USB — definicja, działanie i zastosowania uniwersalnej magistrali szeregowej

Pierwsza wersja Universal Serial Bus została stworzona w 1995 roku. Ta nowa technologia stała się natychmiastowym sukcesem. Od czasu wprowadzenia USB ludzie, którzy produkują urządzenia elektroniczne, zastanawiali się, jak można by ją wykorzystać w przyszłości. Dzisiaj, USB łączy komputer lub inne urządzenia, takie jak laptopy i odtwarzacze MP3 z urządzeniami peryferyjnymi.

Autobus został wprowadzony przez siedem firm, które reprezentują liderów w branży informatycznej: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom, oraz Digital Equipment Corporation (DEC).

Kilka lat wcześniej w specjalnym hotelu w Kalifornii odbyło się spotkanie o nazwie Plugfest w celu przetestowania swoich urządzeń. Wybrali oni hotel, w którym znajdują się pokoje do spania i do testowania. Spotkanie trwało trzy dni. Podczas spotkania przedstawiciele około 50 firm podłączyli swoje urządzenia USB do jednego ogólnego systemu hostingu.

Logo urządzenia USB ma również swoją własną historię. Logo USB było w trakcie opracowywania przez kilka miesięcy.

• 1994 - Siedem firm połączyło się w celu rozpoczęcia rozwoju USB.
• 1995 - 340 firm utworzyło Forum Wdrożeniowe USB.
• 1996 - Na całym świecie powstało już ponad pięćset produktów USB.
• 1997 - USB Implementation Forum wzbogaciło się o 60 kolejnych firm.
• 1998 - USB staje się najpopularniejszą technologią na rynku elektroniki.
• 2000 - Wprowadzenie USB 2.0. Dzisiaj jest to najczęściej używane urządzenie USB.
• 2005 - USB staje się bezprzewodowy.
• 2008 - wprowadza się USB 3.0. Jest on ponad 10 razy szybszy niż USB 2.0.
• 2013 - wprowadza się USB 3.1. Jest on około dwa razy szybszy niż USB 3.0.
• 2015 - wprowadzenie USB Type-C. Jest to złącze odwracalne, co oznacza, że można go podłączyć na oba sposoby.

Obecnie stosowanych jest pięć różnych standardów USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 i USB 3.1. USB 3.1 został wprowadzony na rynek w 2016 roku i podwoił prędkość 3.0. Opcjonalnie używa ono innego złącza o nazwie USB Type-C, które jest odwracalne (co oznacza, że można podłączyć je na oba sposoby). USB 1.0 jest teraz rzadko używane.

USB oferuje pięć różnych prędkości transferu: 1,5 MBit na sekundę (tzw. niska prędkość), 12 MBit na sekundę (tzw. pełna prędkość), 480 MBit na sekundę (tzw. wysoka prędkość), 5Gbit na sekundę (tzw. super prędkość) oraz 10 Gbit/s ("super prędkość+"). Hi speed jest dostępny tylko w USB 2.0 i nowszych, a Super speed jest dostępny tylko w USB 3.0. Te prędkości są surową przepływnością (w Milionach bitów na sekundę). Rzeczywista przepływność danych jest zazwyczaj niższa z powodu napowietrznych protokołów.

Aby korzystać z szybkości transferu hi speed, kontroler USB i podłączone urządzenie muszą go obsługiwać. USB jest kompatybilny wstecznie. Szybsze i wolniejsze urządzenia i kontrolery USB mogą być podłączone razem, ale będą pracować z wolniejszą prędkością.

Prawie wszystkie sprzedawane obecnie komputery posiadają porty USB, a większość z nich obsługuje USB 2.0 lub nowszy. Liczba posiadanych przez nie portów jest jednak zazwyczaj ograniczona. Od dwóch do sześciu portów jest powszechna. USB pozwala na podłączenie koncentratorów USB, aby dodać więcej portów USB.

Same koncentratory są również zgodne z jednym ze standardów USB. Urządzenia podłączone do koncentratora USB 1.1 będą działać tak szybko, jak USB 1.1. Urządzenia podłączone do późniejszego kontrolera mogą korzystać z różnych standardów.

USB został zaprojektowany tak, aby był łatwy w użyciu. Inżynierowie wyciągnęli wnioski z innych złączy, zanim zaprojektowali złącza USB. Dostępne są 3 złącza.

• Typ A, powszechnie stosowany na końcu kabla komputerowego
• Micro-A (rzadkie)
• Typ B, na peryferiach, rzadki, z wyjątkiem drukarek
• Micro-B, po stronie peryferyjnej, dla większości smartfonów
• Typ C, na obu końcach. Od 2017 roku korzysta z niego wiele nowych komputerów, telefonów i urządzeń peryferyjnych.

Użyteczność

• Nie można podłączyć złącza USB A lub B w niewłaściwy sposób. Nie mogą one wejść do góry nogami, a z wyglądu i uczucia kinestetycznego wynika, że jeśli wejdą prawidłowo. Czasami jednak użytkownik nie rozumie lub nie widzi, jak idzie złącze, więc może być konieczne spróbować w obie strony.
• Złącza USB typu C mogą być podłączane w obu kierunkach. Nie ma znaczenia, w jaki sposób wtyczka jest podłączana.
• Nie ma potrzeby naciskać lub ciągnąć go bardzo mocno, aby go podłączyć lub odłączyć. To było w specyfikacji. Kable USB i małe urządzenia USB są utrzymywane na miejscu przez siłę chwytu z gniazdka. USB nie potrzebuje śrub, klipsów ani innych elementów mocujących. Siła potrzebna do wykonania lub przerwania połączenia jest niewielka. Pozwala to na wykonywanie połączeń w niewygodnych pozycjach lub przez osoby z niepełnosprawnością ruchową.
• Przed pojawieniem się typu C, złącza wymuszały ukierunkowaną topologię sieci USB. USB nie obsługuje cyklicznych sieci, więc złącza z niekompatybilnych urządzeń USB same są niekompatybilne. W odróżnieniu od innych systemów komunikacyjnych (np. okablowania RJ-45) przed pojawieniem się USB-On-The-Go (OTG) prawie nigdy nie stosowano zmieniaczy płci, co utrudniało tworzenie cyklicznej sieci USB.

Trwałość

• Złącza są zaprojektowane tak, aby były wytrzymałe. Wczesne konstrukcje złączy były kruche, z bolcami lub innymi delikatnymi elementami, które mogły się łatwo zginać lub łamać, nawet jeśli były traktowane delikatnie. Styki elektryczne w złączu USB są chronione przez plastikowy język. Cały zespół łączący jest zazwyczaj dodatkowo zabezpieczony przez metalową osłonę zamykającą. Dzięki temu złącza USB mogą być bezpiecznie przenoszone, wkładane i wyjmowane, nawet przez małe dziecko.
• Konstrukcja złącza zawsze zapewnia, że zewnętrzna powłoka na stykach wtykowych z jej odpowiednikiem w gnieździe przed podłączeniem czterech złączy wewnątrz. Osłona ta jest zazwyczaj połączona z masą systemu, co pozwala na bezpieczne rozładowanie w ten sposób szkodliwych ładunków elektrostatycznych (a nie za pomocą delikatnych elementów elektronicznych). Ten sposób obudowy oznacza również, że istnieje (umiarkowany) stopień ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi zapewniany sygnałowi USB podczas jego przemieszczania się przez dopasowaną parę złączy (jest to jedyne miejsce, w którym inaczej skręcona para danych musi przebyć równoległy dystans). Również połączenia zasilania i wspólne są wykonywane po uziemieniu systemu, ale przed połączeniami danych. Ten rodzaj stopniowego synchronizowania pozwala na bezpieczną wymianę na gorąco i został zastosowany w złączach w przemyśle lotniczym.
• Nowsze mikro gniazda USB zostały zaprojektowane tak, aby umożliwić do 10 000 cykli wkładania i wyjmowania pomiędzy gniazdo a wtyczkę, w porównaniu z 500 dla standardowych gniazd USB i Mini-USB. Odbywa się to poprzez dodanie blokady i przesunięcie złącza typu "leaf-spring" z gniazdka do wtyczki, tak aby najbardziej napięta część znajdowała się po stronie kabla. Zmiana ta została dokonana w taki sposób, aby złącze na (stosunkowo niedrogim) kablu było najbardziej narażone na zużycie zamiast urządzenia mikroUSB.

Zgodność

• Standard USB określa stosunkowo duże tolerancje dla zgodnych złączy USB. Odbywa się to w celu zminimalizowania niezgodności w złączach produkowanych przez różnych dostawców (cel, który został bardzo skutecznie osiągnięty). W przeciwieństwie do większości innych standardów złączy, specyfikacja USB określa również ograniczenia dotyczące wielkości urządzenia podłączeniowego w obszarze wokół jego wtyku. Zrobiono to, aby zapobiec blokowaniu przez urządzenie sąsiednich portów ze względu na jego rozmiar. Zgodne urządzenia muszą być zgodne z ograniczeniami wielkościowymi lub muszą obsługiwać zgodny przedłużacz, który spełnia te wymagania.
• Możliwa jest również komunikacja dwukierunkowa. Zazwyczaj kable mają tylko wtyczki, a hosty i urządzenia mają tylko gniazda: hosty mają gniazda typu A, a urządzenia typu B. Wtyczki typu A łączą się tylko z gniazdami typu A, a typu B z gniazdami typu B. Wtyczki typu A łączą się tylko z gniazdami typu A, a typu B z gniazdami typu B. Jednak rozszerzenie USB nazywane USB On-The-Go pozwala na to, aby pojedynczy port działał jako host lub urządzenie - wybierając, po którym końcu kabla włożyć wtyczkę do gniazda w urządzeniu. Nawet po podłączeniu kabla i rozmowie z urządzeniem, oba urządzenia mogą "zamienić" końcówki pod kontrolą programu. Ta funkcja jest przeznaczona dla urządzeń takich jak PDA, gdzie łącze USB może być podłączone do portu hosta komputera PC jako urządzenie w jednej instancji, a w innej jako host podłącza do klawiatury i myszy.

System USB ma asymetryczną konstrukcję. Składa się on z hosta, kilku portów USB i wielu urządzeń peryferyjnych podłączonych w topologii gwiazdy. Dodatkowe koncentratory USB mogą być zawarte w warstwach, co pozwala na rozgałęzienie się w strukturę drzewa do pięciu warstw.

Host USB może mieć wiele kontrolerów hosta. Każdy kontroler hosta posiada jeden lub więcej portów USB. Do jednego kontrolera hosta można podłączyć maksymalnie 127 urządzeń, w tym urządzenia koncentratora.

Urządzenia USB są połączone szeregowo poprzez koncentratory. Zawsze istnieje jeden koncentrator, znany jako koncentrator główny. Hub główny jest wbudowany w kontroler hosta. Istnieją specjalne koncentratory, zwane "sharing hubs". Umożliwiają one wielu komputerom dostęp do tych samych urządzeń peryferyjnych. Działają one poprzez przełączanie dostępu pomiędzy komputerami, ręcznie lub automatycznie. Są one popularne w środowiskach małych biur. Pod względem sieciowym są one zbieżne, a nie rozbieżne pod względem oddziałów.

Fizyczne urządzenie USB może posiadać kilka logicznych urządzeń podrzędnych, które są określane jako funkcje urządzenia. Pojedyncze urządzenie może mieć kilka funkcji, na przykład kamerę internetową (funkcja urządzenia wideo) z wbudowanym mikrofonem (funkcja urządzenia audio).

Komunikacja urządzeń USB oparta jest na rurach (kanałach logicznych). Rury są połączeniami od sterownika nadrzędnego do jednostki logicznej na urządzeniu o nazwie punkt końcowy. Termin "punkt końcowy" jest czasami używany do nieprawidłowego odniesienia się do rury. Urządzenie USB może mieć do 32 aktywnych rurek, 16 do sterownika nadrzędnego i 16 ze sterownika.

Każdy punkt końcowy może przesyłać dane tylko w jednym kierunku, do lub z urządzenia, więc każda rura jest jednokierunkowa. 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 który nie jest powiązany z żadnym interfejsem.

Gdy urządzenie USB jest po raz pierwszy podłączone do hosta USB, rozpoczyna się proces wyliczania urządzeń USB. Proces wyliczania rozpoczyna się od wysłania sygnału resetowania do urządzenia USB. Szybkość urządzenia USB jest określana podczas wysyłania sygnału resetowania. Po zresetowaniu, informacje o urządzeniu USB są odczytywane przez hosta, a następnie urządzeniu jest przypisywany unikalny 7-bitowy adres. Jeśli urządzenie jest obsługiwane przez hosta, sterowniki urządzenia potrzebne do komunikacji z urządzeniem są ładowane i urządzenie jest ustawiane w skonfigurowanym stanie. Jeśli host USB jest uruchomiony ponownie, proces wyliczania jest powtarzany dla wszystkich podłączonych urządzeń.

Kontroler hosta pyta magistralę o ruch, zwykle w sposób okrągły, więc żadne urządzenie USB nie może przesyłać żadnych danych na magistrali bez wyraźnego żądania od kontrolera hosta.

Kontrolerzy hosta

Sprzęt komputerowy zawierający kontroler hosta i koncentrator główny posiada interfejs dla programatora. Nazywa się on Host Controller Device (HCD) i jest definiowany przez programistę sprzętowego.

Dla USB 1.0 i 1.1 istniały dwie różne implementacje HCD, Open Host Controller Interface (OHCI) i Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI został opracowany przez Compaq, Microsoft i National Semiconductor, UHCI przez Intel.

VIA Technologies udzieliła firmie Intel licencji na standard UHCI; wszyscy pozostali wdrożeniowcy chipsetów korzystają z OHCI. UHCI opiera się bardziej na oprogramowaniu. Oznacza to, że UHCI jest nieco bardziej intensywny procesorowo niż OHCI, ale jest łatwiejszy i tańszy w wykonaniu. Ponieważ istniały dwie różne implementacje, dostawcy systemów operacyjnych i sprzętu musieli opracować i przetestować obie z nich. To spowodowało wzrost kosztów.

Specyfikacja USB nie określa żadnych interfejsów HCD i nie jest z nimi związana. Innymi słowy, USB określa format przesyłania danych przez port, ale nie system, za pomocą którego sprzęt USB komunikuje się z komputerem, w którym się znajduje.

Podczas fazy projektowania USB 2.0, USB-IF nalegał, aby było tylko jedno wdrożenie. Implementacja USB 2.0 HCD jest nazywana Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Tylko EHCI może obsługiwać transfer z dużą prędkością (480 Mbit/s). Większość kontrolerów EHCI opartych na PCI posiada inne implementacje HCD o nazwie "companion host controller" do obsługi pełnej prędkości (12 Mbit/s) i może być używana dla każdego urządzenia, które twierdzi, że należy do określonej klasy. System operacyjny ma zaimplementować wszystkie klasy urządzeń, dzięki czemu może zapewnić ogólne sterowniki dla każdego urządzenia USB. Klasy urządzeń są ustalane przez Grupę Roboczą ds. Urządzeń na Forum Implementacyjnym USB (Device Working Group of the USB Implementers Forum).

Klasy urządzeń USB

Klasy urządzeń obejmują:

Uwaga klasa 0: Użyj informacji o klasie w Interface Descriptors. Ta podstawowa klasa jest zdefiniowana do użycia w Device Descriptors w celu wskazania, że informacje o klasie powinny być określone na podstawie Interface Descriptors w urządzeniu.

• FireWire