Qu'est-ce que l'USB exactement ?

L'histoire de l'USB est un récit fascinant sur l'évolution des normes, illustrant parfaitement que le développement raisonnable et cohérent de la technologie se traduit directement par un confort de vie pour nous tous.

Dans la culture populaire, on rencontre souvent le stéréotype de la personne perdue dans les normes technologiques et l'affirmation que les divers connecteurs utilisés dans l'électronique grand public ou les ordinateurs apportent de la confusion dans la vie de l'utilisateur moyen. En effet, au cours des deux dernières décennies du XXe siècle, la révolution incessante dans le domaine de l'informatique a d'abord créé, puis approfondi le phénomène appelé « exclusion numérique », souvent comparé dans sa nature et ses effets à l'analphabétisme. Cependant, il convient également de noter qu'en parallèle avec l'informatisation croissante, les efforts pour créer des interfaces intuitives et construire des appareils accessibles aux amateurs se sont intensifiés. Le connecteur USB, avec la souris d'ordinateur ou l'écran tactile, est l'un des principaux acteurs de cette évolution – et tout indique qu'il le restera à l'avenir.

Et bien que « l'utilisateur moyen » se contente de savoir que son téléphone a un port USB C (« Et je ne veux rien savoir de plus ! ») – nous, les passionnés d'électronique, ne sommes pas satisfaits d'une information aussi simple. Car nous voulons savoir ce qui se passe réellement lors du branchement du câble.

Dans cet article, nous répondons aux questions :

• D'où viennent les connecteurs USB ?
• Comment fonctionne l'USB ?
• Que signifient les chiffres et les lettres dans l'abréviation USB ?
• Quels sont les types de connecteurs USB ?
• La couleur de l'USB a-t-elle une signification ?
• Qu'est-ce que l'USB C ?
• À quoi sert l'USB Power Delivery et peut-il endommager l'ordinateur ?
• Quoi de neuf dans la norme USB 4.0 ?

Brève genèse de la norme

Le nom même de la norme USB en dit long, c'est-à-dire en anglais Universal Serial Bus – bus série universel. Un autre article de la série « Électronique de base » sur les interfaces de communication aidera à déchiffrer précisément cette expression.

Ici, limitons-nous aux informations de base :

• Universel - c'est-à-dire que dès le départ, les connecteurs USB étaient destinés à connecter différents appareils, dans la mesure du possible.
• Bus c'est-à-dire une connexion physique composée de plusieurs lignes, adaptée à la gestion d'un type spécifique de communication, généralement entre plusieurs émetteurs/récepteurs.
• Série - ce mot se réfère à la méthode de communication consistant à transmettre des données par impulsions, c'est-à-dire bit par bit, à l'aide d'une seule ligne (ou de deux lignes dans les deux sens). Dans la configuration la plus simple, les bus série nécessitent seulement un seul fil de transmission, ce qui rend le câblage pour ce type de communication abordable et durable, car il peut contenir des fils de section relativement grande.

Le besoin de développer une norme universelle de connecteurs est devenu urgent dans les années 90. Les ordinateurs de l'époque possédaient des ports série et parallèle réalisés à l'aide de prises de différents formats, souvent très spécialisées (entrées séparées et différentes pour claviers et souris, encore d'autres pour le modem, un autre type pour le contrôleur de jeu). Bien qu'ils permettaient la communication avec des accessoires et périphériques, ils ne les détectaient pas automatiquement, laissant le (non négligeable) fardeau de la configuration à l'utilisateur.

Le symbole USB illustre bien l'idée derrière la norme : la connectivité entre un point central et les périphériques de différents types (avec la possibilité ouverte de communication ultérieure).

Le pire, c'est que les paramètres électriques des normes décrites étaient sous-optimaux, nécessitant des quantités relativement importantes d'énergie pour réaliser la communication elle-même, bien que le courant fourni ne suffisait qu'à alimenter les périphériques les plus simples ou passifs. La norme USB résolvait déjà tous ces problèmes dès le départ :

• Le fonctionnement Plug&Play, c'est-à-dire « brancher et utiliser », prévoyait une communication automatique entre les appareils au moment de leur connexion, et par conséquent : une configuration automatique réalisée par logiciel (par le système d'exploitation de l'ordinateur).
• L'USB possède deux lignes dédiées uniquement à l'alimentation. Les paramètres électriques étaient dès le départ suffisants pour la plupart des périphériques et ont été élargis dans les générations suivantes.

Principe de fonctionnement

Il faut immédiatement préciser ici que nous n'approfondirons pas la spécification complète du protocole USB, car le but de ce texte n'est pas d'apprendre la gestion matérielle de l'interface. Néanmoins : examinons comment fonctionne l'USB dans les grandes lignes. Pour ceux qui s'intéressent aux détails, nous recommandons la documentation précise et disponible gratuitement de la norme.

Construction du câble

Bien que les générations modernes d'USB prévoient l'utilisation de plusieurs lignes (nous en parlerons un peu plus tard), le nombre minimum de fils requis pour établir une connexion est de 4. Ils ont des couleurs et des fonctions définies par la norme :

• V_BUS, fil rouge, d'alimentation avec un potentiel de 5V.
• GND, fil noir est la masse, soit 0V. Dans les câbles les moins chers utilisés pour charger les appareils portables, des câbles à deux fils sont utilisés, connectés uniquement à ces deux lignes.
• Les fils vert et blanc, sont respectivement D+ et D- ou DATA+ et DATA-. Ces connexions servent à la communication. L'USB, comme de nombreuses autres interfaces rapides, repose sur la transmission différentielle. Les valeurs binaires sont représentées simultanément sur deux lignes, mais avec une polarité opposée (la tension sur une ligne est « l'opposé » de la tension sur l'autre). Cela permet d'atteindre une résistance optimale aux interférences même lors de la transmission nécessitant une haute fréquence de signal. L'USB utilise la méthode NRZI (Non Return to Zero Inverted), où le bit 0 est représenté par l'inversion des états sur les lignes D- et D+, et le bit 1 les laisse à des niveaux inchangés. Les parties de la communication changent/vérifient l'état des lignes à des intervalles de temps déterminés et transmettent/reçoivent ainsi des données.

Connecteur USB A mâle et fils contenus dans un câble blindé.

Que se passe-t-il lors de la connexion USB ?

Dans la communication USB, les parties prennent le rôle de hôte (c'est-à-dire « gestionnaire » de la bus) ou de client (appelé simplement device, c'est-à-dire « appareil »). Bien sûr, juste après avoir inséré la fiche dans la prise, ces deux circuits ne savent rien l'un de l'autre. Si l'appareil USB est alimenté via la bus, comme c'est le cas pour une clé USB ou une souris d'ordinateur, il s'allume d'abord, donc aucune communication ne se fait.

Données

Dans un premier temps, l'appareil informe l'hôte à quelle vitesse il compte communiquer lors de l'initialisation – il le fait en réglant l'état haut sur la ligne D- ou D+. À partir de ce moment, la communication se fait avec des paquets de 8 octets envoyés selon la fréquence indiquée.

La première transmission est un paquet de l'hôte qui informe l'appareil de l'adresse de 2 octets qui lui est attribuée, qui sera utilisée dans la communication mutuelle. L'appareil répond par une confirmation (ACK de l'anglais acknowledgement).

À ce stade, théoriquement, la bus USB peut déjà être utilisée pour la communication (par exemple entre circuits numériques). En pratique : l'ordinateur (ou un autre circuit jouant le rôle principal) demandera à l'appareil son descripteur, c'est-à-dire un ensemble de données décrivant l'équipement connecté. Il contient des informations sur la génération USB compatible, le type d'appareil, le fabricant et le numéro de série, etc. Le plus souvent, sur cette base, le système d'exploitation peut choisir le bon pilote, c'est-à-dire le programme servant à gérer l'équipement spécifique.

Bien sûr, ce n'est que le début de la « conversation », l'initialisation complète de l'appareil peut être très complexe, mais c'est une question spécifique à différents types d'équipements. Dans les applications les plus simples (par exemple, les projets utilisant l'interface FT232R), le circuit intégré connecté à l'USB se présentera comme un contrôleur de port série et servira ainsi d'intermédiaire dans la communication entre l'ordinateur et le microcontrôleur, transmettant des chaînes d'octets qui peuvent être reçues/envoyées par un programme terminal ou un autre logiciel spécialement écrit. Et rien de plus. Dans d'autres cas, les capacités de l'USB sont utilisées beaucoup plus largement : les appareils peuvent négocier la vitesse de transmission (elle ne se limite pas aux deux fréquences utilisées lors de l'initialisation), la fonctionnalité, le protocole, etc.

Alimentation

Si le câble USB est connecté au chargeur le plus simple, une tension de 5V DC apparaîtra sur les lignes GND et V_BUS. Un courant dont l'intensité dépend des caractéristiques de l'appareil et de la valeur nominale que le chargeur est capable de fournir circulera à travers le câble. Ces paramètres sont décrits par une norme distincte (Battery Charging Specification), qui a subi plusieurs révisions au cours de la dernière décennie en raison de la demande croissante des appareils mobiles.

La norme USB prend également en compte la possibilité de négocier les tensions et les courants présents sur les lignes d'alimentation. Le descripteur de l'appareil contient déjà des données sur sa spécification électrique, y compris des informations sur la source et les paramètres d'alimentation. Les capacités de l'USB dans ce domaine ont été élargies avec l'introduction de la technologie Power Delivery, qui est décrite plus loin dans le texte.

Chiffres et lettres, explication des désignations

L'USB est souvent perçue par les utilisateurs comme une technologie complexe. Cela est peut-être dû aux chiffres, lettres et abréviations qui accompagnent le nom de cette interface. Mais ce n'est pas une question écrasante, si nous avons conscience de la division claire dans cette nomenclature :

• les lettres se réfèrent au format du connecteur ;
• les chiffres désignent la génération de l'USB (et en pratique principalement la vitesse de transmission) ;
• les abréviations désignent les technologies optionnelles supplémentaires.

Générations de la norme

Au cours des 30 dernières années, la norme USB a été redéfinie en plusieurs générations. Bien qu'il puisse sembler qu'il y en ait beaucoup, en réalité, des changements majeurs ne se sont produits qu'une fois tous les 8 ans. Sur le marché dynamique de l'électronique, c'est un rythme exceptionnellement prudent. Regardons donc les versions les plus importantes de l'USB :

USB 1.0

Les premières versions de la norme n'étaient pas prévues pour la transmission rapide de données, par exemple le transfert de gros fichiers vers des mémoires portables. Les accessoires connectés via USB nécessitaient une bande passante relativement faible, c'est pourquoi la vitesse était ici limitée à 1,5Mb/s et 12Mb/s. Ces fréquences restent utilisées au stade de l'initialisation, ce qui permet même aux produits relativement anciens de rester compatibles avec les ordinateurs les plus modernes. Même certains nouveaux périphériques utilisent cette version de l'interface, car sa mise en œuvre est bon marché, et dans de nombreuses applications, une méthode de communication plus rapide reste inutile.

USB 2.0

La deuxième génération d'USB a apporté un énorme progrès en matière de transmission, la portant à 480Mb/s. Les capacités de courant de la connexion ont également été augmentées, atteignant maintenant 1,5A à 5V DC, soit une puissance de jusqu'à 7,5W. Ces paramètres ont permis d'utiliser l'USB pour charger des appareils mobiles, mais aussi d'alimenter de manière autonome des périphériques plus exigeants, tels que des disques durs portables ou des scanners.

USB 3.0

Les versions USB 3.0, puis 3.1 et 3.2, ont introduit d'autres améliorations en matière de transmission de données, qui a maintenant atteint jusqu'à 20Gb/s (appelée SuperSpeed). Malheureusement, cela impliquait une augmentation du nombre de lignes de transmission, et donc une refonte des fiches et prises (nous en parlerons dans un instant). Ces connecteurs ont été conçus pour rester compatibles avec les générations précédentes de câbles, et seule la pleine vitesse de transmission nécessitait l'utilisation d'un câble spécial. Ces différences ont perdu de leur importance avec l'introduction du format USB C.

Types de connecteurs USB

Et ici, nous arrivons à la question qui cause le plus de confusion parmi les consommateurs ordinaires – les formats de connecteurs. Les premières spécifications USB étaient extrêmement claires à cet égard : il ne devait exister que deux types de fiches : A et B. A était présent du côté de l'hôte, c'est-à-dire de l'ordinateur, la fiche B était placée dans la prise de l'appareil périphérique. Malheureusement, il est vite apparu que la miniaturisation nécessitait le développement de nouveaux formats de connecteurs clients (B) plus petits. Peu de temps après, les fabricants d'ordinateurs portables et de tablettes, rivalisant pour créer des appareils toujours plus fins et plus légers, ont également constaté un problème avec les dimensions du connecteur USB A classique à profil bas. En réponse à ces exigences, le format USB C a été créé, étant – on peut dire – une version encore plus universelle de l'interface universelle, utilisant des fiches et prises identiques pour tous les types d'appareils.

	USB A	Le format de connecteur le plus basique utilisé principalement dans les appareils de type hôte et les chargeurs. Produit en masse dans des formats pour montage sur cartes PCB en technologie traversante (THT) et en surface (SMD), ainsi que comme connecteurs pour montage sur câble.
	USB B	Format classique de connecteur client, encore rencontré dans certains appareils périphériques, principalement les imprimantes et les scanners.
	USB C	Le connecteur USB C, dont la pleine fonctionnalité est décrite plus loin dans le texte, se distingue par ses petites dimensions et sa construction symétrique, ce qui permet de l'associer dans deux orientations (rotation de 180° par rapport à l'axe de la fiche). Les prises de ce type sont parfois réalisées au format middle board mount, c'est-à-dire destinées à être installées dans une découpe de la carte PCB (présentée sur la photo). De cette manière, on obtient un profil de connecteur très bas (moins de 1 mm au-dessus de la surface du circuit imprimé).
	USB B mini	L'USB B mini était le premier format USB miniaturisé à être largement implémenté dans les appareils portables, principalement de plus grand format (par exemple, les appareils photo). Malheureusement, cette variante s'est avérée encore trop grande pour les smartphones et autres appareils « de poche ».
	USB B micro	L'USB B micro est, avec le C, le format de connecteur USB compact le plus populaire. Comme la version mini, le connecteur possède une broche supplémentaire, qui a été utilisée pour l'identification des appareils lors de la connexion de deux appareils destinés à fonctionner en mode client (voir : section USB OTG).

Il convient également de mentionner qu'entre-temps, plusieurs formats USB miniaturisés ont été créés, mais ils n'ont pas connu de popularité. Finalement, la fonctionnalité et les capacités de l'USB C ont fait de ce connecteur un standard de facto sur les marchés mondiaux, et même une norme officielle, légalement requise pour les appareils mobiles distribués sur les marchés de l'Union européenne.

Comparaison des fiches de différents formats (à l'échelle).

Couleurs des connecteurs

Avant de passer aux versions spécifiques de la norme, il convient de souligner que la couleur du connecteur (ou plutôt de sa partie en plastique) a également une signification. Cependant, il convient également de noter que les fabricants d'appareils n'utilisent pas toujours la méthode d'identification par couleur. Néanmoins :

• les connecteurs de couleur blanche sont conformes à la norme 1.0/1.1 ;
• la couleur noire est utilisée pour les appareils conformes au moins à la génération 2.0 ;
• les prises et fiches bleues possèdent des broches supplémentaires permettant d'exploiter pleinement les capacités de la technologie SuperSpeed offerte par l'USB 3.0 ;
• les prises turquoises rarement rencontrées indiquent la possibilité de transmission à une vitesse de 20Gb/s, qui n'était possible qu'avec la variante USB 3.2.Parfois, dans les ordinateurs et les ordinateurs portables, on peut également rencontrer des prises USB A rouges : de cette manière, on indique que le port en question a la capacité de fournir des courants importants (généralement même après l'arrêt de l'appareil), ce qui permet de charger des smartphones, des tablettes, etc.

Les connecteurs USB sur la carte mère du PC sont marqués comme prises de charge (rouges) et SuperSpeed (bleues).

Types spéciaux de connecteurs pour USB SuperSpeed

À plusieurs reprises, nous avons déjà rencontré la technologie SuperSpeed. Elle a été introduite dans la troisième génération de la norme. C'était un compromis entre la compatibilité rétroactive des appareils USB (attendue par les consommateurs) et l'accélération supplémentaire de la transmission. En conséquence, de nouveaux formats de fiches et de prises ont été présentés, où en plus des 4 broches « classiques », il y avait 5 connexions supplémentaires.

Les nouvelles lignes comprennent une connexion supplémentaire à la masse (drain GND, n° 8 sur l'illustration) et deux paires de signaux différentiels (6-7 et 9-10), une pour chaque direction de transmission. Cela signifie que les connexions de ce type permettent la transmission de données en mode full-duplex, c'est-à-dire simultanément dans les deux sens.

Le format USB micro SS diffère nettement de la norme originale, il est deux fois plus large.

Malheureusement, l'expansion des connecteurs, combinée à la multiplication des formats miniaturisés, a introduit de la confusion dans la norme USB. En bref, elle devenait de moins en moins conviviale pour les utilisateurs, en particulier pour les personnes ne suivant pas les nouveautés technologiques. De plus, les connecteurs compacts se sont avérés peu résistants aux tentatives accidentelles de connexion du câble en polarité inversée, il était facile de provoquer des dommages à la prise. Heureusement, tous ces problèmes ont été éliminés par le nouveau format de connexion, à savoir l'USB C.

Brochage du connecteur USB C

L'USB C dans sa version complète possède 12 connexions, mais 24 broches. Le nombre doublé résulte de la caractéristique mécanique des fiches, qui peuvent être connectées dans les deux orientations, ce qui facilite grandement leur utilisation. Ce qui est important : même une version aussi étendue du connecteur pour fonctionner en mode le plus basique (compatible avec l'USB 1.0 et 2.0) nécessite toujours seulement quatre lignes (les couleurs recommandées des fils n'ont même pas changé). Bien sûr, dans une telle configuration minimale, il faudrait utiliser au moins 8 broches, permettant une connexion symétrique (c'est-à-dire « à l'envers »). En pratique, toutes les lignes de l'USB C ne sont pas toujours utilisées et dans les appareils mobiles, on rencontre souvent des versions simplifiées du connecteur (à 12 et 16 broches), dépourvues de lignes supplémentaires servant à la transmission accélérée. Pour comprendre pourquoi une réduction supplémentaire du nombre de connexions serait problématique, examinons la construction des connecteurs.

Toutes les lignes du connecteur USB C (l'illustration montre la prise, c'est-à-dire la version femelle).

Sur l'illustration ci-dessus, on indique la disposition et les fonctions des broches dans la prise USB C. Leur utilisation se présente comme suit :

Normes et concepts connexes

Avec l'expansion de l'interface, la norme USB a commencé à être accompagnée d'autres technologies connexes, qui peuvent (mais ne doivent pas) être mises en œuvre dans les appareils. On rencontre leurs noms dans la documentation de nombreux équipements électroniques, principalement des produits grand public, tels que les smartphones ou les ordinateurs.

USB OTG, ou On-The-Go

Aujourd'hui, même un simple téléphone (sans parler d'une tablette) a une puissance de calcul suffisante pour gérer des périphériques autrefois réservés uniquement aux ordinateurs. Par exemple, cela peut être des imprimantes ou des dispositifs de pointage. La possibilité d'enregistrer des photos prises avec un smartphone sur une mémoire USB portable ne serait pas possible si ce dernier ne jouait pas le rôle d'hôte. En d'autres termes : les appareils mobiles gèrent de plus en plus souvent la communication de la bus USB, et servent même à fournir de l'alimentation aux accessoires. En même temps : ils doivent être capables de fonctionner en tant que client (par exemple, lorsqu'ils sont connectés à un ordinateur portable). La technologie USB OTG On-The-Go (de l'anglais signifiant « USB en déplacement ») prévoit la possibilité de négocier le rôle d'un appareil donné. Actuellement, cette méthode est mise en œuvre au niveau du logiciel et peut être réalisée avec n'importe quel connecteur USB – bien qu'à l'origine, un type spécial de connecteurs, AB, était prévu pour sa mise en œuvre, aujourd'hui pratiquement inexistant.

Power Delivery

L'USB joue couramment le rôle de connecteur d'alimentation, devenant la norme pour les connexions de courant continu dans les appareils grand public. Cependant, un ordinateur portable ou un haut-parleur portable nécessitent des tensions plus élevées et des courants plus importants que les petits accessoires (dans leur cas, 1,5A et 5V suffisent pour charger assez rapidement la batterie). Pour que les chargeurs équipés d'un connecteur USB puissent fonctionner avec différents types d'équipements, la spécification USB Power Delivery a été présentée en 2012. Actuellement (2024), sa 3e version est en vigueur (USB-PD 3.1). Le principe est simple : les chargeurs sont équipés d'un circuit « intelligent », c'est-à-dire un circuit réalisé à l'aide d'un microcontrôleur, qui négocie avec l'appareil connecté la valeur de tension et d'intensité, qui doivent être fournies (si l'appareil ne répond pas, c'est-à-dire ne prend pas en charge l'USB-PD, les valeurs restent au niveau standard). La norme définit 8 profils d'alimentation, pour lesquels la tension atteint une valeur de 5V, 9V, 15V, 20V, 28V, 36V ou 48V, et la puissance maximale se situe entre 0,1W et 240W. La communication entre le chargeur et le récepteur utilise la broche CC (spécifiée ci-dessus) contenue dans les connecteurs USB C.

Un coup d'œil vers l'avenir, c'est-à-dire USB4

Bien que nous ne nous en rendions peut-être pas compte, beaucoup d'entre nous utilisent déjà des appareils compatibles avec la 4e génération d'USB. Il a été décidé de l'appeler USB4 (au lieu de USB 4.0). Elle est prise en charge par les systèmes Windows (à partir de la version 11), OS X (à partir de Big Sur) et les noyaux Linux 5.6 et supérieurs (Android dans les appareils fournis depuis 2020). Le principal changement est bien sûr une nouvelle accélération de la transmission, qui peut maintenant atteindre jusqu'à 80Gb/s (bien qu'il faille garder à l'esprit qu'en pratique, peu d'appareils sont capables de lire/écrire des données à une telle vitesse). La 4e génération reste rétrocompatible, mais pour profiter pleinement de ses capacités, il est nécessaire d'utiliser un câble avec des connecteurs USB C, fabriqué selon une spécification déterminée. Il est intéressant de noter que la vitesse de transmission vertigineuse offerte par les ports USB fait lentement que cette technologie pénètre dans le domaine des multimédias. Les appareils mobiles, en particulier les tablettes, peuvent être connectés à un moniteur externe à l'aide d'un simple câble USB C ou d'un adaptateur de l'USB à la prise HDMI. Il est très possible que dans un avenir proche, le connecteur USB remplace également cette interface.

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