Worldlex Wiki Introduit en 1996, l'USB a été initialement conçu pour standardiser la connexion des périphériques aux ordinateurs, remplaçant diverses interfaces telles que les ports série , parallèle , de jeu et ADB ( Apple Desktop Bus ). Les premières versions de l'USB se sont rapidement imposées sur une large gamme d'appareils, comme les claviers, les souris, les appareils photo, les imprimantes, les scanners, les clés USB, les smartphones et les consoles de jeux. Depuis, l'USB est devenu une norme remplaçant la quasi-totalité des ports courants sur les ordinateurs, les appareils mobiles, les périphériques, les alimentations et divers autres petits appareils électroniques.
Dans la dernière norme, le connecteur USB-C remplace de nombreux types de connecteurs pour l'alimentation (jusqu'à 240 W), les écrans (par exemple DisplayPort, HDMI) et de nombreuses autres utilisations, ainsi que tous les connecteurs USB précédents.
USB 1.x , USB 2.0 , USB 3.x et USB 4.0 . La spécification USB 4.0 améliore le transfert de données et l'alimentation grâce à une architecture de tunnelisation orientée connexion, conçue pour combiner plusieurs protocoles sur une seule interface physique afin que la vitesse et les performances totales du réseau USB 4.0 puissent être partagées dynamiquement. En particulier, l'USB 4.0 prend en charge la tunnelisation des protocoles Thunderbolt 3 , notamment PCI Express (PCIe, interface de chargement/stockage) et DisplayPort (interface d'affichage). L'USB 4.0 ajoute également des interfaces hôte à hôte.
Chaque sous-version de spécification prend en charge différents débits de signalisation, allant de 1,5 et 12 Mbit/s en semi-duplex pour l'USB 1.0/1.1 à 80 Gbit/s en duplex intégral pour l'USB 4.0. L'USB fournit également l'alimentation aux périphériques ; les dernières versions de la norme étendent les limites de puissance fournie pour la charge des batteries et les appareils nécessitant jusqu'à 240 watts, comme défini dans la norme USB Power Delivery (USB-PD) Rev. 3.1 V1.1 de 2021. Au fil des années, l'USB (PD) s'est imposé comme format standard d'alimentation et de charge pour de nombreux appareils mobiles, tels que les téléphones portables, réduisant ainsi le besoin de chargeurs propriétaires.
périphériques aux ordinateurs personnels, tant pour l'échange de données que pour l'alimentation électrique. Il a largement remplacé les interfaces telles que les ports série et parallèle et est devenu omniprésent sur de nombreux appareils. Parmi les périphériques connectés via USB, on trouve les claviers et souris d'ordinateur, les caméras vidéo, les imprimantes, les lecteurs multimédias portables, les téléphones numériques mobiles, les disques durs et les adaptateurs réseau.Les connecteurs USB remplacent de plus en plus les autres types de câbles de charge pour les appareils portables.
Les interfaces de connecteurs USB sont classées en trois types : les nombreux connecteurs de type A (hôte de contrôle) et de type B (périphérique connecté) hérités que l’on trouve sur les hôtes , les concentrateurs et les périphériques , et le connecteur moderne de type C ( USB-C ), qui remplace les nombreux connecteurs hérités comme seul connecteur applicable pour l’USB4.
Les connecteurs de type A et de type B existaient en trois tailles : standard, mini et micro. Le format standard, le plus grand, était principalement utilisé pour les ordinateurs de bureau et les périphériques plus volumineux. Les connecteurs mini-USB (mini-A, mini-B, mini-AB) ont été introduits pour les appareils mobiles. Cependant, ils ont rapidement été remplacés par les connecteurs micro-USB (micro-A, micro-B, micro-AB), plus fins. Le connecteur de type C, également appelé USB-C, n’est pas exclusif à l’USB ; il est la seule norme actuelle pour l’USB, est requis pour l’USB4 et par d’autres normes, notamment DisplayPort et Thunderbolt. Réversible, il prend en charge diverses fonctionnalités et protocoles, dont l’USB ; certains sont obligatoires, d’autres optionnels, selon le type de matériel : hôte, périphérique ou concentrateur.
Les spécifications USB assurent la rétrocompatibilité, ce qui se traduit généralement par une réduction des débits de transmission, de la puissance maximale et d'autres fonctionnalités. La spécification USB 1.1 remplace l'USB 1.0. La spécification USB 2.0 est rétrocompatible avec les normes USB 1.0 et 1.1. La spécification USB 3.2 remplace l'USB 3.1 (et l'USB 3.0) tout en intégrant la spécification USB 2.0. L'USB4 remplace fonctionnellement l'USB 3.2 tout en conservant le bus USB 2.0 fonctionnant en parallèle.
La spécification USB 3.0 a défini une nouvelle architecture et un nouveau protocole nommé SuperSpeed ( également connu sous le nom de SuperSpeed USB , commercialisé sous le nom de SS ), qui comprenait une nouvelle voie pour un nouveau schéma de codage du signal (symboles 8b/10b, 5 Gbit/s ; plus tard également connu sous le nom de Gen 1 ) fournissant des transferts de données en duplex intégral qui nécessitaient physiquement cinq fils et broches supplémentaires, tout en préservant l' architecture et les protocoles USB 2.0 et en conservant donc les quatre broches/fils d'origine pour la rétrocompatibilité USB 2.0, ce qui donne un total de 9 fils (avec 9 ou 10 broches aux interfaces du connecteur ; la broche ID n'est pas câblée).
La spécification USB 3.1 a introduit un système SuperSpeed amélioré – tout en préservant l’ architecture et le protocole SuperSpeed ( SuperSpeed USB ) – avec une architecture et un protocole SuperSpeedPlus supplémentaires (alias SuperSpeedPlus USB ) ajoutant un nouveau schéma de codage (symboles 128b/132b, 10 Gbit/s ; également connu sous le nom de Gen 2 ) ; commercialisé pendant un certain temps sous le nom de SuperSpeed+ ( SS+ ).
La spécification USB 3.2 a ajouté une seconde voie au système Enhanced SuperSpeed, ainsi que d'autres améliorations, permettant à la partie SuperSpeedPlus du système USB de prendre en charge les modes de fonctionnement Gen 1×2 , Gen 2×1 et Gen 2×2 . Cependant, la partie SuperSpeed USB du système conserve le mode de fonctionnement Gen 1×1 à une seule voie . Par conséquent, les opérations à deux voies, à savoir l'USB 3.2 Gen 1× 2 (10 Gbit/s) et Gen 2× 2 (20 Gbit/s), ne sont possibles qu'avec l'USB-C complet. En 2023, leur implémentation restait relativement rare ; Intel a toutefois commencé à les intégrer dans ses processeurs SoC de 11e génération, mais Apple ne les a jamais proposés. En revanche, l'USB 3.2 Gen 1(×1) (5 Gbit/s) et Gen 2(×1) (10 Gbit/s) sont largement répandus depuis plusieurs années.
Guide rapide des types de connecteurs
(Agrandi pour montrer les détails)La norme USB offre également de nombreux avantages aux fabricants de matériel et aux développeurs de logiciels, notamment en termes de relative facilité de mise en œuvre :
- La norme USB élimine la nécessité de développer des interfaces propriétaires pour les nouveaux périphériques.
- La large gamme de vitesses de transfert offertes par une interface USB convient aux périphériques allant des claviers et souris aux interfaces de diffusion vidéo en continu.
- Une interface USB peut être conçue pour offrir la meilleure latence disponible pour les fonctions critiques en termes de temps, ou peut être configurée pour effectuer des transferts en arrière-plan de données volumineuses avec un faible impact sur les ressources système.
- L'interface USB est généralisée sans lignes de signal dédiées à une seule fonction d'un seul périphérique.
Limites
Comme toutes les normes, l'USB présente de multiples limitations de conception :
- La longueur des câbles USB est limitée, car la norme a été conçue pour les périphériques situés sur la même table, et non pour la connexion entre pièces ou bâtiments. Cependant, un port USB peut être connecté à une passerelle permettant d'accéder à des appareils distants.
- Les débits de transfert de données USB sont plus lents que ceux d'autres interconnexions (par exemple, Ethernet) sorties au cours de la même période.
- L'USB possède une topologie de réseau arborescente stricte et un protocole maître/esclave pour l'adressage des périphériques ; les périphériques esclaves ne peuvent interagir entre eux que par l'intermédiaire de l'hôte, et deux hôtes ne peuvent pas communiquer directement via leurs ports USB. Il est possible de contourner partiellement cette limitation grâce à l'USB On-The-Go , aux périphériques à double rôle et aux ponts de protocole .
- Un hôte ne peut pas diffuser de signaux à tous les périphériques simultanément ; chacun doit être adressé individuellement.
- Bien qu'il existe des convertisseurs entre certaines interfaces anciennes et l'USB, ils ne prennent pas nécessairement en charge l'intégralité du matériel d'origine. Par exemple, un convertisseur USB vers port parallèle peut fonctionner correctement avec une imprimante, mais pas avec un scanner qui nécessite une utilisation bidirectionnelle des broches de données.
Pour un développeur de produits, l'utilisation de l'USB nécessite la mise en œuvre d'un protocole complexe et implique un contrôleur « intelligent » dans le périphérique. Les développeurs de périphériques USB destinés à la vente au public doivent généralement obtenir un identifiant USB, ce qui implique le paiement d'une cotisation à l' USB Implementers Forum (USB-IF). Les développeurs de produits utilisant la spécification USB doivent signer un accord avec l'USB-IF. L'utilisation des logos USB sur le produit requiert le paiement de cotisations annuelles et l'adhésion à l'organisation.
Histoire
Un groupe de sept entreprises a entamé le développement de l'USB en 1995 : Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC et Nortel . L'objectif était de simplifier considérablement la connexion de périphériques externes aux PC en remplaçant la multitude de connecteurs à l'arrière des ordinateurs, en résolvant les problèmes d'ergonomie des interfaces existantes et en simplifiant la configuration logicielle de tous les périphériques connectés en USB, tout en permettant des débits de transfert de données plus élevés pour les périphériques externes et en offrant des fonctionnalités plug-and-play . Les concepts du bus série SIO de l'Atari ( 1979) , des ordinateurs Atari 8 bits, du bus Commodore dérivé de l' IEEE-488 (1980) et du bus HP-IL de Hewlett Packard ont ouvert la voie à cette approche. Un consortium dirigé par Apple et comprenant Sony, Panasonic (Matsushita), LG, Toshiba, Hitachi, Canon, Philips Electronics, Compaq, Thomson et Texas Instruments, développera davantage le concept à partir de 1986, donnant naissance à la norme FireWire IEEE 1394 et à un pool de brevets. Joseph C. Decuir , initialement chez Atari puis chez Commodore, et concepteur du bus commun SIO d'Atari, travaillera sur le projet USB pour Microsoft et obtiendra l'un des brevets américains associés ; Le SIO sera cité comme antériorité lors de la défense de l'USB contre un « patent troll » . Ajay Bhatt et son équipe travailleront sur la norme chez Intel ; les premiers circuits intégrés compatibles USB seront produits par Intel en 1995.
USB 1. x
Lancée en janvier 1996, la norme USB 1.0 spécifiait des débits de signalisation de 1,5 Mbit/s ( faible bande passante ou faible vitesse ) et de 12 Mbit/s ( pleine vitesse ). Elle ne permettait pas l'utilisation de rallonges, en raison de limitations de synchronisation et d'alimentation. Peu de périphériques USB ont été commercialisés avant la sortie de l'USB 1.1 en août 1998. L'USB 1.1 a été la première version à connaître un large succès et a conduit à ce que Microsoft a appelé le « PC sans technologies héritées ».
Ni l'USB 1.0 ni l'USB 1.1 ne spécifiaient de connecteur plus petit que les types A ou B standard. Bien que de nombreux périphériques aient proposé des connecteurs de type B miniaturisés, la conformité à la norme USB 1.x était compromise par le fait que les périphériques dotés de connecteurs miniatures étaient considérés comme ayant une connexion filaire (c'est-à-dire sans prise ni fiche côté périphérique). Aucun connecteur de type A miniature n'était connu avant l'introduction de l'USB 2.0 (révision 1.01).
USB 2.0
L'USB 2.0 a été lancé en avril 2000, ajoutant un débit de signalisation maximal plus élevé de 480 Mbit/s (débit de données théorique maximal de 53 Mo/s ) appelé High Speed ou High Bandwidth , en plus du débit de signalisation Full Speed de l'USB 1.x de 12 Mbit /s (débit de données théorique maximal de 1,2 Mo/s).
Parmi les améliorations apportées à l'USB 2.0, on peut citer :
- La suspension sélective USB a été introduite depuis l'USB 2.0.
- La protection contre les surintensités USB a été introduite.
Des modifications de la spécification USB ont été apportées via des avis de changement technique (ECN). Les plus importants de ces ECN sont inclus dans le package de spécification USB 2.0 disponible sur USB.org :
- Connecteur Mini-A et Mini-B
- Spécifications des câbles et connecteurs micro-USB 1.01
- Complément USB InterChip
- Supplément On-The-Go 1.3 USB On-The-Go permet à deux périphériques USB de communiquer entre eux sans nécessiter d'hôte USB séparé.
- Spécification de charge de la batterie 1.1 : Ajout de la prise en charge des chargeurs dédiés et du comportement des chargeurs hôtes pour les appareils dont la batterie est déchargée.
- Spécification de charge de la batterie 1.2 : avec un courant accru de 1,5 A sur les ports de charge pour les appareils non configurés, permettant une communication à haut débit tout en ayant un courant allant jusqu'à 1,5 A
- Addendum ECN sur la gestion de l'alimentation , qui ajoute un état de veille
USB 3. x
La spécification USB 3.0 a été publiée le 12 novembre 2008, sa gestion étant transférée du groupe de promotion USB 3.0 à l'USB Implementers Forum (USB-IF) et annoncée le 17 novembre 2008 lors de la conférence des développeurs SuperSpeed USB.
L'USB 3.0 introduit une nouvelle architecture et un nouveau protocole appelé SuperSpeed , avec des connecteurs et des câbles rétrocompatibles. Les connecteurs SuperSpeed sont identifiés par un logo distinct et des inserts bleus dans les prises standard .
L'architecture SuperSpeed offre un mode de fonctionnement à 5 Gbit/s, en plus des trois modes existants. Son efficacité dépend de plusieurs facteurs, notamment l'encodage physique des symboles et la surcharge au niveau de la liaison. À un débit de signalisation de 5 Gbit/s avec un encodage 8b/10b , chaque octet nécessite 10 bits pour être transmis, ce qui donne un débit brut de 500 Mo/s. En tenant compte du contrôle de flux, du tramage des paquets et de la surcharge du protocole, il est réaliste de transmettre environ les deux tiers du débit brut, soit 330 Mo/s, à une application. L'architecture SuperSpeed est bidirectionnelle (full-duplex) ; toutes les implémentations antérieures, USB 1.0 à 2.0, sont bidirectionnelles (half-duplex), la gestion du mode étant assurée par l'hôte.
Les dispositifs basse et haute puissance restent fonctionnels avec cette norme, mais les dispositifs compatibles SuperSpeed peuvent fournir un courant accru compris entre 150 mA et 900 mA, par paliers discrets de 150 mA.
L'USB 3.0 a également introduit le protocole UASP (USB Attached SCSI Protocol) , qui offre généralement des vitesses de transfert plus rapides que le protocole BOT (Bulk-Only-Transfer).
La spécification USB 3.1 , publiée en juillet 2013. Premièrement, elle préserve l'architecture et le protocole SuperSpeed de l'USB 3.0 et son mode de fonctionnement est nouvellement nommé USB 3.1 Gen 1 (précédemment appelé USB 3.0 , et avec la spécification USB 3.2 finalement nommé USB 3.2 Gen 1x1 , et plus tard commercialisé sous le nom d'USB 5 Gbps en 2023) Deuxièmement, elle introduit une architecture et un protocole SuperSpeedPlus distinctifs et nouveaux avec un deuxième mode de fonctionnement nommé USB 3.1 Gen 2 . Cela double le débit de signalisation maximal à 10 Gbit/s (finalement nommé USB 3.2 Gen 2x1 , commercialisé depuis 2023 sous le nom d' USB 10 Gbit /s ), tout en réduisant la surcharge d'encodage de ligne à seulement 3 % grâce au passage à un schéma 128b/132b, tandis que le contrôle de flux, le tramage des paquets et la surcharge du protocole ont toujours un impact significatif sur les débits de données réels.
La spécification USB 3.2 , publiée en septembre 2017 , conserve les architectures et protocoles SuperSpeed et SuperSpeedPlus existants ainsi que leurs modes de fonctionnement respectifs, mais introduit deux modes de fonctionnement SuperSpeedPlus supplémentaires ( USB 3.2 Gen 1×2 et USB 3.2 Gen 2×2 ) avec des débits de signalisation totaux de 10 et 20 Gbit/s (débits de données bruts de 1 212 et 2 424 Mo/s), respectivement. L’augmentation de la bande passante résulte du fonctionnement à deux voies sur les fils supplémentaires inclus dans tous les réseaux USB-C complets (tous les périphériques, concentrateurs, câbles et hôte impliqués)
Schéma de dénomination
À partir de la spécification USB 3.2, l'USB-IF a introduit une nouvelle convention de dénomination à visée marketing. Afin d'aider les entreprises à commercialiser les différents modes de fonctionnement, l'USB-IF a recommandé d'appeler les capacités de 5, 10 et 20 Gbit/s respectivement SuperSpeed USB 5Gbps , SuperSpeed USB 10Gbps et SuperSpeed USB 20Gbps .
En 2023, elles ont été remplacées à nouveau, supprimant « SuperSpeed » , avec USB 5 Gbit/s , USB 10 Gbit/s et USB 20 Gbit/s . Avec de nouveaux logos d'emballage et de port .
USB4
L'USB4 version 2.0 (annoncée le 1er septembre 2022) introduit une nouvelle couche physique et des débits de signalisation plus élevés : jusqu'à 80 Gbit/s en mode bidirectionnel, et un mode asymétrique prenant en charge 120/40 Gbit/s (hôte→périphérique / périphérique→hôte) pour les applications exigeantes en vidéo. Elle utilise pour cela la signalisation PAM3 et, dans de nombreux cas, les câbles USB-C passifs « 40 Gbit/s » existants ; une nouvelle catégorie de câbles actifs 80 Gbit/s est également définie. La version 2.0 met à jour le tunneling pour l’aligner sur DisplayPort 2.1 et PCIe 4.0 , et maintient la rétrocompatibilité avec USB4 1.0, USB 3.2/2.0 et Thunderbolt 3. Depuis 2023, l’USB-IF recommande d’utiliser des noms de produits destinés aux consommateurs qui reflètent les débits de signalisation (par exemple, USB 40 Gbit/s , USB 80 Gbit/s ), en remplacement de « USB4 v1/v2 » dans les listes de marketing et de certification.
Plan de dénomination marketing de septembre 2022
Conception du système
Un système USB se compose d'un hôte doté d'un ou plusieurs ports DFP (Down-Faceed Ports) et de plusieurs périphériques, formant une topologie en étoile à plusieurs niveaux. Des concentrateurs USB supplémentaires peuvent être ajoutés, permettant jusqu'à cinq niveaux. Un hôte USB peut comporter plusieurs contrôleurs, chacun doté d'un ou plusieurs ports. Jusqu'à 127 périphériques peuvent être connectés à un seul contrôleur hôte Les périphériques USB sont connectés en série via des concentrateurs. Le concentrateur intégré au contrôleur hôte est appelé concentrateur racine .
Un périphérique USB peut être composé de plusieurs sous-périphériques logiques, appelés fonctions de périphérique . Un périphérique composite peut offrir plusieurs fonctions, par exemple une webcam (fonction vidéo) avec un microphone intégré (fonction audio). Une autre solution consiste à utiliser un périphérique composé , dans lequel l'hôte attribue à chaque périphérique logique une adresse distincte et tous les périphériques logiques se connectent à un concentrateur intégré, lui-même connecté au câble USB physique.
La communication avec les périphériques USB repose sur des canaux logiques ( pipes ). Un canal relie le contrôleur hôte à une entité logique au sein d'un périphérique, appelée point de terminaison . Ces termes sont parfois utilisés indifféremment, car les canaux et les points de terminaison correspondent. Chaque périphérique USB peut posséder jusqu'à 32 points de terminaison (16 entrées et 16 sorties ), bien qu'il soit rare d'en avoir autant. Les points de terminaison sont définis et numérotés par le périphérique lors de l'initialisation (la période suivant la connexion physique est appelée énumération ) et sont donc relativement permanents, contrairement aux canaux qui peuvent être ouverts et fermés.
Il existe deux types de tuyaux : les tuyaux de flux et les tuyaux de message.
- Un canal de messages est bidirectionnel et sert aux transferts de contrôle . Il est généralement utilisé pour transmettre des commandes courtes et simples au périphérique, ainsi que pour recevoir des réponses d'état de celui-ci ; il est par exemple utilisé par le canal de contrôle de bus numéro 0.
- Un tuyau de flux est un tuyau unidirectionnel connecté à un point d'extrémité unidirectionnel qui transfère des données en utilisant un transfert isochrone , d'interruption ou de masse :
- Transferts isochrones
- À un débit de données garanti (pour les données en flux continu à bande passante fixe) mais avec une possible perte de données (par exemple, audio ou vidéo en temps réel)
- Transferts interrompus
- Les périphériques nécessitant des réponses rapides garanties (latence limitée), tels que les dispositifs de pointage, les souris et les claviers.
- transferts en masse
- Transferts importants et ponctuels utilisant toute la bande passante disponible restante, mais sans garantie de bande passante ni de latence (par exemple, transferts de fichiers).
Lorsqu'un hôte initie un transfert de données, il envoie un paquet TOKEN contenant un point de terminaison spécifié par un tuple ( adresse_périphérique, numéro_point_de_terminaison) . Si le transfert s'effectue de l'hôte vers le point de terminaison, l'hôte envoie un paquet OUT (une spécialisation du paquet TOKEN) avec l'adresse du périphérique et le numéro du point de terminaison souhaités. Si le transfert s'effectue du périphérique vers l'hôte, ce dernier envoie un paquet IN. Si le point de terminaison de destination est unidirectionnel et que le sens de transmission spécifié par le fabricant ne correspond pas à celui du paquet TOKEN (par exemple, le sens spécifié par le fabricant est IN alors que le paquet TOKEN est un paquet OUT), ce dernier est ignoré. Sinon, il est accepté et la transaction de données peut démarrer. Un point de terminaison bidirectionnel, quant à lui, accepte les paquets IN et OUT.
Les points de terminaison sont regroupés en interfaces , chaque interface étant associée à une fonction unique. Le point de terminaison zéro fait exception : il sert à la configuration du périphérique et n'est associé à aucune interface. Une fonction unique composée d'interfaces contrôlées indépendamment est appelée périphérique composite . Un périphérique composite ne possède qu'une seule adresse, car l'hôte n'attribue une adresse qu'à une seule fonction.
Lorsqu'un périphérique USB est connecté pour la première fois à un hôte USB, le processus d'énumération des périphériques USB est lancé. Ce processus débute par l'envoi d'un signal de réinitialisation au périphérique. La fréquence de ce signal est déterminée pendant la réinitialisation. Après la réinitialisation, l'hôte lit les informations du périphérique et lui attribue une adresse unique de 7 bits. Si le périphérique est pris en charge par l'hôte, les pilotes nécessaires à la communication sont chargés et le périphérique est configuré. En cas de redémarrage de l'hôte USB, le processus d'énumération est répété pour tous les périphériques connectés.
Le contrôleur hôte dirige le flux de données vers les périphériques ; aucun périphérique USB ne peut donc transférer de données sur le bus sans une requête explicite du contrôleur hôte. En USB 2.0, le contrôleur hôte interroge le bus pour détecter le trafic, généralement selon un principe de type « round-robin » . Le débit de chaque port USB est déterminé par la vitesse la plus lente, soit celle du port lui-même, soit celle du périphérique USB qui y est connecté.
Les concentrateurs USB 2.0 haut débit intègrent des dispositifs appelés traducteurs de transactions qui assurent la conversion entre les bus USB 2.0 haut débit et les bus USB 2.0 standard et basse vitesse. Il peut y avoir un traducteur par concentrateur ou par port.
Chaque hôte USB 3.0 possédant deux contrôleurs distincts , les périphériques USB 3.0 transmettent et reçoivent des données aux débits de signalisation USB 3.0, indépendamment des périphériques USB 2.0 ou antérieurs connectés à cet hôte. Les débits de signalisation des périphériques antérieurs sont configurés de manière traditionnelle.
Classes d'appareils
Les fonctionnalités d'un périphérique USB sont définies par un code de classe envoyé à un hôte USB. Cela permet à l'hôte de charger des modules logiciels pour le périphérique et de prendre en charge de nouveaux périphériques de différents fabricants.
Les classes d'appareils comprennent :
| Classe ( hexadécimal ) | Usage | Description | Exemples ou exceptions |
|---|---|---|---|
| 00 | Appareil | Non spécifié | La classe du périphérique n'est pas spécifiée ; les descripteurs d'interface sont utilisés pour déterminer les pilotes nécessaires. |
| 01 | Interface | Audio | Haut-parleur , microphone , carte son , MIDI |
| 02 | Les deux | Contrôle des communications et du CDC | Adaptateur série , modem , adaptateur Wi-Fi , adaptateur Ethernet . À utiliser avec la classe 0Ah (CDC-Data ) ci-dessous. |
| 03 | Interface | Dispositif d'interface humaine (HID) | Clavier , souris , joystick |
| 05 | Interface | Dispositif d'interface physique (PID) | joystick à retour de force |
| 06 | Interface | Médias ( PTP / MTP ) | Scanner , appareil photo |
| 07 | Interface | Imprimante | Imprimante laser , imprimante à jet d'encre , machine CNC |
| 08 | Interface | Stockage de masse USB , SCSI connecté à USB | Clé USB , lecteur de cartes mémoire , lecteur audio numérique , appareil photo numérique , disque dur externe |
| 09 | Appareil | Concentrateur USB | Hub USB haute vitesse |
| 0A | Interface | Données du CDC | Utilisé conjointement avec la classe 02h (Communications et contrôle CDC ) ci-dessus |
| 0B | Interface | carte à puce | lecteur de cartes à puce USB |
| 0D | Interface | Sécurité du contenu | lecteur d'empreintes digitales |
| 0E | Interface | Vidéo | Webcam |
| 0°F | Interface | classe des dispositifs médicaux personnels (PHDC) | moniteur de pouls (montre) |
| 10 | Interface | Audio/vidéo (AV) | Webcam , TV |
| 11 | Appareil | Panneau d'affichage | Décrit les modes alternatifs USB-C pris en charge par l'appareil |
| DC | Les deux | Dispositif de diagnostic | Dispositif de test de conformité USB |
| E0 | Interface | Contrôleur sans fil | Adaptateur Bluetooth |
| EF | Les deux | Divers | périphérique ActiveSync |
| FE | Interface | Spécifique à l'application | Pont IrDA , RNDIS , classe de test et de mesure (USBTMC), USB DFU (mise à niveau du firmware du périphérique) |
| FFh | Les deux | Spécifique au fournisseur | Indique qu'un périphérique nécessite des pilotes spécifiques au fournisseur. |
périphérique de stockage de masse USB / clé USB
La norme USB MSC (ou UMS) standardise les connexions aux périphériques de stockage. Initialement conçue pour les disques magnétiques et optiques, elle a été étendue aux clés USB et aux lecteurs de cartes SD . La possibilité de démarrer une carte SD protégée en écriture à l'aide d'un adaptateur USB est particulièrement avantageuse pour préserver l'intégrité et l'état initial du support de démarrage.
Bien que la plupart des ordinateurs personnels depuis début 2005 puissent démarrer à partir de périphériques de stockage de masse USB, l'USB n'est pas conçu comme bus principal pour le stockage interne d'un ordinateur. Cependant, l'USB présente l'avantage de permettre le branchement à chaud , ce qui le rend utile pour les périphériques mobiles, notamment les disques durs de différents types.
Plusieurs fabricants proposent des disques durs externes USB portables , ou des boîtiers vides pour disques durs. Leurs performances sont comparables à celles des disques internes, limitées par le nombre et le type de périphériques USB connectés, ainsi que par les capacités de l'interface USB. Parmi les autres normes concurrentes pour la connectivité des disques externes, on trouve eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) et, plus récemment, Thunderbolt .
Une autre utilisation des périphériques de stockage de masse USB est l'exécution portable d'applications logicielles (telles que des navigateurs Web et des clients VoIP) sans qu'il soit nécessaire de les installer sur l'ordinateur hôte.
Protocole de transfert de médias
Dispositifs d'interface humaine
Mécanisme de mise à jour du micrologiciel de l'appareil
La mise à jour du micrologiciel (DFU) est un mécanisme générique permettant de mettre à jour le micrologiciel des périphériques USB avec des versions améliorées fournies par leurs fabricants, offrant (par exemple) un moyen de corriger des bogues. Lors de la mise à jour, les périphériques USB changent de mode de fonctionnement et deviennent de fait un programmateur de PROM . Tout type de périphérique USB peut implémenter cette fonctionnalité en respectant les spécifications DFU officielles. Cela permet d'utiliser des outils hôtes compatibles DFU pour mettre à jour le périphérique.
Le protocole DFU est parfois utilisé comme protocole de programmation de mémoire flash dans les microcontrôleurs dotés d'une fonctionnalité de chargeur de démarrage USB intégrée.
Des exemples d'appareils pouvant utiliser le DFU incluent l'iPod et l'iPhone .
Streaming audio
Le groupe de travail sur les périphériques USB a défini des spécifications pour la diffusion audio, et des normes spécifiques ont été développées et mises en œuvre pour les utilisations de la classe audio, telles que les microphones, les haut-parleurs, les casques, les téléphones, les instruments de musique, etc. Le groupe de travail a publié quatre versions des spécifications des périphériques audio : USB Audio 1.0, 2.0, 3.0 et 4.0, appelées « USB Audio Class » (UAC) ou « Audio Device Class » (ADC).
L'UAC 3.0 introduit principalement des améliorations pour les appareils portables, telles que la réduction de la consommation d'énergie grâce à l'agrégation des données et au maintien plus fréquent en mode basse consommation, ainsi que des domaines d'alimentation pour différents composants de l'appareil, permettant leur mise hors tension lorsqu'ils ne sont pas utilisés.
L'UAC 2.0 a introduit la prise en charge de l'USB haute vitesse (en plus de l'USB pleine vitesse), permettant une bande passante accrue pour les interfaces multicanaux, des fréquences d'échantillonnage plus élevées , une latence intrinsèque réduite et une résolution temporelle huit fois supérieure en modes synchrone et adaptatif . L'UAC 2.0 a également introduit le concept de domaines d'horloge, qui fournit à l'hôte des informations sur les terminaux d'entrée et de sortie dont l'horloge provient de la même source, ainsi qu'une meilleure prise en charge des encodages audio tels que le DSD , des effets audio, du regroupement des canaux, des commandes utilisateur et des descriptions de périphériques
Les appareils UAC 1.0 restent courants, notamment grâce à leur compatibilité multiplateforme sans pilote , et aussi en partie à cause du retard de Microsoft à implémenter l'UAC 2.0 pendant plus d'une décennie après sa publication, la prise en charge ayant finalement été ajoutée à Windows 10 via la mise à jour Creators Update le 20 mars 2017 L'UAC 2.0 est également pris en charge par macOS , iOS et Linux , mais Android n'implémente qu'un sous-ensemble de la spécification UAC 1.0
L'USB fournit trois types de synchronisation isochrones (à bande passante fixe), qui sont tous utilisés par les périphériques audio :
- Asynchrone — Le CAN ou le CNA ne sont pas du tout synchronisés avec l'horloge de l'ordinateur hôte, mais fonctionnent sur une horloge locale autonome propre au périphérique.
- Synchrone — L’horloge du périphérique est synchronisée avec les signaux de début de trame (SOF) ou d’intervalle de bus USB. Par exemple, cela peut nécessiter la synchronisation d’une horloge de 11,2896 MHz avec un signal SOF de 1 kHz, ce qui représente une multiplication de fréquence importante.
- Adaptatif — L'horloge de l'appareil est synchronisée avec la quantité de données envoyées par trame par l'hôte
Alors que la spécification USB décrivait initialement le mode asynchrone comme étant utilisé dans les « enceintes à bas prix » et le mode adaptatif dans les « enceintes numériques haut de gamme » la perception est inverse dans le monde de la hi-fi , où le mode asynchrone est présenté comme une caractéristique, tandis que les modes adaptatif et synchrone souffrent d'une mauvaise réputation . En réalité, tous les types peuvent être de haute ou de basse qualité, selon la qualité de leur conception et de leur application . Le mode asynchrone a l'avantage d'être indépendant de l'horloge de l'ordinateur, mais l'inconvénient de nécessiter une conversion de fréquence d'échantillonnage lors de la combinaison de plusieurs sources.
Connecteurs
Les connecteurs spécifiés par le comité USB soutiennent plusieurs objectifs fondamentaux de l'USB et tiennent compte des enseignements tirés des nombreux connecteurs utilisés par l'industrie informatique. Le connecteur femelle monté sur l'hôte ou le périphérique est appelé réceptacle , et le connecteur mâle fixé au câble est appelé fiche . Les documents de spécification USB officiels définissent également périodiquement le terme mâle pour désigner la fiche et le terme femelle pour désigner le réceptacle.
La conception vise à empêcher toute insertion incorrecte d'une fiche USB dans son connecteur. La norme USB exige que la fiche et le connecteur soient marqués afin que l'utilisateur puisse identifier le bon sens d'insertion. La fiche USB-C est cependant réversible. Les câbles USB et les petits périphériques USB sont maintenus en place par la force de serrage du connecteur, sans vis, clips ni molettes comme sur certains autres connecteurs.
La distinction entre les connecteurs A et B visait à garantir la directionnalité inhérente à l'USB : l' hôte unique possède des prises de type A et chaque périphérique unique possède une prise de type B. Un concentrateur (hub) fournit plusieurs prises de type A orientées vers l'aval et se connecte à l'hôte via sa prise de type B unique (ou un câble intégré avec une fiche de type A). Un concentrateur peut se connecter à l'hôte directement ou via un ou plusieurs autres concentrateurs. Avant l'USB-C, la technologie USB On-The-Go permettait à un appareil, tel qu'un smartphone, de jouer le rôle d' hôte ou de périphérique , grâce à une unique prise de type AB (Micro-AB, remplacée en 2014, ou Mini-AB, obsolète depuis 2007 ) compatible avec les fiches de type A et de type B.
Les types de connecteurs USB se sont multipliés au fil de l'évolution de la spécification. La spécification USB originale décrivait les prises et fiches Standard-A et Standard-B. Initialement appelées simplement Type-A et Type-B , elles ont été renommées Standard afin de les distinguer des connecteurs Mini, puis Micro. Les contacts de données des fiches Standard sont encastrés par rapport aux contacts d'alimentation et de masse, ce qui permet de connecter les appareils électriquement en toute sécurité avant les circuits de communication de données, plus sensibles, et ainsi éviter tout dommage. Certains appareils fonctionnent différemment selon que la connexion de données est établie ou non. Les simples alimentations ne possèdent pas de connexion de données ; elles court-circuitent les contacts de données, mais permettent à tout appareil USB compatible de se charger ou de fonctionner via un câble USB standard. Les câbles de charge fournissent l'alimentation, mais pas les données, bien que la norme exige au minimum une connexion de données USB 2.0. Dans un câble de charge non standard, les fils de données sont court-circuités côté appareil ; sinon, l'appareil risque de rejeter le chargeur comme incompatible.
La norme USB 1.1 spécifie qu'un câble standard peut avoir une longueur maximale de AWG 26, la longueur pratique maximale est de Windows Easy Transfer , cet utilitaire utilisait un câble pont USB spécifique pour transférer des fichiers personnels et des paramètres d'un ordinateur exécutant une version antérieure de Windows vers un ordinateur exécutant une version plus récente. Dans le contexte de l'utilisation du logiciel Windows Easy Transfer , ce câble pont est parfois désigné par le terme « câble Easy Transfer » .
De nombreux câbles de transfert de données USB sont encore en USB 2.0, mais il existe également des câbles de transfert USB 3.0. Bien que l'USB 3.0 soit dix fois plus rapide que l'USB 2.0, les câbles de transfert USB 3.0, de par leur conception, ne sont que deux à trois fois plus rapides.l'USB Power Delivery (USB-PD). Sur les appareils ne prenant pas en charge BC ou PD, l'USB fournit jusqu'à 4,5 W via les connecteurs de type A et B, et jusqu'à 15 W via l'USB-C. Toute l'alimentation USB antérieure à PD est fournie à 5 V.
Pour un hôte alimentant des périphériques, l'USB utilise la notion d' unité de charge . Chaque périphérique peut consommer une unité de puissance, et d'autres périphériques peuvent demander davantage de puissance par paliers. L'hôte n'est pas tenu de fournir la puissance demandée, et un périphérique ne peut pas consommer plus de puissance que celle négociée.
Les périphériques basse consommation ne peuvent consommer qu'une unité de courant. Tous les périphériques doivent fonctionner en mode basse consommation lors de leur première configuration. Pour les périphériques USB jusqu'à la version 2.0, une unité de courant est de 100 mA (ou 500 mW), tandis que la norme USB 3.0 définit une unité de courant de 150 mA (750 mW). L'USB-C complet peut prendre en charge les périphériques basse consommation avec une unité de courant de 250 mA (ou 1 250 mW).
Les périphériques à forte consommation , comme les disques durs 2,5 pouces classiques, peuvent consommer plusieurs unités. L'USB 2.0 permet à un hôte ou un concentrateur de fournir jusqu'à 2,5 W à chaque périphérique, par paliers de 100 mA répartis en cinq étapes. Les périphériques SuperSpeed (USB 3.x) permettent quant à eux de fournir jusqu'à 4,5 W par paliers de 150 mA répartis en six étapes . L'USB-C permet le fonctionnement simultané sur deux voies de l'USB 3.x avec une charge unitaire plus importante (250 mA ; jusqu'à 7,5 W). L'USB-C permet également l'utilisation du courant Type-C en remplacement de l'USB BC, signalant ainsi la disponibilité de l'alimentation de manière simple, sans nécessiter de connexion de données.
| Spécification | courant maximal | Tension | puissance maximale | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Périphérique basse consommation jusqu'à USB 2.0 | Alimentation PoweredUSB , développé dans les années 1990 et principalement utilisé dans les terminaux de point de vente tels que les caisses enregistreuses. SignalisationL'USB4 Gen 4 requiert l'utilisation des quatre paires de fils, mais autorise une configuration asymétrique. Dans ce cas, une paire de fils est utilisée pour la transmission des données montantes et les trois autres pour la transmission des données descendantes, ou inversement. L'USB4 Gen 4 utilise la modulation d'amplitude d'impulsions à trois niveaux, fournissant un trit d'information par baud . La fréquence de transmission de 12,8 GHz correspond à un débit de 25,6 Gbit/s , et la conversion de 11 bits en 7 trits offre une vitesse de transmission maximale théorique légèrement supérieure à 40,2 Gbit/s. Le Forum des implémenteurs USB a introduit la norme de communication sans fil Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0 basée sur le protocole USB le 29 juillet 2015. L'USB sans fil est une technologie de remplacement de câble et utilise une technologie sans fil ultra-large bande pour des débits de données allant jusqu'à 480 Mbit/s. L’USB-IF a utilisé la spécification WiGig Serial Extension v1.2 comme base initiale pour la spécification MA-USB et est conforme aux normes SuperSpeed USB (3.0 et 3.1) et Hi-Speed USB (USB 2.0). Les appareils utilisant MA-USB seront marqués « Powered by MA-USB », à condition que le produit réponde aux exigences de son programme de certification. Tous les autres connecteurs ne sont pas capables de fonctionner en mode deux voies (Gen 1×2 et Gen 2×2) en USB 3.2, mais peuvent être utilisés pour des opérations en mode une voie (Gen 1×1 et Gen 2×1). À l'origine, l'USB était considéré comme un complément à la technologie FireWire ( IEEE 1394 ), conçue comme un bus série à large bande passante permettant d'interconnecter efficacement des périphériques tels que des disques durs, des interfaces audio et des équipements vidéo. Dans sa conception initiale, l'USB fonctionnait à un débit de données bien inférieur et utilisait un matériel moins sophistiqué. Il était adapté aux petits périphériques comme les claviers et les dispositifs de pointage. Les principales différences techniques entre FireWire et USB sont les suivantes : Ces différences, parmi d'autres, reflètent les objectifs de conception distincts des deux bus : l'USB a été conçu pour la simplicité et le faible coût, tandis que le FireWire a été conçu pour des performances élevées, notamment dans les applications sensibles au temps comme l'audio et la vidéo. Bien que leur débit de signalisation maximal théorique soit similaire, le FireWire 400 est plus rapide que l'USB 2.0 haut débit en pratique , en particulier pour les périphériques à forte consommation comme les disques durs externes La norme plus récente FireWire 800 est deux fois plus rapide que le FireWire 400 et plus rapide que l'USB 2.0 haut débit, tant en théorie qu'en pratique . Cependant, les avantages de vitesse du FireWire reposent sur des techniques de bas niveau comme l'accès direct à la mémoire (DMA), ce qui a engendré des failles de sécurité telles que l' attaque DMA . Le chipset et les pilotes utilisés pour implémenter l'USB et le FireWire ont un impact crucial sur la quantité de bande passante prescrite par la spécification qui est atteinte dans le monde réel, ainsi que sur la compatibilité avec les périphériques. Les normes IEEE 802.3af , 802.3at et 802.3bt d'alimentation par Ethernet (PoE) définissent des mécanismes de négociation de puissance plus élaborés que l'USB alimenté. Fonctionnant sous 48 V CC , elles peuvent fournir une puissance supérieure (jusqu'à 12,95 W pour la norme 802.3af , 25,5 W pour la norme 802.3at , également appelée PoE+ , et 71 W pour la norme 802.3bt , également appelée 4PPoE ) sur un câble d'une longueur maximale de 100 mètres , contre 2,5 W pour l'USB 2.0 et une longueur de câble maximale de 5 mètres. Grâce à ces performances, la technologie PoE s'est imposée pour les téléphones VoIP , les caméras de sécurité , les points d'accès sans fil et autres périphériques réseau au sein des bâtiments. Cependant, l'USB reste moins coûteux que le PoE pour les courtes distances et les faibles besoins en énergie. Les normes Ethernet exigent une isolation électrique entre le périphérique connecté au réseau (ordinateur, téléphone, etc.) et le câble réseau jusqu'à 1 500 V CA ou 2 250 V CC pendant 60 secondes. L'USB, conçu pour les périphériques étroitement associés à un ordinateur hôte, ne présente pas cette exigence et relie de fait les masses du périphérique et de l'hôte. Ceci confère à l'Ethernet un avantage significatif en matière de sécurité par rapport à l'USB, notamment pour les périphériques tels que les modems câble et DSL connectés à un câblage externe susceptible de présenter des tensions dangereuses en cas de dysfonctionnement. La définition de classe de périphérique USB pour les périphériques MIDI transmet des données musicales de l'interface numérique des instruments de musique ( MIDI ) via USB. La capacité MIDI est étendue pour permettre jusqu'à seize câbles MIDI virtuels simultanés , chacun pouvant transporter les seize canaux et horloges MIDI habituels. L'USB est une solution compétitive pour les appareils économiques et physiquement proches. Cependant, l'alimentation par Ethernet (PoE) et la norme MIDI offrent un avantage pour les appareils haut de gamme, notamment ceux équipés de longs câbles. L'USB peut engendrer des boucles de masse entre les équipements, car il relie les masses des deux émetteurs-récepteurs. À l'inverse, la norme MIDI et l'Ethernet intègrent une isolation jusqu'à eSATA est une version plus robuste du connecteur SATA , conçue pour la connexion de disques durs externes et de SSD. Son débit de transfert (jusqu'à 6 Gbit/s) est comparable à celui de l'USB 3.0 (jusqu'à 5 Gbit/s) et de l'USB 3.1 (jusqu'à 10 Gbit/s). Un périphérique connecté en eSATA est reconnu comme un périphérique SATA classique, offrant ainsi les mêmes performances et la même compatibilité qu'un disque interne. L'eSATA ne fournit pas d'alimentation aux périphériques externes. C'est un inconvénient croissant par rapport à l'USB. Bien que les 4,5 W de l'USB 3.0 soient parfois insuffisants pour alimenter les disques durs externes, la technologie évolue et les disques externes consomment de moins en moins d'énergie, réduisant ainsi l'avantage de l'eSATA. L'eSATAp (Power over eSATA, également appelé ESATA/USB) est un connecteur introduit en 2009 qui alimente les périphériques connectés grâce à un nouveau connecteur rétrocompatible. Sur un ordinateur portable, l'eSATAp fournit généralement 5 V pour alimenter un disque dur ou SSD de 2,5 pouces ; sur une station de travail, il peut fournir 12 V supplémentaires pour alimenter des périphériques plus volumineux, tels que les disques durs ou SSD de 3,5 pouces et les lecteurs optiques de 5,25 pouces. La prise en charge eSATAp peut être ajoutée à un ordinateur de bureau sous la forme d'un support reliant les ressources SATA, d'alimentation et USB de la carte mère. L'eSATA, comme l'USB, prend en charge le branchement à chaud , bien que cela puisse être limité par les pilotes du système d'exploitation et le micrologiciel du périphérique. Thunderbolt 2 utilise l'agrégation de liens pour combiner les deux canaux de 10 Gbit/s en un seul canal bidirectionnel de 20 Gbit/s. Thunderbolt 3 et Thunderbolt 4 utilisent l'USB-C . Thunderbolt 3 possède deux canaux physiques bidirectionnels de 20 Gbit/s, agrégés pour former un seul canal logique bidirectionnel de 40 Gbit/s. Les contrôleurs Thunderbolt 3 peuvent intégrer un contrôleur USB 3.1 Gen 2 afin d'assurer la compatibilité avec les périphériques USB. Ils prennent également en charge le mode alternatif DisplayPort ainsi que DisplayPort sur USB4 Fabric, ce qui confère à un port Thunderbolt 3 des fonctionnalités plus étendues que celles d'un port USB 3.1 Gen 2. Mode alternatif DisplayPort 2.0 : l’USB4 (nécessitant un port USB-C) exige que les concentrateurs prennent en charge le mode alternatif DisplayPort 2.0 via USB-C. Le DisplayPort 2.0 prend en charge la résolution 8K à 60 Hz avec la prise en charge des couleurs HDR10. Le DisplayPort 2.0 peut utiliser jusqu’à 80 Gbit/s, soit le double du débit disponible pour les données USB, car il transmet toutes les données dans une seule direction (vers le moniteur) et peut ainsi utiliser simultanément les huit fils de données. Après que la spécification a été rendue libre de redevances et que la gestion du protocole Thunderbolt a été transférée d'Intel à l'USB Implementers Forum, Thunderbolt 3 a été effectivement implémenté dans la spécification USB4 – la compatibilité avec Thunderbolt 3 étant optionnelle mais encouragée pour les produits USB4. Un autre dispositif malveillant est un tueur USB , qui envoie des impulsions de haute tension sur les lignes de données, détruisant ou endommageant tout ce à quoi il est connecté. Dans les versions de Microsoft Windows antérieures à Windows XP , Windows exécutait automatiquement un script (s'il était présent) sur certains périphériques via AutoRun , dont les périphériques de stockage de masse USB, qui peuvent contenir des logiciels malveillants. Il est possible d'obtenir un contrôle total du système en piratant un contrôleur USB. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||