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Connecteurs

Les connecteurs informatiques, généralement appelés " connecteurs d'entrée-sortie " (notés E/S ou en anglais I/O pour Input/Output), sont des interfaces permettant de relier des équipements à l'aide de câbles. Ils se composent généralement d'une prise mâles, avec des broches (en anglais pin) saillantes, venant s'insérer dans des prises femelles (en anglais socket), constituées de douilles d'accueil. Il existe néanmoins des prises dites hermaphrodites faisant office de prise mâle et femelle et pouvant s'insérer l'une dans l'autre.

Connecteurs d'entrée-sortie

La carte mère de l'ordinateur possède un certain nombre de connecteurs d'entrées-sorties regroupés sur le " panneau arrière ".

• Port série, utilisant un connecteur DB9, permettant de connecter de vieux périphériques ;
• Port parallèle, utilisant un connecteur DB25, permettant notamment de connecter de vieilles imprimantes 
• Ports USB (1.1, bas débit, ou 2.0, haut débit), permettant de connecter des périphériques plus récents ;
• Connecteur RJ45 (appelés LAN ou port ethernet) permettant de connecter l'ordinateur à un réseau. Il correspond à une carte réseau intégrée à la carte mère ;

 

Introduction aux ports d'entrée-sortie

Les ports d'entrée-sortie sont des éléments matériels de l'ordinateur, permettant au système de communiquer avec des éléments extérieurs, c'est-à-dire d'échanger des données, d'où l'appellation d'interface d'entrée-sortie (notée parfois interface d'E/S).

Port série

Les ports série (également appelés RS-232, nom de la norme à laquelle ils font référence) représentent les premières interfaces ayant permis aux ordinateurs d'échanger des informations avec le "monde extérieur". Le terme série désigne un envoi de données via un fil unique: les bits sont envoyés les uns à la suite des autres (reportez-vous à la section transmission de données pour un cours théorique sur les modes de transmission).

A l'origine les ports série permettaient uniquement d'envoyer des données, mais pas d'en recevoir, c'est pourquoi des ports bidirectionnels ont été mis au point (ceux qui équipent les ordinateurs actuels le sont); les ports séries bidirectionnels ont donc besoin de deux fils pour effectuer la communication.

La communication série se fait de façon asynchrone, cela signifie qu'aucun signal de synchronisation (appelé horloge) n'est nécessaire: les données peuvent être envoyées à intervalle de temps arbitraire. En contrepartie, le périphérique doit être capable de distinguer les caractères (un caractère a une longueur de 8 bits) parmi la suite de bits qui lui est envoyée.
C'est la raison pour laquelle dans ce type de transmission, chaque caractère est précédé d'un bit de début (appelé bit START) et d'un bit de fin (bit STOP). Ces bits de contrôle, nécessaires pour une transmission série, gaspillent 20% de la bande passante (pour 10 bits envoyés, 8 servent à coder le caractère, 2 servent à assurer la réception).

Les ports série sont généralement intégrés à la carte mère, c'est pourquoi des connecteurs présents à l'arrière du boîtier, et reliés à la carte mère par une nappe de fils, permettent de connecter un élément extérieur. Les connecteurs séries possèdent généralement 9 ou 25 broches et se présentent sous la forme suivante (respectivement connecteurs DB9 et DB25):

Un ordinateur personnel possède généralement de un à quatre ports séries.

Port parallèle

La transmission de données en parallèle consiste à envoyer des données simultanément sur plusieurs canaux (fils). Les ports parallèle présents sur les ordinateurs personnels permettent d'envoyer simultanément 8 bits (un octet) par l'intermédiaire de 8 fils.

Les premiers ports parallèles bidirectionnels permettaient d'atteindre des débits de l'ordre de 2.4Mb/s. Toutefois des ports parallèles améliorés ont été mis au point afin d'obtenir des débits plus élevés:

• Le port EPP (Enhanced Parralel Port, port parallèle amélioré) a permis d'atteindre des débits de l'ordre de 8 à 16 Mbps
• Le port ECP (Enhanced Capabilities Port, port à capacités améliorées), mis au point par Hewlett Packard et Microsoft. Il reprend les caractéristiques du port EPP en lui ajoutant un support Plug and Play, c'est-à-dire la possibilité pour l'ordinateur de reconnaître les périphériques branchés

Les ports parallèles sont, comme les ports série, intégrés à la carte mère. Les connecteurs DB25 permettent de connecter un élément extérieur (une imprimante par exemple).

Présentation du bus USB

Le bus USB (Universal Serial Bus, en français Bus série universel) est, comme son nom l'indique, basé sur une architecture de type série. Il s'agit toutefois d'une interface entrée-sortie beaucoup plus rapide que les ports série standards. L'architecture qui a été retenue pour ce type de port est en série pour deux raisons principales :

• l'architecture série permet d'utiliser une cadence d'horloge beaucoup plus élevée qu'une interface parallèle, car celle-ci ne supporte pas des fréquences trop élevées (dans une architecture à haut débit, les bits circulant sur chaque fil arrivent avec des décalages, provoquant des erreurs) ;
• les câbles série coûtent beaucoup moins cher que les câbles parallèles.

 

Les normes USB

Ainsi, dès 1995, le standard USB a été élaboré pour la connexion d'une grande variété de périphériques.

Le standard USB 1.0 propose deux modes de communication :

• 12 Mb/s en mode haute vitesse,
• 1.5 Mb/s à basse vitesse.

Le standard USB 1.1 apporte quelques clarifications aux constructeurs de périphériques USB mais ne modifie en rien le débit. Les périphériques certifiés USB 1.1 portent le logo suivant :

La norme USB 2.0 permet d'obtenir des débits pouvant atteindre 480 Mbit/s. Les périphériques certifiés USB 2.0 portent le logo suivant :

La compatibilité entre périphériques USB 1.0, 1.1 et 2.0 est assurée. Toutefois l'utilisation d'un périphérique USB 2.0 sur un port USB à bas débit (i.e. 1.0 ou 1.1), limitera le débit à 12 Mbit/s maximum. De plus, le système d'exploitation est susceptible d'afficher un message expliquant que le débit sera bridé.

Types de connecteurs

Il existe deux types de connecteurs USB :

• Les connecteurs dits de type A, dont la forme est rectangulaire et servant généralement pour des périphériques peu gourmands en bande passante (clavier, souris, webcam, etc.) ;
• Les connecteurs dits de type B, dont la forme est carrée et utilisés principalement pour des périphériques à haut débit (disques durs externes, etc.).

1. Alimentation +5V (VBUS) 100mA maximum
2. Données (D-)
3. Données (D+)
4. Masse (GND)

Fonctionnement du bus USB

L'architecture USB a pour caractéristique de fournir l'alimentation électrique aux périphériques qu'elle relie, dans la limite de 15 W maximum par périphérique. Elle utilise pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND, l'alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+).

La norme USB permet le chaînage des périphériques, en utilisant une topologie en bus ou en étoile. Les périphériques peuvent alors être soit connectés les uns à la suite des autres, soit ramifiés.
La ramification se fait à l'aide de boîtiers appelés " hubs " (en français concentrateurs), comportant une seule entrée et plusieurs sorties. Certains sont actifs (fournissant de l'énergie électrique), d'autres passifs (alimentés par l'ordinateur).

La communication entre l'hôte (l'ordinateur) et les périphériques se fait selon un protocole (langage de communication) basé sur le principe de l'anneau à jeton (token ring). Cela signifie que la bande passante est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. L'hôte (l'ordinateur) émet un signal de début de séquence chaque milliseconde (ms), intervalle de temps pendant lequel il va donner simultanément la " parole " à chacun d'entre eux. Lorsque l'hôte désire communiquer avec un périphérique, il émet un jeton (un paquet de données, contenant l'adresse du périphérique, codé sur 7 bits) désignant un périphérique, c'est donc l'hôte qui décide du " dialogue " avec les périphériques. Si le périphérique reconnaît son adresse dans le jeton, il envoie un paquet de données (de 8 à 255 octets) en réponse, sinon il fait suivre le paquet aux autres périphériques connectés. Les données ainsi échangées sont codées selon le codage NRZI.

Puisque l'adresse est codée sur 7 bits, 128 périphériques (2^7) peuvent être connectés simultanément à un port de ce type. Il convient en réalité de ramener ce chiffre à 127 car l'adresse 0 est une adresse réservée. (cf plus loin).

A raison d'une longueur de câble maximale entre deux périphériques de 5 mètres et d'un nombre maximal de 5 hubs (alimentés), il est possible de créer une chaîne longue de 25 mètres !

Les ports USB supportent le Hot plug and play. Ainsi, les périphériques peuvent être branchés sans éteindre l'ordinateur (branchement à chaud, en anglais hot plug). Lors de la connexion du périphérique à l'hôte, ce dernier détecte l'ajout du nouvel élément grâce au changement de la tension entre les fils D+ et D-. A ce moment, l'ordinateur envoie un signal d'initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui fournit du courant grâce aux fils GND et VBUS (jusqu'à 100mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique et récupère temporairement l'adresse par défaut (l'adresse 0). L'étape suivante consiste à lui fournir son adresse définitive (c'est la procédure d'énumération). Pour cela, l'ordinateur interroge les périphériques déjà branchés pour connaître la leur et en attribue une au nouveau, qui en retour s'identifie. L'hôte, disposant de toutes les caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié.

 

Présentation du bus Firewire (IEEE 1394)

Le bus IEEE 1394 (nom de la norme à laquelle il fait référence) a été mis au point à la fin de l'année 1995 afin de fournir un système d'interconnexion permettant de faire circuler des données à haute vitesse en temps réel. La société Apple lui a donné le nom commercial " Firewire ", qui est devenu le plus usité. Sony lui a également donné le nom commercial de i.Link, tandis que Texas Instrument lui a préféré le nom de Lynx.

Il s'agit ainsi d'un port, équipant certains ordinateurs, permettant de connecter des périphériques (notamment des caméras numériques) à très haut débit. Il existe ainsi des cartes d'extension (généralement au format PCI ou PC Card / PCMCIA ) permettant de doter un ordinateur de connecteurs FireWire. Les connecteurs et câbles FireWire sont repérables grâce à leur forme, ainsi qu'à la présence du logo suivant :

Les normes FireWire

Il existe différentes normes FireWire permettant d'obtenir les débits suivants :

Norme	Débit théorique
IEEE 1394a
IEEE 1394a-S100	100 Mbit/s
IEEE 1394a-S200	200 Mbit/s
IEEE 1394a-S400	400 Mbit/s
IEEE 1394b
IEEE 1394b-S800	800 Mbit/s
IEEE 1394b-S1200	1200 Mbit/s
IEEE 1394b-S1600	1600 Mbit/s
IEEE 1394b-S3200	3200 Mbit/s

La norme IEEE 1394b est également appelée FireWire 2 ou FireWire Gigabit.

Connecteurs Firewire

Il existe différents connecteurs FireWire pour chacune des normes IEEE 1394.

• La norme IEEE 1394a définit deux connecteurs :
• Les connecteurs 1394a-1995 :

• Les connecteurs 1394a-2000 appelés mini-DV car ils sont utilisés sur les caméras vidéo numériques DV (Digital Video) :

• La norme IEEE 1394b définit deux types de connecteurs dessinés de façon à ce que les prises 1394b-Beta puissent s'enficher dans les connecteurs Beta et Bilingual mais que les prises 1394b Bilingual ne puissent s'enficher que dans les connecteurs Bilingual :
• Les connecteurs 1394b Bêta :

• Les connecteurs 1394b Bilingual :

Fonctionnement du bus Firewire

Le bus IEEE 1394 suit à peu près la même structure que le bus USB, si ce n'est qu'il utilise un câble composé de six fils (deux paires pour les données et pour l'horloge, et deux fils pour l'alimentation électrique) lui permettant d'obtenir un débit de 800 Mb/s (il devrait atteindre prochainement 1.6 Gb/s, voire 3.2 Gb/s à plus long terme). Ainsi, les deux fils dédiés à une horloge montrent la différence majeure qui existe entre le bus USB et le bus IEEE 1394, c'est-à-dire la possibilité de fonctionner selon deux modes de transfert :

• le mode de transfert asynchrone : Le mode de transfert asynchrone est basé sur une transmission de paquets à intervalles de temps variables. Cela signifie que l'hôte envoie un paquet de données et attend de recevoir un accusé de réception du périphérique. Si l'hôte reçoit un accusé de réception, il envoie le paquet de données suivant, sinon le paquet est à nouveau réexpédié au bout d'un temps d'attente.
• le mode isochrone : Le mode de transfert isochrone permet l'envoi de paquets de données de taille fixe à intervalle de temps régulier. Un noeud, appelé Cycle Master est chargé d'envoyer un paquet de synchronisation (appelé Cycle Start packet) toutes les 125 microsecondes. De cette façon aucun accusé de réception n'est nécessaire, ce qui permet de garantir un débit fixe. De plus, étant donné qu'aucun accusé de réception n'est nécessaire, l'adressage des périphériques est simplifié et la bande passante économisée permet de gagner en vitesse de transfert.

Autre innovation du standard IEEE 1394 : la possibilité d'utiliser des ponts, systèmes permettant de relier plusieurs bus entre eux. En effet, l'adressage des périphériques se fait grâce à un identificateur de noeud (c'est-à-dire de périphérique) codé sur 16 bits. Cet identificateur est scindé en deux champs : un champ de 10 bits permettant de désigner le pont et un champ de 6 bits spécifiant le noeud. Il est donc possible de relier 1023 ponts (soit 2¹⁰ -1), sur chacun desquels il peut y avoir 63 noeuds (soit 2⁶ -1), il est ainsi possible d'adresser 65535 périphériques ! Le standard IEEE 1394 permet aussi le Hot plug'n play, mais alors que le bus USB est destiné à l'utilisation de périphériques peu gourmands en ressources (souris ou clavier par exemple), la bande passante de l'IEEE 1394 la destine à des utilisations multimédias sans précédents (acquisition vidéo, etc.)