par le codage particulier des binaires transmis : NRZI, voir ci-dessus,
ce sont les transitions de tension qui génèrent les bits logiques transmis.
Pas les niveaux de tension en eux-mêmes.


ABRÉVIATIONS TRADITIONNELLES
 
VIH
Tension haute d'entrée
I = IN ; H = Hlgh
VIL
Tension basse d'entrée
I = IN ; L = Low
VOH
Tension haute de sortie
O = Out ; H = Hlgh
VOL
Tension de sortie
O = Out ; L = Low

Comme toujours dans le cas des signaux binaires,
les états haut ou bas ne doivent pas être représentés par une seule tension
mais par deux seuils : un seuil haut et un seuil bas pour être significatifs et pris en compte.



Ceci pour plus de fiabilité, vu les tolérances de fabrication.

Et aussi pour minimiser l'influence d'éventuels perturbateurs électromagnétiques d'environnement.
Leur intensité devrait franchir ce seuil important pour perturber le signal dans ces conditions.

Une description plus précise des états de la ligne
dans les différentes phases de la transmission est développée ici :

Les valeurs en volts des tensions VIH VIL VOH VOL
ne seront pas indiquées ici car ce sont les principes qui sont développés ici,
pas les détails de fabrication qui n'intéressent que les constructeurs.

Et vu la quantité de cas particuliers dont ce bus "bénéficie"
du fait qu'on le veut universel,
leur énumération embrouillerait l'exposé plutôt que de le clarifier.


Bus inactif ( IDLE")

Pendant les périodes où un transmetteur n'a rien à transmetre,
il se met automatiquement en l'état dit "haute impédance".

Haute impédance (Symbole HZ)

Théorème de Thévenin :
Tout élément fournissant des tensions électriques (constantes ou variables)
est équivalent à un générateur de tension idéal (tension E à ses bornes indépendante du courant Ic qu'il débite)
en série avec une résistance dite "interne". Dans le schéma : " r "

Par un truchement électronique, il est possible de rendre cette résistance interne "r" :
  • OU TRES FAIBLE:
    Alors la tension de sortie est pratiquement égale à E,
    celle fournie par générateur interne.
    (E peut être une tension constante ou variable).

    C'est l'état dit de "Basse Impédance" parfois symbolisé par "LZ".
    Le générateur interne impose sa tension E à ses sorties.


  • OU PRATIQUEMENT INFINIE
    Alors E n'influence pas la tension de sortie.

    C'est l'état dit de "Haute impédance"
    généralement symbolisé par HZ.

    Le générateur interne n'agit plus sur le dipôle branché à ses bornes.


Voici, schématisé par deux portes dites "Trois états" ( three-state)
le dispositif final de transmission d'une sortie de signal USB.


TxD+ et TxD- sont les signaux élaborés par l'interface
et que l'on doit transmettre sur le bus vers D+ & D-

Si /OE est niveau bas (L) : sorties = entrées × A (Amplification)
SI /OE est au niveau haut (H) : les sorties D+ et D- sont en haute impédance.
Leur tension n'est plus déterminée par l'interface de sortie.

L'intêret ?
Si deux transmetteurs de signaux se trouvent simultanément reliés sur la même ligne
leurs signaux se mélangent : il y a conflit, donc dysfonctionnement.

Cette technique est mise à profit sur les cartes mères des Unités Centrales des machines informatisées
où plusieurs circuits d'entrée peuvent imposer des états binaires sur les conducteurs
d'un même bus (bus des données p.ex.)
Un seul est autorisé, à un moment précis, à imposer ses données sur le bus.
Le sorties de tous les autres sont maintenues en haute impédance.
Supplémént d'information (facultatif) ici :



Les bornes D+ et D- d'un connecteur USB sont tantôt :
  • Des sorties de signal.
    Elles se comportent électriquement comme un générateur.

  • Des entrées de signal.
    Ce sont alors, électriquement, un récepteur

Sur chaque liaison bifilaire se trouvent face à face deux partenaires qui échangent des données.

Lorsque l'un transmet des états binaires sous forme de signaux électriques sur le bus,
si le partenaire récepteur ne mettait pas ses bornes D+ et D- en haute impédance,
le bus serait contraint électriquement à la fois par le transmetteur et par le récepteur..

Il y aurait conflit, donc dysfonctionnement.
Il semble normal qu'un récepteur se mette en haute impédance pendant le temps de réception.

Donc :
Une fois les données envoyées, tout tranmetteur met automatiquement
ses propres sorties sur le bus en haute impédance.

Bus inactif
Dans les périodes où il n'a pas de données à transmettre,
tout hôte met ses sorties en haute impédance.

Si les deux partenaires sont dans ce cas,
le bus est alors dans un état caratérisé d ' inactif.

Le mot anglais pour désigner cet état est IDLE : Inoccupé, désoeuvré,...

Mais cet état d'inactivité
n'implique pas que les tensions aux bornes D+ et D- du bus soient réellement flottantes !

En effet, dans les spécifications techniques de conception des interfaces USB
il est recommandé d'installer (intérieurement à l'interface)
deux résistances de tirage vers des tensions fixes.

L'une joignant D+ à la tension haute d'alimentation Vcc ( "pull up resistor")
L'autre joignant D- à la tension basse d'alimentation Vss.

Lorsque le bus est inactif, ce sont ces deux résistances
qui imposent les tensions (constantes et normalisées) des terminaux D+ et D- du bus dans l'état "IDLE".

C'est en décelant ces tensions que les interfaces
en déduisent l'occurrence de certains épisodes des échages de données.

C'est le cas, entre autre, des évènements "Début de paquet de données" ( SOP Start Of Packet)
ou "Fin de paquet" ( EOP End Of Packet)

Que nous allons examiner par la suite.


Structure pyramidale

Une constatation : de nombreux appareils sont habituellement branchés sur un ordinateur à l'aide de prises USB.
(souris, clavier, imprimante, etc...)

Les spécifications techniques du bus USB autorisent ce type de branchement
de multiples terminaux à un hôte centralisateur.

Voici les possibilités de branchement qu'offre USB

On remarquera que cetains éléments de la pyramide
aboutissent à de nombreux terminaux structurés en étoile autour d'eux.
Le terme officiel est " HUB" que l'on traduit rarement par "Moyeu" (la signification réelle de "Hub" )
C'est ce que suggère le symbole :


Rond : Hub ; Carré : Terminal

Hôte ?
Dans la vie courante "hôte" a deux significations :
  • celui qui reçoit.
  • celui qui est reçu.

  Pourtant, dans un réseau hiérarchisé comme USB,
la documentation technique afférente, désigne le plus souvent par "hôte" ( host)
celui se trouvant au sommet de la pyramide du réseau.

  Ceci n'est pas sans créer parfois des malentendus dans les descriptions
  concernant le fonctionnement des réseaux.

Pour les éviter par la suite, l'hôte occupant le sommet de la pyramide.
sera nommé "Hôte Contrôleur" ( Controller Host)
Ou, plus simplement le Contrôleur.

Les hôtes du système auxquels ne se rattachent pas d'autres appareils,
seront qualifiées de "Terminaux" ( Endpoints) .

L'apellation "Contrôleur" suggère le fait que cet hôte privilégié
assure à lui seul la gestion de l'ensemble des noeuds de l'arborescence.
Il est relié à chacun des terminaux.
Soit directement, soit à travers d' "hubs" intermédiaires.

Aucune transaction ne peut avoir lieu entre terminaux.

Si des données sont à transférer d'un terminal à un autre,
elles sont d'abord appelées par le contrôleur, qui les renvoie ensuite audit terminal.


1° .3 HUBS

HUB (   )signifie "Moyeu" (d'une roue). Dessin ici :

Cette dénomination "Hub" imagée désigne toute machine disposant
d'une entrée-sortie communicant intérieurement
avec plusieurs entrées-sorties USB disposées en étoile autour d'elle.

Ce qui permet de la relier :

  • A des machines terminales ( enpoints)
  • A d'autres hubs

Voici la photographie d'un " HUB alimenté " du commerce.
Un tel hub possède une alimentation propre lui permettant d'alimenter en 5V continu
tous les appareils branchés sur ses bornes
afin d'éviter toute surcharge d'alimentation.

 

 


 

Schéma type d'un HUB USB
(Cordon d'alimentation secteur non représenté)


HUB USB alimenté du commerce

Le mot "Port" s'utilise couramment pour désigner le connecteur ou sa fonction d'entrée ou sortie de donnés,
d'un appareil communiquant.

Exemple : Les connecteurs généralement en face arrière d'un ordinateur de bureau ou portable,
se nomment "port d'imprimante", "port de la souris", "port de clavier",
port de liaison à un réseau (connecteur & câble RJ 45)
quelle que soit la technologie du bus de communication.

Ils sont nommés ici "Ports aval" car ils alimentent les périphériques en données.
Mais il ne faut pas oublier qu'ils sont tous bi-directionnels
pour que les machines connectées puissent établir un dialogue avec l'ordinateur
afin de s'assurer de la bonne mache de la communication,
suivant des règles de langage que nous appellerons plus loin un protocole.

Le "Port amont" désignant celui quel'on relie au "hub" contrôleur
ou à un "hub" intermédiaire de la pyramide.

.



Temps de bit. Horloges isochrones

Pour pouvoir mener à bien le décodage des signaux en ligne,
le récepteur doit connaître la fréquence du signal d'horloge du transmetteur.

Il est peu rentable d'envoyer le signal d'horloge du transmetteur sur deux fils supplémentaires.
Outre le surcoût d'équipement, il n'est pas certain qu'à l'arrivée,
ce signal d'horloge transmis soit isochrone au signal à décoder.
Ceci est dû à un éventuel déphasage des signaux transmis sur deux lignes différentes.
(Il est dû à la différence des bandes passantes).

De toute manière, le bus USN ne dispose que d'une parie de fils !

Heureusement, on dispose de montages électroniques générateurs de signaux d'horloge
qui peuvent se synchroniser automatiquement sur l'horloge du transmetteur
en se servant des transitions du signal des données reçu.

Etude complète des mécanismes de restitution d'horloge
ici :  
Etude complète de la transmission serielle synchrone, en général, ici :



Il est incorrect de dire que l'horloge du récepteur est "synchronisée" sur celle du transmetteur.
Cela signifierait que les tops des deux horloges se produisent simultanément.
Ce n'est pas le cas du fait du retard dû à la propagation des signaux électriques sur les lignes métaliques.

Pour exprimer que les fréquences des deux horloges - donc leurs périodes T -sont égales
on parle d'hologes isochrones.

Il est clair que dans ces conditions, les horloges des hôtes de l'arborescence,
restés inactifs pendant un certain temps, dérivent et perdent leur isochronie.

Pour permettre à l'oscillateur local du terminal visé,
de recouvrer le temps d'horloge du contrôleur ,
ce dernier lui envoe envoie une salve de synchronisation.
(signal comportant le plus grand nombre possible de transitions
En codage NRZI genre USB ce sont les zéros qui créent les transitions)

C'est l'hôte-maître est aussi le maître des horloges !

Nous verrons que les messages échangés par les partenaires du bus USB
se font par des séquences groupées de bits nommées "paquets".


Les "?" s'imposent car les valeurs correspondantes des bits diffèrent suivant les paquets.


"Bit Stuffing"
( Rembourrage en bits ???)

Puisque seuls les états "0" sont marqués par une transition du signal,
(condition de codage NRZI spécifique à USB)
une suite d'états "1" laissent le signal en ligne inchangé sans aucune transition.

Or, l'horloge du récepteur ne peut se synchroniser (s' "isochroniser" ? )
qu'à l'aide des transitions montantes ou descendantes du signal en ligne.



Il est donc possible que, lors d'une transmission de nombreux "1" consécutifs,
l'oscillateur local puisse dériver hors la fréquence du transmetteur.
L'oscillateur électronique du recepteur ne peut rester stable longtemps sans transitions de "synchronisation".


Le récepteur est alors incapable de restituer correctementle signal transmis !

Il a été convenu qu'à la suite de la transmission de 6 "uns" consécutifs,
le transmetteur introduise systématimquement un "0" logique.
On le nomme "bit de remplissage" ( bit stuffing)

Le logiciel de l'interface USB du récepteur doit, bien entendu, tenir compte de cette disposition.
Il éliminera systématiquement le premier "0" à la suite de 6 'uns'.

Le nombre 6 ayant été choisi de manière que la dérive de l'oscillateur local du récepteur,
compte tenu des performances possibles de l'électronique,
ne puisse dériver de plus d'un demi période T de l'oscillateur
pendant un temps équivalent à six périodes d'horloge,


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