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Transmission sérielle synchrone
USB
Universal Serial Bus
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Interface de bus

 

    
La correspondance français-anglais des termes techniques sera systémetiquement indiquée
dans le but de permettre au lecteur non anglophone de déchiffrer les publications techniques
afférentes au domaine des transmissions, le plus souvent redigées en anglais.
Le drapeau américain est souvent retenu du fait que dans le domaine de l'électronnique-informatique,
la plupart des documents constructeur ou normatifs nous proviennent de ce pays.
Références
Les informations diffusées dans les pages de ce site qui suivent
ont été majoritairement puisées dans le document :

"Universal Serial Bus Specification"
Compaq Intel Microsoft NEC
Rev. 1.1 du 23 Septembre 1998

Que vous pouvez consulter directement ici en cliquant sur le lien ci-dessous.


N.B.
Pour rechercher un mot, une référence numérique, etc dans ce document "pdf"
il suffit de taper "Ctrl-F" et d'écrire cette référence dans la fenêtre de recherche qui apparaît.
Les flèches "Rechercher avant" et "Rechercher après" vous permettent d'aller d'occurrence en occurrence.


1° Qu'entend-on par BUS dans le sigle USB ?

Pour le "Grand Public", le sigle "USB" est synonyme de "Clés à mémoire persistante et réinscriptible"
aisément transportables.

Mais, en réalité, ce qui la fait nommer "Clé USB", ce n'est pas du tout la fonction que nous venons de décrire,
mais son mode de connexion à l'ordiateur.

USB signifie en effet : Bus Sériel Universel : USB ( Universal Serial Bus).

Nous allons définir ce que nous entendons par "Bus", par "Universel" et par "Sériel"..



Dans le domaine des transmissions, on nomme "BUS" tout système de communication standardisé
permettant de relier deux équipements électroniques pour leur permettre d'échanger des données numériques.

Nous en connaissons tous de nombreux exemples

  • Les imprimantes, à leur apparition, se reliaient à l'ordinateur
    par "Liaison parallèle nommée"Bus Centronics". Détails ici :

  • Les souris
  • Les modems
    (appareils de communication au réseau mondial par ligne téléphonique )
    se reliaient jadis à l'ordinateur par transmission sérielle pour laquellle on avait défini un bus spécial aux normes RS232 ( Recommended Standard n° 232)
    traduit en Europe, en le standard V24 pratiquement identique.

  • On avait même défini un Bus SCSI (Small Computers System Interface)
    pour les liaisons ordinateur-périphériques.Sans grand succès à l'époque.

  • etc...

De nos jours, le bus de communication USB a progressivement remplacé tous les autres.
Les souris, les claviers, les imprimantes, etc... se relient à l'ordinateur par des cordons USB.
Et même les mémoires portables en poche : dites "Clés USB" !


2° Pourquoi définir un bus universel ?

Lorsqu'il fut clair que la mise en réseau mondial des équipements numériques (dont les ordinateurs personnels)
allait devenir un enjeu d'importance civilisationnelle et marchande,
on se soucia d'uniformiser (standardiser) ces équipements afin d'éviter les "marchés captifs",
facteurs de dérégulation commerciale en faussant la concurrence.

Un premier constat fut celui de la multiplicité des Bus de communication
dont disposaient alors les ordinateurs de bureautique ou personnels.

,

L'objectif de ce nouveau bus universel USB a été
de généraliser un seul type de Bus pour toutes les liaisons enre équipements
actuels ou à venir.

Tous les appareils de construction récente (2018)
sont actuellement disponibles avec connexion par bus USB

Mais...

Les périphériques se multiplient et se perfectionnent sans cesse.
De nouveaux dispositfs apparaissent.
On exige toujours plus de performances et de rapidité de transfert des données.

Si on veut satisfaire à la fois les anciens périphériques et les nouveaux,
les nouvelles liaisons USB doivent pouvoir s'adapter d'elles-mêmes automatiquement
aux nouveaux matériels et exigences de rapidité !

Aux deux bouts de la connexion du bus,
un dialogue et une concertation doit s'établir
(suivant des règles précises nommées "protocole")
entre les interfaces électroniques des appareils en présence,
et les interfaces logicielles gérant les signaux en ligne USB.

Ceci explique la grande complexité de l'étude complète de ce bus.

Le but de ces pages n'est pas de fournir une documentation complète et détaillée
de la constitution et du fonctionnement du bus USB.
Seuls les équipes des constructeurs en ont besoin,
et ils en disposent déjà de fort complètes.

Ce site puise largement dans la documentation technique internationale.

Je suppose que le Lecteur ou la Lectrice de ces pages
cherchent à bien comprendre les grandes lignes du fonctionnement
sans s'attacher aux détails, qui ont leur importance pour les constructeurs, certes,
mais qui ralentissent et embrouillent considérablment la compréhension globale.



On fera pour le mieux !

3° Interfaces USB


3.1 Matériel & logiciel d'interface

Lorsque deux machines sont reliées par bus USB,
chacun des connecteurs des deux machines :

est localement équipé d'un dispositif d'interface matériel,
comportant un microprocesseur
ainsi que du logiciel permettant de décoder les signaux entrants et génèrer les signaux sortants.

L'interface n'est donc pas que matérielle, elle est associée à un logiciel d'interface
nommé "Logiciel Client" ( Client Sotware : CSW)

Dans le cas d'un PC, une carte additionnelle (carte fille ) peut faire office d'interface USB
(si une ou plusieurs interfaces USB ne sont pas déjà implantées d'origine sur la carte mère).

3.2 Pilotes ( Drivers)

Mais...
Comment, le logiciel d'interface côté PC peut-il savor
comment piloter une imprimante dont il ne connaît pas le mode d'emploi ?
Réponse :
Un logiciel fourni par le constructeur de l'imprimante doit être ajouté au programme d'interface côté PC.
Ce logiciel est le "Logiciel Client".
On l'appelle le "Pilote" ou le " Driver", ici de l'imprimante.

Le costructeur le livre sous forme d'un disque CDROM par exemple.
Tous les usagers de PC connaissent l'opération d' Installation du pilote d'un matériel ajouté.

Le pilote peut avantageusement se télécharger sur Internet
à condition de connaître l'adresse (URL)du site permettant de le télécharger.
Des indications échangées lors du branchement d'un périphérique USB
permettent au PC de télécharger automatiquement le pilote.

Mais ...

Comment le pilote peut-il savoir comment dialoguer avec le PC ?
Les types de PC du marché et leurs systèmes d'exploitation ( OS Operating System) sont très divers !

Réponse :
Les constructeurs livrent des pilotes ( Drivers) adaptés à chaque OS existant sur le marché.
(p. ex. Windows.telle version. Mac-OS.telle version)

 

4° Plan d'étude


4.1 Modèle en couches

Une description complète de ce moyen universel de communication qu'est le bus USB
implique tellement d'élements qu'elle se disperse en un nombre considérable d'aspects différents
et devient vite incompréhensible.

Pour la rendre plus facilement accessible, nous allons la scinder en plusieurs parties.

Cette division s'inspire du modèle OSI (Etude ici : ),
qui scinde en diverses couches les logiciels afférents à la circulation des données dans les réseaux.
Nous ne distinguerons pour USB que trois couches contre les sept du modèle OSI.

Modèle pour USB

Observez qu'entre l'hôte et le dispositif contrôlé s'interposent trois couches de logiciel
qui traitent successivement les données échangées.

  • Côté transmetteur de signaux
    (qu'il se trouve à droite ou à gauche de la fig.)
    Les logiciels des interfaces sont sollicités dans l'ordre décroissant : 3,2,1

  • Côté récepteur de signaux
    (qu'il se trouve à droite ou à gauche de la fig.)
    Les logiciels des interfaces sont sollicités dans l'ordre croissant : 1,2,3.


4.2 Logiciels de Couche 3 ( USB device layer)

Cette couche se concentre sur les fonctionnalités des machines en communication.
Par quels mots binaires va-t-on pourvoir mettre en oeuvre les machines branchées sur le bus ?

Depuis l'hôte, comment actionner le ou les terminaux qui y sont branchés.
Que doivent répondre ces terminaux en cas d'indisponibilité transitoire par exemple, etc...?

Il n'est pas question ici d'analyser les signaux électriques qu'il convient d'utiliser sur le bus !
C'est le rôle des logiciels de Couche1.

Pas question ici d'étudier les problèmes de circulation ou d'adressage des données
que peuvent poser les branchements de multiples appareils sur un même ordinateur.
Ce sera le rôle des logiciels de Couche 2.

Alors... que font les logiciels de couche 3 ?

Ils ne s'occupent que des relations entre machines en communication.

L'hôte et la machine contrôlée ne pouvant dialoguer que par des binaires échangés sur le bus bifilaire,
les commades directes appliquées dans les anciens bus par des conducteurs additifs
(STR, ACK, etc...pour les imprimantes ) sont ici impossibles.

On doit trouver les mots pour d'un dialogue fonctionnel.

  • Le dispositif à contrôler devra possséder une panoplie de codes
    permettant de déclencher toutes les fonctions dont il est capable.

  • Des codes devront êftre établis pour signiier les états d'exception
    Prêt - Pas Prêt - Reçu - Pas reçu - etc...

  • L'hôte contrôleur doit connaître ces codes et la manière de les utiliser.
    Dans quel ordre ? Temporisations ? etc.

On résume ordinairement la situation en disant
qu'on a défini une machine virtuelle.

C.à.d. qui n'est connue que par les signaux par lesquels elle s'exprime,
ou par ceux qui l'animent.

Un exemple particulièrement intéressant de machine virtuelle
nous est fourni par ce que l'on nomme des "Cles USB"
c.à.d. des mémoires de masse servant à divers usages dont celui de stocker des donées
pour les sauvegarder ou les transporter en poche.

Pour ne pas surcharger le texte ...et le Lecteur,
j'ai isolé cette explication, que vous pouvez consulter en cliquant ici :


4.3 Couche 2
Couche d'interface dispositif-USB
 USB - device layer

(Je traduits "deivice" par "dispositif" : tout appareil relié au bus USB)

N'empêche que ces commandes et réponses, il faudra bien les transmettre sur le bus.

Ce sont des binaires définis par le constructeur (p.ex. d'une imprimante)
qu'il faut transmettre au dispositif connecté.
Ou des acquitements ou informations d'état que le système connecté doit transmettre à son hôte.

Il faut confier ces binaires aux mécanismes de transport propres à USB.

Les logiciels de couche 2 pilotant les interfaces ne connaissent
ni la signification de ces commandes ni quand ni dans quel ordre il fautles envoyer.
Le facteur n'a pas à connaître le contenu du courrier !

Nous étudierons en détail ces mécanismes dans une page suivante

4.4 Couche 1
Couche d'interface de bus
( USB Bus Interface Layer)

Cette couche assure l'échange de binaires entre partenaires du bus.
Représentation physique des états logiques.
Fréquences.
Type de codage-décodage.

Peu importe ici de savoir à quoi ces états logiques correspondent.
Ici on transporte. Un point c'est tout !

C'est cette couche physique qui va être décrite à la page suivante


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