USB (Универсална серийна шина) — стандарти, функции и приложения

Първата версия на Universal Serial Bus е създадена през 1995 г. Тази нова технология се превърна в незабавен успех. След въвеждането на USB хората, които произвеждат електронни устройства, се замислиха как тя може да се използва в бъдеще. Днес USB свързва компютър или други устройства като лаптопи и MP3 плейъри с периферни устройства.

Автобусът беше представен от седем компании, които са лидери в областта на информационните технологии: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom и Digital Equipment Corporation (DEC).

Няколко години по-рано осиновителите и разработчиците на USB провеждат среща, наречена Plugfest, в специален хотел в Калифорния, за да тестват своите устройства. Те избраха хотел, който включваше стаи за спане и за тестване. Срещата продължила три дни. По време на срещата представителите на около 50 компании свързаха своите USB устройства към една обща хост система.

Логото на USB устройството също има своя история. Логото на USB се разработва в продължение на няколко месеца.

• 1994 г. - Седем компании се обединяват, за да започнат разработването на USB.
• 1995 г. - 340 компании създават Форума за внедряване на USB.
• 1996 г. - В света вече се разработват над петстотин USB продукта.
• 1997 г. - Форумът за внедряване на USB се обогатява с още 60 компании.
• 1998 г. - USB става най-популярната технология на пазара на електроника.
• 2000 г. - Въвеждането на USB 2.0. Днес то представлява най-широко използваното USB устройство.
• 2005 г. - USB става безжичен.
• 2008 г. - Въведен е USB 3.0. Той е над 10 пъти по-бърз от USB 2.0.
• 2013 г. - Въведен е USB 3.1. Той е около два пъти по-бърз от USB 3.0.
• 2015 г. - Представен е USB Type-C. Това е реверсивен конектор, което означава, че можете да го включите и в двете посоки.
• 2019 г. - Въведен е USB 4. Той е над 8 пъти по-бърз от USB 3.0.

Понастоящем се използват пет различни стандарта USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 и USB 3.1. USB 3.1 беше пуснат през 2016 г. и удвои скоростта на 3.0. Като опция се използва различен конектор, наречен USB Type-C, който е реверсивен (което означава, че можете да го включите и по двата начина). USB 1.0 вече се използва рядко.

USB предлага пет различни скорости на трансфер: 1,5 MBit в секунда (наречена ниска скорост), 12 MBit в секунда (пълна скорост), 480 MBit в секунда (висока скорост), 5 Gbit в секунда (наречена супер скорост) и 10 Gbit/s ("супер скорост+"). Високата скорост е налична само в USB 2.0 и по-нови версии, а супер скоростта е налична само в USB 3.0. Тези скорости са суровите битови скорости (в милиони битове в секунда). Действителната скорост на предаване на данни обикновено е по-ниска поради режийните разходи по протокола.

За да се използва високоскоростният трансфер, е необходимо и USB контролерът, и свързаното устройство да го поддържат. USB е обратно съвместим. По-бързи и по-бавни USB устройства и контролери могат да бъдат свързани заедно, но ще работят с по-бавната скорост.

От 2022 г. насам почти всички продавани днес компютри имат USB портове, а повечето от тях поддържат USB 3.0 или по-нова версия и имат поне един USB-C порт. Macbook-ите на Apple имат само USB-C портове. Броят на портовете, с които разполагат, обаче обикновено е ограничен. Обикновено се използват между два и четири порта. USB позволява свързването на USB хъбове за добавяне на повече USB портове.

Самите концентратори също са съвместими с един от стандартите USB. Устройствата, свързани към USB 2.0 хъб, ще работят само толкова бързо, колкото е скоростта на USB 2.0. Устройствата, свързани към по-късен контролер, могат да използват различни стандарти.

USB е проектиран така, че да е лесен за използване. Инженерите са се поучили от други конектори, преди да проектират USB конекторите. Съществуват 3 конектора.

• Тип A, обикновено се използва в края на кабела на компютъра
• Micro-A (рядко)
• Тип B, в периферния край, рядко срещан, освен при принтерите
• Micro-B, в периферния край, за повечето смартфони
• Тип C, в двата края. От 2022 г. много компютри, телефони и периферни устройства го използват.

Ползваемост

• Не е възможно да включите конектор USB A или B по грешен начин. Те не могат да се поставят с главата надолу и това е очевидно от външния вид и кинестетичното усещане, когато се поставят правилно. Понякога обаче потребителят не разбира или не вижда как се поставя конекторът, затова може да се наложи да опита и по двата начина.
• USB конекторите тип C могат да се свързват и по двата начина. Няма значение по кой начин е включен конекторът.
• Не е необходимо да натискате или дърпате силно, за да го включите или изключите. Това е записано в спецификацията. USB кабелите и малките USB устройства се задържат на място благодарение на силата на захващане от гнездото. USB не се нуждае от винтове, щипки или други крепежни елементи. Силата, необходима за осъществяване или прекъсване на връзката, е малка. Това позволява осъществяването на връзки в неудобни позиции или от хора с двигателни увреждания.
• Преди появата на Type C конекторите налагаха насочената топология на USB мрежата. USB не поддържа циклични мрежи, така че конекторите от несъвместими USB устройства сами по себе си са несъвместими. За разлика от други комуникационни системи (напр. RJ-45 кабели), преди появата на USB-On-The-Go (OTG) почти никога не са се използвали устройства за смяна на пола, което затруднява създаването на циклична USB мрежа.

Дълготрайност

• Съединителите са проектирани така, че да бъдат издръжливи. Ранните конструкции на съединители бяха крехки, с щифтове или други деликатни компоненти, които лесно се огъваха или чупеха, дори ако се третираха внимателно. Електрическите контакти в USB конектора са защитени с пластмасов език. Целият свързващ възел обикновено е допълнително защитен с метална обвивка. В резултат на това USB съединителите могат безопасно да се държат, поставят и изваждат дори от малко дете.
• Конструкцията на съединителя винаги гарантира, че външната обвивка на щепсела се допира до своя аналог в гнездото, преди да се свържат четирите съединителя в него. Обикновено тази обвивка е свързана със системната маса, което дава възможност за безопасно разтоварване на статичните заряди, които в противен случай биха били вредни, по този начин (а не чрез деликатните електронни компоненти). Този начин на ограждане означава също така, че има (умерена) степен на защита от електромагнитни смущения, която се предоставя на USB сигнала, докато той преминава през двойката съединители (това е единственото място, където иначе усуканата двойка данни трябва да измине разстояние паралелно). Освен това захранването и общите връзки се правят след системната маса, но преди връзките за данни. Този тип поетапно свързване и прекъсване на връзката позволява безопасна гореща подмяна и се използва за конектори в космическата индустрия.
• По-новите USB микро гнезда са проектирани така, че да позволяват до 10 000 цикъла на вкарване и изкарване между гнездото и щепсела, в сравнение с 500 цикъла за стандартните USB и Mini-USB гнезда. Това се постига чрез добавяне на заключващо устройство и чрез преместване на листово-пружинния конектор от жака към щепсела, така че най-натоварената част да е от страната на кабела на връзката. Тази промяна е направена, за да може конекторът на (сравнително евтиния) кабел да понесе най-голямо износване вместо устройството micro-USB.

Съвместимост

• Стандартът USB определя сравнително големи допустими отклонения за съвместимите USB конектори. Това се прави, за да се сведе до минимум несъвместимостта на конекторите, произвеждани от различни производители (цел, която е постигната много успешно). За разлика от повечето други стандарти за конектори, спецификацията на USB определя и ограничения за размера на свързващото устройство в областта около неговия щепсел. Това е направено, за да се предотврати блокирането на съседни портове от дадено устройство поради неговия размер. Съответстващите устройства трябва или да се вместват в ограниченията на размера, или да поддържат съвместим удължаващ кабел, който го прави.
• Възможна е и двупосочна комуникация. Обикновено кабелите имат само щепсели, а хостовете и устройствата - само гнезда: хостовете имат гнезда тип А, а устройствата - тип В. Щепселите от тип А се свързват само с гнезда от тип А, а тези от тип В - с гнезда от тип В. Едно разширение на USB, наречено USB On-The-Go, обаче позволява на един порт да действа като хост или устройство - според това кой край на кабела се включва в гнездото на устройството. Дори след като кабелът е свързан и устройствата разговарят, двете устройства могат да "разменят" краищата си под контрола на програмата. Това улеснение е насочено към устройства като PDA, при които USB връзката може да се свърже към хост порта на компютъра като устройство в един случай, но в друг случай да се свърже като хост към устройство с клавиатура и мишка.

Системата USB има асиметричен дизайн. Тя се състои от хост, няколко USB порта надолу по веригата и множество периферни устройства, свързани в топология звезда. В нивата могат да бъдат включени допълнителни USB концентратори, което позволява разклоняване в дървовидна структура с до пет нива на нивата.

Един USB хост може да има няколко хост контролера. Всеки хост контролер осигурява един или повече USB портове. Към един хост контролер могат да се свържат до 127 устройства, включително хъб устройствата.

USB устройствата се свързват последователно чрез концентратори. Винаги има един хъб, известен като главен хъб. Главният концентратор е вграден в хост контролера. Съществуват специални концентратори, наречени "концентратори за споделяне". Те позволяват на няколко компютъра да имат достъп до едни и същи периферни устройства. Те работят чрез ръчно или автоматично превключване на достъпа между компютрите. Те са популярни в средите на малки офиси. В мрежово отношение те по-скоро конвергират, отколкото дивергират клонове.

Едно физическо USB устройство може да има няколко логически подустройства, които се наричат функции на устройството. Едно устройство може да предоставя няколко функции, например уебкамера (функция на видеоустройство) с вграден микрофон (функция на аудиоустройство).

Комуникацията на USB устройствата се основава на тръби (логически канали). Тръбите са връзки от хост контролера към логическа единица на устройството, наречена крайна точка. Понякога терминът "крайна точка" се използва за неправилно обозначаване на тръбата. Едно USB устройство може да има до 32 активни тръби, 16 към хост контролера и 16 от контролера.

Всяка крайна точка може да прехвърля данни само в една посока - към или от устройството, така че всяка тръба е еднопосочна. Крайните точки са групирани в интерфейси и всеки интерфейс е свързан с една функция на устройството. Изключение от това е нулевата крайна точка, която се използва за конфигуриране на устройството и която не е свързана с никакъв интерфейс.

Когато USB устройство се свърже за първи път към USB хост, се стартира процесът на изброяване на USB устройствата. Изброяването започва с изпращане на сигнал за нулиране към USB устройството. Скоростта на USB устройството се определя по време на сигнала за нулиране. След нулирането информацията за USB устройството се прочита от хоста, след което на устройството се присвоява уникален 7-битов адрес. Ако устройството се поддържа от хоста, се зареждат драйверите на устройството, необходими за комуникация с него, и устройството се настройва в конфигурирано състояние. Ако USB хостът се рестартира, процесът на изброяване се повтаря за всички свързани устройства.

Контролерът на хоста се допитва до шината за трафик, обикновено по кръгов път, така че никое USB устройство не може да прехвърля данни по шината без изрична заявка от контролера на хоста.

Контролери на хостове

Компютърният хардуер, който съдържа хост контролера и главния концентратор, има интерфейс за програмиста. Той се нарича устройство на хост контролера (HCD) и се определя от внедрителя на хардуера.

За USB 1.0 и 1.1 имаше две различни реализации на HCD - Open Host Controller Interface (OHCI) и Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI е разработен от Compaq, Microsoft и National Semiconductor, а UHCI - от Intel.

VIA Technologies е лицензирала стандарта UHCI от Intel; всички останали производители на чипсети използват OHCI. UHCI разчита в по-голяма степен на софтуера. Това означава, че UHCI е малко по-интензивен за процесора от OHCI, но е по-лесен и по-евтин за създаване. Тъй като съществуват две различни реализации, доставчиците на операционни системи и хардуер трябва да разработват и тестват и за двете. Това увеличи разходите.

В спецификацията на USB не се посочват интерфейси на HCD и те не се разглеждат. С други думи, USB определя формата на предаване на данни през порта, но не и системата, чрез която USB хардуерът комуникира с компютъра, в който се намира.

По време на етапа на проектиране на USB 2.0 USB-IF настояваше да има само една реализация. Реализацията на USB 2.0 HCD се нарича Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Само EHCI може да поддържа високоскоростни трансфери (480 Mbit/s). Повечето PCI-базирани контролери EHCI имат други HCD реализации, наречени "придружаващ хост контролер", които поддържат пълна скорост (12 Mbit/s) и могат да се използват за всяко устройство, което претендира да е член на определен клас. Операционната система трябва да реализира всички класове устройства, така че да може да предоставя общи драйвери за всяко USB устройство. Класовете на устройствата се определят от работната група по устройствата на Форума на внедрителите на USB.

Класове USB устройства

Класовете устройства включват:

Забележка клас 0: Използвайте информацията за класа в дескрипторите на интерфейса. Този базов клас е дефиниран да се използва в дескрипторите на устройството, за да укаже, че информацията за класа трябва да се определи от дескрипторите на интерфейса в устройството.

• FireWire