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10.2. Les ports: USB, Firewire 1394, parallèle et série, PS2

1. Bases en technique 2. Techniques d'atelier 3. Configuration des réseaux 4. Techniques spécifiques
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D'abord, c'est quoi un câblage (ou un câble)? C'est une connexion spécifique entre deux appareils. Génial, je veux raccorder l'écran de mon ordinateur à la TV, je met un câble ... ou même, j'ai un vieux ordinateur et j'achète une toute nouvelle imprimante ... il doit bien avoir un adaptateur.

Euh, parfois, oui, parfois non.

Pour communiquer avec des périphériques externes, l'ordinateur utilise différents moyens de communication normalisés: des ports de communication.

Sur la majorité des ordinateurs actuels, on ne retrouve plus que des ports USB. Certaines machines de haut de gamme utilise des ports IEEE 1394 (aussi dénommé FIREWIRE). Les plus anciennes sont les connexions parallèles (centronix) et surtout série de type RS232 (même si on les trouve encore sur des ports parallèles pour les imprimantes et série pour des équipements divers). Des adaptateurs permettent de passer d'un port USB à un port parallèle ou série. Pour la majorité des applications, cette solution fonctionne mais pas pour d'anciens programmes sous DOS.

1. On reprend.

Pour communiquer, il faut plusieurs choses en commun. D'abord un câble et surtout des connecteurs qui s'adaptent des deux cotés. Il faut aussi que les connexions des deux cotés se comprennent. C'est pareil pour les réseaux mais nettement plus logiciel, on va rester dans des communications standards pour le moment. Un petit exemple "hors informatique": un monsieur rempli le réservoir de sa voiture: l'embout de la pompe à essence entre dans un trou (on appelle ça en technique un mâle) et le "conduit de réservoir" qui reçoit l'embout de la voiture est de type femelle. Pour connecter deux équipement,  juste que un connecteur mâle doit rentrer dans un embout femelle équivalent un trou. Les éditeurs étant généralement des adultes, pas la peine de rentrer plus dans les détails : juste qu'un connecteur électronique dit mâle s'insère dans un connecteur de même type mais opposé dit femelle.

De même, certains connecteurs ont des nombres de broches ou des dimensions différentes, un connecteur série 25 broches8 ne peut pas s'insérer dans un connecteur 9 broches (essayez pour voire). Chaque type de connexion utilise sont propre connecteur. Quels sont les connecteurs externes qui permettent de raccorder les équipements et qu'est ce qui permet de passer d'un à l'autre?

2. Les types de connexions.

Deux principes de communication numériques sont utilisées: les liaisons en mode série et les liaisons en mode parallèle (c'est aussi le cas pour les bus internes des ordinateurs). Dans une liaison série, les 8 bits d'un octets sont envoyés les uns après les autres sur un fil (en pratique, un deuxième sert de masse) pour une liaison unidirectionnelle, deux fils pour une liaison bidirectionnelle. A la réception, on remet les bits reçus un à un en octets (utilisés par les circuits électroniques numériques internes). Pour assurer la transmission, on utilise une horloge qui va déterminer la vitesse de transmission et assurer la synchronisation des signaux mais aussi différents signaux de contrôle. Cette solution est utilisée par les ports USB, série RS232 et autres, Firewire, S-etat (sata externe) mais aussi en interne SATA, ...

L'autre système numérique utilise plus de fils et envoie les octets les uns à près les autres (donc 8 fils plus des fils de masse et de contrôle). En interne dans les ordinateurs, c'est le mode standard. Par contre, en externe, à part quelques connexions SCSI vues avec les serveurs réseaux, seules les anciennes imprimantes utilisent cette méthode, en Centronics.

Pourquoi ne plus les utiliser? Tout simplement pour une question de courbure de signaux plus on monte en vitesse mais aussi de synchronisation des 8 lignes. Dans un monde numérique "parfait", un signal (une tension) se propagent comme ceci:

Petit retour sur la partie électronique du chapitre 7 ... Un condensateur réduit les variations de tensions suivant une échelle inverse d'une courbe logarithmique en fin de chargement et une self lisse les petites variations de tensions. Pas de chance, plus on monte en fréquence et plus on réduit la taille des pistes pour le passage du courant (et des distances entre ces pistes conductrices), plus les effets selfiques augmentent mais surtout les effets capacitifs. Au total, on se retrouve dans les fréquences Ghz avec ce genre de signal:

Plus la fréquence augmente, plus nos signaux parfaits carrés deviennent une source de problèmes (en rouge sur le diagramme, les niveau 1 (au dessus) et 0 (en dessous)). En plus, sur 8 lignes de données, c'est pas égal d'une ligne à l'autre, d'où des problèmes de synchronisation quasiment impossible à détecter.

Comme les connections qui utilisent le principe "série" permettent d'insérer des contrôles, c'est juste plus facile à corriger. Du coup, on oublie les théories enseignées dans mes études supérieures fin des années 80 pour reprendre les liaisons bits les uns à la suite des autres.

3. USB 1.1, 2.0, 3.0

Les connexions USB permettent de connecter quasiment tout: une souris, un clavier, un appareil numérique, une imprimante. C'est la connexion standard pour les périphériques actuels, sauf image et son (en partie). Les ports USB sont reconnus par Windows depuis la version 98 (même si officiellement 95 était compatible), mais impossible de trouver des pilotes pour les périphériques actuels. 2000 SP4 et XP (à partir de SP2) ne nécessitent pas de pilotes spécifiques pour les reconnaître (les versions suivantes les reconnaissent nativement).

Au niveau carte mère, les ports USB sont directement intégrés à l'arrière mais d'autres sont implantés sur la carte mère pour le raccordement sur la face avant comme nous le verrons dans la partie assemblage)

Le câble reprend deux connecteurs mâles, différents de chaque coté. Au niveau de l'ordinateur, il est de type A. Au niveau du périphérique, il est de type B (imprimante, scanner, .... mais pas pour les appareils numériques PDA, ...). Les câbles sont donc standards quelque soit la marque de l'imprimante.

Connecteur USB type A Connecteur USB type B
type A type B

 Le connecteur B est plutôt encombrant. Pour les petits appareils mobiles, on utilise deux autres connecteurs, avec soit 4, soit 5 broches qui ne sont forcément pas compatibles entre eux (mais toujours avec le connecteur A pour raccorder l'ordinateur). Quelques GSM utilisent également un connecteur spécifique à la marque. 

Un câble spécial utilisant de chaque coté un connecteur A permet de connecter entre eux deux ordinateurs et de faire un partage réseau. Actuellement, on utilise directement une connexion Ethernet plutôt que ce système.

Deux normes sont utilisées, la 1.1 (1.0) était implantée dans les anciens PC. Actuellement, on utilise la norme 2.0 plus rapide (60 Mega octets en théorie, 15 en pratique). Lorsque vous connectez un périphériques USB 2.0 sur un port 1.1, Windows le signale mais la communication fonctionne (l'inverse est aussi vraie). Peut on installer un port USB 2.0 dans un ancien ordinateur? Oui. Des cartes PCI le permettent mais attention, pour éviter des conflits de Windows, les ports internes 1.1 de la carte mère doivent être supprimé dans la configuration du BIOS.

La longueur du câble est de 5 mètres maximum en USB 1.1, seulement 4,5 mètres en USB 2.0 (actuel) pour profiter de la vitesse maximum. Peut-on mettre des câbles plus longs? Difficiles à trouver dans le commerce, on trouve des allonges de 5 mètres avec un circuit de remise en forme du signal. On peut alors arriver à 10 mètres mais avec une réduction de la vitesse (en gros on travaille en USB 1.1, soit 12 fois plus lents). Attention également au prix de ces câbles spéciaux, une grosse trentaine d'Euros si vous les trouvez dans le commerrce. Le câble reprend 4 fils, deux de communication, un de masse et un d'alimentation (0,5 Ampères maximum en 5 volts). Cette alimentation permet d'utiliser quelques périphériques sans les raccorder à une prise électrique (quelques scanner, Webcam, modem USB, souris, clavier, ...). Les ampérages maximums des ordinateurs portables sont plus faibles généralement.

Le fonctionnement de ce bus externe est Plug and Play, çà veux dire qu'un périphérique connecté est détecté automatiquement par Windows (mais vous devez installer le pilote au préalable). Windows en reconnaît quelques uns directement comme les vieux modèles d'imprimantes, quelques scanners génériques.  Chaque contrôleur peut gérer jusque 63 périphériques en théorie. En pratique, la vitesse diminue à partir de 8. Les PC actuels utilisent un connecteur par port, les anciens (Pentium II et III, ça date) utilisaient le plus souvent 2 ou 4 connecteurs par ports. Il est préférable de mettre un seul périphérique par contrôleur puisque la bande passante est partagée. Pour raccorder plusieurs périphériques sur un même connecteur, on utilise des hub USB de 4 ou 8 sorties. Deux types sont utilisés, avec ou sans alimentation. Les derniers recréent un ampérage de 0.5 A sur chaque ports, les premiers répartissent celle du port vers toutes les sorties.

4. Centronix, liaison parallèle pour imprimante.

Ce type de connexion parallèle n'est quasiment plus implantée ni dans les ordinateurs, ni dans les imprimantes. Les dernières versions sont bidirectionnelles mais cette fonction doit être programmée dans le  BIOS. Par défaut, la majorité des BIOS configure le port en SPP unidirectionnel avec une vitesse de 150 Kilo octets par seconde. Deux modes bidirectionnels sont utilisés: les modes EPP et ECP avec des vitesses de l'ordre de 2 Mega octets par seconde (soit plus rapide qu'un port USB 1.1). Ces deux modes incompatibles sont implantés dans les configuration des BIOS mais le plus courant est d'utiliser le mode composite ECP/EPP qui choisit le mode en fonction du périphérique connecté (un seul à la fois).

De nouveau, des cartes PCI permettent d'installer un pour parallèle dans un ordinateur comme ci-contre. Des adaptateurs USB vers ports parallèles sont également une solution mais souvent, Windows réinstalle une nouvelle imprimante chaque fois que vous changez de connecteur USB: elle n'est donc pas trop à utiliser.

5. Les liaisons séries RS223, 432, ...

C'est l'ancien mode de communication de l'informatique et elle n'est plus utilisée que dans des applications spécifiques liées à des transmissions longues distances où la vitesse n'est pas primordiale. On retrouve quelques applications de points de vente en imprimante, des anciens modèles de scanner code barre, des applications industrielles, ...

La communication bidirectionnelle utilise 2 fils (émission et réception) qui doivent être croisés entre les deux périphériques. Pour les modems, le croisement est fait en interne, pas pour les autres périphériques: on trouve deux types de câbles. Le type molded est utilisés en modem et les deux fils de transferts ne sont pas croisés. Par contre, pour la communication avec une imprimante ou entre deux PC, le câble est effectivement croisé à l'intérieur (câble null modem).

Les caractéristiques d'une communication série reprennent plusieurs systèmes. D'abord la vitesse de transmission exprimée en baud: les 8 bits de données avec 1,2 ou 3 bits de contrôle, soit entre 9 et 11 bits, en général: 10 bits pour 1 octet (8 bits) de données. On trouve du 1200, 2400, 4800, 9600, ... 28.800, ... Le plus courant en transmission est le 9600 (équipements industriels) et 33.600 (anciens modem téléphoniques). Pour communiquer, les deux périphériques doivent être configurés à la même vitesse et avec les mêmes types de signaux de controle. . Pour l'ordinateur, cette configuration se fait dans les propriétés systèmes du périphérique (panneau de configuration de Windows). Pour le périphérique, la configuration se fait à l'aide de petit pontages, généralement à l'arrière ou en dessous de l'appareil.

En deuxième, la communication va utiliser (ou non) trois bits spécifiques

De nouveau, les deux équipements doivent reprendre la même programmation.

Deux connecteurs sont utilisés, le DB9 (le plus courant) et le DB25. Les deux reprennent en gros les même signaux et des adaptateurs permettent de passer de l'un à l'autre. Sur l'ordinateur, le connecteur est mâle (en connexion Centronix, c'est un femelle ... cherchez l'erreur). En informatique, ce serait trop facile. Dans une connexion série standard, on utilise 8 fils, donc 5 signaux de contrôle mais deux méthodes de communications sont utilisées, le mode hardware (8 fils) et le mode software (appelé Xon / Xoff) qui lui ne reprend que 3 fils en envoyant des messages de contrôle. Le câblage est nettement différent.

Les normes sont au nombre de 3 principalement. La norme de départ est RS 232 avec des tensions de +15 à -15 volts. Elle est utilisée dans les PC et installations standards mais avec une tension de +5 à 0 volts (des adaptateurs industriels permettent de convertir de l'un à l'autre). En vrai standard RS232, la distance peut atteindre 100 mètres, en pratique, une vingtaine de mètres avec une installation informatique 5 volts fonctionne sans problèmes. Le RS422 est une évolution qui permet à plusieurs équipement de communiquer entre eux (utilisée dans les anciens réseaux Appletalk, obsolète) qui reprend deux fils de communication par direction. La RS 485 permet de transmettre en théorie jusqu'à 1 km avec une vitesse de 10 Mega bit par seconde mais en half duplex, toujours avec jusque 32 périphériques connectés. Là aussi, des convertisseurs industriels sont utilisés.

Nous reparlerons de ces méthodes avec les terminaux de vente dans un chapitre ultérieur puisque les connexions séries ne sont plus utilisées que pour des imprimantes longue distance (comme les imprimantes de cuisine à partir du terminal de caisse informatique) ou des applications industrielles qui gèrent des équipements trop éloiggnés pour les connexions USB. Petite remarque, les installations actuelles préfèrent une connexion Ethernet (réseau) qui permet en gros une distance jusque 100 mètres sans utiliser de concentrateurs, donc plus longue en intercalant des switchs réseaux.

6. Firewire, IEEE 1394

Dernier de la série, le firewire est également une connexion série mais avec une vitesse de transfert supérieure à celle de l'USB1.1. Il est abandonné depuis 2012. De fait, il n'est utilisé que pour le transfert des données entre les caméscopes et les ordinateurs. Elle permet en version B jusque 400 Mega bits par seconde. Là aussi les connecteurs sont spécifiques avec différentes variantes et des adaptateurs pour passer de l'un à l'autre. Pour les tours, des cartes PCI (PCI-express actuellement) peuvent être installées si la connexion n'est pas directement implantée sur la carte mère. Certains modèles de portables intègraient ce type de port avec un connecteur très spécifique.

7. Pour terminer cette partie ...

Un petit récapitulatif des différentes possibilités dans ordinateur

convertisseur

de -> vers

USB 1.1 USB 2.0 RS232 Centronix Firewire
USB 1.1 - Carte PCI adaptateurs externe  
USB 2.0 - -  
RS232     -
Parallèle / centronix     -
Firefire     -
Sans, plus de connexions - carte PCI USB 2.0 (en pratique minimum Windows 2000) Carte PCI ou PCI-e série, certains modèles en intègrent jusque 8. Carte PCI parallèle Carte PCI IEE 1394

Comme vous le voyez, certaines possibilités existent. Le plus simple reste les adaptateurs par ports USB, sauf pour le Firewire où seule une carte interne (donc pas pour les portables) peut fonctionner.

En complément:

La formation X41-tech -> 1. Notions techniques de base -> Les cartes mères -> Ports de communication externe d'un ordinateur