USB | tehnologie care permite unei persoane să conecteze un dispozitiv electronic la un computer

Scurt istoric

Prima versiune a Universal Serial Bus a fost creată în 1995. Această nouă tehnologie a avut un succes imediat. De la introducerea USB, cei care produc dispozitive electronice s-au gândit la modul în care acesta ar putea fi utilizat în viitor. Astăzi, USB conectează un computer sau alte dispozitive, cum ar fi laptopurile și playerele MP3, la dispozitive periferice.

Autobuzul a fost prezentat de șapte companii care reprezintă liderii din industria tehnologiei informației: Compaq, IBM, Intel, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom și Digital Equipment Corporation (DEC).

Cu câțiva ani mai devreme, cei care au adoptat și dezvoltat USB au organizat o întâlnire numită Plugfest la un hotel special din California pentru a-și testa dispozitivele. Au ales un hotel care includea camere pentru dormit și pentru testare. Întâlnirea a durat trei zile. În timpul reuniunii, reprezentanții a aproximativ 50 de companii și-au conectat dispozitivele USB la un sistem gazdă general.

Logo-ul dispozitivului USB are, de asemenea, propria sa istorie. Logo-ul USB a fost dezvoltat timp de mai multe luni.

• 1994 - Șapte companii s-au unit pentru a începe dezvoltarea USB.
• 1995 - 340 de companii au format USB Implementation Forum.
• 1996 - Peste cinci sute de produse USB erau deja în curs de dezvoltare în întreaga lume.
• 1997 - USB Implementation Forum s-a îmbogățit cu încă 60 de companii.
• 1998 - USB devine cea mai populară tehnologie de pe piața de electronice.
• 2000 - Introducerea USB 2.0. În prezent, acesta reprezintă cel mai utilizat dispozitiv USB.
• 2005 - USB devine wireless.
• 2008 - Este introdus USB 3.0. Acesta este de peste 10 ori mai rapid decât USB 2.0.
• 2013 - Este introdus USB 3.1. Acesta este de aproximativ două ori mai rapid decât USB 3.0.
• 2015 - Este introdus USB Type-C. Este un conector reversibil, ceea ce înseamnă că îl puteți conecta în ambele sensuri.
• 2019 - Este introdus USB 4. Acesta este de peste 8 ori mai rapid decât USB 3.0.

 
Cablu USB4 Gen3x2 (40Gbit/s) cu 100W Power Delivery  


Mufa USB-B de dimensiuni normale  

Standarde diferite

În prezent, sunt utilizate cinci standarde USB diferite: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 și USB 3.1. USB 3.1 a fost lansat în 2016 și a dublat viteza standardului 3.0. Opțional, acesta utilizează un conector diferit numit USB Type-C, care este reversibil (ceea ce înseamnă că îl puteți conecta în ambele sensuri). USB 1.0 este acum rar folosit.

USB oferă cinci viteze de transfer diferite: 1,5 MBit pe secundă (numită viteză redusă), 12 MBit pe secundă (Full Speed), 480 MBit/secundă (Hi Speed), 5Gbit pe secundă (numită super viteză) și 10 Gbit/s ("super viteză+"). Hi speed este disponibil numai în USB 2.0 și ulterior, iar Super speed este disponibil numai în USB 3.0. Aceste viteze sunt viteze brute (în milioane de biți pe secundă). De obicei, viteza reală de transfer de date este mai mică din cauza cheltuielilor de protocol.

Pentru a utiliza rata de transfer de mare viteză, este necesar ca atât controlerul USB, cât și dispozitivul conectat să o suporte. USB este compatibil cu versiunile anterioare. Dispozitivele și controllerele USB mai rapide și mai lente pot fi conectate împreună, dar vor funcționa la viteza mai mică.

 

Hub-uri USB

Începând cu 2022, aproape toate computerele vândute în prezent au porturi USB, iar majoritatea suportă USB 3.0 sau o versiune ulterioară și au cel puțin un port USB-C. Macbook-urile Apple au doar porturi USB-C. Totuși, numărul de porturi pe care le au este de obicei limitat. Între două și patru porturi sunt obișnuite. USB permite conectarea hub-urilor USB pentru a adăuga mai multe porturi USB.

De asemenea, hub-urile în sine sunt conforme cu unul dintre standardele USB. Dispozitivele conectate la un hub USB 2.0 vor avea o viteză egală cu cea a standardului USB 2.0. Dispozitivele conectate la un controler ulterior pot utiliza standarde diferite.

 
Hub-urile USB de acest tip pot fi utilizate pentru a extinde porturile USB de pe computer.  

Conectori USB

USB a fost conceput pentru a fi ușor de utilizat. Inginerii au învățat de la alți conectori înainte de a concepe conectorii USB. Există 3 conectori.

• Tip A, utilizat în mod obișnuit la capătul de cablu al computerului
• Micro-A (rar)
• Tipul B, la capătul periferic, rar, cu excepția imprimantelor
• Micro-B, la capătul periferic, pentru majoritatea smartphone-urilor
• Tipul C, la oricare dintre capete. Începând cu 2022, multe computere, telefoane și periferice îl folosesc.

Utilizare

• Nu este posibil să conectați un conector USB A sau B în mod greșit. Nu se pot introduce cu susul în jos și este evident, după aspect și senzație kinestezică, când se introduce corect. Uneori, însă, un utilizator nu înțelege sau nu vede cum se introduce conectorul, așa că poate fi necesar să încerce în ambele moduri.
• Conectorii USB de tip C pot fi conectați în ambele sensuri. Nu contează în ce fel este conectat conectorul.
• Nu este nevoie să împingeți sau să trageți foarte tare pentru a-l conecta sau deconecta. Acest lucru era prevăzut în caietul de sarcini. Cablurile USB și micile dispozitive USB sunt ținute în poziție de forța de prindere a receptorului. USB nu are nevoie de șuruburi, cleme sau alte elemente de fixare. Forța necesară pentru a face sau a întrerupe o conexiune este mică. Acest lucru permite realizarea conexiunilor în poziții dificile sau de către persoanele cu dizabilități motorii.
• Înainte de apariția tipului C, conectorii impuneau topologia direcționată a unei rețele USB. USB nu acceptă rețele ciclice, astfel încât conectorii de la dispozitive USB incompatibile sunt ei înșiși incompatibili. Spre deosebire de alte sisteme de comunicații (de exemplu, cablarea RJ-45), schimbătoarele de gen nu au fost aproape niciodată folosite înainte de apariția USB-On-The-Go (OTG), ceea ce face dificilă crearea unei rețele USB ciclice.

Durabilitate

• Conectorii sunt concepuți pentru a fi rezistenți. Primele modele de conectori erau fragile, cu pini sau alte componente delicate care se puteau îndoi sau rupe cu ușurință, chiar dacă erau tratate cu grijă. Contactele electrice ale unui conector USB sunt protejate de o limbă de plastic. Întregul ansamblu de conectare este, de obicei, protejat în continuare de un înveliș metalic care îl înconjoară. Prin urmare, conectorii USB pot fi manipulați, introduși și scoși în siguranță, chiar și de către un copil mic.
• Construcția conectorului asigură întotdeauna că învelișul extern al fișei intră în contact cu omologul său din receptacul înainte de conectarea celor patru conectori din interior. Acest înveliș este de obicei conectat la împământarea sistemului, permițând descărcarea în siguranță a sarcinilor statice, altfel dăunătoare, pe această cale (mai degrabă decât prin intermediul componentelor electronice delicate). Acest mijloc de înveliș înseamnă, de asemenea, că există un grad (moderat) de protecție împotriva interferențelor electromagnetice acordat semnalului USB în timp ce acesta călătorește prin perechea de conectori cuplați (acesta este singurul loc în care perechea de date, altfel răsucită, trebuie să parcurgă o distanță în paralel). De asemenea, conexiunile de alimentare și cele comune sunt realizate după împământarea sistemului, dar înainte de conexiunile de date. Acest tip de sincronizare de realizare și întrerupere etapizată permite schimbarea la cald în condiții de siguranță și a fost utilizat pentru conectorii din industria aerospațială.
• Cele mai noi micro-recipiente USB sunt concepute pentru a permite până la 10.000 de cicluri de inserție și exercitare între receptacul și fișă, față de 500 pentru receptaculul USB standard și mini-USB. Acest lucru se realizează prin adăugarea unui dispozitiv de blocare și prin mutarea conectorului cu arc în formă de foaie de la mufă la fișă, astfel încât partea cea mai solicitată să se afle pe partea de cablu a conexiunii. Această modificare a fost făcută pentru ca conectorul de pe cablu (relativ ieftin) să suporte cea mai mare uzură în locul dispozitivului micro-USB.

Compatibilitate

• Standardul USB specifică toleranțe relativ mari pentru conectorii USB compatibili. Acest lucru se face pentru a minimiza incompatibilitățile dintre conectorii produși de diferiți furnizori (un obiectiv care a fost atins cu succes). Spre deosebire de majoritatea celorlalte standarde de conectare, specificația USB definește, de asemenea, limite pentru dimensiunea unui dispozitiv de conectare în zona din jurul fișei sale. Acest lucru a fost făcut pentru a împiedica un dispozitiv să blocheze porturile adiacente din cauza dimensiunii sale. Dispozitivele conforme trebuie fie să se încadreze în restricțiile de mărime, fie să suporte un cablu de extensie conform care să se încadreze.
• De asemenea, este posibilă comunicarea în două sensuri. De obicei, cablurile au doar prize, iar gazdele și dispozitivele au doar prize: gazdele au prize de tip A, iar dispozitivele de tip B. Ștecherii de tip A se îmbină numai cu prize de tip A, iar cei de tip B cu cei de tip B. Cu toate acestea, o extensie a USB numită USB On-The-Go permite ca un singur port să acționeze fie ca gazdă, fie ca dispozitiv - la alegere în funcție de capătul cablului care se conectează în priza de pe unitate. Chiar și după ce cablul este conectat și unitățile vorbesc, cele două unități pot "schimba" capetele sub controlul programului. Această facilitate se adresează unităților precum PDA-urile, în cazul cărora legătura USB se poate conecta la portul gazdă al unui PC ca dispozitiv într-un caz, dar se poate conecta ca gazdă la o tastatură și un mouse într-un alt caz.

 
Cablu de prelungire USB  


Un conector USB de tip C.  


Un conector și un receptacul din seria "A".  

Cum funcționează USB

Un sistem USB are un design asimetric. Acesta este alcătuit dintr-o gazdă, mai multe porturi USB în aval și mai multe dispozitive periferice conectate într-o topologie în stea. În aceste niveluri pot fi incluse hub-uri USB suplimentare, permițând ramificarea într-o structură arborescentă cu până la cinci niveluri.

O gazdă USB poate avea mai multe controlere gazdă. Fiecare controler gazdă oferă unul sau mai multe porturi USB. Până la 127 de dispozitive, inclusiv dispozitivele hub, pot fi conectate la un singur controler gazdă.

Dispozitivele USB sunt conectate în serie prin intermediul unor hub-uri. Întotdeauna există un hub cunoscut sub numele de hub rădăcină. Hub-ul rădăcină este încorporat în controlerul gazdă. Există hub-uri speciale, denumite "hub-uri de partajare". Acestea permit mai multor calculatoare să acceseze aceleași dispozitive periferice. Acestea funcționează prin comutarea accesului între PC-uri, fie manual, fie automat. Acestea sunt populare în mediile de birouri mici. În termeni de rețea, acestea converg mai degrabă decât să devieze ramurile.

Un dispozitiv USB fizic poate avea mai multe subdispozitive logice care sunt denumite funcții ale dispozitivului. Un singur dispozitiv poate oferi mai multe funcții, de exemplu, o cameră web (funcție de dispozitiv video) cu un microfon încorporat (funcție de dispozitiv audio).

Comunicarea între dispozitivele USB se bazează pe țevi (canale logice). Canalele sunt conexiuni de la controlerul gazdă la o entitate logică de pe dispozitiv, numită endpoint. Termenul "endpoint" este ocazional utilizat pentru a se referi în mod incorect la pipe. Un dispozitiv USB poate avea până la 32 de conducte active, 16 în controlerul gazdă și 16 în afara acestuia.

Fiecare punct final poate transfera date într-o singură direcție, fie în interiorul, fie în afara dispozitivului, astfel încât fiecare conductă este unidirecțională. Punctele finale sunt grupate în interfețe, iar fiecare interfață este asociată cu o singură funcție a dispozitivului. O excepție este punctul final zero, care este utilizat pentru configurarea dispozitivului și care nu este asociat cu nicio interfață.

Atunci când un dispozitiv USB este conectat pentru prima dată la o gazdă USB, este inițiat procesul de enumerare a dispozitivului USB. Enumerarea începe prin trimiterea unui semnal de resetare către dispozitivul USB. Viteza dispozitivului USB este determinată în timpul semnalizării de resetare. După resetare, informațiile dispozitivului USB sunt citite de către gazdă, apoi dispozitivului i se atribuie o adresă unică pe 7 biți. Dacă dispozitivul este acceptat de gazdă, se încarcă driverele de dispozitiv necesare pentru a comunica cu acesta, iar dispozitivul este setat într-o stare configurată. În cazul în care gazda USB este repornită, procesul de enumerare se repetă pentru toate dispozitivele conectate.

Controlerul gazdă interoghează busul pentru trafic, de obicei în mod circular, astfel încât niciun dispozitiv USB nu poate transfera date pe bus fără o cerere explicită din partea controlerului gazdă.

Controlere gazdă

Echipamentul informatic care conține controlerul gazdă și hub-ul rădăcină are o interfață pentru programator. Aceasta se numește Dispozitiv controler gazdă (Host Controller Device - HCD) și este definită de către cel care implementează hardware-ul.

Pentru USB 1.0 și 1.1, au existat două implementări HCD diferite, Open Host Controller Interface (OHCI) și Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI a fost dezvoltată de Compaq, Microsoft și National Semiconductor, iar UHCI de Intel.

VIA Technologies a licențiat standardul UHCI de la Intel; toți ceilalți producători de chipseturi utilizează OHCI. UHCI se bazează mai mult pe software. Acest lucru înseamnă că UHCI necesită un procesor puțin mai mult decât OHCI, dar este mai ușor și mai ieftin de realizat. Deoarece existau două implementări diferite, furnizorii de sisteme de operare și furnizorii de hardware trebuiau să le dezvolte și să le testeze pe ambele. Acest lucru a crescut costurile.

Specificația USB nu specifică nicio interfață HCD și nu este preocupată de acestea. Cu alte cuvinte, USB definește formatul de transfer de date prin port, dar nu și sistemul prin care hardware-ul USB comunică cu calculatorul în care este instalat.

În timpul fazei de proiectare a USB 2.0, USB-IF a insistat să existe o singură implementare. Implementarea USB 2.0 HCD se numește Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Numai EHCI poate suporta transferuri de mare viteză (480 Mbit/s). Majoritatea controllerelor EHCI bazate pe PCI au alte implementări HCD numite "companion host controller" pentru a suporta Full Speed (12 Mbit/s) și pot fi utilizate pentru orice dispozitiv care pretinde că face parte dintr-o anumită clasă. Se presupune că un sistem de operare trebuie să implementeze toate clasele de dispozitive, astfel încât să poată furniza drivere generice pentru orice dispozitiv USB. Clasele de dispozitive sunt stabilite de către Grupul de lucru pentru dispozitive din cadrul USB Implementers Forum.

Clase de dispozitive USB

Clasele de dispozitive includ:

Clasa	Utilizare	Descriere	Exemple
00h	Dispozitiv	Nespecificatclasa 0	(Clasa dispozitivului este nespecificată. Descriptorii de interfață sunt utilizați pentru a determina driverele necesare).
01h	Interfață	Audio	Difuzor, microfon, placă de sunet
02h	Atât	Comunicații și controlul CDC	Adaptor Ethernet, modem, adaptor pentru port serial
03h	Interfață	Dispozitiv de interfață umană (HID)	Tastatură, mouse, joystick
05h	Interfață	Dispozitiv de interfață fizică (PID)	Joystick cu feedback de forță
06h	Interfață	Imagine	Aparat foto digital (majoritatea aparatelor foto funcționează ca Mass Storage pentru acces direct la mediile de stocare).
07h	Interfață	Imprimantă	Imprimantă laser, Imprimantă cu jet de cerneală
08h	Interfață	Stocare în masă	Unitate flash USB, cititor de carduri de memorie, player audio digital, unități externe
09h	Dispozitiv	Hub USB	Butuc de viteză completă, butuc de mare viteză
0Ah	Interfață	CDC-Data	(Această clasă este utilizată împreună cu clasa 02h - Comunicații și control CDC).
0Bh	Interfață	Card inteligent	Cititor de carduri inteligente USB
0Dh	Interfață	Securitatea conținutului	-
0Eh	Interfață	Video	Webcam
0Fh	Interfață	Asistență medicală personală	-
DCh	Atât	Dispozitiv de diagnosticare	Dispozitiv de testare a conformității USB
E0h	Interfață	Controler fără fir	Adaptor Wi-Fi, adaptor Bluetooth
EFh	Atât	Diverse	Dispozitiv de sincronizare ActiveSync și Palm
FEh	Interfață	Aplicație specifică	Pod IrDA
FFh	Atât	Specific furnizorului	(Acest cod de clasă indică faptul că dispozitivul are nevoie de drivere specifice furnizorului).

Notă clasa 0: Folosiți informațiile privind clasa din descriptorii de interfață. Această clasă de bază este definită pentru a fi utilizată în descriptorii de dispozitiv pentru a indica faptul că informațiile despre clasă trebuie să fie determinate din descriptorii de interfață din dispozitiv.

 
Punctele finale USB se află de fapt pe dispozitivul conectat: canalele către gazdă sunt denumite țevi.  


Un conector USB tipic.  


O unitate solidă M.2 (2242) conectată la adaptorul USB 3.0 și conectată la computer.  

Pagini conexe

• FireWire