Dans cet article, nous verrons à quel point l'interface USB est omniprésente, nous verrons comment la norme a évolué et nous discuterons des changements qu'a subis le type de connecteur USB

Où que vous soyez : l'USB est omniprésent.
Il est facile de sous-estimer l'impact considérable de l'interface USB sur notre rapport quotidien à la technologie. Depuis son apparition il y a une vingtaine d'années, les connecteurs USB sont devenus aussi courants que les clés de maison. Souvent, on branche un périphérique USB et on l'oublie, comme un clavier d'ordinateur. Dans d'autres cas, on le branche et le débranche plusieurs fois par jour, comme un téléphone portable dans le système multimédia d'une voiture. Le soir, beaucoup d'entre nous branchent leurs téléphones, traqueurs d'activité ou tablettes sur des prises secteur USB pour les recharger et les avoir prêts pour le lendemain. Les connecteurs USB sont de plus en plus utilisés pour l'alimentation plutôt que pour le transfert de données, ce qui témoigne de notre forte dépendance à cette interface.

L'évolution de l'USB :
La première génération de bus série universel (USB), l'USB 1.0, a été lancée en 1996 par l'USB Implementers Forum (USB-IF). Son lancement a été soutenu par certains des principaux fabricants de matériel informatique de l'époque, tels que Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC et Nortel, avec l'idée initiale d'établir une méthode standard pour connecter les ordinateurs et les périphériques.
La croissance exponentielle des ordinateurs de bureau et de leurs périphériques (disques durs externes, claviers, souris, imprimantes, webcams, lecteurs multimédias portables, etc.) a conduit au développement de nombreuses méthodes de connexion, dont certaines étaient propriétaires. L'absence de connexion standard a limité la croissance du marché pour les différents fabricants de périphériques indépendants. Au milieu des années 1990, les méthodes courantes de connexion des périphériques étaient le port série RS232 et l'interface parallèle Centronics ; aucune de ces méthodes ne fournissait d'alimentation et toutes deux nécessitaient des connaissances techniques pour leur configuration. Parmi les autres connecteurs figuraient IBM PS/2, DIN et SCSI.
Dès le départ, la spécification USB exigeait une interface simple. Cela signifiait qu'aucune configuration n'était nécessaire et qu'il était possible de brancher et de débrancher l'appareil pendant que l'ordinateur était allumé, permettant ainsi d'ajouter et de retirer des périphériques sans interrompre le fonctionnement de l'ordinateur hôte. Presque tous les périphériques compatibles nécessitaient une alimentation ; l'USB 1.0 offrait donc une capacité de 5 V CC / 0,5 A / 2,5 W. L'alimentation du périphérique éliminait le besoin de câbles et d'alimentations supplémentaires. L'USB spécifiait également un petit nombre de types de connecteurs pour les périphériques et l'ordinateur hôte. Les caractéristiques électriques étaient extrêmement simples : un câble à quatre fils, deux pour l'alimentation et une paire torsadée pour les données. Au cours de la première décennie de l'USB, de nombreux types ont vu le jour, bien que beaucoup soient aujourd'hui obsolètes. Il arrivait que la spécification du connecteur, comme le type A, soit confondue avec la spécification du bus, comme l'USB 3.1 (voir figure 1).

Au fil des ans, la spécification USB a continué d'évoluer, tant en termes de débits de transfert de données que d'alimentation. L'USB 1.0 d'origine établissait deux débits de signalisation (12 Mbits/s et 1,5 Mbits/s). Afin de simplifier la terminologie technique pour le grand public, chaque spécification de vitesse était désignée par un nom non technique. La norme 12 Mbit/s était appelée « USB Full Speed », et la norme 1,5 Mbit/s « USB Low Speed ». L’USB-IF a conservé cette stratégie avec l’USB 2.0 en 2000 (la norme 480 Mbit/s était appelée « High Speed »), et en 2008, l’USB 3.0, d’une capacité de 5 Gbit/s, est devenu « SuperSpeed ​​USB » (voir figure 2).

En 2013, l'USB 3.1 SuperSpeed+ offrait des vitesses allant jusqu'à 10 Gbit/s, et l'USB 3.2, en 2017, a introduit une technologie à double voie, doublant le débit à 20 Gbit/s. En un peu plus d'une décennie, les vitesses de transfert ont été multipliées par 1 666 et l'adoption de l'USB s'est rapidement généralisée. L'USB a également surpassé d'autres technologies concurrentes de l'époque, telles que FireWire, la méthode d'Apple, plus rapide mais plus complexe.
L'USB 3.0 a permis plusieurs évolutions des vitesses de transfert de données et, plus important encore, l'annonce du connecteur USB-C. Ce connecteur se distingue par sa compatibilité avec une gamme encore plus large d'appareils et par le fait qu'il ne nécessite aucun sens de branchement particulier. L'USB-C s'est rapidement imposé comme la principale méthode de charge et d'alimentation des appareils portables, des téléphones mobiles aux ordinateurs portables. Sa capacité d'alimentation est désormais équivalente à celle d'un adaptateur secteur classique. De plus, l'USB-C et l'USB 3.0 ont introduit une gamme distincte de tensions de sortie : 9, 12, 15 et 20 V.

L'USB s'est toujours efforcé de respecter ses objectifs initiaux. La longueur des câbles est restée relativement courte, l'idée étant de connecter des périphériques situés au même emplacement physique que le périphérique principal, plutôt que de les mettre en réseau. Par ailleurs, la topologie de connexion exige que toutes les communications transitent par le contrôleur principal. Les périphériques ne peuvent pas se connecter et communiquer directement entre eux.

Architecture et concepts USB :
L’USB fonctionne selon une topologie en étoile à plusieurs niveaux, où le contrôleur principal, ou périphérique hôte « en amont », est généralement situé sur un ordinateur. Jusqu’à 127 périphériques peuvent être connectés à un seul contrôleur via plusieurs concentrateurs. Les périphériques connectés sont classés selon leur catégorie (IHM, transmission multimédia, etc.). Chaque périphérique, tel qu’un clavier, est identifié de manière unique par une adresse et, généralement, par trois points de connexion logiques. Chaque point de connexion a une fonction spécifique, et la spécification autorise jusqu’à 32 points de connexion sur un seul périphérique (voir figure 4).

La communication entre le contrôleur hôte et le périphérique s’effectue via des canaux bidirectionnels, de contrôle et de données. Les fonctions de ces canaux dépendent de la catégorie du périphérique, qui définit généralement les types de transfert de données. Il existe quatre types de transfert de données : contrôle, interruption, transfert en bloc et isochrone.
La figure 5 illustre les attributs de chaque type de transfert de données, avec un exemple d’utilisation pour chacun.

Le processus d’initialisation (énumération) du périphérique a lieu lorsqu’un périphérique USB est connecté à un contrôleur hôte. Cette étape consiste pour l'hôte à envoyer un signal de réinitialisation au périphérique et à demander des paramètres afin de déterminer sa classe et son débit de transfert. Dès réception de ces informations, le contrôleur hôte attribue au périphérique une adresse unique de 7 bits, après quoi la communication peut débuter.

Pour une explication plus détaillée et technique de l'architecture et du fonctionnement de l'USB, vous trouverez des ressources utiles sur le site web de l'USB-IF. La note d'application AN57294 d'Infineon (anciennement Cypress) fournit également une explication détaillée du fonctionnement de l'USB 2.0.

La spécification USB4, fruit d'une évolution continue :
fin 2019, l'USB-IF a annoncé sa spécification. S'appuyant sur l'USB 2.0 et l'USB 3.4, l'USB4 est principalement basé sur le protocole Thunderbolt. Des vitesses de transfert de données allant jusqu'à 40 Gbit/s sont atteintes grâce à deux lignes de connecteurs USB Type-C et des câbles certifiés. De nombreux protocoles de données et d'affichage peuvent partager efficacement la bande passante maximale de l'USB4. La rétrocompatibilité avec l'USB 2.0 est maintenue et, nouveauté, l'USB4 est compatible avec les périphériques Thunderbolt 3. L'USB-IF s'est fixé comme objectif pour l'USB4 de favoriser la convergence vers l'USB Type-C, afin d'éviter la confusion engendrée par la présence de nombreux connecteurs plus anciens. Certains secteurs créatifs, tels que l'animation et le montage vidéo, bénéficient depuis longtemps des excellents débits de transfert du Thunderbolt 3 ; son intégration à l'USB4 ouvrira donc la voie à de nombreux nouveaux cas d'utilisation. L'USB4 peut également prendre en charge d'autres protocoles de transfert populaires, tels que PCIe et DisplayPort.
Pour une introduction détaillée à l'USB4, « Présentation du système USB4 » sera particulièrement utile.
L'USB-IF continue de développer des services de test et de conformité pour les fabricants d'appareils. Alors que l'USB-C s'est imposé dans les applications de charge et d'alimentation, et que l'USB4 s'étend à une gamme plus large de périphériques, l'USB-IF a créé le EnablingUSB, où sont affichés les nouveaux logos utilisés pour informer les consommateurs sur la certification des produits.

USB Products
propose une vaste gamme de produits USB provenant de distributeurs de renom afin d'accompagner les ingénieurs dans le développement et la production d'applications USB.
Parmi ces produits figurent notamment une gamme de modules d'évaluation USB Type-C de FTDI Chip. Les modules FT233HP et FT4233HP offrent une connectivité USB Type-C haut débit grâce à deux ports Type-C. L'un des ports peut servir à la fois de source d'alimentation et de point d'entrée d'alimentation. L'autre port est exclusivement dédié à la source d'alimentation. Ces ports prennent en charge plusieurs profils d'alimentation USB 3.0, de 5 à 20 V. Les options de connectivité série hôte incluent UART, SPI, I2C et JTAG. Les modules intègrent également les circuits intégrés de pont USB haut débit de FTDI, les FT233HP et FT4233. Ces périphériques USB 3.0 sont dotés d'un contrôleur RISC 32 bits et sont rétrocompatibles avec les normes USB 2.0 de 480 Mbit/s et 12 Mbit/s.
Les USB58x et USB59x (Microchip Technology), compatibles USB 3.1 Gen 1, peuvent implémenter six ou sept ports aval USB 3.1 Gen 1 et intègrent la technologie de répartition de ports de Microchip. Cette technologie permet d'utiliser un seul port aval USB simultanément pour des périphériques USB 3.1 et USB 2.0. Les capacités de pontage des USB58 et USB59 permettent une utilisation transparente des interfaces I2C, SPI ou GPIO via USB. La Microchip EVB-USB5816 constitue une plateforme idéale de démonstration et de prototypage pour la USB5816 . La figure 5 illustre l'architecture interne du circuit intégré de pont USB5816 de Microchip, en présentant les six ports aval et le port amont.

Pour les applications d'alimentation USB, le contrôleur USB Type-C Infineon/Cypress EZ-PD CCG3PA est idéal pour la charge de téléphones et de tablettes. Il intègre un cœur de processeur Arm Cortex-M0 et offre une protection contre les défaillances système (sous-tension, surtension ou courant de sortie élevé) ; il est également conforme à la spécification USB-IF Power Delivery 3.0.

USB : une technologie toujours plus performante.
Le bus série universel (USB) est devenu l'interface filaire courte portée et haut débit par excellence pour quasiment tous les types d'appareils. Ces dernières années, avec l'arrivée des connecteurs USB Type-C et l'accent mis sur l'alimentation, l'USB a franchi de nouvelles étapes pour accroître son attrait et sa popularité.
L'intégration de la connectivité USB et des capacités d'alimentation dans les spécifications de conception est essentielle pour les ingénieurs en matériel et les développeurs de systèmes embarqués. Les principaux fabricants de semi-conducteurs proposent une large gamme d'interfaces, de contrôleurs et de circuits intégrés d'alimentation compatibles USB-IF qui peuvent servir de base à une conception. Les cartes d'évaluation, les kits de développement et les conceptions de référence permettent d'accélérer le passage du concept initial à la réalisation.

+++Fin

Distributeur agréé Mouser Electronics