USB - USB

uniwersalna magistrala szeregowa
Certyfikowany USB.svg
Certyfikowane logo
Rodzaj Autobus
Projektant
Zaprojektowany styczeń 1996 ; 25 lat temu ( 1996-01 )
Wytworzony Od maja 1996
Zastąpione Port szeregowy , port równoległy , port gier , jabłko pulpitu magistrali , PS / 2 port i FireWire (IEEE 1394)
Długość
Szerokość
Wzrost
Możliwość podłączenia na gorąco tak
Zewnętrzny tak
Kabel
Szpilki
Złącze Jedyny w swoim rodzaju
Sygnał 5 V prądu stałego
Maks. Napięcie
Maks. obecny
Sygnał danych Dane pakietowe, określone przez specyfikacje
Szerokość 1 bit
Szybkość transmisji W zależności od trybu
Half-duplex ( USB 1.x i USB 2.0 ):
1,5; 12; 480 Mbit/s,
pełny dupleks ( USB 3.x i USB4 ):
5000; dziesięć tysięcy; 20000; 40000 Mb/s
Maks. urządzenia 127
Protokół Seryjny
USB.svg
Standardowa wtyczka USB-A (po lewej) i wtyczka USB-B (po prawej)
Pin 1  V BUS (+5 V)
Przypnij 2   Dane−
Przypnij 3   Dane+
Pin 4   Grunt

Uniwersalna magistrala szeregowa ( USB ) to standard branżowy określający specyfikacje kabli, złączy i protokołów do połączeń, komunikacji i zasilania ( interfejsów ) między komputerami, urządzeniami peryferyjnymi i innymi komputerami. Istnieje szeroka gama sprzętu USB , w tym czternaście różnych złączy , z których najnowszy jest USB-C .

Wydany w 1996 roku standard USB jest utrzymywany przez USB Implementers Forum (USB-IF). Odnotowano cztery generacje specyfikacji USB: USB 1. x , USB 2.0 , USB 3. x , a USB4 .

Przegląd

USB został zaprojektowany w celu standaryzacji podłączania urządzeń peryferyjnych do komputerów osobistych, zarówno w celu komunikacji, jak i zasilania energią elektryczną. W dużej mierze zastąpił interfejsy, takie jak porty szeregowe i równoległe , i stał się powszechny na wielu urządzeniach. Przykładami urządzeń peryferyjnych podłączonych przez USB są klawiatury i myszy komputerowe, kamery wideo, drukarki, przenośne odtwarzacze multimedialne, przenośne (przenośne) telefony cyfrowe, dyski i karty sieciowe.

Złącza USB coraz częściej zastępują inne typy jako kable do ładowania urządzeń przenośnych.

Identyfikacja pojemnika (gniazda)

Porty USB-A 3.1 Gen 1 (wcześniej znane jako USB 3.0; później przemianowane na porty USB 3.1 Gen 1)

Ta sekcja ma na celu umożliwienie szybkiej identyfikacji gniazd (gniazd) USB w sprzęcie. Dalsze schematy i omówienie wtyczek i gniazd można znaleźć w głównym artykule powyżej.

Dostępne gniazda dla każdego złącza
Złącza USB 1.0
1996
USB 1.1
1998
USB 2.0
2001

Zaktualizowany USB 2.0
USB 3.0
2008
USB 3.1
2014
USB 3.2
2017
USB4
2019
Szybkość przesyłania danych 1,5  Mbit/s
( niska prędkość )
12  Mbit/s
( pełna prędkość )
1,5  Mbit/s
( Niska prędkość )
12  Mbit/s
( Pełna prędkość )
480  Mbit/s
( Wysoka prędkość )
5 Gb/s
( Superszybkość )
10 Gb/s
( SuperSpeed+ )
20 Gb/s
( SuperSpeed+ )
40 Gb/s
( SuperSpeed+, Thunderbolt 3 i 4 )
Standard A Typ A
Gniazdo USB typu A.svg
Typ A
Gniazdko USB 3.0 typu A niebieski.svg
Przestarzałe
b Typ B
Gniazdo USB typu B.svg
Typ B
Gniazdo USB 3.0 typu B niebieski.svg
Przestarzałe
C Nie dotyczy Typ C ( powiększony )
Gniazdo USB typu C Pinout.svg
Mini A Nie dotyczy Mini A
Gniazdo USB Mini-A.svg
Przestarzałe
b Mini B
Gniazdo USB Mini-B.svg
AB Nie dotyczy Mini AB
Gniazdo USB Mini-AB.svg
Mikro A Nie dotyczy Mikro A
Mikro A
USB 3.0 Micro-A.svg
Przestarzałe
b Nie dotyczy Mikro B
Mikro B
Gniazdo USB 3.0 Micro-B.svg
Przestarzałe
AB Nie dotyczy Mikro AB
Gniazdo USB Micro-AB.svg
Mikro AB
USB micro AB SuperSpeed.png
Przestarzałe
Złącza USB 1.0
1996
USB 1.1
1998
USB 2.0
2001

Zaktualizowany USB 2.0
USB 3.0
2011
USB 3.1
2014
USB 3.2
2017
USB4
2019

Cele

Uniwersalna magistrala szeregowa została opracowana w celu uproszczenia i ulepszenia interfejsu między komputerami osobistymi a urządzeniami peryferyjnymi w porównaniu z wcześniej istniejącymi standardowymi lub zastrzeżonymi interfejsami ad hoc.

Z perspektywy użytkownika komputera interfejs USB poprawia łatwość użytkowania na kilka sposobów:

  • Interfejs USB konfiguruje się samoczynnie, eliminując potrzebę dostosowywania przez użytkownika ustawień urządzenia pod kątem szybkości lub formatu danych, a także konfigurowania przerwań , adresów wejścia/wyjścia lub kanałów bezpośredniego dostępu do pamięci.
  • Złącza USB są standaryzowane w hoście, więc każde urządzenie peryferyjne może korzystać z większości dostępnych gniazd.
  • USB w pełni wykorzystuje dodatkową moc obliczeniową, którą można ekonomicznie umieścić w urządzeniach peryferyjnych, aby mogły same zarządzać. W związku z tym urządzenia USB często nie mają ustawień interfejsu, które można regulować przez użytkownika.
  • Interfejs USB można wymieniać podczas pracy (urządzenia można wymieniać bez ponownego uruchamiania komputera hosta).
  • Małe urządzenia można zasilać bezpośrednio z interfejsu USB, eliminując potrzebę stosowania dodatkowych kabli zasilających.
  • Ponieważ użycie logo USB jest dozwolone dopiero po przeprowadzeniu testów zgodności , użytkownik może mieć pewność, że urządzenie USB będzie działać zgodnie z oczekiwaniami bez intensywnej interakcji z ustawieniami i konfiguracją.
  • Interfejs USB definiuje protokoły odzyskiwania po typowych błędach, poprawiając niezawodność w porównaniu z poprzednimi interfejsami.
  • Instalacja urządzenia opartego na standardzie USB wymaga minimalnej interwencji operatora. Gdy użytkownik podłącza urządzenie do portu działającego komputera, albo całkowicie automatycznie konfiguruje się przy użyciu istniejących sterowników urządzeń , albo system wyświetla monit o zlokalizowanie sterownika, który następnie instaluje i konfiguruje automatycznie.

Standard USB zapewnia również wiele korzyści producentom sprzętu i programistom, w szczególności w zakresie względnej łatwości wdrożenia:

  • Standard USB eliminuje konieczność opracowywania własnych interfejsów do nowych urządzeń peryferyjnych.
  • Szeroki zakres prędkości transferu dostępnych z interfejsu USB pasuje do urządzeń, od klawiatur i myszy po interfejsy strumieniowego przesyłania wideo.
  • Interfejs USB można zaprojektować tak, aby zapewniał najlepsze dostępne opóźnienia dla funkcji krytycznych czasowo lub można go skonfigurować do wykonywania w tle przesyłania danych masowych z niewielkim wpływem na zasoby systemowe.
  • Interfejs USB jest uogólniony bez linii sygnałowych dedykowanych tylko jednej funkcji jednego urządzenia.

Ograniczenia

Podobnie jak w przypadku wszystkich standardów, USB ma wiele ograniczeń w swojej konstrukcji:

  • Kable USB mają ograniczoną długość, ponieważ standard był przeznaczony do urządzeń peryferyjnych na tym samym blacie, a nie między pokojami lub budynkami. Jednak port USB można podłączyć do bramy, która uzyskuje dostęp do odległych urządzeń.
  • Szybkości przesyłania danych przez USB są wolniejsze niż w przypadku innych połączeń, takich jak 100 Gigabit Ethernet .
  • USB ma ścisłą topologię sieci w drzewie i protokół master/slave do adresowania urządzeń peryferyjnych; urządzenia te nie mogą komunikować się ze sobą inaczej niż za pośrednictwem hosta, a dwa hosty nie mogą komunikować się bezpośrednio przez swoje porty USB. Pewne rozszerzenie tego ograniczenia jest możliwe za pośrednictwem USB On-The-Go in, urządzeń Dual-Role-Devices i Protocol Bridge .
  • Host nie może wysyłać sygnałów do wszystkich urządzeń peryferyjnych jednocześnie — każde z nich musi być adresowane indywidualnie.
  • Chociaż konwertery istnieją między niektórymi starszymi interfejsami a USB, mogą nie zapewniać pełnej implementacji starszego sprzętu. Na przykład konwerter USB na port równoległy może dobrze współpracować z drukarką, ale nie ze skanerem, który wymaga dwukierunkowego użycia pinów danych.

Dla dewelopera produktu korzystanie z USB wymaga implementacji złożonego protokołu i oznacza „inteligentny” kontroler w urządzeniu peryferyjnym. Deweloperzy urządzeń USB przeznaczonych do publicznej sprzedaży zazwyczaj muszą uzyskać identyfikator USB, co wymaga uiszczenia opłaty na forum USB Implementers Forum . Deweloperzy produktów wykorzystujących specyfikację USB muszą podpisać umowę z Implementers Forum. Używanie logo USB na produkcie wymaga rocznych opłat i członkostwa w organizacji.

Historia

Duże koło to lewy koniec linii poziomej.  Linia rozwidla się na trzy gałęzie zakończone symbolami koła, trójkąta i kwadratu.
Podstawowe logo trójząb USB
Logo trójząb USB4 40Gbit/s
Logo USB na główce standardowej wtyczki USB-A

Grupa siedmiu firm rozpoczęła rozwój USB w 1994 roku: Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC i Nortel . Celem było zasadnicze ułatwienie podłączania urządzeń zewnętrznych do komputerów PC poprzez wymianę wielu złączy z tyłu komputerów, rozwiązanie problemów użyteczności istniejących interfejsów i uproszczenie konfiguracji oprogramowania wszystkich urządzeń podłączonych do USB, a także umożliwienie większej szybkości transmisji danych dla urządzeń zewnętrznych i funkcji Plug and Play . Ajay Bhatt i jego zespół pracowali nad standardem w firmie Intel; pierwsze układy scalone obsługujące USB zostały wyprodukowane przez firmę Intel w 1995 roku.

Joseph C. Decuir , amerykański stypendysta Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) i jeden z projektantów wczesnych 8-bitowych systemów gier i komputerów na Atari (Atari VCS, Atari 400/800), a także Commodore Amiga przypisuje swoją pracę nad Atari SIO , implementacją komunikacji w 8-bitowym komputerze Atari , jako podstawę standardu USB, którą również pomagał zaprojektować i na którą posiada patenty.

Oryginalna specyfikacja USB 1.0, która została wprowadzona w styczniu 1996 r., określała szybkości przesyłania danych na poziomie 1,5  Mbit/s Low Speed i 12 Mbit/s Full Speed . Projekty projektowe wymagały zastosowania magistrali o pojedynczej prędkości 5 Mbit/s, ale dodano niską prędkość, aby wspierać tanie urządzenia peryferyjne z nieekranowanymi kablami , co dało rozdzieloną konstrukcję z szybkością transmisji danych 12 Mbit/s przeznaczoną dla większej prędkości urządzenia, takie jak drukarki i stacje dyskietek, oraz niższa szybkość 1,5 Mb/s dla urządzeń o niskiej szybkości transmisji danych, takich jak klawiatury, myszy i joysticki . Microsoft Windows 95 OSR 2.1 zapewniła wsparcie dla urządzeń OEM w sierpniu 1997. Pierwszym szeroko stosowanym wersja USB 1.1, który był został wydany we wrześniu 1998 Apple Inc. „s iMac był pierwszym produktem głównym nurtem z USB i iMac za sukces spopularyzował sam USB. Po podjęciu przez Apple decyzji projektowej o usunięciu wszystkich starszych portów z iMaca, wielu producentów komputerów PC zaczęło budować komputery bez starszej wersji , co doprowadziło do poszerzenia rynku komputerów PC przy użyciu standardu USB.

Specyfikacja USB 2.0 została opublikowana w kwietniu 2000 r. i została ratyfikowana przez USB Implementers Forum (USB-IF) pod koniec 2001 r. Hewlett-Packard , Intel, Lucent Technologies (obecnie Nokia), NEC i Philips wspólnie poprowadzili inicjatywę opracuj wyższą szybkość przesyłania danych, a wynikowa specyfikacja osiągnie 480 Mbit/s, 40 razy szybciej niż oryginalna specyfikacja USB 1.1.

Specyfikacja USB 3.0 została opublikowana 12 listopada 2008 roku. Jej głównymi celami było zwiększenie szybkości przesyłania danych (do 5 Gbit/s), zmniejszenie zużycia energii, zwiększenie mocy wyjściowej i wsteczna kompatybilność z USB 2.0. USB 3.0 zawiera nową, szybszą magistralę o nazwie SuperSpeed ​​równolegle z magistralą USB 2.0. Z tego powodu nowa wersja nosi również nazwę SuperSpeed. Pierwsze urządzenia wyposażone w USB 3.0 zostały zaprezentowane w styczniu 2010 roku.

W 2008 r. na światowym rynku znajdowało się około 6 miliardów portów i interfejsów USB, a każdego roku sprzedawano około 2 miliardy.

Specyfikacja USB 3.1 została opublikowana w lipcu 2013 roku.

W grudniu 2014 r. firma USB-IF przedstawiła specyfikacje USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 i USB-C do normy IEC ( TC 100  — systemy i sprzęt audio, wideo i multimedialne) w celu włączenia do międzynarodowej normy IEC 62680 ( interfejsy uniwersalnej magistrali szeregowej dla dane i zasilanie) , który jest obecnie oparty na USB 2.0.

Specyfikacja USB 3.2 została opublikowana we wrześniu 2017 roku.

USB 1.x

Wydany w styczniu 1996 r. USB 1.0 określał szybkości sygnalizacji 1,5 Mbit/s (niska przepustowość lub niska prędkość) i 12 Mbit/s (pełna prędkość) . Nie pozwalał na kable przedłużające ani monitory przelotowe ze względu na ograniczenia czasowe i mocy. Niewiele urządzeń USB pojawiło się na rynku do czasu wydania USB 1.1 w sierpniu 1998 roku. USB 1.1 był najwcześniejszą wersją, która została powszechnie przyjęta i doprowadziła do tego, co Microsoft określił jako „ komputer wolny od starszej wersji ”.

Ani USB 1.0, ani 1.1 nie określały projektu złącza mniejszego niż standardowe typu A lub typu B. Chociaż wiele projektów zminiaturyzowanego złącza typu B pojawiło się na wielu urządzeniach peryferyjnych, zgodność ze standardem USB 1.x była utrudniona przez traktowanie urządzeń peryferyjnych, które miniaturowe złącza, tak jakby miały połączenie na uwięzi (to znaczy: brak wtyczki lub gniazda na końcu urządzenia peryferyjnego). Nie było znanego miniaturowego złącza typu A, dopóki USB 2.0 (wersja 1.01) nie wprowadziło jednego.

USB 2.0

Logo Hi-Speed ​​USB

USB 2.0 został wydany w kwietniu 2000 roku, dodając wyższą maksymalną szybkość sygnalizacji 480 Mbit/s (maksymalna teoretyczna przepustowość danych 53 MB/s) o nazwie High Speed lub High Bandwidth , oprócz szybkości sygnalizacji USB 1.x Full Speed wynoszącej 12 Mbit/s (maksymalna teoretyczna przepustowość danych 1,2 MB/s).

Modyfikacje specyfikacji USB zostały wprowadzone za pomocą powiadomień o zmianach technicznych (ECN). Najważniejsze z tych ECN są zawarte w pakiecie specyfikacji USB 2.0 dostępnym na USB.org:

  • Złącze Mini-A i Mini-B
  • Specyfikacja kabli i złączy Micro-USB 1.01
  • InterChip USB Supplement
  • Dodatek On-The-Go 1.3 USB On-The-Go umożliwia komunikację między dwoma urządzeniami USB bez konieczności używania oddzielnego hosta USB
  • Specyfikacja ładowania baterii 1.1 Dodano obsługę dedykowanych ładowarek, zachowanie ładowarek hosta dla urządzeń z rozładowanymi bateriami
  • Specyfikacja ładowania baterii 1.2 : ze zwiększonym prądem 1,5 A na portach ładowania dla nieskonfigurowanych urządzeń, umożliwiająca komunikację High Speed ​​przy prądzie do 1,5 A i maksymalnym prądzie 5 A
  • Link Power Management Addendum ECN , który dodaje stan uśpienia zasilania

USB 3.x

Logo SuperSpeed ​​USB

Specyfikacja USB 3.0 została opublikowana 12 listopada 2008 r., a jej zarządzanie zostało przeniesione z grupy promotorów USB 3.0 do USB Implementers Forum (USB-IF) i ogłoszona 17 listopada 2008 r. na konferencji SuperSpeed ​​USB Developers Conference.

USB 3.0 dodaje tryb transferu SuperSpeed z powiązanymi wstecznie kompatybilnymi wtyczkami, gniazdami i kablami. Wtyczki i gniazda SuperSpeed ​​są oznaczone wyraźnym logo i niebieskimi wstawkami w gniazdach o standardowym formacie.

Magistrala SuperSpeed ​​zapewnia tryb transferu z nominalną szybkością 5,0 Gbit/s, oprócz trzech istniejących trybów transferu. Jego wydajność zależy od wielu czynników, w tym fizycznego kodowania symboli i narzutu na poziomie łącza. Przy szybkości sygnalizacji 5 Gbit/s z kodowaniem 8b/10b każdy bajt potrzebuje 10 bitów do przesłania, więc surowa przepustowość wynosi 500 MB/s. Gdy brane są pod uwagę sterowanie przepływem, ramkowanie pakietów i narzut protokołu, realistycznie jest przesyłać do aplikacji 400 MB/s (3,2 Gbit/s) lub więcej. Komunikacja odbywa się w pełnym dupleksie w trybie transferu SuperSpeed; wcześniejsze tryby są półdupleksowe, rozstrzygane przez hosta.

Urządzenia o niskim i wysokim poborze mocy działają zgodnie z tym standardem, ale urządzenia korzystające z SuperSpeed ​​mogą korzystać ze zwiększonego dostępnego prądu, odpowiednio od 150 mA do 900 mA.

USB 3.1 , wydany w lipcu 2013 roku, ma dwa warianty. Pierwsza z nich zachowuje tryb transferu SuperSpeed USB 3.0 i jest oznaczona jako USB 3.1 Gen 1 , a druga wersja wprowadza nowy tryb transferu SuperSpeed ​​+ pod nazwą USB 3.1 Gen 2 . SuperSpeed+ podwaja maksymalną szybkość sygnalizacji danych do 10 Gbit/s, jednocześnie redukując narzut kodowania linii do zaledwie 3% poprzez zmianę schematu kodowania na 128b/132b .

USB 3.2 , wydany we wrześniu 2017 r., zachowuje istniejące tryby danych USB 3.1 SuperSpeed i SuperSpeed+, ale wprowadza dwa nowe tryby transferu SuperSpeed+ przez złącze USB-C z szybkościami danych 10 i 20 Gbit/s (1,25 i 2,5 GB/s). Wzrost przepustowości jest wynikiem wielotorowej pracy na istniejących przewodach, które były przeznaczone do funkcji flip-flop złącza USB-C.

W USB 3.0 wprowadzono również protokół UASP , który zapewnia ogólnie większą szybkość transferu niż protokół BOT (Bulk-Only-Transfer).

Schemat nazewnictwa

Począwszy od standardu USB 3.2, USB-IF wprowadził nowy schemat nazewnictwa. Aby pomóc firmom w oznakowaniu różnych trybów transferu, USB-IF zalecił oznaczenie trybów transferu 5, 10 i 20 Gbit/s odpowiednio jako SuperSpeed ​​USB 5Gbps , SuperSpeed ​​USB 10Gbps i SuperSpeed ​​USB 20Gbps :

Znakowanie USB-IF Logo Tryb przesyłu Starsze specyfikacje Szybkość przesyłania danych Szybkość transferu
SuperSpeed ​​USB 5Gbit/s USB SuperSpeed ​​5 Gbps Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 1×1 USB 3.1 pierwszej generacji, USB 3.0 5 Gb/s 500 MB/s
SuperSpeed ​​USB 10Gbit/s USB SuperSpeed ​​10 Gb/s Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 2×1 USB 3.1 Gen 2, USB 3.1 10 Gb/s 1,21 GB/s
SuperSpeed ​​USB 20Gbit/s USB SuperSpeed ​​20 Gb/s Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 2×2 20 Gb/s 2,42 GB/s

USB4

Certyfikowane logo USB4 40Gbit/s

Specyfikacja USB4 została opublikowana 29 sierpnia 2019 r. przez USB Implementers Forum.

USB4 jest oparty na specyfikacji protokołu Thunderbolt 3 . Obsługuje przepustowość 40 Gbit/s, jest kompatybilny z Thunderbolt 3 i wstecznie kompatybilny z USB 3.2 i USB 2.0. Architektura definiuje metodę dynamicznego współdzielenia pojedynczego szybkiego łącza z wieloma typami urządzeń końcowych, która najlepiej służy do przesyłania danych według typu i aplikacji.

Specyfikacja USB4 określa, że ​​następujące technologie będą obsługiwane przez USB4:

Połączenie Obowiązkowe dla Uwagi
gospodarz Centrum urządzenie
USB 2.0 (480 Mb/s) tak tak tak W przeciwieństwie do innych funkcji, które wykorzystują multipleksowanie szybkich łączy, USB 2.0 przez USB-C wykorzystuje własną różnicową parę przewodów.
USB4 generacji 2×2 (20 Gb/s) tak tak tak Urządzenie z etykietą USB 3.0 nadal działa za pośrednictwem hosta lub koncentratora USB4 jako urządzenie USB 3.0. Wymagania dotyczące urządzeń Gen 2x2 dotyczą tylko nowych urządzeń oznaczonych jako USB4.
USB4 generacji 3×2 (40 Gb/s) Nie tak Nie
DisplayPort tak tak Nie Specyfikacja wymaga, aby hosty i koncentratory obsługiwały tryb alternatywny DisplayPort.
Komunikacja między hostami tak tak Nie dotyczy Połączenie podobne do sieci LAN między dwoma równorzędnymi użytkownikami.
PCI Express Nie tak Nie Funkcja PCI Express USB4 powiela funkcjonalność poprzednich wersji specyfikacji Thunderbolt .
Piorun 3 Nie tak Nie Thunderbolt 3 wykorzystuje kable USB-C; specyfikacja USB4 umożliwia hostom i urządzeniom oraz wymaga, aby koncentratory obsługiwały interoperacyjność ze standardem przy użyciu trybu alternatywnego Thunderbolt 3.
Inne alternatywne tryby Nie Nie Nie Produkty USB4 mogą opcjonalnie oferować współdziałanie z alternatywnymi trybami HDMI , MHL i VirtualLink .

Podczas targów CES 2020 , USB-IF i Intel ogłosiły zamiar dopuszczenia produktów USB4, które obsługują wszystkie opcjonalne funkcje jako produkty Thunderbolt 4 . Oczekuje się, że pierwsze produkty kompatybilne z USB4 to seria Tiger Lake firmy Intel i seria procesorów AMD Zen 3 . Wydany w 2020 roku.

Historia wersji

Wersje wydania

Nazwa Data wydania Maksymalna szybkość transferu Notatka
USB 0,7 11 listopada 1994 ? Wersja przedpremierowa
USB 0,8 grudzień 1994 ? Wersja przedpremierowa
USB 0,9 13 kwietnia 1995 r. Pełna prędkość (12 Mb/s) Wersja przedpremierowa
USB 0,99 Sierpień 1995 ? Wersja przedpremierowa
USB 1.0-RC Listopad 1995 ? Zwolnienie kandydata
USB 1.0 15 stycznia 1996 r. Pełna prędkość (12 Mb/s),

Niska prędkość (1,5 Mb/s)

USB 1.1 Sierpień 1998
USB 2.0 kwiecień 2000 Wysoka prędkość (480 Mb/s)
USB 3.0 Listopad 2008 SuperSpeed ​​USB (5 Gb/s) Nazywane również USB 3.1 Gen 1 i USB 3.2 Gen 1 × 1
USB 3.1 lipiec 2013 SuperSpeed+ USB (10 Gb/s) Zawiera nowy port USB 3.1 Gen 2, zwany także USB 3.2 Gen 2 × 1 w późniejszych specyfikacjach
USB 3.2 Sierpień 2017 Dwupasmowe złącze SuperSpeed+ USB (20 Gb/s) Zawiera nowe tryby multi-link USB 3.2 Gen 1 × 2 i Gen 2 × 2
USB4 Sierpień 2019 40 Gb/s (2 linie) Zawiera nowe tryby USB4 Gen 2 × 2 (kodowanie 64b/66b) i Gen 3 × 2 (kodowanie 128b/132b) oraz wprowadza routing USB4 do tunelowania ruchu USB3.x, DisplayPort 1.4a i PCI Express oraz transferów między hostami , w oparciu o protokół Thunderbolt 3

Specyfikacje związane z zasilaniem

Nazwa wydania Data wydania Maks. moc Notatka
Ładowanie baterii przez USB Rev. 1.0 2007-03-08 7,5 W (5 V, 1,5 A)
Ładowanie baterii przez USB w wersji 1.1 2009-04-15 9 W (5 V, 1,8 A) Strona 28, Tabela 5–2, ale z ograniczeniem do paragrafu 3.5. W zwykłym porcie standard-A USB 2.0, tylko 1,5A.
Ładowanie baterii przez USB w wersji 1.2 2010-12-07 25 W (5 V, 5 A)
Zasilanie USB Rev. 1.0 (V. 1.0) 2012-07-05 100 W (20 V, 5 A) Korzystanie z protokołu FSK przez zasilanie magistrali (V BUS )
Zasilanie USB Rev. 1.0 (V. 1.3) 2014-03-11 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C w wersji 1.0 2014-08-11 15 W (5 V, 3 A) Nowe złącze i specyfikacja kabla
Zasilanie USB w wersji 2.0 (V. 1.0) 2014-08-11 100 W (20 V, 5 A) Korzystanie z protokołu BMC przez kanał komunikacyjny (CC) na kablach USB-C.
USB typu C w wersji 1.1 2015-04-03 15 W (5 V, 3 A)
Zasilanie USB w wersji 2.0 (wersja 1.1) 2015-05-07 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C w wersji 1.2 2016-03-25 15 W (5 V, 3 A)
Zasilanie USB w wersji 2.0 (V. 1.2) 2016-03-25 100 W (20 V, 5 A)
Zasilanie USB w wersji 2.0 (V.1.3) 2017-01-12 100 W (20 V, 5 A)
Zasilanie USB w wersji 3.0 (wersja 1.1) 2017-01-12 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C w wersji 1.3 2017-07-14 15 W (5 V, 3 A)
Zasilanie USB w wersji 3.0 (V. 1.2) 2018-06-21 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C wersja 1.4 2019-03-29 15 W (5 V, 3 A)
USB typu C w wersji 2.0 2019-08-29 15 W (5 V, 3 A) Włączanie złącza i kabli USB4 przez USB typu C.
Zasilanie USB w wersji 3.0 (V. 2.0) 2019-08-29 100 W (20 V, 5 A)
Zasilanie USB w wersji 3.1 (V. 1.0) 2021-05-24 240 W (48 V, 5 A)
USB typu C w wersji 2.1 2021-05-25 15 W (5 V, 3 A)
Zasilanie USB w wersji 3.1 (wersja 1.1) 2021-07-06 240 W (48 V, 5 A)

Projekt systemu

System USB składa się z hosta z co najmniej jednym portem pobierania danych oraz wielu urządzeń peryferyjnych, tworzących topologię gwiazdy warstwowej . Mogą być dołączone dodatkowe koncentratory USB , co pozwala na maksymalnie pięć poziomów. Host USB może mieć wiele kontrolerów, z których każdy ma jeden lub więcej portów. Do jednego kontrolera hosta można podłączyć do 127 urządzeń. Urządzenia USB są połączone szeregowo przez koncentratory. Koncentrator wbudowany w kontroler hosta jest nazywany koncentratorem głównym .

Urządzenie USB może składać się z kilku logicznych podurządzeń, które określa się mianem funkcji urządzenia . Urządzenie kompozytowe może pełnić kilka funkcji, na przykład kamerę internetową (funkcja urządzenia wideo) z wbudowanym mikrofonem (funkcja urządzenia audio). Alternatywą jest urządzenie złożone , w którym host przypisuje każdemu urządzeniu logicznemu odrębny adres, a wszystkie urządzenia logiczne łączą się z wbudowanym koncentratorem, który łączy się z fizycznym kablem USB.

Diagram: wewnątrz urządzenia znajduje się kilka punktów końcowych, z których każdy łączy się logicznym potokiem z kontrolerem hosta.  Dane w każdym potoku przepływają w jednym kierunku, chociaż istnieje mieszanka idąca do i z kontrolera hosta.
Punkty końcowe USB znajdują się na podłączonym urządzeniu: kanały do ​​hosta są określane jako potoki.

Komunikacja urządzeń USB oparta jest na potokach (kanałach logicznych). Potok to połączenie z kontrolera hosta do jednostki logicznej w urządzeniu, zwanej punktem końcowym . Ponieważ potoki odpowiadają punktom końcowym, terminy są czasami używane zamiennie. Każde urządzenie USB może mieć maksymalnie 32 punktów końcowych (16 w , a 16 spośród ), choć zdarza się to rzadko, że tak wielu. Punkty końcowe są definiowane i numerowane przez urządzenie podczas inicjalizacji (okres po fizycznym połączeniu zwanym „enumeracją”) i dlatego są względnie trwałe, podczas gdy rury mogą być otwierane i zamykane.

Istnieją dwa rodzaje potoku: strumień i wiadomość.

  • Potok komunikatów jest dwukierunkowy i służy do przesyłania sterowania . Potoki komunikatów są zwykle używane do krótkich, prostych poleceń wysyłanych do urządzenia oraz do odpowiedzi stanu urządzenia, na przykład przez potok sterowania magistrali numer 0.
  • Strumień rura jest jednokierunkowy rura połączona z końcowym jednokierunkową który przesyła dane przy użyciu izochroniczne , przerwanie lub w masie przelewu:
    Transfery izochroniczne
    Z pewną gwarantowaną szybkością transmisji danych (dla danych strumieniowych o stałej przepustowości), ale z możliwą utratą danych (np. audio lub wideo w czasie rzeczywistym)
    Przerywanie transferów
    Urządzenia wymagające gwarantowanej szybkiej reakcji (ograniczone opóźnienia), takie jak urządzenia wskazujące, myszy i klawiatury
    Przelewy masowe
    Duże sporadyczne transfery wykorzystujące całą pozostałą dostępną przepustowość, ale bez gwarancji przepustowości lub opóźnień (np. transfery plików)

Kiedy komputer rozpoczyna transfer danych, wysyła token pakiet zawierający końcowy określoną przez krotki z (DEVICE_ADDRESS, endpoint_number) . Jeśli transfer odbywa się z hosta do punktu końcowego, host wysyła pakiet OUT (specjalizacja pakietu TOKEN) z żądanym adresem urządzenia i numerem punktu końcowego. Jeśli transfer danych odbywa się z urządzenia do hosta, host zamiast tego wysyła pakiet IN. Jeżeli docelowy punkt końcowy jest jednokierunkowym punktem końcowym, którego kierunek wyznaczony przez producenta nie pasuje do pakietu TOKEN (np. kierunek wyznaczony przez producenta to IN, podczas gdy pakiet TOKEN jest pakietem OUT), pakiet TOKEN jest ignorowany. W przeciwnym razie zostanie zaakceptowany i transakcja danych może się rozpocząć. Z drugiej strony, dwukierunkowy punkt końcowy akceptuje zarówno pakiety IN, jak i OUT.

Otwór prostokątny, którego szerokość jest dwukrotnie większa od wysokości.  Otwór ma metalowe obrzeże, a wewnątrz otworu równolegle do górnej strony biegnie płaski prostokątny pręt.
Dwa gniazda USB 3.0 Standard-A (po lewej) i dwa gniazda USB 2.0 Standard-A (po prawej) na panelu przednim komputera

Punkty końcowe są pogrupowane w interfejsy, a każdy interfejs jest powiązany z jedną funkcją urządzenia. Wyjątkiem jest punkt końcowy zero, który jest używany do konfiguracji urządzenia i nie jest powiązany z żadnym interfejsem. Pojedyncza funkcja urządzenia złożona z niezależnie sterowanych interfejsów nazywana jest urządzeniem złożonym . Urządzenie złożone ma tylko jeden adres urządzenia, ponieważ host przypisuje adres urządzenia tylko do funkcji.

Gdy urządzenie USB jest po raz pierwszy podłączone do hosta USB, rozpoczyna się proces wyliczania urządzeń USB. Wyliczanie rozpoczyna się od wysłania sygnału resetowania do urządzenia USB. Szybkość transmisji danych urządzenia USB jest określana podczas sygnalizacji resetu. Po zresetowaniu informacje o urządzeniu USB są odczytywane przez hosta i do urządzenia przypisywany jest unikalny 7-bitowy adres. Jeśli urządzenie jest obsługiwane przez hosta, sterowniki urządzeń potrzebne do komunikacji z urządzeniem są ładowane, a urządzenie jest konfigurowane. Po ponownym uruchomieniu hosta USB proces wyliczania jest powtarzany dla wszystkich podłączonych urządzeń.

Kontroler hosta kieruje przepływ ruchu do urządzeń, więc żadne urządzenie USB nie może przesyłać żadnych danych do magistrali bez wyraźnego żądania kontrolera hosta. W USB 2.0 kontroler hosta odpytuje magistralę o ruch, zwykle w sposób okrężny . Przepustowość każdego portu USB jest określana przez wolniejszą prędkość portu USB lub urządzenia USB podłączonego do portu.

Szybkie koncentratory USB 2.0 zawierają urządzenia zwane translatorami transakcji, które konwertują między szybkimi magistralami USB 2.0 a magistralami o pełnej i niskiej szybkości. Może być jeden tłumacz na koncentrator lub port.

Ponieważ w każdym hoście USB 3.0 znajdują się dwa oddzielne kontrolery, urządzenia USB 3.0 przesyłają i odbierają dane z szybkością transmisji danych USB 3.0, niezależnie od tego, czy do tego hosta są podłączone urządzenia USB 2.0 lub starsze. Operacyjne szybkości transmisji danych dla starszych urządzeń są ustawiane w tradycyjny sposób.

Klasy urządzeń

Funkcjonalność urządzenia USB jest określona przez kod klasy wysłany do hosta USB. Umożliwia to hostowi ładowanie modułów oprogramowania dla urządzenia i obsługę nowych urządzeń różnych producentów.

Klasy urządzeń obejmują:

Klasa Stosowanie Opis Przykłady lub wyjątek
00 godz Urządzenie Nieokreślony Klasa urządzenia jest nieokreślona, ​​deskryptory interfejsu służą do określenia potrzebnych sterowników
01h Berło Audio Głośnik , mikrofon , karta dźwiękowa , MIDI
02h Obie Komunikacja i kontrola CDC Adapter szeregowy UART i RS-232 , Modem , Adapter Wi-Fi , Adapter Ethernet . Używane razem z klasą 0Ah (dane CDC ) poniżej
03h Berło Urządzenie interfejsu ludzkiego (HID) Klawiatura , mysz , joystick
05h Berło Fizyczne urządzenie interfejsowe (PID) Joystick siły sprzężenia zwrotnego
06h Berło Obraz ( PTP / MTP ) Kamera internetowa , skaner
07h Berło Drukarka Drukarka laserowa , drukarka atramentowa , CNC
08h Berło Pamięć masowa (MSC lub UMS) Pamięć flash USB , czytnik kart pamięci , cyfrowy odtwarzacz audio , aparat cyfrowy , dysk zewnętrzny
09h Urządzenie rozdzielacz USB Koncentrator o pełnej przepustowości
0Ah Berło Dane CDC Używany razem z klasą 02h (Komunikacja i Kontrola CDC ) powyżej
0Bh Berło Karta inteligentna Czytnik kart inteligentnych USB
0dh Berło Bezpieczeństwo treści czytnik linii papilarnych
0Eh Berło Wideo Kamerka internetowa
0Fh Berło Klasa osobistego urządzenia opieki zdrowotnej (PHDC) Pulsometr (zegarek)
10h Berło Audio/wideo (AV) Kamera internetowa , TV
11h Urządzenie Billboard Opisuje alternatywne tryby USB-C obsługiwane przez urządzenie
DCh Obie Urządzenie diagnostyczne Urządzenie do testowania zgodności USB
E0h Berło Kontroler bezprzewodowy Adapter Bluetooth , Microsoft RNDIS
EFh Obie Różnorodny Urządzenie ActiveSync
FEh Berło Specyficzne dla aplikacji Most IrDA , klasa testowo-pomiarowa (USBTMC), USB DFU (aktualizacja oprogramowania sprzętowego urządzenia)
FFh Obie Specyficzne dla dostawcy Wskazuje, że urządzenie wymaga sterowników określonych przez dostawcę

Pamięć masowa USB / dysk USB

Dysk flash , urządzenia pamięci masowej USB typowy
Płytka drukowana z zewnętrznej obudowy 2,5-calowego dysku twardego SATA USB 3.0

Klasa urządzeń pamięci masowej USB (MSC lub UMS) standaryzuje połączenia z urządzeniami pamięci masowej. Początkowo przeznaczony dla napędów magnetycznych i optycznych, został rozszerzony o obsługę napędów flash . Został również rozszerzony o obsługę szerokiej gamy nowych urządzeń, ponieważ wiele systemów można kontrolować za pomocą znanej metafory manipulacji plikami w katalogach. Proces tworzenia nowego urządzenia wyglądającego jak znajome urządzenie jest również znany jako rozszerzenie. Możliwość rozruchu karty SD z blokadą zapisu przy użyciu adaptera USB jest szczególnie korzystna dla zachowania integralności i niezakłóconego, nieskazitelnego stanu nośnika rozruchowego.

Chociaż większość komputerów osobistych od początku 2005 roku może uruchamiać się z urządzeń pamięci masowej USB, USB nie jest przewidziany jako główna magistrala dla wewnętrznej pamięci masowej komputera. Jednak USB ma tę zaletę, że umożliwia wymianę na gorąco , co czyni go przydatnym dla mobilnych urządzeń peryferyjnych, w tym różnego rodzaju dysków.

Kilku producentów oferuje zewnętrzne przenośne dyski twarde USB lub puste obudowy na dyski. Oferują one wydajność porównywalną z dyskami wewnętrznymi, ograniczoną liczbą i rodzajem podłączonych urządzeń USB oraz górną granicą interfejsu USB. Inne konkurencyjne standardy łączności dysków zewnętrznych to eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394), a ostatnio Thunderbolt .

Innym zastosowaniem urządzeń pamięci masowej USB jest przenośne uruchamianie aplikacji (takich jak przeglądarki internetowe i klienci VoIP) bez konieczności instalowania ich na komputerze hosta.

Protokół przesyłania multimediów

Protokół Media Transfer Protocol (MTP) został zaprojektowany przez Microsoft w celu zapewnienia wyższego poziomu dostępu do systemu plików urządzenia niż do pamięci masowej USB, na poziomie plików, a nie bloków dysku. Posiada również opcjonalne funkcje DRM . MTP został zaprojektowany do użytku z przenośnymi odtwarzaczami multimedialnymi , ale od tego czasu został przyjęty jako podstawowy protokół dostępu do pamięci w systemie operacyjnym Android od wersji 4.1 Jelly Bean oraz Windows Phone 8 (urządzenia z systemem Windows Phone 7 korzystały z protokołu Zune – ewolucja MTP). Głównym tego powodem jest to, że protokół MTP nie wymaga wyłącznego dostępu do urządzenia pamięci masowej, tak jak robi to UMS, co łagodzi potencjalne problemy, jeśli program Android zażąda pamięci masowej, gdy jest on podłączony do komputera. Główną wadą jest to, że MTP nie jest tak dobrze obsługiwany poza systemami operacyjnymi Windows.

Urządzenia interfejsu ludzkiego

Myszy i klawiatury USB można zwykle używać ze starszymi komputerami wyposażonymi w złącza PS/2 za pomocą małego adaptera USB-PS/2. W przypadku myszy i klawiatur z obsługą dwóch protokołów można użyć adaptera, który nie zawiera żadnych obwodów logicznych : sprzęt USB w klawiaturze lub myszy jest zaprojektowany do wykrywania, czy jest podłączony do portu USB lub PS/2, i komunikuje się za pomocą odpowiedni protokół. Istnieją również konwertery, które łączą klawiatury i myszy PS/2 (zwykle po jednej) z portem USB. Urządzenia te prezentują systemowi dwa punkty końcowe HID i wykorzystują mikrokontroler do wykonywania dwukierunkowej translacji danych między dwoma standardami.

Mechanizm aktualizacji oprogramowania sprzętowego urządzenia

Aktualizacja oprogramowania układowego urządzenia (DFU) to niezależny od dostawcy i urządzenia mechanizm aktualizacji oprogramowania układowego urządzeń USB za pomocą ulepszonych wersji dostarczonych przez ich producentów, oferujący (na przykład) sposób wdrażania poprawek błędów oprogramowania układowego. Podczas operacji aktualizacji oprogramowania urządzenia USB zmieniają swój tryb pracy, stając się programistą PROM . Każda klasa urządzeń USB może wdrożyć tę funkcję, postępując zgodnie z oficjalnymi specyfikacjami DFU.

DFU może również dać użytkownikowi swobodę flashowania urządzeń USB z alternatywnym oprogramowaniem. Jedną z konsekwencji tego jest to, że urządzenia USB po ponownym flashowaniu mogą działać jako różne nieoczekiwane typy urządzeń. Na przykład urządzenie USB, które sprzedawca zamierza być tylko dyskiem flash, może „sfałszować” urządzenie wejściowe, takie jak klawiatura. Zobacz BadUSB .

Strumieniowe przesyłanie dźwięku

Grupa Robocza ds. Urządzeń USB określiła specyfikacje dla strumieniowego przesyłania dźwięku oraz opracowano i wdrożono określone standardy dla zastosowań klasy audio, takie jak mikrofony, głośniki, zestawy słuchawkowe, telefony, instrumenty muzyczne itp. Grupa robocza opublikowała trzy wersje dźwięku specyfikacje urządzenia: Audio 1.0, 2.0 i 3.0, określane jako „UAC” lub „ADC”.

UAC 2.0 wprowadził obsługę High Speed ​​USB (oprócz Full Speed), umożliwiając większą przepustowość dla interfejsów wielokanałowych, wyższe częstotliwości próbkowania, mniejsze opóźnienia własne i 8-krotną poprawę rozdzielczości taktowania w trybach synchronicznym i adaptacyjnym. UAC2 wprowadza również koncepcję domen zegara, która dostarcza hostowi informacji o tym, które terminale wejściowe i wyjściowe czerpią zegary z tego samego źródła, a także ulepszoną obsługę kodowania audio, takiego jak DSD , efekty audio, klastrowanie kanałów, elementy sterujące użytkownika i opisy urządzeń.

UAC 3.0 wprowadza przede wszystkim ulepszenia dla urządzeń przenośnych, takie jak zmniejszone zużycie energii przez rozładowanie danych i częstsze pozostawanie w trybie niskiego zużycia energii oraz domeny zasilania dla różnych komponentów urządzenia, umożliwiając ich wyłączanie, gdy nie są używane.

Urządzenia UAC 1.0 są jednak nadal powszechne ze względu na ich międzyplatformową kompatybilność bez sterowników, a także częściowo z powodu niepowodzenia Microsoftu we wdrażaniu UAC 2.0 przez ponad dekadę po jego opublikowaniu, dodając w końcu obsługę systemu Windows 10 za pośrednictwem Aktualizacji twórców 20 marca 2017 r. UAC 2.0 jest również obsługiwany przez systemy MacOS , iOS i Linux , jednak Android również implementuje tylko podzbiór UAC 1.0.

USB zapewnia trzy izochroniczne (o stałej przepustowości) typy synchronizacji, z których wszystkie są używane przez urządzenia audio:

  • Asynchroniczny — ADC lub DAC nie są w ogóle zsynchronizowane z zegarem komputera hosta, działając na wolnym zegarze lokalnym dla urządzenia.
  • Synchroniczny – zegar urządzenia jest zsynchronizowany z sygnałami początku ramki USB (SOF) lub interwałem magistrali. Na przykład może to wymagać zsynchronizowania zegara 11,2896 MHz z sygnałem SOF o częstotliwości 1 kHz, co jest dużym zwielokrotnieniem częstotliwości.
  • Adaptacyjny – zegar urządzenia jest zsynchronizowany z ilością danych wysyłanych na klatkę przez hosta

Podczas gdy specyfikacja USB pierwotnie opisywała tryb asynchroniczny używany w „tanich głośnikach” i tryb adaptacyjny w „high-endowych głośnikach cyfrowych”, w świecie hi-fi istnieje odwrotna percepcja, w której tryb asynchroniczny jest reklamowany jako funkcja, a adaptacyjny /tryby synchroniczne mają złą reputację. W rzeczywistości wszystkie typy mogą być wysokiej lub niskiej jakości, w zależności od jakości ich inżynierii i zastosowania. Asynchroniczny ma tę zaletę, że nie jest związany z zegarem komputera, ale wadą jest wymaganie konwersji częstotliwości próbkowania przy łączeniu wielu źródeł.

Złącza

Złącza, które określa komitet ds. USB, wspierają szereg podstawowych celów USB i odzwierciedlają wnioski wyciągnięte z wielu złącz używanych przez przemysł komputerowy. Złącze żeńskie zamontowane na hoście lub urządzeniu nazywa się gniazdem , a złącze męskie podłączone do kabla nazywa się wtyczką . Oficjalne dokumenty specyfikacji USB również okresowo definiują termin męski oznaczający wtyczkę, a żeński oznaczający gniazdo.

Wtyczka USB typu A
Standardowa wtyczka USB typu A. Jest to jeden z wielu typów złącza USB .

Z założenia trudno jest nieprawidłowo włożyć wtyczkę USB do gniazda. Specyfikacja USB wymaga, aby wtyczka kabla i gniazdo były oznaczone, aby użytkownik mógł rozpoznać właściwą orientację. Wtyczka USB-C jest jednak odwracalna. Kable USB i małe urządzenia USB są utrzymywane na miejscu dzięki sile chwytania z gniazda, bez śrub, klipsów lub obracania kciukiem, jak używają niektóre złącza.

Różne wtyczki A i B zapobiegają przypadkowemu podłączeniu dwóch źródeł zasilania. Jednak część tej ukierunkowanej topologii zostaje utracona wraz z pojawieniem się wielofunkcyjnych połączeń USB (takich jak USB On-The-Go w smartfonach i zasilanych przez USB routerów Wi-Fi), które wymagają A-do-A, B- to-B, a czasami kable Y/rozdzielacz.

Typy złączy USB mnożyły się wraz z postępem specyfikacji. Oryginalna specyfikacja USB zawiera szczegółowe informacje na temat wtyczek i gniazd standardu A i standardu B. Złącza były różne, aby użytkownicy nie mogli podłączyć jednego gniazda komputera do drugiego. Piny danych w standardowych wtyczkach są zagłębione w stosunku do pinów zasilania, dzięki czemu urządzenie może włączyć się przed nawiązaniem połączenia danych. Niektóre urządzenia działają w różnych trybach w zależności od tego, czy nawiązywane jest połączenie danych. Stacje ładujące dostarczają energię i nie zawierają urządzenia hosta ani pinów danych, dzięki czemu każde zdolne urządzenie USB może ładować lub działać za pomocą standardowego kabla USB. Kable ładujące zapewniają połączenia zasilania, ale nie danych. W kablu tylko do ładowania przewody danych są zwarte na końcu urządzenia, w przeciwnym razie urządzenie może odrzucić ładowarkę jako nieodpowiednią.

Okablowanie

Różne kable USB na sprzedaż w Hongkongu

Standard USB 1.1 określa, że ​​standardowy kabel może mieć maksymalną długość 5 metrów (16 stóp 5 cali) z urządzeniami działającymi z pełną prędkością (12 Mb/s) i maksymalną długość 3 metrów (9 stóp 10 cali) z urządzenia pracujące z małą prędkością (1,5 Mbit/s).

USB 2.0 zapewnia maksymalną długość kabla 5 metrów (16 stóp 5 cali) dla urządzeń pracujących z dużą prędkością (480 Mbit/s).

Standard USB 3.0 nie określa bezpośrednio maksymalnej długości kabla, wymaga jedynie, aby wszystkie kable spełniały specyfikację elektryczną: w przypadku okablowania miedzianego z przewodami AWG  26 maksymalna praktyczna długość wynosi 3 metry (9 stóp 10 cali).

Kable mostkowe USB

Na rynku można znaleźć kable mostkowe USB lub kable do przesyłania danych, oferujące bezpośrednie połączenia z komputera PC. Kabel mostkowy to specjalny kabel z chipem i aktywną elektroniką pośrodku kabla. Chip w środku kabla działa jako urządzenie peryferyjne dla obu komputerów i umożliwia komunikację peer-to-peer między komputerami. Kable pomostowe USB służą do przesyłania plików między dwoma komputerami za pośrednictwem ich portów USB.

Spopularyzowane przez firmę Microsoft jako Windows Easy Transfer narzędzie firmy Microsoft używało specjalnego kabla pomostowego USB do przesyłania osobistych plików i ustawień z komputera z wcześniejszą wersją systemu Windows na komputer z nowszą wersją. W kontekście korzystania z oprogramowania Windows Easy Transfer kabel pomostowy może być czasami określany jako kabel łatwego transferu .

Wiele mostków USB / kabli do transmisji danych to nadal USB 2.0, ale istnieje również wiele kabli do transmisji danych USB 3.0. Pomimo tego, że USB 3.0 jest 10 razy szybszy niż USB 2.0, kable transferowe USB 3.0 są tylko 2-3 razy szybsze, biorąc pod uwagę ich konstrukcję.

Specyfikacja USB 3.0 wprowadziła kabel krosowy A-do-A bez zasilania do łączenia dwóch komputerów. Nie są one przeznaczone do przesyłania danych, ale są przeznaczone do zastosowań diagnostycznych.

Połączenia USB o dwóch rolach

Kable pomostowe USB stały się mniej ważne dzięki możliwościom podwójnego urządzenia USB wprowadzonym w specyfikacji USB 3.1. Zgodnie z najnowszymi specyfikacjami USB obsługuje większość scenariuszy łączących systemy bezpośrednio za pomocą kabla Type-C. Aby jednak mogły działać, połączone systemy muszą obsługiwać przełączanie ról. Funkcje podwójnej roli wymagają obecności dwóch kontrolerów w systemie, a także kontrolera ról . Chociaż można się tego spodziewać w przypadku platformy mobilnej, takiej jak tablet lub telefon, komputery stacjonarne i laptopy często nie obsługują dwóch ról.

Moc

USB zapewnia zasilanie 5 V ± 5% do zasilania urządzeń USB downstream.

Urządzenia małej mocy i dużej mocy

Urządzenia o niskim poborze mocy mogą pobierać maksymalnie 1 jednostkę obciążenia, a wszystkie urządzenia muszą działać jako urządzenia o niskim poborze mocy, gdy zaczynają działać jako nieskonfigurowane. 1 obciążenie jednostkowe to 100 mA dla urządzeń USB do USB 2.0, podczas gdy USB 3.0 definiuje obciążenie jednostkowe jako 150 mA.

Urządzenia o dużej mocy (takie jak typowy 2,5-calowy dysk twardy USB) pobierają co najmniej 1 obciążenie jednostkowe i maksymalnie 5 obciążeń jednostkowych (5x100mA = 500 mA) dla urządzeń do USB 2.0 lub 6 obciążeń jednostkowych (6x150mA= 900 mA) ) dla urządzeń SuperSpeed ​​(USB 3.0 i nowsze).

Standardy zasilania USB
Specyfikacja Aktualny Napięcie Moc (maks.)
Urządzenie o małej mocy 100 mA 5 V 0,50 W
Urządzenie SuperSpeed ​​o niskim poborze mocy (USB 3.0) 150 mA 5 V 0,75 W
Urządzenie dużej mocy 500 mA 5 V 2,5 W
Urządzenie o dużej mocy SuperSpeed ​​(USB 3.0) 900 mA 5 V 4,5 W
Wielopasmowe urządzenie SuperSpeed ​​(USB 3.2 Gen 2) 1,5 A 5 V 7,5 W
Ładowanie akumulatora (BC) 1,1 1,5 A 5 V 7,5 W
Ładowanie baterii (BC) 1,2 5 lat 5 V 25 W
USB-C 1,5 A 5 V 7,5 W
3 A 5 V 15 W
Zasilanie 1.0 Micro-USB 3 A 20 V 60 W
Zasilanie 1.0 Typ-A/B 5 lat 20 V 100 W
Dostarczanie mocy 2.0/3.0 Type-C 5 lat 20 V 100 W
Zasilanie 3.1 Typ-C 5 lat 48 V 240W

Aby rozpoznać tryb ładowania akumulatora, dedykowany port ładowania umieszcza rezystancję nieprzekraczającą 200 Ω na zaciskach D+ i D−. Zwarte lub prawie zwarte ścieżki danych o rezystancji mniejszej niż 200 Ω na zaciskach „D+” i „D-” oznaczają dedykowany port ładowania (DCP) z nieokreślonymi szybkościami ładowania.

Oprócz standardowego USB istnieje zastrzeżony system o dużej mocy znany jako PoweredUSB , opracowany w latach 90. XX wieku i używany głównie w terminalach punktów sprzedaży, takich jak kasy fiskalne.

Sygnalizacja

Sygnały USB są przesyłane za pomocą sygnalizacji różnicowej po skrętce dwużyłowej o impedancji charakterystycznej 90 Ω ± 15% .

  • Tryby niskiej prędkości (LS) i pełnej prędkości (FS) wykorzystują pojedynczą parę danych, oznaczoną D+ i D-, w trybie half-duplex . Poziomy przesyłanego sygnału wynoszą 0,0–0,3 V dla logicznego niskiego poziomu i 2,8–3,6 V dla logicznego wysokiego poziomu. Linie sygnałowe nie są zakończone .
  • Tryb szybki (HS) wykorzystuje tę samą parę przewodów, ale z różnymi konwencjami elektrycznymi. Niższe napięcia sygnału od -10 do 10 mV dla niskiego i 360 do 440 mV dla wysokiego poziomu logicznego oraz zakończenie 45 Ω do masy lub 90 Ω różnicowe w celu dopasowania do impedancji kabla danych.
  • SuperSpeed ​​(SS) dodaje dwie dodatkowe pary ekranowanych skręconych przewodów (oraz nowe, w większości kompatybilne rozszerzone złącza). Są one przeznaczone do pracy w trybie pełnodupleksowym SuperSpeed. Łącze SuperSpeed ​​działa niezależnie od kanału USB 2.0 i ma pierwszeństwo przy połączeniu. Konfiguracja łącza odbywa się za pomocą LFPS (okresowa sygnalizacja o niskiej częstotliwości, w przybliżeniu przy częstotliwości 20 MHz), a funkcje elektryczne obejmują deemfazę napięcia po stronie nadajnika oraz adaptacyjną korekcję liniową po stronie odbiornika w celu zwalczania strat elektrycznych w liniach transmisyjnych, a tym samym w łączu. wprowadza pojęcie treningu linków .
  • SuperSpeed+ (SS+) wykorzystuje zwiększoną szybkość transmisji danych (tryb Gen 2×1) i/lub dodatkową linię w złączu USB-C (tryb Gen 1×2 i Gen 2×2).

Połączenie USB jest zawsze między hostem lub koncentratorem na końcu złącza A a portem „upstream” urządzenia lub koncentratora na drugim końcu.

Warstwa protokołu

Podczas komunikacji USB dane są przesyłane w postaci pakietów . Początkowo wszystkie pakiety są wysyłane z hosta za pośrednictwem głównego koncentratora i prawdopodobnie większej liczby koncentratorów do urządzeń. Niektóre z tych pakietów nakazują urządzeniu wysłanie niektórych pakietów w odpowiedzi.

Transakcje

Podstawowe transakcje USB to:

  • Transakcja OUT
  • W transakcji
  • USTAWIĆ transakcję
  • Kontroluj wymianę przelewów

Powiązane standardy

Logo bezprzewodowego USB

W dniu 29 lipca 2015 r. Forum Implementers USB wprowadziło standard komunikacji bezprzewodowej Media Agnostic USB v.1.0 oparty na protokole USB. Bezprzewodowe USB to technologia zastępująca kable i wykorzystująca ultraszerokopasmową technologię bezprzewodową dla szybkości transmisji danych do 480 Mbit /s.

USB-IF wykorzystywał specyfikację WiGig Serial Extension v1.2 jako wstępny fundament specyfikacji MA-USB i jest zgodny z SuperSpeed ​​USB (3.0 i 3.1) oraz Hi-Speed ​​USB (USB 2.0). Urządzenia korzystające z MA-USB będą oznaczone jako „Powered by MA-USB”, pod warunkiem, że produkt kwalifikuje się do programu certyfikacji.

InterChip USB to wariant chip-to-chip, który eliminuje konwencjonalne transceivery występujące w normalnym USB. Warstwa fizyczna HSIC zużywa około 50% mniej energii i 75% mniej powierzchni płytki w porównaniu z USB 2.0.

Porównania z innymi metodami połączenia

IEEE 1394

Początkowo USB był uważany za uzupełnienie technologii IEEE 1394 (FireWire), która została zaprojektowana jako szerokopasmowa magistrala szeregowa, która skutecznie łączy urządzenia peryferyjne, takie jak napędy dysków, interfejsy audio i sprzęt wideo. W początkowym projekcie USB działał z dużo niższą szybkością transmisji danych i wykorzystywał mniej wyrafinowany sprzęt. Nadaje się do małych urządzeń peryferyjnych, takich jak klawiatury i urządzenia wskazujące.

Najważniejsze różnice techniczne między FireWire a USB to:

  • Sieci USB wykorzystują topologię gwiazdy warstwowej , podczas gdy sieci IEEE 1394 wykorzystują topologię drzewa .
  • USB 1.0, 1.1 i 2.0 używają protokołu „mów, gdy mówisz”, co oznacza, że ​​każde urządzenie peryferyjne komunikuje się z hostem, gdy host wyraźnie żąda komunikacji. USB 3.0 umożliwia komunikację inicjowaną przez urządzenie z hostem. Urządzenie FireWire może komunikować się z dowolnym innym węzłem w dowolnym momencie, w zależności od warunków sieciowych.
  • Sieć USB opiera się na pojedynczym hoście na szczycie drzewa, który kontroluje sieć. Cała komunikacja odbywa się między hostem a jednym urządzeniem peryferyjnym. W sieci FireWire każdy zdolny węzeł może kontrolować sieć.
  • USB działa z linią zasilającą 5  V , podczas gdy FireWire dostarcza 12 V i teoretycznie może zasilać do 30 V.
  • Standardowe porty koncentratora USB mogą dostarczać z typowego prądu 500 mA/2,5 W, tylko 100 mA z portów innych niż koncentrator. USB 3.0 i USB On-The-Go dostarczają 1,8 A/9,0 W (dla dedykowanego ładowania baterii, 1,5 A/7,5 W pełnej przepustowości lub 900 mA/4,5 W wysokiej przepustowości), podczas gdy FireWire może teoretycznie dostarczyć do 60 watów mocy , chociaż 10 do 20 watów jest bardziej typowe.

Te i inne różnice odzwierciedlają różne cele projektowe dwóch magistral: USB zaprojektowano z myślą o prostocie i niskich kosztach, podczas gdy FireWire zaprojektowano z myślą o wysokiej wydajności, szczególnie w aplikacjach, w których liczy się czas, takich jak audio i wideo. Chociaż jest podobny w teoretycznej maksymalnej szybkości transferu, FireWire 400 jest szybszy niż USB 2.0 o dużej przepustowości w rzeczywistych zastosowaniach, szczególnie w przypadku korzystania z dużej przepustowości, takich jak zewnętrzne dyski twarde. Nowszy standard FireWire 800 jest dwa razy szybszy niż FireWire 400 i szybszy od wysokiej przepustowości USB 2.0 zarówno teoretycznie, jak i praktycznie. Jednak zalety FireWire w zakresie szybkości opierają się na technikach niskiego poziomu, takich jak bezpośredni dostęp do pamięci (DMA), które z kolei stworzyły możliwości wykorzystania luk w zabezpieczeniach, takich jak atak DMA .

Chipset i sterowniki użyte do implementacji USB i FireWire mają decydujący wpływ na to, jaka część przepustowości określonej w specyfikacji zostanie osiągnięta w rzeczywistym świecie, wraz z kompatybilnością z urządzeniami peryferyjnymi.

Ethernet

Standardy IEEE 802.3af , 802.3at i 802.3bt Power over Ethernet (PoE) określają bardziej skomplikowane schematy negocjacji mocy niż zasilane USB. Działają przy napięciu 48 V  DC i mogą dostarczać więcej mocy (do 12,95 W dla 802.3af , 25,5 W dla 802.3at aka PoE+ , 71 W dla 802.3bt aka 4PPoE ) przez kabel do 100 metrów w porównaniu z USB 2.0, co zapewnia 2,5 W przy maksymalnej długości kabla 5 metrów. Dzięki temu PoE stało się popularne w telefonach VoIP , kamerach bezpieczeństwa , punktach dostępu bezprzewodowego i innych urządzeniach sieciowych w budynkach. Jednak USB jest tańszy niż PoE pod warunkiem, że odległość jest niewielka, a zapotrzebowanie na energię niewielkie.

Standardy Ethernet wymagają izolacji elektrycznej między urządzeniem sieciowym (komputerem, telefonem itp.) a kablem sieciowym do 1500 V AC lub 2250 V DC przez 60 sekund. USB nie ma takich wymagań, ponieważ został zaprojektowany dla urządzeń peryferyjnych ściśle związanych z komputerem hosta, a w rzeczywistości łączy uziemienie urządzenia peryferyjnego i hosta. Daje to sieci Ethernet znaczną przewagę w zakresie bezpieczeństwa nad USB z urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak modemy kablowe i DSL podłączone do okablowania zewnętrznego, które w pewnych warunkach awarii może przyjmować niebezpieczne napięcia.

MIDI

USB Device Class Definition urządzeń MIDI transmituje Muzyka Instrument Digital Interface ( MIDI ) danych muzycznych przez USB. Możliwości MIDI zostały rozszerzone, aby umożliwić do szesnastu jednoczesnych wirtualnych kabli MIDI , z których każdy może przenosić zwykłe szesnaście kanałów MIDI i zegarów.

USB jest konkurencyjny dla tanich i fizycznie sąsiadujących urządzeń. Jednak Power over Ethernet i standard wtyku MIDI mają przewagę w urządzeniach wysokiej klasy, które mogą mieć długie kable. USB może powodować problemy z pętlą uziemienia między urządzeniami, ponieważ łączy uziemienie na obu transceiverach. Natomiast standard wtyku MIDI i Ethernet mają wbudowaną izolację do 500 V lub więcej.

eSATA/eSATAp

ESATA złącze jest bardziej wytrzymała SATA złącze przeznaczone do łączenia z zewnętrznymi dysków twardych i SSD. Szybkość transferu eSATA (do 6 Gbit/s) jest podobna do szybkości USB 3.0 (do 5 Gbit/s) i USB 3.1 (do 10 Gbit/s). Urządzenie połączone przez eSATA pojawia się jako zwykłe urządzenie SATA, zapewniając zarówno pełną wydajność, jak i pełną kompatybilność związaną z dyskami wewnętrznymi.

eSATA nie dostarcza zasilania do urządzeń zewnętrznych. Jest to coraz większa wada w porównaniu z USB. Mimo że 4,5 W w USB 3.0 jest czasami niewystarczający do zasilania zewnętrznych dysków twardych, technologia rozwija się i dyski zewnętrzne stopniowo zużywają mniej energii, co zmniejsza przewagę eSATA. eSATAp (power over eSATA; aka ESATA/USB) to złącze wprowadzone w 2009 roku, które dostarcza zasilanie do podłączonych urządzeń za pomocą nowego, wstecznie kompatybilnego złącza. W notebooku eSATAp zwykle dostarcza tylko 5 V do zasilania 2,5-calowego dysku HDD/SSD; na biurkowej stacji roboczej może dodatkowo dostarczać 12 V do zasilania większych urządzeń, w tym 3,5-calowych dysków HDD/SSD i 5,25-calowych napędów optycznych.

Obsługę eSATAp można dodać do komputera stacjonarnego w postaci wspornika łączącego zasoby płyty głównej SATA, zasilanie i USB.

eSATA, podobnie jak USB, obsługuje podłączanie podczas pracy , chociaż może to być ograniczone przez sterowniki systemu operacyjnego i oprogramowanie układowe urządzenia.

Piorun

Thunderbolt łączy PCI Express i Mini DisplayPort w nowy szeregowy interfejs danych. Oryginalne implementacje Thunderbolt mają dwa kanały, każdy o szybkości transferu 10 Gbit/s, co daje łączną jednokierunkową przepustowość 20 Gbit/s.

Thunderbolt 2 wykorzystuje agregację łączy, aby połączyć dwa kanały 10 Gbit/s w jeden dwukierunkowy kanał 20 Gbit/s.

Thunderbolt 3 wykorzystuje złącze USB-C . Thunderbolt 3 ma dwa fizyczne kanały dwukierunkowe 20 Gbit/s, zagregowane w jeden logiczny kanał dwukierunkowy 40 Gbit/s. Kontrolery Thunderbolt 3 mogą zawierać kontroler USB 3.1 Gen 2, aby zapewnić zgodność z urządzeniami USB. Są również w stanie zapewnić alternatywny tryb DisplayPort przez złącze USB-C, dzięki czemu port Thunderbolt 3 jest nadzbiorem portu USB 3.1 Gen 2 z alternatywnym trybem DisplayPort.

DisplayPort Alt Mode 2.0: USB 4 obsługuje DisplayPort 2.0 zamiast trybu alternatywnego. DisplayPort 2.0 obsługuje rozdzielczość 8K przy 60 Hz z kolorem HDR10. DisplayPort 2.0 może wykorzystywać do 80 Gbit/s, co stanowi dwukrotność ilości dostępnej dla danych USB, ponieważ przesyła wszystkie dane w jednym kierunku (do monitora), dzięki czemu może korzystać ze wszystkich ośmiu pasów danych jednocześnie.

Po udostępnieniu specyfikacji bez opłat licencyjnych i przeniesieniu nadzoru nad protokołem Thunderbolt z firmy Intel na forum USB Implementers Forum, Thunderbolt 3 został skutecznie zaimplementowany w specyfikacji USB4 — z opcjonalnym kompatybilnością z Thunderbolt 3, ale zalecanym dla produktów USB4.

Interoperacyjność

Dostępne są różne konwertery protokołów, które konwertują sygnały danych USB do iz innych standardów komunikacyjnych.

Zagrożenia bezpieczeństwa

  • BadUSB , zobacz też Pendrive#BadUSB
  • Procesory Intel, od Skylake, pozwalają przejąć nad nimi kontrolę z USB 3.0.
  • Zabójca USB
  • Pendrive'y były niebezpieczne dla pierwszych wersji Windows XP, ponieważ były domyślnie skonfigurowane do uruchamiania programu pokazanego w Autorun.inf zaraz po podłączeniu pendrive'a, złośliwe oprogramowanie mogło zostać automatycznie aktywowane przy jego użyciu.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

Przegląd ogólny

Dokumentacja techniczna