Conservatoire national des arts et métiers
Architectures des systèmes informatiques
CHAPITRE 5
Augmentez le débit svp ! Communications par bus
Année 2002-2003

Suite N°4...

5.5 BUS EXTERNES RÉCENTS : USB et IEEE 1394
 

5.5.0 Ce que ces bus remplacent, au moins en partie

La transmission série asynchrone

Asynchrone, elle n'a pas de signal d'horloge. Les blocs sont de petite taille, 7 ou 8 bits, et de longueur constante. La synchronisation est faite à l'intérieur du bloc auquel on ajoute des informations de contrôle et de synchronisation :
un bit de début nommé Start,
un ou plusieurs bits de fin nommés Stop.
Les horloges doivent être préréglées à la même fréquence, approximative bien sûr.
Un seul fil de transmission est en théorie suffisant, non torsadé.
Pendant la réception, le signal est échantillonné 16 fois ou 64 fois pour chaque bit.

La norme la plus connue est RS-232C (recommended standard de l'EIA). Elle porte sur les deux aspects électrique et fonctionnel (ce dernier est un extrait de l'avis V24 du CCITT qui date de 1964) et ne règle pas le protocole.

Quelques éléments de cette norme :

L'émetteur envoie le bit 0 par un niveau de tension compris entre +5 V et +15 V.
L'émetteur envoie le bit 1 par un niveau de tension compris entre -5 V et -15 V.
Le codage est donc du type NRZ.
Classiquement on utilise +12 V et -12 V
Le récepteur reçoit une tension entre -25 V et +25 V, pour se prémunir contre des variations erratiques des tensions.
Il détecte comme 0 une tension d'au moins 3 V et comme 1 une tension d'au moins -3 V
Le risque de confusion entre bits en est réduit.

La jonction doit avoir 52 broches au plus. On utilise des connecteurs DB à 9 ou 25 broches.
3 lignes sont indispensables :
TXD : ligne de transmission de données
RXD : ligne de réception de données
GND : masse commune

Selon le protocole choisi, on ajoute des lignes de commande CTS, RTS, DSR, TSR, DCD...

Le protocole définit :

• le débit de la transmission : usuellement 1200 à 9600 bits/s; le contrôleur 8051 accepte jusqu'à 115000 bits/s;

le nombre de bits de données : 7 en ASCII simple, 8 ASCII en étendu ou en code ANSI (le codage ANSI est fait sur deux octets ce qui donne 65536 caractères affichables, à peu près 39000 ont été affectés dont 21000 pour les caractères chinois, les caractères ANSI dont représentés par un octet à zéro, l'autre contient la valeur ANSI);
• le nombre et la nature des bits de vérification, aucun ou 1, dans ce cas ce peut être un bit sans signification (une marque) ou un bit de parité, parité paire le nombre de 1, inclut le bit de parité doit être pair, l'opposé pour la parité impaire;
• le nombre de bits de stop : 1 ou 2, dans le cas d'un bit sa durée est moitié plus grande que celle d'un bit de donnée;
• la commande de la transmission matérielle ou logicielle,
• la commande matérielle est fait par deux lignes qui portent les signaux RTS prêt à émettre (ready to send) et CTS prêt à recevoir (clear to send), voir ci-dessous;
• la commande logicielle est faite sur la ligne de retour, le récepteur prêt émet le caractère nommé XON (ASCII 11), le récepteur non prêt émet XOFF (ASCII 13).

Connecteurs

Mâle DTE sur l'ordinateur et sur le câble côté périphérique	Femelle DCE sur le câble  côté ordinateur et sur le périphérique

Câbles

CTS à RTS TXD à RXD DSR et DCD à DTR.

La transmission parallèle dite Centronics

La première définition a été faite par la société Centronics, fabricant d'imprimantes et utilisée en 1981 par IBM. La transmission de l'ordinateur à l'imprimante est faite sur 8 fils portant un octet par cycle. Elle a été normalisée en 1994 seulement sous le nom IEEE 1284. Cette normalisation a défini cinq modes de fonctionnement accessibles par négociation. Cette négociation consiste en l'envoi par l'ordinateur de séquences d'octets auxquels le périphérique répond ou non. Des informations plus détaillées sont disponibles sur http://www.fapo.com

• Compatible est le mode originel unidirectionnel de Centronics, utilisé pour les imprimantes matricielles et les anciennes imprimantes laser, il accepte toujours le mode suivant;
• Quartet (nibble en anglo-saxon), il utilise 4 lignes d'état pour retourner des données du périphérique à l'ordinateur à raison d'un quartet par cycle (40 à 50 ko/s);
• Octet rend la transmission bidirectionnelle à l'alternat par logiciel (400 à 600 ko/s);
• ECP pour «enhanced capability port mode» introduit une compression d'images, une file d'attente et un plus haut débit (2 à 4 Mo/s), il accepte un adressage par canal pour deux périphériques simultanément, ceci le rend utilisable pour connecter en girlande deux périphériques, le plus éloigné est l'imprimante, le premier peut être un scanner, un lecteur Ioméga, etc.;
• EPP pour «enhanced parallel mode» ajoute la capacité d'adressage et de commande multicanaux (400 ko/s à 2 Mo/s, aligné sur le périphérique le plus lent).

Les informations données ci-dessous sont forcément succinctes et donc incomplètes. Seuls les documents officiels font foi.

5.5.1 Origine et caractères principaux des deux bus

Un certain nombre de besoins sont identifiés depuis de nombreuses années :

• simplifier et rendre plus pratique la manipulation des connecteurs et des câbles extérieurs;
• fournir des moyens de transmission à haut débit en forme série pour éviter les connecteurs larges des voies parallèles;
• accepter des dispositifs nombreux;
• généraliser la reconnaissance automatique des dispositifs connectés;
• diminuer la consommation électrique, spécialement dans les portables;
• garantir une bande passante minimale, service isochrone pour le multimédia avec des protocoles robustes et multiservices.

Remarque : un disque, un lecteur de CD sont des périphériques.

Ces trois caractères concourent à favoriser l'utilisation du bus parallèle en interne et à l'interdire à haut débit à l'extérieur.

Les deux nouveaux bus USB et IEEE 1394 relient des dispositifs quelconques à des ordinateurs. Leurs auteurs sont :

• pour l'USB : un groupe de sept constructeurs et éditeurs Microsoft, DEC, Compaq, IBM, Nec et Northern Telecom, mené par Intel et nommé USB-IF (universal serial bus implementers forum), les spécifications ont été publiées en 1995;
• Apple sous le nom de FireWire à partir de 1986. En 1994, une association de promotion a été créée par 41 membres dont Sony, Mitsubishi et Matsushita (électronique de loisir), Apple Computer, IBM, Sun et Microsoft (ordinateurs), Texas Instruments, National Semiconductor, Advanced Micro Devices et Cirrus Logic (semiconducteurs). Il a été normalisé par l'IEEE en 1995 sous le nom IEEE 1394. Pendant un temps il a été nommé HPSB (high performance serial bus). Daniel Moore de la société Skipstone dit que les membres du comité de normalisation avaient inventorié 1393 normes de bus, ils ont donc choisi de nommer leur bébé 1394. Les premiers circuits ont été disponibles au début de 1995 pour des débits de 100 et 200 Mbits/s et en 1996 pour 400 Mbits/s. La norme à 1 Gbits/s est publiée.

L'objectif des concepteurs de l'IEEE 1394 est le même, avec une cible plus vaste qui inclut les appareils du multimédia, consommateurs de très grandes bandes passantes comme on le voit par les quelques valeurs suivantes de débits :

vidéo de haute qualité : 30 trames/s 640x480 pixels, couleur 24 bits = 221 Mbits/s
vidéo de basse qualité : 15 trames/s 320x240 pixels, couleur 16 bits = 18 Mbits/s
son de haute qualité : 44100 échantillons/s, 16 bits, 2 canaux = 1,4 Mbits/s
son de basse qualité : 11050 échantillons/s, 8 bits, 1 canal = 0,1 Mbits/s

Le démarrage des deux bus a été lent. Quatre ans plus tard, sauf chez Apple, il fallait demander spécialement les interfaces de ces deux types au fournisseur de périphériques. La raison ne tient pas aux ordinateurs proprement dits qui ont aujourd'hui les connecteurs convenables, mais plutôt aux constructeurs de périphériques qui sont restés très circonspects. Plus d'un an après le lancement de l'USB, le seul appareil qui lui était adapté était un scanner de Logitech. Le lecteur peut constater à la lecture des noms des entreprises qui sont à l'origine de ces nouveaux bus que les grands fabricants de périphériques sont absents.

Les caractéristiques communes de ces deux moyens d'entrée et sortie sont :

• la gestion isochrone et asynchrone des transferts de données;
• une topologie en guirlande combinée à un multipoint en étoile pour les deux;
• une alimentation électrique incorporée pour les périphériques peu consommateurs.

Il est intéressant de connaître les motifs qui ont été jugés suffisants pour que ces nouveaux bus soient lancés. On estime généralement qu'il y en a trois principaux.

La situation difficile de l'utilisateur. Non pas qu'elle fut en elle-même une préoccupation des fabricants, mais le petit nombre de ports parallèles ou série, leurs débits faibles a été considéré comme un frein au commerce des périphériques divers : les téléphone/fax/modem, les répondeurs automatiques, les scanners, les appareils de prise de vue, les assistants divers, etc. Les connexions existantes étaient principalement conçues avec deux ou trois points. L'ajout d'une fonction ou d'une capacité au PC suppose la définition de la nouvelle interface correspondante.

Trois voies étaient possibles :

• augmenter le nombre de connecteurs, on en voit vite la limite;
• augmenter le nombre d'emplacements de cartes additionnelles, on est limité par les compatibilités des bus internes et le périphérique n'est pas portable d'une machine à une autre;
• définir un bus multipoints de capacité suffisante, ce qui a été fait.

En 1997, Bell Canada a commencé à modifier son réseau avec la technique des lignes numériques à paires asymétriques, selon la norme ANSI-T1E1.4. La largeur de bande utile est 1 Mbits/s à la réception et 64 Kbits/s pour l'émission. L'appareillage nécessaire est une carte ethernet et un modem adapté. Le lecteur curieux se renseignera sur les techniques XDSL et spécialement sur ADSL.

5.5.2 Le bus USB

Le câblage :
Le câble du bus a quatre conducteurs :

• un conducteur de masse;
• un conducteur d'alimentation électrique;
• deux conducteurs de signaux (D+ et D- ci-dessous) fonctionnant en mode différentiel pour réduire la sensibilité aux bruits externes.

Ce qui est interprétable comme suit :
Pour qu'un niveau haut (1) soit reconnu, D+ doit être 200mV plus grand que D- et une ligne au moins doit être à plus que Voh(min).
Pour qu'un niveau bas (0) soit reconnu, D- doit être 200mV plus grand que D+ et une ligne au moins doit être à moins que Vol(max).

Il y a deux types de connecteurs, série A pour les périphériques fixes et série B pour les périphériques souvent connectés ou déconnectés.

Topologie
Un système USB a trois composants :

• un hôte USB, l'ordinateur en général, son interface USB est le contrôleur;
• une interconnexion USB, ensemble des connecteurs aux unités et des concentrateurs, au total 127 au plus;
• des unités USB.

Chaque unité fournit au contrôleur une information qui la décrit, sous la forme de trois jeu de données :

• jeu standard, c'est une information commune à toutes les unités, elle contient des rubriques comme l'identification du fabricant, la classe de l'unité, la gestion de l'énergie, la configuration de l'unité, son interface etc.. ;
• jeu de classe, la classe mentionnée est celle de l'unité;
• jeu du fabricant de l'USB, le fabricant y note librement les informations qu'il veut y voir figurer.

Un concentrateur ou noyau d'extension :

• a un port amont et plusieurs ports aval; le port amont le connecte directement ou via un autre concentrateur à l'hôte. Chaque port aval le connecte soit à un terminal, soit à un concentrateur;
• détecte ses connexions et déconnexions aval et gèrent leur alimentation électrique. Chaque port est activé et configuré séparément à bas débit ou à haut débit. Il isole les terminaux lents des terminaux rapides;
• contient deux éléments, un contrôleur et un répéteur. Le répéteur commandé par le protocole relie le port amont aux ports aval. Il dispose également d'un module matériel autorisant les réinitialisations ainsi que la suspension et la reprise des signaux. Le contrôleur contient les registres d'interface pour les communications en provenance ou à destination de l'hôte. L'utilisateur peut configurer le concentrateur, le superviser et commander ses ports grâce à des états et des commandes spécifiques.

L'USB a un maître unique, son hôte.

Les prises en compte de branchement et débranchement sont faites par l'exécution périodique d'une procédure de vérification de l'état du bus entre l'hôte et les concentrateurs. Les étapes sont :

1. le concentrateur avertit l'ordinateur qu'un branchement ou qu'un débranchement est survenu;
2. l'ordinateur demande au concentrateur d'identifier l'événement;
3. la réponse contient le numéro de port ou noeud et l'indication branchement ou débranchement;
4. selon le cas, l'ordinateur active ou désactive ce port;
5. en cas de branchement, l'ordinateur détermine si l'élément branché est un périphérique ou un concentrateur. Il assigne une adresse à ce port;
6. en cas de branchement, l'ordinateur charge en mémoire le pilote de gestion du périphérique.

La planification centralisée des transactions rend possible l'établissement de canaux dotés de contrôle du flot. Les plans de service de ces canaux sont différents selon les besoins. Les canaux peuvent être servis à des intervalles différents par des paquets de taille adaptée. On gère ainsi des transferts isochrones ou en continu qui occupent une portion fixe de la largeur de bande avec un délai de livraison prédéfini.

La détection des erreurs est faite par CRC.
La correction est faite par la répétition du paquet erroné.

5.5.3 Le bus IEEE 1394

Les caractéristiques principales sont :

• trois normes de débits 100, 200, 400 Mbits/s, l'extension à 1,6 Gb/s est en cours d'examen;
• deux protocoles asynchrone et synchrone.

Les unités du bus sont :

• le nœud (node): appareil ou interface physique auquel on peut brancher un câble 1394;
• le nœud branché (branch node) est un appareil avec des câbles d'entrée et de sortie qui vont à deux ou plusieurs appareils voisins. Il transmet et reçoit de l'information et fonctionne comme un répéteur pour le trafic;
• le nœud feuille (leaf node) est un appareil connecté par un seul nœud. C'est un périphérique d'extrémité de chaîne. Il n'a pas la fonction de répéteur. La distance maximale entre deux nœuds feuilles est de 16 câbles soit 72 mètres.

Comparaison entre les concurrents directs :

Nom	Débits  en Mo/s	Longueur maximum  du câble en mètres	Nombre maximum d'appareils par segment
USB	1,5	5	126
Fibre Channel	100 ou 200	10 000	126
SSA Serial storage architecture (IBM)	80	25	48
IEEE1394 - FireWire	12,5  25 ou 50	4,5	63

On donne quelques détails sur Fibre Channel et SSA dans le § 6.3.1 où ils sont considérés comme des variantes du bus SCSI.

5.5.5 Perspectives

L'IEEE 1394 est candidat au remplacement des bus internes lents.

La figure suivante donne une idée de l'évolution possible :

Il existe des cartes réalisant des ponts entre PCI à IEEE 1394.