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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Informatique générale > L'interface USB version 2.0           Révision : 29 octobre 2002
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Jean-Claude Sohm (CERIG / EFPG)
(25 janvier 2002)
 

L'interface USB (conforme aux spécifications USB 1.1) connaît un succès certain. Aujourd'hui, scanners, imprimantes et appareils photographiques numériques en sont presque tous dotés. De nouvelles spécifications (USB 2.0) élèvent le débit maximal de 12 à 480 Mbps, tout en conservant la compatibilité avec les spécifications précédentes. Les premiers matériels sont déjà disponibles, l'éditeur Microsoft publie les pilotes destinés à Windows XP, les premières cartes-mères équipées en standard du contrôleur "USB rapide" sont annoncées, et le premier ordinateur équipé d'une carte PCI offrant des connecteurs "USB rapide" arrive sur le marché. On s'attend à ce que les ordinateurs soient systématiquement équipés de l'interface "USB rapide" d'ici la fin de l'année 2002, et à ce que le marché des périphériques se développe en 2003. Les interfaces FireWire (IEEE-1394) et "Hi-Speed USB"(USB 2.0) seront à la fois complémentaires et concurrentes.
 

Préambule

En savoir plus...

Dans une précédente note, nous avons vanté les mérites d'une nouvelle interface, l'USB (Universal Serial Bus), destinée à faciliter la connexion des périphériques à un ordinateur. A l'époque (octobre 1998), l'USB arrivait à peine sur le marché européen. Je me souviens encore de l'air ahuri d'un vendeur, dans le rayon micro-informatique d'une grande surface, au début de l'année 1998, lorsque je lui demandai s'il commercialisait un "scanner USB".

Connecteur usbAujourd'hui, l'USB est connu comme le loup blanc, et le vendeur prendrait un air ahuri si je lui réclamais un scanner "non-USB", car seuls les appareils haut de gamme réservés à la PAO sont encore munis de la seule interface SCSI. Situation analogue dans le domaine des imprimantes, où seules les machines d'entrée de gamme ou de sommet de gamme ne possèdent pas la connectivité USB en plus de la connectivité parallèle. Les appareils photographiques numériques, de plus en plus populaires, sont généralement équipés de l'interface USB, et plus particulièrement les modèles destinés au grand public.

Connecteur usbAujourd'hui, tous les PC sont pourvus de deux sorties USB (4 sur certains modèles), et d'un système d'exploitation "USB-enabled". Et il faut bien reconnaître que l'USB, couplé au PnP (Plug-and-Play), a tenu ses promesses : rien de plus facile, désormais, que de relier un périphérique à une machine -- l'époque où il fallait installer une carte d'interface, et procéder à divers réglages (IRQ, zone mémoire, DMA) est bel et bien morte. Mais, contrairement à ce qui avait été annoncé, le clavier et la souris continuent généralement à utiliser leurs connecteurs spécifiques. Enfin, les caméscopes et magnétoscopes numériques n'utilisent pas l'USB, dont le débit est insuffisant ; ils sont généralement dotés d'un connecteur FireWire (IEEE 1394), dont le débit maximal vaut 400 Mbps.
 

La nouvelle interface USB

Le document décrivant la version 1.0 de l'interface USB fut publié en janvier 1996, et celui décrivant la révision 1.1 en septembre 1998. C'est au "Intel Developer Forum" du printemps 1999 que fut annoncée la création d'un groupe d'entreprises (Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC et Philips) destiné à faire évoluer l'interface USB. Les spécifications définitives ont été publiées, sous le nom USB 2.0, le 27 avril 2000. Par rapport aux spécifications précédentes (USB 1.1), la principale amélioration réside dans l'accroissement de la vitesse maximale de transfert, qui passe de 12 à 480 Mbps. Il s'agit là de valeurs nominales ; les débits réels observés sont inférieurs d'au moins 10 %, commandes comprises (overhead).

La compatibilité ascendante (backwards compatibility) entre l'ancienne et la nouvelle interface est censée être complète :

    les câbles et les connecteurs ne changent pas, la structure (en arbre, sur cinq niveaux au maximum) du réseau de périphériques non plus ;
  la possibilité de connexion "à chaud", c'est à dire sans arrêter l'ordinateur et le périphérique, est toujours offerte ;
  les périphériques utilisant l'USB "lent" peuvent être raccordés à la nouvelle interface USB "rapide". Il faut cependant construire son réseau USB de telle sorte que les périphériques lents n'empêchent pas les périphériques rapides de fonctionner comme tels ;
  le nombre maximal de périphériques raccordables n'est pas modifié (127), pas plus que la distance maximale entre l'ordinateur et le périphérique le plus éloigné (5 mètres).

Il a même été dit qu'un périphérique équipé de la nouvelle interface pourrait être raccordé à un connecteur utilisant l'ancienne, le débit étant de ce fait limité à 12 Mbps. Même si cela fonctionne, on n'en voit guère l'intérêt.

L'interface USB évolue

La principale modification concerne le débit maximal, qui est multiplié par un facteur 40. La compatibilité ascendante est assurée.

L'augmentation considérable de la vitesse de la nouvelle interface permettra son utilisation par des périphériques gourmands en débit, tels que les lecteurs/graveurs rapides de CD et de DVD, et les disques durs externes. Les nouveaux contrôleurs USB seront à peine plus onéreux que les anciens, ce qui devrait faciliter leur implantation sur le marché.

On se souvient cependant que la première spécification de l'USB avait mis trois ans à s'imposer (1995-98). Il semble que la nouvelle spécification prenne le même chemin. Si vous achetez une machine aujourd'hui, elle est encore équipée de l'ancien USB, et son système d'exploitation risque fort de ne pas supporter la nouvelle spécification.

Au Consumer Electronics Show, le 8 janvier dernier à Las Vegas, les dernières réalisations commerciales ont été présentées :

    le premier PC équipé de la nouvelle interface (Gateway 700XL) ;
  les pilotes complétant le système d'exploitation Windows XP de Microsoft. Ils sont désormais distribués aux OEM, et feront partie de la prochaine mise à jour en ligne (Windows Update). Ils étaient annoncés depuis un an environ ;
  les deux premières cartes-mères Intel équipées d'un contrôleur USB 2, supportant jusqu'à cinq connecteurs.

Des périphériques rapides équipés du nouveau bus sont annoncés depuis le milieu de l'année 2001, mais les acheteurs ne se bousculent pas. Il y a deux bonnes raisons à cette situation :

    les PC arrivent encore sur le marché équipés de l'ancienne interface USB "lente" ;
  les systèmes d'exploitation dont ils sont équipés, y compris le plus récent (Windows XP), ne reconnaissent pas l'interface USB "rapide".

Pour raccorder un périphérique équipé de l'interface "rapide", il faut installer une carte PCI (ou PCMCIA dans le cas d'un portable) à l'intérieur de la machine, et son coût est de l'ordre de 50 €. On trouve sur le marché, depuis décembre 2001, des cartes comportant de 2 à 5 sorties USB de ce type. Le japonais NEC aurait déjà fabriqué 2 millions de contrôleurs USB "rapide" en 2001, destinés à équiper les cartes PCI, ainsi que les concentrateurs et les périphériques. C'est seulement vers le milieu de cette année 2002 qu'Intel commercialisera son nouveau chipset USB 2 et l'installera sur ses cartes-mères, et vers la fin de l'année que l'on trouvera des PC qui en soient équipés en standard. Intel ne prévoit pas un développement notable de la nouvelle interface USB "rapide" avant 2003.

L'USB rapide arrive lentement

Comme d'habitude, les commentateurs ont péché par excès d'enthousiasme. L'USB "rapide" n'arrivera pas en force sur le marché avant 2003.

On a dit que, pendant une partie de l'année 2000, Microsoft avait boudé la nouvelle interface. Des bruits ont couru sur la difficulté d'implémenter les nouvelles spécifications, et sur des dissensions entre les sociétés qui les avaient rédigées. En fait, assurer l'interopérabilité ente les matériels issus de divers constructeurs prend plus de temps et de peine que rédiger de nouvelles spécifications. C'est pourquoi il n'est pas anormal qu'un délai de deux ans se soit écoulé avant que les premiers produits ne voient le jour. De ce fait, Microsoft n'a pas pu tester son nouveau système d'exploitation avec des produits relativement au point avant de le publier.

Quel que soit le motif, le système d'exploitation Windows XP est arrivé sur le marché à l'automne 2001 sans être "USB 2 enabled". L'éditeur a promis début 2001 que cette situation serait corrigée en janvier 2002, et cette promesse a effectivement été tenue : des pilotes sont disponibles sur le site de Microsoft via Windows Update. Mais il faudra encore attendre quelques mois pour que le système d'exploitation Windows 2000 soit équipé à son tour. Les utilisateurs de Windows 98 SE (Second Edition) et de Windows Millenium doivent recourir aux pilotes fournis par les fabricants de matériel USB rapide. Par exemple, Adaptec fournit avec ses cartes PCI des pilotes pour Windows 98 SE, Windows ME (Millenium Edition), Windows 2000, Macintosh OS 9 et OS X 10. Rappelons que Windows NT 4 ne connaît pas l'USB, et que les pilotes USB destinés à Windows 95 n'ont pas fonctionné de manière vraiment satisfaisante.

Attention ! Le terme "pilotes" (ou "pilotes de périphérique") désigne en fait deux types d'exécutables :

    les pilotes de bas niveaux, qui sont créés par l'éditeur du système d'exploitation, et permettent à ce dernier de gérer un type particulier de périphérique. Ils font partie du système d'exploitation, ou sont fournis ultérieurement à l'utilisateur à l'occasion d'une mise à jour ;
  les pilotes de haut niveau, qui sont fournis par le constructeur du périphérique, et qui tiennent compte des particularités techniques de ce dernier. C'est souvent les pilotes de haut niveau que l'on invoque lorsqu'on parle de "pilotes" sans autre précision.

On notera que la dernière version de Linux supporte l'USB rapide.
 

Un peu de technique

L'USB n'est pas seulement une interface, c'est aussi un système qui gère des entrées/sorties (E/S, en anglais I/O), fonctionnant suivant le schéma maître/esclave. On appelle ainsi le protocole (ou parfois l'architecture) dans lequel un dispositif (le maître) contrôle un ou plusieurs autres dispositifs (les esclaves). A partir du moment où le protocole est établi, les ordres et les données vont toujours du maître vers les esclaves.

En ce qui concerne l'USB, le maître est le contrôleur USB de l'unité centrale de l'ordinateur, et les périphériques sont les esclaves. C'est le contrôleur qui identifie les périphériques sur le bus, qui leur assigne une adresse, et qui charge en mémoire vive les pilotes nécessaires. C'est lui qui initie les transactions à destination d'un périphérique donné, ou en provenance de lui.

Un bus USB possède une topologie arborescente qui peut s'étendre sur cinq niveaux. Pour connecter plusieurs périphériques à une unité centrale ne possédant qu'une seule sortie, il faut utiliser un concentrateur (hub). En plus de son rôle de connexion (de 4 ou 7 connecteurs en général), le concentrateur fonctionne comme un répéteur bidirectionnel et gère, si nécessaire, l'énergie requise par les périphériques qui lui sont raccordés. En général, le concentrateur s'alimente en énergie sur le bus lui-même. Le concentrateur peut recevoir des instructions de l'unité centrale.

Tous les périphériques USB sont des esclaves et doivent respecter le protocole USB. L'unité centrale expédie des messages sur le bus (tokens), et le périphérique concerné répond. Les échanges d'information entre unité centrale et périphériques s'effectuent par paquets. On distingue quatre types d'échanges (transfers) :

    ceux qui sont destinés à identifier et configurer un périphérique qui vient d'être connecté (control transfers) ;
  ceux qui sont réservés à certains périphériques d'entrée (interrupt transfers), tels que les claviers ou la souris ;
  ceux qui s'effectuent sans confirmation de la réception des paquets (isochronous transfers), et qui sont destinés au transport de la voix ;
  ceux qui s'effectuent avec confirmation de la réception des paquets (bulk transfers), et qui concernent la plupart des périphériques.

Lorsqu'un périphérique est introduit dans le bus USB, les événements suivants se produisent (phase dite d'énumération) :

    l'ordinateur envoie un message d'interrogation à l'adresse par défaut du bus ;
  le périphérique nouvellement connecté s'identifie ;
  l'ordinateur attribue une adresse à ce nouveau périphérique ;
  le système d'exploitation charge les pilotes en mémoire vive et configure le périphérique ;
  le périphérique devient opérationnel.

Après des débuts difficiles, le protocole PnP (Plug-and-Play) est maintenant bien au point, et ses rares échecs sont généralement dus à une erreur de configuration du BIOS. Tous les périphériques USB sont également PnP. Lors de la première connexion, l'opérateur se contente donc de fournir les pilotes au systèmes d'exploitation, si ce dernier ne les possède pas déjà dans sa bibliothèque.

Notons pour terminer qu'un câble USB contient quatre conducteurs, deux pour les échanges de données (le bus USB fonctionne en série), et deux pour fournir de l'énergie aux dispositifs qui ne sont pas alimentés à partir du secteur. La gestion générale de l'énergie du bus USB est assurée par l'unité centrale.
 

Les interfaces concurrentes

Au début des années 80, l'imprimante était pratiquement le seul périphérique raccordable, et l'interface série -- remplacée ensuite par l'interface parallèle -- suffisait largement. La multiplication des périphériques disponibles sur le marché a fait évoluer la technologie. On voit, certes, des utilisateurs qui raccordent une imprimante, un scanner et un modem sur le même connecteur parallèle, mais c'est un peu de l'acrobatie. La bonne solution consiste à utiliser un bus, et l'interface SCSI a été créée pour cela (au cours des années 80). Elle a, pendant un temps, été montée en standard sur les ordinateurs Apple, avant d'être remplacée par l'USB. Aujourd'hui, l'interface SCSI, dans sa variété la plus performante (ultra-wide), est surtout utilisée pour relier les disques durs des serveurs à la carte-mère. L'arrivée de l'interface "USB rapide" devrait chasser l'interface SCSI des dernières autres applications qui lui restent.

logo firewire logo usbHistoriquement, l'interface FireWire (nom commercial du IEEE-1394) est née avant l'USB, mais son créateur (Apple) a beaucoup peiné pour l'introduire sur le marché. Jusqu'à présent, les interfaces USB et FireWire étaient considérées comme complémentaires, et ne se faisaient pas concurrence :

    les périphériques courants (scanner, imprimante, joystick), qui se contentent d'un débit inférieur à 12 Mbps, mais qui requièrent un contrôleur d'interface économique, utilisent l'USB courant (USB 1.1) ;
  les périphériques plus onéreux, mais plus gourmands en débit (caméscope numérique par exemple), utilisent l'interface FireWire, dont le contrôleur coûte un peu plus cher, et qui n'est pas montée en standard sur les PC.

Le fait que la nouvelle interface USB rejoigne en débit le FireWire risque-t-il de modifier cette situation ? Il n'y a rien de plus hasardeux que de prédire l'évolution d'un marché, si bien que les réponses contradictoires ne manquent pas. Deux scénarios ont été proposés :

    l'interface FireWire est déjà bien implantée dans le domaine A/V (audio/vidéo) grand public (caméscope & magnétoscope numériques), et le fait que son débit maximal soit bientôt doublé (de 400 à 800 Mbps) lui permettra de conserver ce marché. L'interface USB rapide arrive trop tard pour lui faire de l'ombre ; elle trouvera sa niche dans le raccordement des disques durs externes de grande capacité (100 Go ou plus), des lecteurs/graveurs rapides de CD et de DVD, des caméras de vidéo-conférence, etc. Les deux interfaces coexisteront dans un marché où les périphériques sont de plus en plus nombreux. La compétition entre les deux interfaces n'est pas un jeu à somme nulle ;
  le contrôleur de l'USB 2 est plus économique que celui du FireWire, et on le trouvera bientôt sur tous les PC. La tentation sera forte, pour les constructeurs de périphériques à fort débit, de privilégier une interface présente sur 97 % des machines (la part mondiale de marché d'Apple est tombée en-dessous de 3 %). A terme, le sort du FireWire est réglé, et Apple devra abandonner cette interface tôt ou tard au profit de l'USB rapide.

L'interface FireWire est rarement présente en standard sur les PC ; seuls quelques modèles de Sony et de Compaq en sont équipés. De plus, hors du domaine audio/vidéo, rares sont les constructeurs de périphériques qui l'utilisent. Une des raisons invoquées est le montant trop élevé de la redevance demandée par Apple, qui est propriétaire de la technologie FireWire. Depuis, Apple a réduit ses prétentions, mais l'USB 2.0 a fait son chemin, et sa licence est gratuite. Pour l'instant, la technologie FireWire est commercialisée (contrôleurs et/ou pilotes) par les entreprises suivantes : Apple, AMD, AT&T, Cirrus Logic, NCR, IBM, Lexmark, Microsoft, Mitsubishi, Molex, Notional Semiconductors, Philips, Skipstone et Texas Instruments.

L'interface FireWire possède une qualité particulière : elle peut fonctionner en poste à poste (point-to-point, peer-to-peer), c'est à dire que deux périphériques qui en sont équipés peuvent échanger des données entre eux sans être raccordés à un ordinateur. L'interface USB, par contre, est du type maître/esclave : seul l'ordinateur peut échanger des données avec les périphériques. Le fonctionnement poste à poste doit avoir son importance, car une nouvelle spécification (révision 1.0, baptisée "USB On-The-Go") vient de voir le jour (18 décembre 2001), qui doterait l'USB rapide du fonctionnement poste à poste. Ce point mis à part, les deux interfaces présentent pratiquement les mêmes propriétés -- à ceci près que le bus FireWire possède une topologie linéaire, et l'USB une topologie arborescente (sur cinq niveaux au maximum).

USB rapide et FireWire

Les deux interfaces seront à la fois concurrentes et complémentaires sur le marché des périphériques.

La discussion sur la concurrence possible entre les interfaces USB rapide et FireWire a pris une tournure passionnée, du fait que la seconde est née des travaux d'Apple, et qu'elle est montée en standard sur les machines G4. Les mac-maniaques ont vu dans l'USB rapide une manœuvre sournoise menée par le clan PC contre leur cher Mac, et ils l'ont fait savoir haut et fort sur le web. Depuis qu'Apple a passé des accords avec Microsoft, ce dernier ne joue plus le rôle d'ennemi héréditaire. Qu'importe ! les mac-maniaques ont trouvé un nouveau bouc émissaire : Intel. Ceux qui s'intéressent encore à ce genre de querelle pourront consulter à son propos une opinion fort mesurée.
 

Conclusion

Si l'on en croit l'association "USB Implementers Forum", 2002 sera l'année de l'USB 2.0, encore appelé "USB rapide" (Hi-Speed USB). En fait, la nouvelle interface soufre du même "syndrome de la poule et de l'œuf" que celle qui l'a précédée : les périphériques USB 2 ne peuvent se développer que si les PC sont équipés de l'interface, et les fabricants de cartes-mères hésitent à installer le nouveau chipset tant qu'il n'y a pas de périphériques sur le marché...

Les bons esprits qui avaient prédit un développement rapide de l'USB 2 dès la deuxième moitié de 2001 ont péché par excès d'enthousiasme. Il parait peu probable que l'USB 2 connaisse un développement significatif avant l'année prochaine, même s'il semble presque certain que ce développement viendra. Mais attention ! malgré le coup de torchon qu'a connu la nouvelle économie, le "hype" (abréviation de "discours hyperbolique") n'est pas mort. Ne parle-t-on pas de 600 millions de périphériques "USB rapide" installés fin 2004 ? Les sociétés de service qui font des études de marché mirobolantes ont encore de beaux jours devant elles : il y aura toujours des naïfs pour les croire.

Pour l'instant, personne ne sait si les interfaces FireWire et USB rapide seront concurrentes ou complémentaires sur le marché -- sans doute verra-t-on les deux cas se présenter, selon les stratégies des fabricants de périphériques, et les considérations de coût. La société Apple adoptera-t-elle un jour l'USB rapide ? Le PC sera-t-il équipé en standard de l'interface FireWire ? Ces perspectives sont à court terme fort peu vraisemblables.
 

Compléments

Neuf mois se sont écoulés depuis la première rédaction de ce texte, et l'interface USB2 fait son chemin. Non seulement les PC en sont de plus en plus souvent équipés d'origine, mais on trouve maintenant sur le marché européen du matériel à leur connecter. Le premier équipement que nous avons rencontré (sans l'avoir cherché) est un lecteur/graveur externe de CD-R/RW, qui fonctionne à une vitesse folle, et dont on trouve déjà plusieurs exemplaires dans notre établissement.

USB On-The-Go (encore appelé OTG) refait parler de lui. Les premiers produits devraient arriver pour les fêtes de fin d'année (2002), aux Etats-Unis du moins. Une page est désormais consacrée à cette variante de l'USB sur le site de ses créateurs. L'avenir de l'USB OTG se situe dans les dispositifs mobiles, auxquels il permet d'échanger des données sans passer par un micro-ordinateur. Exemple : relier directement un appareil photo numérique à une imprimante ou à un disque dur externe. Dans ce type d'application, l'USG OTG entre en compétition avec Bluetooth (communication infrarouge) et le FireWire.

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