Universal Serial Bus

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Connecteur USB de type A mâle.
Symbole de l'USB.

Le Universal Serial Bus (USB, en français Bus Universel en Série) est une norme relative à un bus informatique en transmission série qui sert à connecter des périphériques informatiques à un ordinateur ou à tout type d'appareil prévu à cet effet ( tablette, smartphone). Le bus USB permet de connecter des périphériques à chaud (quand l'ordinateur est en marche) et en bénéficiant du Plug and Play qui reconnaît automatiquement le périphérique [N 1]. Il peut alimenter les périphériques peu gourmands en énergie ( clé USB, disques SSD). Apparu en 1996, ce connecteur s'est généralisé dans les années 2000 pour connecter souris, clavier d'ordinateur, imprimantes, clés USB et autres périphériques sur les ordinateurs personnels.

Les performances de l'USB, notamment concernant les débits, se sont grandement améliorées au fil des versions (USB 2.0, 3.0, 3.1…), de 1,5 Mb/s pour la version 1.0 à 10 Gb/s théoriques pour la version 3.1.

Évolution de la norme USB

L’USB a été conçu au milieu des années 1990 afin de remplacer les nombreux ports externes d’ordinateurs, lents, encombrants ( port parallèle, port série, port SCSI...), spécialisés (ports clavier PC DIN, puis PS/2 mini-DIN, port souris) et incompatibles les uns avec les autres. Des versions successives de la norme ont été développées au fur et à mesure des avancées technologiques, chacune étant vouée à remplacer les précédentes car plus performante. Une clé de cette généralisation tient au fait que de simples puces de faible coût gèrent en temps réel toute la logique de sérialisation et de partage — de complexité, croissante au fil des versions — de l'USB [1].

USB 1.0 et USB 1.1

En 1996, la première version de la norme, l'USB 1.0, est spécifiée par sept partenaires industriels (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC et Northern Telecom). Mais elle reste théorique et n'a pas vraiment été appliquée : par manque de composants.

Il faut attendre la seconde version de la norme 1998, intitulée USB 1.1, pour que l'USB commence à être effectivement utilisé [2]. Ce que nous appelons couramment "USB 1" est donc en réalité de l'USB 1.1.

L'USB 1.1 apporte des corrections à la norme 1.0 et définit également deux vitesses de communication :

  • le mode lent (Low Speed) a un débit de 1,5 Mbit/s. Il permet de connecter des périphériques qui ont besoin de transférer peu de données, comme les claviers et souris ;
  • le mode pleine vitesse (Full Speed) débite à 12 Mbit/s. Il est utilisé pour connecter des imprimantes, scanners, disques durs, graveurs de CD et autres périphériques ayant besoin de plus de rapidité. Néanmoins, il est insuffisant pour beaucoup de périphériques de stockage de masse (ce mode permet la vitesse « 10 X » des CD).

En août 1998, avec la sortie de l' iMac G3, Apple est le premier [3] constructeur à proposer un appareil disposant uniquement de ports USB en remplacement des ports d'ancienne génération, ce qui a fait décoller [3] le marché des périphériques USB.

USB 2.0

En avril 2000 est publiée la norme USB 2.0, qui optimise l'utilisation de la bande passante [2], qui débite théoriquement à 480 Mbit/s, baptisé Haute vitesse (en anglais High Speed). Il est utilisé par les périphériques rapides : disques durs, graveurs, etc. Au moment de sa sortie, la plupart des périphériques ont d'ailleurs une vitesse inférieure à celle permise par l'USB 2.0.

En 2005, le Wireless USB, une version sans-fil de l'USB, est spécifiée par le Wireless USB Promoter Group. Elle promet 400 Mbit/s à une distance de 3 m et 112 Mbit/s à 10 m [4].

En 2007, l'extension On-The-Go (OTG), ajoutée à la norme USB 2.0 permet d'effectuer des échanges de données point à point entre deux périphériques sans avoir à passer par un hôte (généralement un ordinateur personnel). La norme OTG s'impose désormais comme un standard.

USB 3.0

En 2008, l'USB 3.0 introduit le mode vitesse supérieure (SuperSpeed), qui débite théoriquement à 5 Gbit/s [5]. Mais ce nouveau mode utilisant un codage des données de type 8b/10b, la vitesse de transfert réelle est de seulement 4 Gbit/s. L'USB 3 délivre une puissance électrique maximum de 4,5 watts soit 0,9  A5 volts).

Les nouveaux périphériques disposent de connexions à 6 contacts au lieu de 4, mais la compatibilité ascendante des prises et câbles avec les versions précédentes est assurée. En revanche, la compatibilité descendante est impossible, les câbles USB 3.0 de type B n'étant pas compatibles avec les prises USB 1.1/2.0 [6], mais il existe des adaptateurs [réf. nécessaire].

Début 2010, l'USB 3.0 est introduit dans des produits grand public. Les prises femelles correspondantes sont signalées par une couleur bleue. Apparition aussi des prises femelles USB rouges, signalant une puissance électrique disponible supérieure, et appropriée au chargement rapide de petits appareils y compris (à condition de le paramétrer dans le BIOS ou l' UEFI) lorsque l'ordinateur est éteint.

D'autres couleurs, non normalisées et donc propres à chaque constructeur (bleu ciel, gris...), signalent quels ports USB sont reliés à des adaptateurs distincts, ce qui est important pour les questions de performance (débits parallèles) ou de fiabilité. Le jaune est souvent utilisé pour indiquer quels ports sont à alimentation rémanente quand la machine est hors tension.

USB 3.1

Un standard 3.1 [7] , qui débite théoriquement à 10 Gbit/s est annoncé en août 2013 ; ses spécifications techniques sont finalement publiées par le consortium USB Implementers Forum en août 2014.

L'USB 3.1 permet des débits doubles de ceux de l'USB 3.0, soit 10 Gbit/s. Le nouveau standard (câbles, interface) est rétro compatible avec l'USB 3.0 et l'USB 2.0 [7]. Toutefois il marque la sortie d'une nouvelle connectique, celle-ci est plus fine et n'impose pas de sens de branchement (valable pour les connecteurs 3.1 de type C uniquement). Pour tout de même permettre la connexion vers des connecteurs USB 2.0 et 3.0, le standard permet d'avoir des adaptateurs passifs (à l'inverse des adaptateurs Lightning, le connecteur réversible qu'Apple a lancé avec l'iPhone 5 en 2012), pour garder une taille réduite et un coût de fabrication mesuré [8]. Cette nouvelle connectique se nomme Type C [9].

Le , Apple présente le MacBook, le premier ordinateur équipé d'un port USB Type C, mais ne bénéficiant que du débit de l'USB 3.0 (5 Gbit/s) au lieu de celui de l'USB 3.1 (10 Gbit/s) [10] bien que le connecteur utilisé soit un port USB 3.1 Gen 1. [réf. nécessaire]

Protocoles

Les protocole utilisés pour la communication sur le bus USB sont :

Bulk Only Transfer (BOT) 
Les clés USB 1.1 et 2 utilisaient le protocole Bulk Only Transfer (BOT) qui ne permet pas d'envoyer, au contrôleur du périphérique, plusieurs commandes en même temps, et ne permettant donc pas à celui-ci d'organiser au mieux leur traitement à partir d'informations connues de lui, mais pas du système d'exploitation (un peu comme le fait le NCQ ( Native Command Queuing dans un contrôleur de disque dur)). Ce mode est par ailleurs inefficace si l'on combine des lectures et des écritures.
USB Attached SCSI Protocol (UASP) 
Le USB Attached SCSI Protocol (UASP) transmet au contrôleur des commandes multiples, à la manière du SCSI, et laisse celui-ci les réarranger à sa convenance pour optimiser leur traitement. Une page du constructeur ASUS fait état d'une diminution du temps de transfert moyen de 45% (75 contre 137 secondes) [11], [12].

Résumé des débits

Lorsque l’on parle d’un équipement USB, il est nécessaire de préciser la version de la norme (1.1, 2.0 ou 3.0) mais également la vitesse (low/full/high/super speed). Une clef USB spécifiée en USB 2.0 n’est pas forcément « haute vitesse » si cela n’est pas précisé par un logo « High Speed ».

Jusqu'à la version 3.1, le bus USB était plus lent que certaines interfaces internes comme le PCI, l' AGP ou le SATA/ e-Sata. Ainsi, si l'USB 2.0 (480 Mbit/s) était dix fois plus lent que le SATA III (6,144 Gbit/s), sa version 3.0 fait presque jeu égal (4,8 Gbit/s) et la version 3.1 la surclasse (9,6 Gbit/s).

Ces débits ne sont atteints cependant en copie de fichiers qu'avec un utilitaire ou un système d'exploitation recourant au double buffering  (en). Dans le cas contraire, les disques ne seront sollicités qu'à tour de rôle au lieu de débiter en même temps, divisant donc par deux le débit théorique possible. C'est par exemple le cas sous Windows 7 avec la fonction de copie de base du système.

La restriction de débit s'observera aussi avec des prises USB reliées à un contrôleur unique par un hub, que celui-ci soit externe ou interne [13].

La division de débit ne pose pas de problème lorsqu'il s'agit de périphériques ne fonctionnant pas simultanément (le hub est en ce cas utilisé simplement pour éviter des branchements et débranchements manuels fréquents, et donc aussi une usure prématurée des prises USB), l'allocation de bande dans la norme USB étant dynamique; en d'autre termes, quand un périphérique fonctionne seul il dispose de presque toute la bande passante.

Les hubs possédant une alimentation externe divisent uniquement le débit. Les hubs alimentés par le câble USB répartissent l'intensité disponible pour les péripheriques en ayant besoin mais pas sur les SSD, ni les périphériques USB munis de leur propre alimentation.

Version USB 1.0 USB 1.1 USB 2.0 Wireless USB USB 3.0 USB 3.1
Année 1996 1998 2000 2005 2008 2013
Débit 1,5 Mbit/s
0,19 Mo/s
12 Mbit/s
1,5 Mo/s
480 Mbit/s
60 Mo/s
480 Mbit/s
60 Mo/s
5 Gbit/s
600 Mo/s
10 Gbit/s
1,2 Go/s
Ces débits ne sont toutefois que théoriques. Afin de trouver des valeurs concrètes, divisez la vitesse par 2 en utilisation optimale, 4 en utilisation normale, voire 15 avec beaucoup de périphériques USB simultanément utilisés.

[réf. nécessaire]

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