USB (сокращение от Universal Serial Bus ) — это промышленный стандарт , разработанный для определения кабелей, разъемов и протоколов для подключения, связи и питания между персональными компьютерами и их периферийными устройствами.
Логотип
Распиновка. USB Type A (левая) Type B (правая)
| 1 | V bus (+5В) | Красный |
| 2 | Данные- | Белый |
| 3 | Данные+ | Зеленый |
| 4 | Земля | Черный |
Три поколения спецификаций USB:
— USB 1.x
— USB 2.0 с несколькими обновлениями и дополнениями
— USB 3. x
Выпущенный в 1996 году, стандарт USB в настоящее время поддерживается Форумом разработчиков USB (USB IF).
Обзор
USB передает бит данных поочередно , т.е. отдельные биты передаются один за другим. Передача происходит дифференциально через симметричную пару: если высокий уровень применяется к первому проводу, низкий уровень применяется к второму проводу и наоборот. Приемник сигнала оценивает дифференциальное напряжение на конечном резисторе . Из их знака два логических состояния равны нулю или одному. Из-за дифференциального метода и использования скрученных проводов в основном устраняются электрически облученные возмущения. Это повышает надежность передачи и подавляет синфазные помехи . Передача данных в обоих направлениях (от периферии и от нее) происходит при скорости передачи данных до 480 Мбит / с по одной и той же паре проводов; только более быстрые режимы, введенные с USB 3.0, требуют дополнительных пар проводов. Еще два провода питают подключенные устройства с энергией. Используя только четыре провода в одном кабеле (до 480 Мбит / с), его можно сделать более тонким и дешевле, чем с параллельными интерфейсами . По сравнению с бит-параллельными соединениями, такими как IEEE 1284 («Centronics») — высокая скорость передачи данных может быть достигнута с относительно небольшим усилием, поскольку несколько сигналов не должны передаваться одновременно с одним и тем же электрическим поведением.
Доступен ряд различных скоростей передачи. В зависимости от требований приложения максимальная скорость передачи данных может быть между 1,5 Мбит / с и почти 20 Гбит / с (см. Раздел « Тарифы данных» ). Выбор максимальной скорости передачи данных влияет на различные параметры, такие как усилия по внедрению, выбор материала кабеля, типов разъемов или также используемых сигнальных напряжений.
Электрическое соединение представляет собой прямое соединение (соединение точка-точка); USB становится чуть выше физического уровня в шинной системе. Спецификация шины предусматривает центральный контроллер хоста (ведущий), который координирует подключенные периферийные устройства (так называемые подчиненные клиенты). Теоретически к нему можно подключить до 127 различных устройств. К USB-порту можно подключить только одно USB-устройство. По этой причине, если к одному хосту подключено несколько устройств, распределитель ( концентратор ) должен обеспечить их соединение. Концентраторы создают древовидные структуры, которые заканчиваются в главном контроллере.
Использование USB
USB подходит для многих устройств, таких как запоминающие устройства (например, жесткие диски, гибкие диски, DVD- приводы), принтеры, сканеры, веб-камеры, мыши, клавиатуры, активные динамики, а также ключи и даже графические карты и мониторы . USB может подавать питание на маломощные устройства, такие как мыши, телефоны, клавиатуры, а также сканеры CIS или на 2,5 » жесткие диски и внешние звуковые карты.
Сегодня через USB-порт можно подключить несколько типов устройств, которые были подключены через большее количество различных типов интерфейсов до введения USB. Более старые типы заменены как последовательными ( RS-232 , PS / 2 интерфейс для клавиатуры и мыши , Apple Desktop Bus ), параллельными ( интерфейс Centronics ), так и аналоговыми ( игровыми портами ) интерфейсами. Старые интерфейсы иногда по-прежнему предлагаются на некоторых компьютерных материнских платах и ноутбуках, даже если соответствующие устройства больше не доступны в продаже. Старые устройства с такими соединениями, как последовательные 56k модемы или параллельные принтеры, по-прежнему доступны во многих местах. В промышленном секторе RS-232 по-прежнему часто используется на старых ПК или адаптерах, поскольку соответствующие USB-адаптеры не работают в режиме реального времени, а периферийные устройства в этой среде гораздо более долговечны. Между тем, USB в значительной степени заменил внешние интерфейсы SCSI.
USB обеспечивает значительно более высокую скорость передачи данных по сравнению с предыдущими решениями. Однако данные передаются в пакетах . Поэтому он менее подходит для некоторых критически важных приложений — например, с пакетами, которые занимают всего несколько байтов, что снижает скорость передачи или при сборе байтов для заполнения пакета задерживает передачу.
Относительно высокая скорость передачи данных была возможна с момента введения спецификации USB 2.0. Это делает USB подходящим для подключения других типов устройств, таких как жесткие диски, телевизионные интерфейсы и камеры . Для внешних решений для хранения данных USB конкурирует с FireWire и eSATA и почти полностью вытеснил их, по крайней мере, в домашних условиях.
Универсальные дополнительные факторы для двухфакторной аутентификации через USB также могут взаимодействовать с операционными системами или веб-браузерами, такими как токены безопасности для открытого стандарта U2F.
История и развитие
Плата расширения с 4 USB 2.0 для ПК с интерфейсом PCI
История и развите
Универсальная последовательная шина (USB 1.0) была разработана консорциумом компаний Compaq, Hewlett-Packard , IBM , Microsoft , NEC и других. а. разработан и запущен в 1996 году. Важный вклад внесла команда разработчиков, возглавляемая Аджай Бхаттом в Intel. USB был разработан для подключения периферийных устройств к ПК и был предназначен для преемника целого ряда интерфейсов ПК, используемых в то время, и их объединения. Поэтому спецификация USB не ограничивалась клавиатурой и мышью, но также включала другие периферийные устройства, такие как принтеры и сканеры . Массовые устройства хранения данных, такие как жесткие диски, поддерживались USB 1.0, но из-за максимальной скорости передачи данных 12 Мбит / с они были ограничены в использовании.
В качестве одного из первых чипсетов в 1996 году был поддержан первоначально разработанный для Pentium Pro, а затем используемый для Pentium II 440FX USB-протокол, который почти никогда не рекламировался до появления материнских плат ATX . Главной причиной этого было, по-видимому, из-за отсутствия или отсутствия поддержки USB тогдашними широко распространенными операционными системами Windows 95 и Windows NT 4.0 , с другой стороны, в первые дни практически не было доступных USB-устройств.
В конце 1998 года последовала пересмотренная спецификация USB 1.1 , которая прежде всего разрешала ошибки и неоднозначности в спецификации 1.0 и добавляла передачу прерывания . Скорость не увеличивалась. Поэтому USB 1.x не был конкурентом стандарту Apple FireWire (IEEE 1394) , который позволял скорость передачи данных до 400 Мбит / с с начала (1995) и был ускорен до 800 Мбит / с в апреле 2003 года. Тем не менее, Apple использовала интерфейс в версии USB 1.1 с разработкой iMac . Начиная с этого Apple заменил внутренний АБР.
В 2000 году был указан USB 2.0 , который добавил, прежде всего, дополнительную скорость передачи данных 480 Мбит / с, поэтому стало возможным подключение жестких дисков или видеоустройств . Продукты для этого, однако, появились только с 2002 года на рынке.
В 2008 году были представлены новые спецификации для USB 3.0 SuperSpeed со скоростью передачи данных 5 Гбит / с. Однако эта скорость передачи данных представляет собой скорость передачи данных используемого кода линии 8b10b , с которым 8 бит данных полезной нагрузки каждый кодируется для передачи в 10 канальных битах. Это приводит к максимальной суммарной скорости передачи данных 4 Гбит / с. Теоретически максимально возможная скорость передачи данных еще раз несколько ниже общей скорости передачи данных. В этой спецификации также были введены новые разъемы, кабели и разъемы, которые частично совместимы со старыми.
Первые материнские платы и устройства с USB 3.0 вошли в массовый рынок в 2011 году. В том же году Intel опубликовала вместе с Apple Thunderbolt интерфейс в прямой конкуренции. Thunderbolt в два с половиной раза быстрее, чем USB 3.0, Thunderbolt 2 даже в пять раз быстрее (2 × 10 Гбит / с вместо 4 Гбит / с), а также имеет сигнал looped-DisplayPort (который, однако, должен делиться пропускной способностью с Thunderbolt 2)
В июле 2013 года группа промоутеров USB объявила о завершении спецификации USB 3.1 . Он включает удвоение скорости по сравнению с USB 3.0 до 10 Гбит / с. Кроме того, код линии с 128b132b был более эффективным, так что возможны вычислительные 1,2 ГБ / с. Это сопровождалось изменением именования. Предыдущие спецификации USB 3.0 вошли в спецификацию USB 3.1 и теперь официально называются USB 3.1 Gen 1. Более быстрый стандарт SuperSpeed + также называется USB 3.1 Gen 2.
Источник питания
Уже с USB 1.0 был источником питания подключенных устройств через кабельные соединения USB. Однако максимальная производительность была достаточной для устройств с малой потребляемой мощностью (таких как мышь, клавиатура или планшетный сканер), но для большинства жестких дисков этого недостаточно. Иногда порты USB работают за пределами указанных пределов производительности. В частности, кратковременная перегрузка порта USB остается на практике, как правило, без последствий.
Для решения проблем с источником питания расширенные версии спецификации USB предоставили расширенные параметры питания, см. Следующую таблицу. Максимальная производительность увеличилась до 100 Вт, что достаточно, например, для зарядки ноутбука.
| USB 1.0 / 1.1 (Маломощный порт) | 5 V | 4,40–5,50 V* | 0,1 A | 000,5 W |
| USB 2.0 (Высокомощный порт) | 4,75–5,50 V | 0,5 A**** | 2,5 W | |
| USB 3.0 / 3.1 | 4,45–5,50 V | 0,9 A** | 4,5 W | |
| USB-BC 1.2 (Зарядка аккумулятора USB) | 1,5 A | 7,5 W** | ||
| USB-Typ-C | 3 A | 15 W*** | ||
| USB-PD (USB Power Delivery) | 5, 12 или 20 V | 5 A | 100 W |
* — Допускается падение напряжения до 4,40 В в конце USB-кабеля; за пассивным USB-концентратором допускается даже 4.00 В.
** — Рассчитано на максимум 7,5 Вт.
*** — Упрощенная процедура рассчитана на 7,5 Вт для обычных и 15 Вт для активных кабелей.
**** — Устройство не может получить этот ток до тех пор, пока не будет одобрено хост-контроллером. До тех пор применяется максимальный ток 0,1А.
USB-зарядные устройства
В качестве части спецификации USB зарядные устройства USB представляют собой выделенный зарядный порт (DCP), который может использовать USB-устройства с контроллерами заряда и встроенными перезаряжаемыми батареями (например, сотовые телефоны). Инициатива ЕС по единым зарядным устройствам USB основана, в основном, на спецификации зарядки аккумулятора. ( Зарядка аккумулятора USB или USB-BC для краткости). Предусмотрены токи до 1,5 А.
Чтобы сделать зарядное устройство таким же простым, как подключаемый источник питания, как можно проще, было выбрано решение, которое сводит к минимуму усилия по внедрению со стороны зарядного устройства: USB-устройства со встроенной функцией зарядки распознают зарядный порт на резисторе , который между двумя линиями данных D + и D- подключен в зарядное устройство. Это возможно, потому что зарядное устройство не использует линии передачи данных USB для передачи данных. Если значение сопротивления между двумя линиями данных D + и D- меньше 200 Ом — в простейшем случае две линии также могут быть закорочены — контроллер заряда на USB-устройстве предполагает, что он подключен к порту зарядки USB (DCP) может доставлять не менее 500 мА.
В дополнение к общему стандарту для USB-порта зарядного устройства появилось несколько проприетарных интерфейсов USB-зарядки, которые по сути обеспечивают быструю зарядку энергоемких мобильных устройств, таких как смартфоны через USB. Обычными интерфейсами быстрой зарядки USB на рынке являются несовместимые процессы VOOC от Oppo Electronics и Quick Charge от Qualcomm.
Более высокая производительность
В дополнение к стандарту 5 В устройства с энергопотреблением до 100 Вт могут работать без дополнительного источника питания через разъем USB Type C, например, с электропитанием до 100 Вт. В качестве мониторов, струйных принтеров и активных громкоговорителей. Эта спецификация также называется USB Power Delivery ( USB-PD ). Различные профили определяют возможные токи (до 5 А) и возможные напряжения (до 20 В). В дополнение к обычному напряжению 5 В 12 В или 20 В возможны.
Напряжение на шине USB всегда составляет 5 В при подключении устройства, но после переговоров между устройством и хостом его можно увеличить до 12 В или 20 В с использованием последовательного протокола. Аналогичным образом, может быть запрошен съемный ток.
Другим фундаментальным изменением является выпуск направления потока источника питания. Компьютер может подключить монитор так же, как монитор может подключить компьютер.
| 1 | 2,0 A | – | – | Стандартный профиль для запуска, небольшие мобильные устройства, устройства, смартфоны, сотовые телефоны и т. Д. |
| 2 | 1,5 A | Таблеты, маленькие ноутбуки, будущие устройства | ||
| 3 | 3,0 A | Маленькие ноутбуки, более крупные устройства | ||
| 4 | 3,0 A | Большие ноутбуки, концентраторы, док-станции | ||
| 5 | 5,0 A | Рабочие станции, концентраторы, док-станции | ||
Профиль 1 является единственным профилем, который может быть реализован с помощью обычных USB-кабелей. Для более высоких профилей требуются специальные кабели, предназначенные для более высоких напряжений и токов.
Включение внешних жестких дисков
1,8-дюймовые внешние жесткие диски обычно требуют 150 мА рабочих токов и 400 мА пусковых токов . Такие жесткие диски могут легко поставляться через порт USB 2.0.
Внешние 2,5-дюймовые жесткие диски обычно требуют рабочих токов от 250 мА до 400 мА (по состоянию на 2010 г.) и пусковых токов от 600 мА до 1100 мА. Хотя токи здесь могут превышать значение, разрешенное спецификацией USB 2.0, работа таких потребителей электроэнергии обычно работает на практике в любом случае, поскольку порты ненадолго перегружены. В случае проблем с особенно мощными жесткими дисками часто можно было дополнительно подавать питание потребителю через Y-кабель (который не был разрешен в соответствии со спецификацией USB) до примерно 2010 года, или на жестких дисках имелось отдельное входное напряжение.
Внешние 3,5-дюймовые жесткие диски обычно требуют еще более высоких токов, а также второго рабочего напряжения 12 В. Поэтому они могут поставляться только с мощностью и напряжением через USB-порт с использованием USB Power Delivery в соответствии со спецификациями.
Технология передачи / спецификация — Хост-контроллер
Связь с USB управляется контроллером хоста, который сегодня обычно монтируется на материнской плате компьютера. Только это может считывать данные с устройства или отправлять данные на устройство (исключение: см. USB On-the-Go ). Устройство может отправлять данные только хост-контроллеру, когда оно запрашивается им. Для критических потоков данных, таких как движения мыши, хост-контроллер должен опросить устройство достаточно часто ( опрос ), чтобы отправить данные, чтобы предотвратить подергивание.
Микросхемы контроллера USB в ПК придерживаются одного из четырех установленных стандартов. Они отличаются своей производительностью и реализацией определенных функций. Для устройства USB используемые контроллеры (почти) полностью прозрачны , однако иногда важно, чтобы пользователь ПК мог определить, какой тип чипа использует компьютер, чтобы выбрать правильный драйвер.
Интерфейс универсального хост-контроллера
UHCI была указана Intel в ноябре 1995 года. Текущая версия документа имеет номер версии 1.1. Чипы UHCI обеспечивают поддержку USB-устройств 1,5 или 12 Мбит / с в режиме низкой или полной скорости . Они построены исключительно производителями Intel и VIA Technologies .
Открытый интерфейс контроллера хоста
OHCI — это спецификация, разработанная совместно Compaq , Microsoft и National Semiconductor . Версия 1.0 стандарта была выпущена в декабре 1995 года. Текущая версия — версия 1.0a и поставляется с сентября 1999 года. Контроллер OHCI в основном имеет те же возможности, что и его UHCI-аналоги, но больше работает на аппаратных средствах и немного быстрее, чем контроллер UHCI. Эта разница обычно движется в областях, которые едва измеримы, поэтому на практике ее можно пренебрегать; Однако разработчики материнской платы или драйвера должны это учитывать. USB-контроллеры на материнских платах, не поддерживающих Intel или VIA, не поддерживающие Intel, и USB-карты PCI с чипсетами, отличными от VIA, являются, скорее всего, контроллерами OHCI.
Улучшенный интерфейс контроллера хоста
EHCI обеспечивает возможности USB 2.0. Он обрабатывает только передачи в режиме Hi-Speed (480 Мбит / с). При подключении устройств USB 1.1 к порту с чипом EHCI контроллер EHCI передает трафик на контроллер UHCI или OHCI за ним (все контроллеры обычно находятся на одном кристалле). Если нет драйвера EHCI, устройства Hi-Speed также будут переданы контроллеру USB 1.1, а затем, если это возможно, будут работать медленнее.
Расширяемый интерфейс контроллера хоста
Спецификация xHCI 1.0 была выпущена в мае 2010 года, спецификация xHCI 1.1 была выпущена Intel в декабре 2013 года [16], а в дополнение к скорости передачи, доступной с USB 2.0, она обеспечивает режим SuperSpeed 4.0Gbps (9.7Gb) / с с USB 3.1).
Настройки и интерфейсы
Внутренне контроллер USB обращается к подключенным устройствам с семибитным идентификатором, что приводит к теоретическому верхнему пределу 127 устройств, которые могут быть подключены. Когда новые устройства обнаруживаются на порту, хост-контроллер включает их и повторно передает подключенное устройство, помещая обе линии данных в потенциал заземления не менее 10 мс. В результате устройство сначала занимает адрес 0, а затем получает уникальный адрес от хоста. Поскольку активирован только один порт с еще не настроенным устройством, не происходит столкновений адресов.
Обычно контроллер хоста запрашивает дескриптор устройства, который содержит, помимо прочего, идентификатор производителя и продукта. С дополнительными дескрипторами устройство сообщает, какие альтернативные конфигурации он имеет, в котором он может быть переключен драйвером устройства . Для веб-камеры эти альтернативы могут заключаться в том, включена ли камера или работает только микрофон. Для контроллера важно, чтобы различные конфигурации могли также приводить к различиям в потребляемой мощности.
В конфигурации устройство может определять различные интерфейсы , каждый с одной или несколькими конечными точками . Различные требования к зарезервированной скорости передачи данных передаются с помощью альтернативных настроек . Примером этого является камера (например, веб-камера ), которая может отправлять изображения в двух разных разрешениях. Альтернативная настройка 0 активируется, если устройство не хочет передавать данные и, таким образом, делает паузу.
Классы устройств
Чтобы предотвратить использование отдельного драйвера для каждого устройства, стандарт USB определяет разные классы устройств, которые могут контролироваться родовыми драйверами . Это позволяет USB- клавиатурам , мышам, USB- накопителю, классу коммуникационных устройств (CDC) и другим устройствам с их основными функциями, которые можно использовать мгновенно, без необходимости устанавливать конкретный драйвер. Возможно изготовление специальных расширений (которые требуют отдельного драйвера). Информация о том, какие классы устройств подсчитывает устройство, может храниться в дескрипторе устройства (если устройство принадлежит только одному классу) или в дескрипторе интерфейса (для устройств, принадлежащих нескольким классам).
Классы устройств USB
| 00h | Устройство | Композитное устройство | Класс определяется на уровне дескрипторов интерфейса |
| 01h | Интерфейс | Аудио | Динамик, микрофон, звуковая карта, MIDI |
| 02h | Коммуникация и управление CDC | Модем, сетевая карта, адаптер Wi-Fi | |
| 03h | Интерфейс | Устройство интерфейса пользователя | Клавиатура, мышь, джойстик и т. д. |
| 05h | Интерфейс | Устройство физического интерфейса | Физическая обратная связь, например джойстики Force Feedback |
| 06h | Интерфейс | Фотографии | Цифровая камера, сканер |
| 07h | Интерфейс | Принтер | Лазерный принтер, струйный принтер |
| 08h | Интерфейс | Запоминающее | Карты памяти, MP3-плееры |
| 09h | Устройство | USB-хаб | Полноскоростной хаб, высокоскоростной хаб |
| 0Ah | Интерфейс | данные CDC | этот класс используется вместе с классом 02h |
| 0Bh | Интерфейс | Чип-карта | Считыватель чип-карт |
| 0Dh | Интерфейс | Безопасность контента | Сканеры отпечатков пальцев |
| 0Eh | Интерфейс | Видео | Вебкамера |
| 0Fh | Интерфейс | Личное здоровье | Монитор сердечного ритма |
| 10h | Интерфейс | Аудио / видеоустройства | AV потоковые устройства |
| DCh | Диагностическое устройство | Тестер соответствия USB | |
| E0h | Интерфейс | Беспроводной контроллер | Bluetooth- адаптер, Microsoft RNDIS |
| EFh | Разное | ActiveSync | |
| FEh | Интерфейс | Специальное программное обеспечение | IrDA |
| FFh | Конкретный производитель | Производитель предоставляет драйвер |
Режимы передачи
USB обеспечивает подключенные устройства с различными режимами передачи, которые они могут устанавливать для каждой конечной точки.
Конечные точки
У устройств USB есть ряд пронумерованных конечных точек, в некотором смысле субадрессы устройства. Конечные точки присутствуют в устройствах со стороны оборудования и управляются USB SIE ( Serial Interface Engine ). Эти конечные точки позволяют запускать независимые потоки данных. Устройства с несколькими отдельными функциями ( веб-камеры , передающие видео и аудио ) имеют несколько конечных точек. Передачи в конечные точки и из них обычно являются однонаправленными , поэтому для двунаправленных передач требуются конечная точка IN и OUT (IN и OUT относятся к представлению главного контроллера). Исключением является конечная точка, использующая режим передачи управления.
Каждое устройство USB должно иметь конечную точку с адресом 0, которая используется для обнаружения и настройки устройства, а также может выполнять дополнительные функции. Конечная точка 0 всегда использует режим передачи управления. Устройство USB может иметь максимум 31 конечную точку: конечную точку управления (которая суммирует две конечные точки) и 15 В и 15 выходных точек. Низкоскоростные устройства ограничены конечной точкой 0 плюс максимум двумя дополнительными конечными точками в режиме передачи прерываний с максимальным количеством 8 байтов на передачу.
Изохронный перевод
Изохронная передача подходит для данных, требующих гарантированной скорости передачи данных . Этот режим передачи доступен для скоростных и высокоскоростных устройств. Если альтернативный параметр определяет конечную точку с изохронной передачей, драйвер хост-контроллера резервирует требуемую скорость передачи данных. Если эта скорость передачи данных недоступна, активация названных альтернативных настроек завершится с ошибкой, и с этим устройством не будет установлено изохронная связь.
Требуемая скорость передачи данных зависит от продукта интервала запроса и размера буфера данных . Полноскоростные устройства могут передавать до 1023 байта на изохронную конечную точку каждые миллисекунды (1023 кБ / с), высокоскоростные устройства могут переносить до трех передач на каждый микрокадр (125 мкс) до 1024 байтов (24576 кБ / с). Если в устройстве доступно несколько изохронных конечных точек, скорость передачи данных несколько возрастает, потому что каждое соединение может запросить эту скорость передачи данных. Однако, особенно на полной скорости, вы уже приближаетесь к максимальной общей скорости передачи данных (полная скорость: около 81%, Hi-Speed: около 49%). Передача защищена контрольной суммой ( CRC16 ), но не повторяется в случае ошибки аппаратной передачи. Приемник может определить, правильно ли переданы данные. Изохронные передачи используются, например, с помощью аудиокарта USB, используемого с внешними звуковыми картами USB.
Передача прерываний
Передача прерываний используется для передачи небольших объемов данных, которые доступны в неточные сроки. В дескрипторе конечной точки устройство сообщает, в каких максимальных временных интервалах он хочет получить новые данные. Наименьший возможный интервал опроса составляет 10 мс на низкой скорости, 1 мс на полной скорости и до трех опросов в 125 мкс на Hi-Speed. На низкой скорости до 64 бит могут быть переданы на запрос, до 64 байтов на полной скорости и до 1024 байтов на Hi-Speed. Это приводит к максимальной скорости передачи данных 0,8 кБ / с при низкой скорости, 64 кБ / с на полной скорости и 24576 кБ / с при Hi-Speed. Данные сохраняются с контрольной суммой (CRC16) и повторяются аппаратным обеспечением до трех раз в случае ошибок передачи. Устройства HID ( устройство пользовательского интерфейса ), такие как клавиатуры , мыши и джойстики , передают данные через передачу прерываний.
Мышь с USB-портом
Массовая передача
Массовые передачи предназначены для больших и не требующих времени критических объемов данных, таких как чтение или запись файлов на жесткий диск USB. Эти передачи имеют низкий приоритет и выполняются контроллером, когда все транзакции изохронного и прерывания завершены, и скорость передачи данных по-прежнему остается. Массовые переводы обеспечены контрольной суммой ( CRC16 ) и повторяются аппаратными средствами до трех раз. Низкоскоростные устройства не могут использовать этот тип передачи. Полноскоростные устройства используют размеры буфера 8, 16, 32 или 64 байта. Высокоскоростные устройства всегда используют 512-байтовый буфер.
Передача управления
правляющие передачи — это тип передачи данных , для которого требуется конечная точка, которая может выполнять операции ввода и вывода. Контрольные передачи обычно подтверждаются в обоих направлениях, так что отправитель и получатель всегда могут быть уверены, что данные прибыли. Следовательно, конечная точка 0 используется в режиме передачи управления. Например, передача контроля важна после обнаружения устройства USB и обмена первым сообщением.
Скорость передачи данных
Логотипы скоростных сертифицированных устройств. Верхний логотип для низкоскоростных или полноскоростных сертифицированных устройств USB, средний логотип для устройств с высокоскоростной передачей USB, логотип для высокоскоростных устройств OTG USB.
| Низкоскоростной | USB 1.0 | 1,5 M Bd NRZI -Code mit Bit-Stuffing | ±1,5 | ±0,05 | ? | ? | ? | |
| Полноскоростной | USB 1.0 | 1 MB/s | 12 MBdNRZI-Code mit Bit-Stuffing | ±0,25 | ±0,05 | ? | ? | ? |
| Высокоскоростной | USB 2.0 | 40 MB/s | 480 MBdNRZI-Code mit Bit-Stuffing | ±0,05 | ? | ? | ? | |
| Суперскоростной | USB 3.0
(USB 3.1 Gen 1) |
300 MB/s | 5000 MBd | ? | ? | ? | ||
| Суперскорость + | USB 3.1
(USB 3.1 Gen 2) |
900 MB/s | 10.000 MBd 128b132b-Code | ? | ? | |||
| USB 3.2 | 1800 MB/s | ? | ||||||
USB On-the-go
OTG кабель
USB OTG для Android-смартфона с подключенным USB-накопителем и клавиатурой и мышью для ПК. Кроме того, подключен внешний источник питания.
Прямая связь между USB — устройствами, то есть без участия центрального контроллера хоста не была изначально предусмотрена в стандарте USB; это ограничивалось только расширением USB On-the-go (OTG).
При использовании USB On-the-Go устройства, оборудованные соответствующим образом, могут взаимодействовать либо с ограничением хост-функций. Типичными приложениями USB OTG являются подключение цифровой камеры и принтера или обмен музыкальными файлами между двумя MP3-плеерами.
Даже с USB OTG связь контролируется центральным узлом. Напротив, другие коммуникационные механизмы, такие как стандарт FireWire, созданный для и аналогичный USB, обеспечивают возможность одноранговой связи между устройствами без участия центрального узла. Это дает возможность построить сеть.
Продукты USB OTG идентифицируются логотипом USB с дополнительной зеленой стрелкой внизу и белыми надписями «On-The-Go». Спецификация USB OTG была принята 18 декабря 2001 года. OTG устройства, например, доступны с ноября 2007 Nokia 6500c телефоны, N8, C7, N810, 808 PureView, то Samsung Galaxy S II и другие Android — смартфоны и некоторые внешние жесткие диски для прямого подключения к цифровым камерам.
Беспроводной USB
Логотип сертифицированных устройств от Intel Wireless USB project
В настоящее время две инициативы используют термин « беспроводной USB ». Старшая из них была инициирована компанией Cypress , Между тем Atmel вскочил на группу в качестве второго производителя чипов. Система «Cypress-WirelessUSB» не является беспроводным USB-устройством, а является технологией построения беспроводных устройств, которые затем подключаются к компьютеру через приемопередатчик, подключенный к USB. Для этого, технология передачи в нелицензионного диапазоне 2,4 ГГц используется, скорость передачи данных до 62,5 кбит / с (новые чипы от Сайпресс достигают 1 Мбит / с) и, таким образом , достаточно для устройств ввода, для других применений, однако, часто затянуты.
Второй проект беспроводной USB управляется USB-IF и гораздо более требователен. В дополнение к Intel, NEC также разрабатывает соответствующие чипы. Цель состоит в том, чтобы создать технологию, которая может беспроволочно передавать полный режим передачи данных высокой скорости 480 Мбит / с. Здесь короткий радиус действия ниже 10 м; передача должна основываться на ультраширокополосной технологии.
16 января 2008 года Федеральное сетевое агентство Германии выпустило полосы частот для ультраширокополосных технологий в Германии. Однако диапазон 6-8,5 ГГц, предназначенный для USB, не так широк, как указано в USB-IF, так что устройства из других стран не могут использоваться в Германии.
USB 3.0
В ноябре 2008 года Форум разработчиков USB , в который входят компании, включая HP , Microsoft и Intel , представил спецификацию для USB 3.0 . В SuperSpeed режиме является скорость передачи символов из 5 Гбит / с используется, в связи с использованием ANSI 8b10b -coding брутто скорость передачи данных 500 МБ / с. Более высокие скорости передачи данных по существу становятся возможными благодаря более высоким частотам (приблизительно в восемь раз) по линиям данных. Таким образом, общая скорость передачи данных увеличивается с 60 Мбайт / с до 500 МБ / с. Это, однако, предъявляет значительно более высокие требования к кабелям. Дальнейшие выгоды возможны благодаря усовершенствованному протоколу USB и используемой полнодуплексной передаче.
Используемые кабели USB 3.0 содержат в дополнение к предыдущей пару сигнальных проводов (D + и D-) и источник питания (GND, VBUS) две дополнительные пары сигнальных проводов (SSTX + и SSTX-, SSRX + и SSRX-), а также дополнительное заземление (GND ). Поэтому для USB 3.0 требуются как новые разъемы на хосте, так и подключенные устройства, а также новые кабели. Кабели более толстые и менее гибкие из-за увеличения количества сердечников и необходимости улучшения характеристик передачи радиочастот (аналогично кабелям eSATA или CAT 5e / 6). Кроме того, в случае недостаточной защиты кабеля USB 3.0 могут возникнуть помехи в контексте электромагнитной совместимости (EMC), которые могут быть найдены, например, в беспроводной локальной сети (WLAN) илиBluetooth 2,4 ГГц. Снижение диапазона и увеличение ошибок при передаче у устройств USB 3.0.
Совместимость заключается в следующем:
— Кабели USB 3.0 не могут использоваться с устройствами USB 2.0 из-за вложений — разъемы USB 3.0 Type B не поддерживают обратную совместимость.
— Кабели USB 3.0 могут использоваться на хостах USB 2.0, но затем требуются устройства USB 3.0.
— Кабели USB 2.0 могут использоваться на хостах USB 3.0.
— Устройства USB 3.0 могут быть подключены к хостам USB 2.0. В случае необходимости, Существуют проблемы, когда они потребляют более 500 мА тока (USB 3.0 позволяет до 900 мА, USB 2.0 до 500 мА).
— Устройства USB 2.0 могут быть подключены к USB 3.0 хостам.
Однако передача USB 3.0 происходит только тогда, когда все три компонента (хост, кабель, конечное устройство) совместимы с USB 3.0. В противном случае, вплоть до USB 2.0:
В Linux 2.6.31 или более поздней версии дистрибутивы Linux были первыми операционными системами для поддержки USB 3.0.
Другие особенности:
— Обычный с предыдущими стандартами USB не Reihumabfrage устройство ( опрос ) больше нет необходимости. К (возможно) устранения этого непрерывного опроса и новых команд в энергосберегающем устройстве может быть подключен к U0 U3.
— На USB 3.0 порт имеется не менее 150 мА тока (вместо 100 мА, как и USB 2.0) на каждое устройство. По запросу может быть предусмотрено до 900 мА (USB 2.0 Low Power: 100 мА, USB 2.0 High Power: 500 мА).
— Старые водители должны оставаться пригодными для использования. Однако более новые версии могут быть полезными, например, для использования новых режимов энергосбережения.
— В концентраторах USB 3.0 не используются Transaction Translators, такие как концентраторы USB 2.0 (Hi-Speed). Поэтому у вас нет прибыли, если вы подключаете несколько устройств USB 2.0 через концентратор USB 3.0 к ПК.
— Для концентраторов см. USB 3.0 и концентраторы.
Расширение стандарта с помощью волоконно-оптических кабелей запланировано на более позднюю дату . В отличие от USB 2.0, устройства можно назвать «совместимыми с USB 3.0», если они предлагают самый быстрый способ передачи (здесь режим SuperSpeed).
USB 3.1
Спецификация USB 3.1 описывает:
— удвоение скорости по сравнению с USB 3.0 до 10 Гбит / с
— USB Power Delivery , функция для питания устройств до 100 Вт
— пассивные кабели без встроенной электроники
— новый двухсторонний разъем (« USB Type C »), который также поддерживает питание
— Адаптер для более старых сокетов для обратной совместимости
Согласно Ассоциации стандартов видеоэлектроники (VESA), новый порт USB 3.1 также должен поддерживать стандарт DisplayPort . Это позволит подключать дисплеи 4K / Ultra HD (3,840 × 2,160 пикселей) с частотой обновления 60 Гц. Если вы опустите функциональность USB 3.1 и используете все линии передачи данных для передачи видеосигнала, возможно даже разрешение 5K (5,120 × 2,880 пикселей).
USB 3.2
C 2017 года до 20 Гбит / с; первое (предварительное) устройство (или так называемый прототип ) с более чем 10 GBit / s с 2018 года
Механический дизайн
Кабель USB имеют обратную полярность — и обмен разработан. В направлении хост-контроллера (вверх по течению) используются плоские разъемы (тип A «DIN IEC 61076-3-107») . Для подключенного устройства обратно (вниз по течению) , то кабель монтируется либо фиксированный или примерно квадратный разъем (тип B «DIN IEC 61076-3-108»)(изолированы и не совместимы со стандартными разъемами типа A). В соответствии со стандартами USB 1.1 до 2.0 разъемы USB Type A и Type B имеют четыре провода плюс экран. Оба разъема должны быть в одном из трех цветов: серый, «натуральный» (цвет слоновой кости / белый) или черный. С USB 3.0 на рынок выходят новые варианты разъемов типа A и Type B (см. Ниже).
Детали конструкции, вытекающие из стандарта, могут привести к проблемам при контакте и повреждению при использовании штепселя, особенно при частом подключении. Поскольку не требуется завинчивание гнезд и штекеров на плате или на корпусе, необходимо принять все силы, связанные с работой или движениями действуют на вилку и розетку, поглощаются (менее упругими) паяными соединениями гнезда. По этой причине, но также из-за отсутствия опций блокировки , другие интерфейсы предпочтительно используются в кабелях профессиональной передачи данных.
В течение некоторого времени вилки и розетки типа A и B также были доступны с помощью винтов с накатанной головкой, чтобы предотвратить проскальзывание. Однако принимающее устройство также должно поддерживать это. Некоторые производители иногда выпускают механически несовместимые версии USB-разъемов, которые, однако, не отличаются от USB 1.x или 2.0, например:
— «UltraPort» на некоторых IBM ThinkPads
— 10-контактные модульные разъемы (10P10C / RJ50) на ИБП APC
— проприетарные USB-разъемы для Microsoft Xbox
— Джек-штекер, который также служит в качестве аудиоразъема на iPod Shuffle от Apple
Варианты
Для промышленного использования, особенно в POS- приложениях, таких как POS-системы , имеется несколько других вариантов разъемов USB со значительно более высокими номинальными токами до 6 А (3 А на контакт). Эти варианты не были стандартизованы консорциумом USB, но около 1999 года в частично лицензированных стандартах под названием Retail USB , PoweredUSB , USB PlusPower или USB + Power от таких компаний, как IBM, Microsoft, NCR и Berg / FCI. Технически, более высокая пропускная способность тока реализуется с помощью четырех дополнительных линий. Хотя на стороне клиента не определен специальный соединитель (однако существуют различные рекомендации, некоторые из которых имеют разные возможности «горячей замены»), разъемы на стороне хоста состоят из комбинации механически и электрически неизмененного разъема USB типа A, с одной стороны, и высокотокового четырехполюсного разъема на другом. В целом, они примерно квадратные, аналогичные стопке двух USB-разъемов (см. Рисунок выше). Для силовых разъемов предусмотрен механический замок между розеткой и штекером. Разъемы питания доступны в четырех вариантах, благодаря чему механическое кодирование предотвращаетчто различные варианты могут быть объединены.
Микро и мини USB
В частности, для устройств с ограниченным пространством (цифровые камеры, мобильные телефоны, MP3-плееры и другие мобильные устройства) существуют также различные компактные USB-разъемы. В стандарте USB 2.0 закреплены только пятиконтактные мини-и микро-варианты (плюс экран), которые имеют дополнительный вывод ID по сравнению с обычными USB-разъемами.
Первоначально в 2000 году был установлен трапециевидный мини-B-разъем для нижней стороны, который должен был быть черным. Однако для будущих устройств производители устройств должны переключиться на микро-USB-разъемы (см. Ниже). Mini-A (белый) и мини-AB (серый) разъемы также были частью стандарта в течение некоторого времени и должны быть особенно важны для USB на ходу (OTG) однако были официально сняты в мае 2007 года. Кабели Mini-B вставляются в разъем mini-AB.
В январе 2007 года были введены еще более мелкие разъемы с стандартным расширением Micro-USB для USB 2.0, которые позволяют особенно компактную конструкцию устройств. Спецификация Micro USB может поддерживать USB On-the-Go (OTG). В ближайшем будущем разъемы Micro-USB подключаются к более новым устройствам (по состоянию на январь 2009 года), полностью заменяя мини-разъем, только относительно распространенный разъем Mini-B в настоящее время (по состоянию на январь 2009 года) все еще допускается. Микро-USB-разъемы электрически эквивалентны, но не механически совместимы, но благодаря стандартным зажимам из нержавеющей стали они намного более стабильны. Согласно стандарту USB 2.0 существует три варианта, которые, как и у Mini USB, все пятиполюсные: Micro-A (прямоугольная конструкция, для стороны хоста, цвет белый), Micro-AB (прямоугольная конструкция, для USB On-the-go, цвет серый) и micro-B (трапецеидальный дизайн, для стороны устройства, цвет черный). Терминал платформы Open Mobile(OMTP) принял Micro-USB 2007 в качестве стандартного разъема для передачи данных и питания на мобильные устройства, а в Китае мобильные телефоны с тех пор были оснащены этим интерфейсом для утверждения. С USB 3.0 на рынок выходят новые варианты разъемов Micro-A, AB и B (см. Ниже).
Существует также немало проприетарных устройств, которые представляют собой миниатюрные конструкции устройства, соответствующие конкретным производителям устройства (см. Также первое изображение галереи), которые обычно электрически совместимы с USB 2.0, но лишь частично трудно получить кабель адаптера с USB-компонентами в соответствии с USB-интерфейсом Стандарт может быть подключен. К сожалению, эти разъемы также часто называют «мини» USB, что часто приводит к недоразумениям и их следует избегать. Широко распространены различные конструкции:
— 4 контакта, особенно варианты Mitsumi, Aiptek, Hirose
— 8 контактов в большом количестве вариантов, в том числе несколько несовместимых вариантов, которые распространяются в цифровых камерах в ограниченном масштабе у производителей.
— 11 контактов для ExtUSB для мобильных телефонов HTC ; совместимый с мини-USB
— 12 контактов для различных цифровых фотоаппаратов Olympus
— 14 контактов в двух вариантах для различных цифровых камер Fuji Finepix и как поп-порт Nokia для некоторых мобильных телефонов. Они объединяют в дополнение к сигналам USB другие (в случае цифровых камер, например, аналоговое видео и аудио) в том же разъеме.
Для источников питания класса смартфонов, начиная с 2011 года, европейский стандарт EN 62684: 2010 призвал к подключению микро-USB в Европе для ограничения этого разнообразия (см. Стандарт Micro USB ).
Стандарт USB 3.0, принятый в 2008 году, определил еще шесть типов разъемов с дополнительными контактами:
Они подразделяются на три разъема, которые можно рассматривать как в основном обратные совместимые расширения предыдущих разъемов типа A и Type B (называемые: USB 3.0 Standard-A, USB 3.0 Standard-B и USB 3.0 Powered-B), а также три меньших разъема, которые опираются на предыдущие микро-USB-разъемы (называемые: USB 3.0 Micro-A, USB 3.0 Micro-AB и USB 3.0 Micro-B). Для четкой идентификации существующие разъемы теперь называются USB 2.0 Standard-A, USB 2.0 Standard-B, USB 2.0 Micro-A, USB 2.0 Micro-AB и USB 2.0 Micro-B. Для лучшего отличия используются стандартные разъемы USB 3.0 в синем цвете (Pantone 300C) и, по выбору, с двойным S-символом.
USB Type C
В августе 2014 года была принята спецификация нового, несовместимого с предыдущим аппаратным разъемом Type-C. Новый соединитель является точечно-симметричным и может быть подключен в обеих возможных ориентациях.
Кроме того, он поддерживает все предыдущие спецификации передачи, включая USB 3.1 (до 10 Гбит / с) и передачу питания USB (не более 100 Вт). Другим преимуществом разъема Type-C является его низкий профиль и небольшая ширина разъема 8,4 мм, по сравнению с 12,4 мм в гнезде USB 3.0 Micro-B, как сегодня используется практически во всех внешних USB 3.0 жестких дисках. Таким образом, разъем типа C также лучше подходит для портативных устройств, таких как смартфоны, планшеты или цифровые камеры, в которых ранее по соображениям пространства обычно использовалась USB 2.0 Micro B. Кроме того, есть адаптеры и соответствующие аксессуары, например. Например, внешние жесткие диски.
Проблемы с кабелями USB Type-C
Как было известно в начале 2016 года в пресс-релизах, проблемы с кабелями USB типа C из-за плохого производства и возникающие в результате спецификации перегрузки все чаще вызывают проблемы, которые могут нанести необратимый ущерб подключенным к ним устройствам.
Между тем, были опубликованы веб-сайты, в которых перечислены неопасные кабели USB Type-C.
USB-кабель
USB удлинительный кабель (не в спецификации USB)
Для кабеля USB 2.x требуется четыре провода. Два провода передачи данных в то время как две другие обеспечивают подключенное устройство с напряжением 5 V . Устройства, соответствующие спецификации USB, могут получать до 100 мА или 500 мА от шины, в зависимости от того, сколько порт может доставить, к которому они подключены. Таким образом, устройства с мощностью до 2,5 Вт могут быть переданы через шину. В зависимости от длины кабеля поперечное сечение двух проводов питания должно быть адаптировано к допустимому падению напряжения; Кроме того, линии расширения не являются стандартными.
Кабели должны быть экранированы по- разному в зависимости от их скорости . Кабели, которые соответствуют спецификации Low Speed, не должны иметь вилку B, но должны быть постоянно смонтированы на устройстве или использовать специальный винт производителя. Они менее экранированы, могут обойтись без скрученных проводов и, таким образом, более гибки, чем кабели с полной / высокоскоростной. Поэтому они хорошо подходят, например, для мышей и клавиатур. Низкое экранирование кабеля вызовет проблемы с устройствами с более высокой скоростью.
Длина полных / высокоскоростных и низкоскоростных кабелей от концентратора до устройства ограничена пятью или тремя метрами. Дальнейшие расстояния можно преодолеть путем взаимодействия USB-концентраторов. Кабели повторителя USB аналогичны функциям концентратора с шиной (см. Ниже) с одним нисходящим портом и фиксированным кабелем на верхнем порту. Поскольку электрические эффекты этих кабелей на шине USB эквивалентны электрическим характеристикам пятиминутного USB-концентратора с кабельной шиной, необходимо учитывать ограничения каскадных USB-концентраторов при их использовании.
USB работает с характеристическим импедансом 90 Ом. Таким образом, прямые соединительные кабели также должны быть сконструированы в этом значении импеданса. Для удлинителей длиной более 30 метров предлагаются удлинители USB Line. Они состоят из двух компонентов: базового модуля, подключенного к компьютеру, и удаленного модуля для подключения USB-устройства. Для дистанционных мостов между этими двумя компонентами обычно используются кабели Ethernet или оптические волокна. Однако, поскольку эти удлинители линий всегда полагаются на определенные нестандартные поведенческие детали подключенных устройств, и, кроме того, время распространения сигнала может вызывать нарушения протокола при длинных кабельных трассах, использование этих устройств часто связано с проблемами.
ще один способ подключения USB-устройств дальше от вашего компьютера — это решения, в которых используется «удаленный хост», хост-контроллер USB, который находится за пределами ПК. Связь между ПК и хост-контроллером происходит, например, через Ethernet . Ethernet заменяет локальную шину, к которой в противном случае был бы подключен хост-контроллер. На ПК необходимо установить только соответствующий драйвер, который берет на себя связь с контроллером хоста. Драйверы для USB-устройств не обнаруживают никакой разницы с локально подключенным устройством. Примерами такого устройства являются USB-сервер Keyspan и функция удаленного подключения USB Fritz! Box.