USB - USB

универсальная последовательная шина
Сертифицированный USB.svg
Сертифицированный логотип
Тип Автобус
Дизайнер
Разработано Январь 1996 г . ; 25 лет назад ( 1996-01 )
Произведено С мая 1996 г.
Заменено Последовательный порт , параллельный порт , игровой порт , Apple Desktop Bus , порт PS / 2 и FireWire (IEEE 1394)
Длина
Ширина
Рост
Возможность горячего подключения да
Внешний да
Кабель
Булавки
Коннектор Уникальный
Сигнал 5 В постоянного тока
Максимум. Напряжение
Максимум. Текущий
Сигнал данных Пакетные данные, определенные спецификациями
Ширина 1 бит
Битрейт В зависимости от режима
полудуплекс ( USB 1.x и USB 2.0 ):
1,5; 12; 480 Мбит / с
полнодуплексный ( USB 3.x и USB4 ):
5000; 10000; 20000; 40000 Мбит / с
Максимум. устройства 127
Протокол Серийный
USB.svg
Стандартный штекер USB-A (слева) и штекер USB-B (справа)
Контакт 1  Шина V (+5 В)
Пин 2   Данные-
Пин 3   Данные +
Штырь 4   Земля

Универсальная последовательная шина ( USB ) - это промышленный стандарт , устанавливающий спецификации для кабелей, разъемов и протоколов для подключения, связи и питания ( взаимодействия ) между компьютерами, периферийными устройствами и другими компьютерами. Существует широкий спектр оборудования USB , включая четырнадцать различных разъемов , из которых USB-C является самым последним.

Выпущенный в 1996 году стандарт USB поддерживается Форумом разработчиков USB (USB-IF). Было четыре поколения спецификаций USB: USB 1. x , USB 2.0 , USB 3. x и USB4 .

Обзор

USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств к персональным компьютерам как для связи, так и для подачи электроэнергии. Он в значительной степени заменил такие интерфейсы, как последовательные и параллельные порты , и стал обычным явлением для широкого спектра устройств. Примеры периферийных устройств, которые подключаются через USB, включают компьютерные клавиатуры и мыши, видеокамеры, принтеры, портативные медиаплееры, мобильные (портативные) цифровые телефоны, дисководы и сетевые адаптеры.

USB-разъемы все чаще заменяют другие типы зарядных кабелей портативных устройств.

Идентификация розетки (розетки)

Порты USB-A 3.1 Gen 1 (ранее известный как USB 3.0; позже переименованный в USB 3.1 Gen 1)

Этот раздел предназначен для быстрой идентификации USB-розеток (розеток) на оборудовании. Дальнейшие схемы и обсуждение вилок и розеток можно найти в основной статье выше.

Доступные розетки для каждого разъема
Разъемы USB 1.0
1996 г.
USB 1.1
1998 г.
USB 2.0
2001 г.
USB 2.0
Пересмотренный
USB 3.0
2008 г.
USB 3.1
2014 г.
USB 3.2
2017 г.
USB4
2019
Скорость передачи данных 1,5  Мбит / с
( низкая скорость )
12  Мбит / с
( полная скорость )
1,5  Мбит / с
( низкая скорость )
12  Мбит / с
( полная скорость )
480  Мбит / с
( высокая скорость )
5 Гбит / с
( SuperSpeed )
10 Гбит / с
( SuperSpeed ​​+ )
20 Гбит / с
( SuperSpeed ​​+ )
40 Гбит / с
( SuperSpeed ​​+, Thunderbolt 3 и 4 )
Стандарт А Введите
Разъем USB типа A .svg
Введите
Разъем USB 3.0 Type-A blue.svg
Устарело
B Тип B
Разъем USB Type-B .svg
Тип B
Разъем USB 3.0 Type-B blue.svg
Устарело
C N / A Тип C ( увеличенный )
Распиновка разъема USB Type-C.svg
Мини А N / A Мини А
Разъем USB Mini-A .svg
Устарело
B Мини Б
Разъем USB Mini-B .svg
AB N / A Mini AB
Разъем USB Mini-AB. Svg
Микро А N / A Микро А
Микро А
USB 3.0 Micro-A.svg
Устарело
B N / A Micro B
Micro B
Разъем USB 3.0 Micro-B .svg
Устарело
AB N / A Micro AB
USB-разъем Micro-AB .svg
Micro AB
USB micro AB SuperSpeed.png
Устарело
Разъемы USB 1.0
1996 г.
USB 1.1
1998 г.
USB 2.0
2001 г.
USB 2.0
Пересмотренный
USB 3.0
2011 г.
USB 3.1
2014 г.
USB 3.2
2017 г.
USB4
2019

Цели

Универсальная последовательная шина была разработана для упрощения и улучшения интерфейса между персональными компьютерами и периферийными устройствами по сравнению с ранее существовавшими стандартными или специализированными частными интерфейсами.

С точки зрения пользователя компьютера, интерфейс USB упрощает использование несколькими способами:

  • Интерфейс USB самоконфигурируется, что избавляет пользователя от необходимости настраивать параметры устройства для скорости или формата данных, а также настраивать прерывания , адреса ввода / вывода или каналы прямого доступа к памяти.
  • Разъемы USB стандартизированы на хосте, поэтому любое периферийное устройство может использовать большинство доступных розеток.
  • USB использует все преимущества дополнительной вычислительной мощности, которую можно экономично вложить в периферийные устройства, чтобы они могли управлять собой. Таким образом, USB-устройства часто не имеют настраиваемых пользователем параметров интерфейса.
  • Интерфейс USB поддерживает горячую замену ( замену устройств можно производить без перезагрузки главного компьютера).
  • Маленькие устройства могут получать питание непосредственно от интерфейса USB, что устраняет необходимость в дополнительных кабелях питания.
  • Поскольку использование логотипа USB разрешено только после тестирования на соответствие , пользователь может быть уверен, что устройство USB будет работать должным образом без подробного взаимодействия с настройками и конфигурацией.
  • Интерфейс USB определяет протоколы восстановления после распространенных ошибок, повышая надежность по сравнению с предыдущими интерфейсами.
  • Установка устройства, основанного на стандарте USB, требует минимальных действий оператора. Когда пользователь подключает устройство к порту на работающем компьютере, оно либо полностью автоматически настраивается с использованием существующих драйверов устройств , либо система предлагает пользователю найти драйвер, который затем устанавливает и настраивает автоматически.

Стандарт USB также обеспечивает множество преимуществ для производителей оборудования и разработчиков программного обеспечения, в частности, в относительной простоте реализации:

  • Стандарт USB устраняет необходимость разрабатывать собственные интерфейсы для новых периферийных устройств.
  • Широкий диапазон скоростей передачи, доступных через интерфейс USB, подходит для устройств, от клавиатур и мышей до интерфейсов потокового видео.
  • Интерфейс USB может быть спроектирован для обеспечения максимально возможной задержки для функций, критичных ко времени, или может быть настроен для фоновой передачи больших объемов данных с минимальным влиянием на системные ресурсы.
  • Интерфейс USB является универсальным, без сигнальных линий, предназначенных только для одной функции одного устройства.

Ограничения

Как и все стандарты, конструкция USB имеет несколько ограничений:

  • Кабели USB имеют ограниченную длину, поскольку стандарт предназначен для периферийных устройств на одной и той же столешнице, а не между комнатами или зданиями. Однако порт USB можно подключить к шлюзу, который получает доступ к удаленным устройствам.
  • Скорость передачи данных USB ниже, чем у других межсоединений, таких как 100 Gigabit Ethernet .
  • USB имеет строгую древовидную топологию сети и протокол ведущий / ведомый для адресации периферийных устройств; эти устройства не могут взаимодействовать друг с другом, кроме как через хост, а два хоста не могут напрямую связываться через свои USB-порты. Некоторое расширение этого ограничения возможно через USB On-The-Go , Dual-Role-Devices и Protocol Bridge .
  • Хост не может транслировать сигналы на все периферийные устройства одновременно - каждое должно быть адресовано индивидуально.
  • Хотя существуют преобразователи между некоторыми устаревшими интерфейсами и USB, они могут не обеспечивать полную реализацию устаревшего оборудования. Например, преобразователь USB в параллельный порт может хорошо работать с принтером, но не со сканером, который требует двунаправленного использования контактов данных.

Для разработчика продукта использование USB требует реализации сложного протокола и подразумевает наличие «интеллектуального» контроллера в периферийном устройстве. Разработчики USB-устройств, предназначенных для публичной продажи, обычно должны получить идентификатор USB, который требует от них уплаты взноса Форуму разработчиков USB . Разработчики продуктов, использующих спецификацию USB, должны подписать соглашение с форумом разработчиков. Использование логотипов USB на продукте требует ежегодных взносов и членства в организации.

История

Большой кружок - левый конец горизонтальной линии.  Линия разветвляется на три ветви, оканчивающиеся символами круга, треугольника и квадрата.
Базовый логотип USB- трезубца
В USB4 40Gbit / с трезубцем логотипа
Логотип USB на головке стандартного штекера USB-A

Группа из семи компаний начала разработку USB в 1994 году: Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC и Nortel . Цель заключалась в том, чтобы существенно упростить подключение внешних устройств к ПК за счет замены множества разъемов на задней панели ПК, решения проблем удобства использования существующих интерфейсов и упрощения конфигурации программного обеспечения всех устройств, подключенных к USB, а также обеспечения большего скорость передачи данных для внешних устройств и функции Plug and Play . Аджай Бхатт и его команда работали над стандартом в Intel; Первые интегральные схемы с поддержкой USB были произведены Intel в 1995 году.

Джозеф С. Декуир , американский сотрудник Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и один из разработчиков первых 8-битных игровых и компьютерных систем Atari (Atari VCS, Atari 400/800), а также Commodore Амига считает его работу над Atari SIO , реализацией коммуникации на 8-битном компьютере Atari, как основу стандарта USB, который он также помогал разрабатывать и на который он имеет патенты.

Исходная спецификация USB 1.0, представленная в январе 1996 года, определяла скорость передачи данных 1,5  Мбит / с на низкой скорости и 12 Мбит / с на полной скорости . В предварительных проектах требовалась односкоростная шина 5 Мбит / с, но низкая скорость была добавлена ​​для поддержки недорогих периферийных устройств с неэкранированными кабелями , что привело к раздельному дизайну со скоростью передачи данных 12 Мбит / с, предназначенной для более высокой скорости. устройства, такие как принтеры и дисководы гибких дисков, и более низкая скорость 1,5 Мбит / с для устройств с низкой скоростью передачи данных, таких как клавиатуры, мыши и джойстики . Microsoft Windows 95, OSR 2.1 при условии поддержки OEM для устройств в августе 1997 года первый широко используется версия USB 1.1 был, который был выпущен в сентябре 1998 года компания Apple Inc. «s ИМАК был первый основной продукт с USB и успех ИАЦ популяризировал сам USB. Следуя дизайнерскому решению Apple удалить все устаревшие порты с iMac, многие производители ПК начали создавать ПК без устаревших версий , что привело к расширению рынка ПК с использованием USB в качестве стандарта.

Спецификация USB 2.0 была выпущена в апреле 2000 г. и ратифицирована Форумом разработчиков USB (USB-IF) в конце 2001 г. Hewlett-Packard , Intel, Lucent Technologies (ныне Nokia), NEC и Philips совместно возглавили инициативу по развивают более высокую скорость передачи данных, в результате чего скорость передачи данных достигает 480 Мбит / с, что в 40 раз быстрее, чем исходная спецификация USB 1.1.

Спецификация USB 3.0 была опубликована 12 ноября 2008 г. Ее основными целями были повышение скорости передачи данных (до 5 Гбит / с), снижение энергопотребления, увеличение выходной мощности и обеспечение обратной совместимости с USB 2.0. USB 3.0 включает новую, более высокоскоростную шину SuperSpeed ​​параллельно с шиной USB 2.0. По этой причине новую версию также называют SuperSpeed. Первые устройства с интерфейсом USB 3.0 были представлены в январе 2010 года.

По состоянию на 2008 год на мировом рынке было около 6 миллиардов USB-портов и интерфейсов, и около 2 миллиардов продавались ежегодно.

Спецификация USB 3.1 была опубликована в июле 2013 года.

В декабре 2014 года USB-IF представила спецификации USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 и USB-C в МЭК ( TC 100  - Аудио, видео и мультимедийные системы и оборудование) для включения в международный стандарт IEC 62680 ( интерфейсы универсальной последовательной шины для данные и питание) , который в настоящее время основан на USB 2.0.

Спецификация USB 3.2 была опубликована в сентябре 2017 года.

USB 1.x

Выпущенный в январе 1996 года, USB 1.0 определял скорость передачи сигналов 1,5 Мбит / с (низкая пропускная способность или низкая скорость) и 12 Мбит / с (полная скорость) . Это не позволяло использовать удлинительные кабели или сквозные мониторы из-за ограничений по времени и мощности. На рынке появилось несколько USB-устройств, пока в августе 1998 года не был выпущен USB 1.1. USB 1.1 был самой ранней версией, которая получила широкое распространение и привела к тому, что Microsoft назвала « ПК без устаревших версий ».

Ни в USB 1.0, ни в 1.1 не указана конструкция для любого разъема, меньшего, чем стандартный тип A или тип B. Хотя многие конструкции миниатюрных разъемов типа B появились на многих периферийных устройствах, соответствие стандарту USB 1.x затруднялось из-за обработки периферийных устройств, которые имели миниатюрные разъемы, как если бы они были связаны привязкой (то есть: без вилки или розетки на периферийном конце). До появления USB 2.0 (версия 1.01) миниатюрный разъем типа A не был известен.

USB 2.0

Логотип Hi-Speed ​​USB
Карта расширения USB 2.0 PCI

USB 2.0 был выпущен в апреле 2000 года, добавляя более высокую максимальную скорость передачи данных 480 Мбит / с (максимальная теоретическая пропускная способность данных 53 МБ / с), названная High Speed или High Bandwidth , в дополнение к скорости передачи сигналов USB 1.x Full Speed, равной 12. Мбит / с (максимальная теоретическая пропускная способность 1,2 МБ / с).

Изменения в спецификации USB были внесены посредством уведомлений об инженерных изменениях (ECN). Наиболее важные из этих ECN включены в пакет спецификаций USB 2.0, доступный на USB.org:

  • Разъем Mini-A и Mini-B
  • Спецификация кабелей и разъемов Micro-USB 1.01
  • Дополнение InterChip USB
  • Приложение On-The-Go 1.3 USB On-The-Go позволяет двум USB-устройствам обмениваться данными друг с другом, не требуя отдельного USB-хоста
  • Спецификация зарядки аккумулятора 1.1 Добавлена ​​поддержка специальных зарядных устройств, поведение зарядных устройств хоста для устройств с разряженными батареями.
  • Спецификация зарядки аккумулятора 1.2 : с повышенным током на 1,5 А на портах зарядки для ненастроенных устройств, что обеспечивает высокоскоростную связь при токе до 1,5 А и максимальном токе 5 А.
  • Link Power Management Addendum ECN , который добавляет состояние питания в спящем режиме

USB 3.x

Логотип SuperSpeed ​​USB

Спецификация USB 3.0 была выпущена 12 ноября 2008 года с передачей управления от USB 3.0 Promoter Group Форуму разработчиков USB (USB-IF) и анонсирована 17 ноября 2008 года на конференции разработчиков SuperSpeed ​​USB.

USB 3.0 добавляет режим передачи SuperSpeed с соответствующими обратно совместимыми вилками, розетками и кабелями. Вилки и розетки SuperSpeed ​​обозначены четким логотипом и синими вставками в розетках стандартного формата.

Шина SuperSpeed ​​обеспечивает режим передачи с номинальной скоростью 5,0 Гбит / с в дополнение к трем существующим режимам передачи. Его эффективность зависит от ряда факторов, включая кодирование физических символов и служебные данные канального уровня. При скорости передачи сигналов 5 Гбит / с с кодированием 8/10 бит каждому байту требуется 10 бит для передачи, поэтому исходная пропускная способность составляет 500 МБ / с. Когда учитываются управление потоком, кадрирование пакетов и служебные данные протокола, вполне реально передать приложению 400 МБ / с (3,2 Гбит / с) или более. Связь является полнодуплексной в режиме передачи SuperSpeed; более ранние режимы являются полудуплексными и регулируются хостом.

Устройства с низким и высоким энергопотреблением продолжают работать в соответствии с этим стандартом, но устройства, использующие SuperSpeed, могут использовать увеличенный доступный ток от 150 мА до 900 мА, соответственно.

USB 3.1 , выпущенный в июле 2013 года, имеет два варианта. Первая сохраняет режим передачи данных USB 3.0 SuperSpeed и обозначена как USB 3.1 Gen 1 , а вторая версия представляет новый режим передачи SuperSpeed ​​+ под названием USB 3.1 Gen 2 . SuperSpeed ​​+ удваивает максимальную скорость передачи данных до 10 Гбит / с, сокращая при этом накладные расходы на строковое кодирование всего до 3% за счет изменения схемы кодирования на 128b / 132b .

USB 3.2 , выпущенный в сентябре 2017 года, сохраняет существующие режимы передачи данных USB 3.1 SuperSpeed и SuperSpeed ​​+, но представляет два новых режима передачи данных SuperSpeed ​​+ через разъем USB-C со скоростью передачи данных 10 и 20 Гбит / с (1,25 и 2,5 ГБ / с). Увеличение пропускной способности является результатом работы с несколькими полосами по существующим проводам, которые были предназначены для триггерных возможностей разъема USB-C.

USB 3.0 также представил протокол UASP , который обычно обеспечивает более высокую скорость передачи, чем протокол BOT (Bulk-Only-Transfer).

Схема именования

Начиная со стандарта USB 3.2, USB-IF представил новую схему именования. Чтобы помочь компаниям в брендировании различных режимов передачи данных, USB-IF рекомендовал обозначать режимы передачи 5, 10 и 20 Гбит / с как SuperSpeed ​​USB 5 Гбит / с , SuperSpeed ​​USB 10 Гбит / с и SuperSpeed ​​USB 20 Гбит / с соответственно:

Брендирование USB-IF Логотип Режим передачи Старые спецификации Скорость передачи данных Скорость передачи
SuperSpeed ​​USB 5 Гбит / с USB SuperSpeed ​​5 Гбит / с Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 1 × 1 USB 3.1 1-го поколения, USB 3.0 5 Гбит / с 500 МБ / с
SuperSpeed ​​USB 10 Гбит / с USB SuperSpeed ​​10 Гбит / с Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 2 × 1 USB 3.1 Gen 2, USB 3.1 10 Гбит / с 1,21 ГБ / с
SuperSpeed ​​USB 20 Гбит / с USB SuperSpeed ​​20 Гбит / с Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 2 × 2 - 20 Гбит / с 2,42 ГБ / с

USB4

Сертифицированный логотип USB4 40 Гбит / с

Спецификация USB4 была выпущена 29 августа 2019 года Форумом разработчиков USB.

USB4 основан на спецификации протокола Thunderbolt 3 . Он поддерживает пропускную способность 40 Гбит / с, совместим с Thunderbolt 3 и обратно совместим с USB 3.2 и USB 2.0. Архитектура определяет метод динамического совместного использования одного высокоскоростного канала с несколькими типами оконечных устройств, который наилучшим образом обслуживает передачу данных по типу и приложению.

В спецификации USB4 указано, что USB4 должен поддерживать следующие технологии:

Связь Обязательно для Замечания
хозяин центр устройство
USB 2.0 (480 Мбит / с) да да да В отличие от других функций, использующих мультиплексирование высокоскоростных каналов, USB 2.0 через USB-C использует собственную дифференциальную пару проводов.
USB4 Gen 2 × 2 (20 Гбит / с) да да да Устройство с маркировкой USB 3.0 по-прежнему работает через хост или концентратор USB4 как устройство USB 3.0. Требования к устройствам Gen 2x2 применимы только к новым устройствам с маркировкой USB4.
USB4 Gen 3 × 2 (40 Гбит / с) Нет да Нет
DisplayPort да да Нет Спецификация требует, чтобы хосты и концентраторы поддерживали альтернативный режим DisplayPort.
Связь между хостами да да N / A Соединение, подобное LAN, между двумя одноранговыми узлами.
PCI Express Нет да Нет Функция PCI Express USB4 повторяет функциональность предыдущих версий спецификации Thunderbolt .
Thunderbolt 3 Нет да Нет Thunderbolt 3 использует кабели USB-C; спецификация USB4 позволяет хостам и устройствам и требует, чтобы концентраторы поддерживали совместимость со стандартом с использованием альтернативного режима Thunderbolt 3.
Другие альтернативные режимы Нет Нет Нет Продукты USB4 могут дополнительно обеспечивать взаимодействие с альтернативными режимами HDMI , MHL и VirtualLink .

На выставке CES 2020 USB-IF и Intel заявили о своем намерении разрешить продукты USB4, которые поддерживают все дополнительные функции, как продукты Thunderbolt 4 . Ожидается, что первыми продуктами, совместимыми с USB4, станут процессоры Intel серии Tiger Lake и AMD Zen 3 . Выпущен в 2020 году.

История версий

Версии выпуска

Имя Дата выхода Максимальная скорость передачи Примечание
USB 0.7 11 ноября 1994 г. ? Предварительный выпуск
USB 0.8 Декабрь 1994 ? Предварительный выпуск
USB 0.9 13 апреля 1995 г. Полная скорость (12 Мбит / с) Предварительный выпуск
USB 0,99 Август 1995 г. ? Предварительный выпуск
USB 1.0-RC Ноябрь 1995 г. ? Релиз-кандидат
USB 1.0 15 января 1996 г. Полная скорость (12 Мбит / с),

Низкая скорость (1,5 Мбит / с)

USB 1.1 Август 1998 г.
USB 2.0 Апрель 2000 г. Высокая скорость (480 Мбит / с)
USB 3.0 Ноябрь 2008 г. SuperSpeed ​​USB (5 Гбит / с) Также упоминается как USB 3.1 Gen 1 и USB 3.2 Gen 1 × 1.
USB 3.1 Июль 2013 SuperSpeed ​​+ USB (10 Гбит / с) Включает новый порт USB 3.1 Gen 2, также называемый USB 3.2 Gen 2 × 1 в более поздних спецификациях.
USB 3.2 Август 2017 г. SuperSpeed ​​+ двухканальный USB (20 Гбит / с) Включает новые многоканальные режимы USB 3.2 Gen 1 × 2 и Gen 2 × 2
USB4 Август 2019 г. 40 Гбит / с (2-полосная) Включает новые режимы USB4 Gen 2 × 2 (кодирование 64b / 66b) и Gen 3 × 2 (кодирование 128b / 132b) и представляет маршрутизацию USB4 для туннелирования трафика USB3.x, DisplayPort 1.4a и PCI Express, а также передачи между хостами , основанный на протоколе Thunderbolt 3

Характеристики, связанные с питанием

Название выпуска Дата выхода Максимум. власть Примечание
Зарядка аккумулятора через USB вер . 1.0 2007-03-08 7,5 Вт (5 В, 1,5 А)
Зарядка аккумулятора через USB Ред. 1.1 2009-04-15 9 Вт (5 В, 1,8 А) Стр. 28, Таблица 5–2, но с ограничением п. 3.5. В обычном порту USB 2.0 стандарт-A, только 1,5 А.
Зарядка аккумулятора через USB Ред. 1.2 2010-12-07 25 Вт (5 В, 5 А)
USB Power Delivery Rev.1.0 (версия 1.0) 2012-07-05 100 Вт (20 В, 5 А) Использование протокола FSK при питании от шины (V BUS )
USB Power Delivery Rev.1.0 (версия 1.3) 2014-03-11 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Type-C, версия 1.0 2014-08-11 15 Вт (5 В, 3 А) Новый разъем и спецификация кабеля
USB Power Delivery Rev. 2.0 (версия 1.0) 2014-08-11 100 Вт (20 В, 5 А) Использование протокола BMC по каналу связи (CC) на кабелях USB-C.
USB Type-C, ред. 1.1 2015-04-03 15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery Rev. 2.0 (версия 1.1) 2015-05-07 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Type-C, ред. 1.2 2016-03-25 15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery Rev. 2.0 (версия 1.2) 2016-03-25 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Power Delivery Rev. 2.0 (версия 1.3) 2017-01-12 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Power Delivery, версия 3.0 (версия 1.1) 2017-01-12 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Type-C, ред. 1.3 2017-07-14 15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery Rev. 3.0 (версия 1.2) 2018-06-21 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Type-C, версия 1.4 2019-03-29 15 Вт (5 В, 3 А)
USB Type-C, версия 2.0 2019-08-29 15 Вт (5 В, 3 А) Включение USB4 через разъемы и кабели USB Type-C.
USB Power Delivery, версия 3.0 (версия 2.0) 2019-08-29 100 Вт (20 В, 5 А)
USB Power Delivery, версия 3.1 (версия 1.0) 2021-05-24 240 Вт (48 В, 5 А)
USB Type-C, версия 2.1 2021-05-25 15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery, ред. 3.1 (версия 1.1) 2021-07-06 240 Вт (48 В, 5 А)

Системный дизайн

Система USB состоит из хоста с одним или несколькими нисходящими портами и нескольких периферийных устройств, образующих многоуровневую топологию звезды . Могут быть включены дополнительные концентраторы USB , что позволяет использовать до пяти уровней. Хост USB может иметь несколько контроллеров, каждый с одним или несколькими портами. К одному хост-контроллеру можно подключить до 127 устройств. USB-устройства подключаются последовательно через концентраторы. Концентратор, встроенный в хост-контроллер, называется корневым концентратором .

Устройство USB может состоять из нескольких логических подустройств, которые называются функциями устройства . Комбинированное устройство может обеспечивать несколько функций, например, веб - камера (видео функциональных устройств) со встроенным микрофоном (функцией звукового устройства). Альтернативой этому является составное устройство , в котором хост назначает каждому логическому устройству отдельный адрес, и все логические устройства подключаются к встроенному концентратору, который подключается к физическому USB-кабелю.

Схема: внутри устройства есть несколько конечных точек, каждая из которых соединяется логическим конвейером с хост-контроллером.  Данные в каждом канале передаются в одном направлении, хотя есть смесь, идущая к хост-контроллеру и от него.
Конечные точки USB находятся на подключенном устройстве: каналы, ведущие к хосту, называются каналами.

Связь с USB-устройствами основана на конвейерах (логических каналах). Канал - это соединение хост-контроллера с логическим объектом в устройстве, называемым конечной точкой . Поскольку каналы соответствуют конечным точкам, эти термины иногда используются как синонимы. Каждое USB-устройство может иметь до 32 конечных точек (16 входных и 16 выходных ), хотя их редко бывает так много. Конечные точки определяются и нумеруются устройством во время инициализации (период после физического соединения, называемый «перечислением») и поэтому являются относительно постоянными, тогда как каналы могут быть открыты и закрыты.

Есть два типа каналов: поток и сообщение.

  • Канал сообщений является двунаправленным и используется для передачи управления . Каналы сообщений обычно используются для коротких простых команд устройству и для ответов о состоянии от устройства, например, канала управления шиной номер 0.
  • Поток труба представляет собой однонаправленная трубу , присоединенная к однонаправленной конечной точке , которая передает данные с использованием изохронного , прерывания или объемной передачи:
    Изохронные переводы
    С некоторой гарантированной скоростью передачи данных (для потоковых данных с фиксированной полосой пропускания), но с возможной потерей данных (например, аудио или видео в реальном времени)
    Прерывание передачи
    Устройства, которым требуется гарантированный быстрый отклик (ограниченная задержка), такие как указывающие устройства, мыши и клавиатуры.
    Массовые переводы
    Большие спорадические передачи с использованием всей оставшейся доступной полосы пропускания, но без каких-либо гарантий пропускной способности или задержки (например, передача файлов)

Когда хост начинает передачу данных, он посылает пакет , содержащий лексему конечную точку , указанную с кортежем из (DEVICE_ADDRESS, endpoint_number) . Если передача осуществляется от хоста к конечной точке, хост отправляет пакет OUT (специализация пакета TOKEN) с желаемым адресом устройства и номером конечной точки. Если данные передаются от устройства к хосту, хост вместо этого отправляет пакет IN. Если конечная точка назначения является однонаправленной конечной точкой, направление, указанное производителем, не совпадает с пакетом TOKEN (например, указанное производителем направление - IN, а пакет TOKEN является пакетом OUT), пакет TOKEN игнорируется. В противном случае он будет принят, и транзакция данных может начаться. Двунаправленная конечная точка, с другой стороны, принимает как входящие, так и исходящие пакеты.

Прямоугольный проем, ширина которого вдвое больше высоты.  Отверстие имеет металлический ободок, а внутри отверстия параллельно верхней стороне проходит плоская прямоугольная планка.
Два разъема USB 3.0 Standard-A (слева) и два разъема USB 2.0 Standard-A (справа) на передней панели компьютера

Конечные точки сгруппированы в интерфейсы, и каждый интерфейс связан с одной функцией устройства. Исключением является нулевая конечная точка, которая используется для конфигурации устройства и не связана с каким-либо интерфейсом. Отдельная функция устройства, состоящая из независимо управляемых интерфейсов, называется составным устройством . Составное устройство имеет только один адрес устройства, потому что хост только назначает адрес устройства функции.

Когда USB-устройство впервые подключается к USB-хосту, запускается процесс перечисления USB-устройств. Перечисление начинается с отправки сигнала сброса на USB-устройство. Скорость передачи данных USB-устройства определяется во время сигнализации сброса. После сброса информация USB-устройства считывается хостом, и устройству назначается уникальный 7-битный адрес. Если устройство поддерживается хостом, загружаются драйверы устройств, необходимые для связи с устройством, и устройство устанавливается в настроенное состояние. При перезапуске USB-хоста процесс перечисления повторяется для всех подключенных устройств.

Хост-контроллер направляет поток трафика к устройствам, поэтому ни одно USB-устройство не может передавать какие-либо данные по шине без явного запроса от хост-контроллера. В USB 2.0 хост-контроллер опрашивает шину на предмет трафика, обычно циклически . Пропускная способность каждого USB-порта определяется более низкой скоростью USB-порта или USB-устройства, подключенного к порту.

Высокоскоростные концентраторы USB 2.0 содержат устройства, называемые трансляторами транзакций, которые преобразуют высокоскоростные шины USB 2.0 в полные и низкоскоростные шины. На концентратор или порт может быть один транслятор.

Поскольку в каждом хосте USB 3.0 есть два отдельных контроллера, устройства USB 3.0 передают и принимают со скоростью USB 3.0 независимо от того, подключены ли к этому хосту устройства USB 2.0 или более ранние версии. Скорость передачи данных для более ранних устройств устанавливается в прежнем порядке.

Классы устройств

Функциональность USB-устройства определяется кодом класса, отправляемым на USB-хост. Это позволяет хосту загружать программные модули для устройства и поддерживать новые устройства от разных производителей.

Классы устройств включают:

Класс использование Описание Примеры или исключение
00 ч. Устройство Неопределенные Класс устройства не указан, дескрипторы интерфейса используются для определения необходимых драйверов.
01ч Интерфейс Аудио Динамик , микрофон , звуковая карта , MIDI
02ч Оба Коммуникации и управление CDC Последовательный адаптер UART и RS-232 , модем , адаптер Wi-Fi, адаптер Ethernet . Используется вместе с классом 0Ah (CDC-Data ) ниже
03ч Интерфейс Устройство интерфейса человека (HID) Клавиатура , мышь , джойстик
05ч Интерфейс Устройство физического интерфейса (PID) Джойстик с обратной связью по усилию
06ч Интерфейс Изображение ( PTP / MTP ) Веб-камера , сканер
07ч Интерфейс Принтер Лазерный принтер , струйный принтер , станок с ЧПУ
08ч Интерфейс Запоминающее устройство (MSC или UMS) USB-накопитель , устройство чтения карт памяти , цифровой аудиоплеер , цифровая камера , внешний накопитель
09ч Устройство USB-концентратор Концентратор с полной пропускной способностью
0Ач Интерфейс CDC-данные Используется вместе с классом 02h (Связь и управление CDC ) выше
0Bh Интерфейс Интеллектуальная карточка Устройство чтения смарт-карт USB
0Dh Интерфейс Безопасность контента Считыватель отпечатков пальцев
0Eh Интерфейс видео Вебкамера
0Fh Интерфейс Класс персонального медицинского устройства (PHDC) Монитор пульса (часы)
10ч Интерфейс Аудио / видео (AV) Веб-камера , ТВ
11ч Устройство Рекламный щит Описывает альтернативные режимы USB-C, поддерживаемые устройством.
ДЧ Оба Диагностическое устройство Устройство проверки соответствия USB
E0h Интерфейс Беспроводной контроллер Адаптер Bluetooth , Microsoft RNDIS
EFh Оба Разное Устройство ActiveSync
FEh Интерфейс Зависит от приложения Мост IrDA , класс тестирования и измерений (USBTMC), USB DFU (обновление прошивки устройства)
FFh Оба Зависит от поставщика Указывает, что устройству требуются драйверы от производителя.

USB-накопитель / USB-накопитель

Флэш - накопитель , типичный USB - устройство массовой памяти
Печатная плата внешнего 2,5-дюймового жесткого диска SATA с интерфейсом USB 3.0

Класс запоминающих устройств USB (MSC или UMS) стандартизирует подключения к запоминающим устройствам. Первоначально предназначенный для магнитных и оптических приводов, он был расширен для поддержки флэш-накопителей . Он также был расширен для поддержки большого количества новых устройств, поскольку многими системами можно управлять с помощью знакомой метафоры манипулирования файлами в каталогах. Процесс создания нового устройства, похожего на знакомое, также известен как расширение. Возможность загрузки SD-карты с блокировкой записи с помощью USB-адаптера особенно полезна для поддержания целостности и неизменяемого первозданного состояния загрузочного носителя.

Хотя с начала 2005 года большинство персональных компьютеров могут загружаться с запоминающих устройств USB, USB не предназначен в качестве основной шины для внутренней памяти компьютера. Однако преимущество USB заключается в возможности горячей замены , что делает его полезным для мобильных периферийных устройств, включая накопители различных типов.

Некоторые производители предлагают внешние портативные жесткие диски USB или пустые корпуса для дисководов. Они предлагают производительность, сравнимую с внутренними дисками, ограниченную количеством и типами подключенных USB-устройств, а также верхним пределом интерфейса USB. Другие конкурирующие стандарты для подключения внешних дисков включают eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) и совсем недавно Thunderbolt .

Другое использование запоминающих устройств USB - переносное выполнение программных приложений (таких как веб-браузеры и клиенты VoIP) без необходимости их установки на главный компьютер.

Протокол передачи мультимедиа

Протокол передачи мультимедиа (MTP) был разработан Microsoft для предоставления более высокого уровня доступа к файловой системе устройства, чем USB-накопитель, на уровне файлов, а не блоков диска. Он также имеет дополнительные функции DRM . MTP был разработан для использования с портативными медиаплеерами , но с тех пор он был принят в качестве основного протокола доступа к хранилищу операционной системы Android начиная с версии 4.1 Jelly Bean, а также Windows Phone 8 (устройства Windows Phone 7 использовали протокол Zune - эволюция MTP). Основная причина этого заключается в том, что MTP не требует эксклюзивного доступа к устройству хранения, как это делает UMS, что устраняет потенциальные проблемы, если программа Android запросит хранилище, когда оно подключено к компьютеру. Главный недостаток заключается в том, что MTP не так хорошо поддерживается за пределами операционных систем Windows.

Устройства с интерфейсом человека

USB-мыши и клавиатуры обычно можно использовать со старыми компьютерами, имеющими разъемы PS / 2, с помощью небольшого адаптера USB-PS / 2. Для мышей и клавиатур с поддержкой двух протоколов можно использовать адаптер, не содержащий логических схем : оборудование USB в клавиатуре или мыши спроектировано так, чтобы определять, подключено ли оно к порту USB или PS / 2, и обмениваться данными с помощью соответствующий протокол. Также существуют преобразователи, которые подключают клавиатуру и мышь PS / 2 (обычно по одной каждой из них) к USB-порту. Эти устройства представляют системе две конечные точки HID и используют микроконтроллер для выполнения двунаправленной трансляции данных между двумя стандартами.

Механизм обновления прошивки устройства

Обновление микропрограммы устройства (DFU) - это не зависящий от производителя и устройства механизм обновления микропрограммы USB-устройств улучшенными версиями, предоставляемыми их производителями, предлагающий (например) способ развертывания исправлений ошибок микропрограмм. Во время операции обновления прошивки USB-устройства меняют свой рабочий режим, фактически превращаясь в программатор PROM . Любой класс USB-устройств может реализовать эту возможность, следуя официальным спецификациям DFU.

DFU также может дать пользователю возможность прошивать USB-устройства альтернативной прошивкой. Одним из следствий этого является то, что USB-устройства после повторной прошивки могут действовать как различные неожиданные типы устройств. Например, USB-устройство, которое продавец намеревается быть просто флэш-накопителем, может «подделать» устройство ввода, такое как клавиатура. См. BadUSB .

Потоковое аудио

Рабочая группа по USB-устройствам разработала спецификации для потоковой передачи звука, а также были разработаны и реализованы конкретные стандарты для использования в классах аудио, таких как микрофоны, динамики, гарнитуры, телефоны, музыкальные инструменты и т. Д. Рабочая группа опубликовала три версии аудио. Технические характеристики устройства: Audio 1.0, 2.0 и 3.0, называемые «UAC» или «ADC».

UAC 2.0 представил поддержку High Speed ​​USB (в дополнение к Full Speed), что позволило увеличить пропускную способность для многоканальных интерфейсов, повысить частоту дискретизации, снизить внутреннюю задержку и улучшить временное разрешение в синхронном и адаптивном режимах в 8 раз. UAC2 также представляет концепцию доменов часов, которая предоставляет хосту информацию о том, какие входные и выходные терминалы получают свои часы из одного и того же источника, а также улучшенную поддержку кодировок звука, таких как DSD , звуковые эффекты, кластеризацию каналов, пользовательские элементы управления и описания устройств.

UAC 3.0 в первую очередь вводит улучшения для портативных устройств, такие как снижение энергопотребления за счет пакетной передачи данных и более частого пребывания в режиме низкого энергопотребления, а также домены мощности для различных компонентов устройства, позволяющие отключать их, когда они не используются.

Однако устройства UAC 1.0 по-прежнему распространены из-за их кроссплатформенной совместимости без драйверов, а также частично из-за того, что Microsoft не реализовала UAC 2.0 в течение более десяти лет после его публикации, наконец добавив поддержку Windows 10 через Creators Update. 20 марта 2017 г. UAC 2.0 также поддерживается MacOS , iOS и Linux , однако Android также реализует только подмножество UAC 1.0.

USB обеспечивает три типа изохронной (с фиксированной пропускной способностью) синхронизации, все из которых используются аудиоустройствами:

  • Асинхронный - АЦП или ЦАП вообще не синхронизируются с часами главного компьютера, работая с автономными часами, локальными для устройства.
  • Синхронный - часы устройства синхронизируются с сигналами начала кадра USB (SOF) или интервала шины. Например, для этого может потребоваться синхронизация тактовой частоты 11,2896 МГц с сигналом SOF 1 кГц, то есть большое умножение частоты.
  • Адаптивный - часы устройства синхронизируются с объемом данных, отправляемых за кадр хостом.

В то время как спецификация USB первоначально описывала асинхронный режим, используемый в «недорогих динамиках», и адаптивный режим в «высококачественных цифровых динамиках», противоположное восприятие существует в мире Hi-Fi , где асинхронный режим рекламируется как функция, а адаптивный / синхронные режимы имеют плохую репутацию. Реально все виды могут быть качественными или низкокачественными, в зависимости от качества их разработки и области применения. Преимущество асинхронного режима состоит в том, что он не связан с часами компьютера, но недостатком является необходимость преобразования частоты дискретизации при объединении нескольких источников.

Разъемы

Коннекторы, определяемые комитетом по USB, поддерживают ряд основных целей USB и отражают уроки, извлеченные из множества разъемов, используемых в компьютерной индустрии. Гнездовой соединитель, установленный на хосте или устройстве, называется розеткой , а штекерный соединитель, прикрепленный к кабелю, называется вилкой . Официальные документы спецификации USB также периодически определяют термин « штекер» для обозначения вилки и « розетка» для обозначения розетки.

Штекер USB Type-A
Стандартный штекер USB Type-A. Это один из многих типов разъемов USB .

По конструкции сложно вставить вилку USB в розетку неправильно. Спецификация USB требует, чтобы вилка кабеля и розетка были помечены, чтобы пользователь мог определить правильную ориентацию. Однако штекер USB-C двусторонний. USB-кабели и небольшие USB-устройства удерживаются на месте за счет усилия, исходящего из гнезда, без винтов, зажимов или поворотных кнопок, как в некоторых разъемах.

Различные вилки A и B предотвращают случайное подключение двух источников питания. Однако часть этой направленной топологии теряется с появлением многоцелевых USB-соединений (таких как USB On-The-Go в смартфонах и маршрутизаторах Wi-Fi с питанием от USB), которые требуют A-to-A, B- к-B, а иногда и Y / разветвитель.

Количество типов разъемов USB увеличивалось по мере развития спецификации. В исходной спецификации USB подробно описаны вилки и розетки стандарта A и B. Разъемы были разными, поэтому пользователи не могли подключить одну розетку компьютера к другой. Контакты данных в стандартных разъемах утоплены по сравнению с контактами питания, так что устройство может включиться до установления соединения для передачи данных. Некоторые устройства работают в разных режимах в зависимости от того, установлено ли соединение для передачи данных. Зарядные док-станции обеспечивают питание и не включают в себя хост-устройство или контакты для передачи данных, что позволяет любому совместимому USB-устройству заряжаться или работать от стандартного USB-кабеля. Кабели для зарядки обеспечивают подключение питания, но не данных. В кабеле, предназначенном только для зарядки, провода данных закорочены на конце устройства, в противном случае устройство может отклонить зарядное устройство как неподходящее.

Прокладка кабеля

Разнообразные кабели USB для продажи в Гонконге

Стандарт USB 1.1 определяет, что стандартный кабель может иметь максимальную длину 5 метров (16 футов 5 дюймов) с устройствами, работающими на полной скорости (12 Мбит / с), и максимальную длину 3 метра (9 футов 10 дюймов) с устройства, работающие на малой скорости (1,5 Мбит / с).

USB 2.0 обеспечивает максимальную длину кабеля 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на высокой скорости (480 Мбит / с).

Стандарт USB 3.0 напрямую не указывает максимальную длину кабеля, требуя только, чтобы все кабели соответствовали электрическим характеристикам: для медных кабелей с  проводами AWG 26 максимальная практическая длина составляет 3 метра (9 футов 10 дюймов).

Кабели USB-моста

На рынке можно найти мостовые кабели USB или кабели для передачи данных, обеспечивающие прямое соединение ПК с ПК. Мостовой кабель - это специальный кабель с микросхемой и активной электроникой в ​​середине кабеля. Чип в середине кабеля действует как периферийное устройство для обоих компьютеров и обеспечивает одноранговую связь между компьютерами. Кабели моста USB используются для передачи файлов между двумя компьютерами через их порты USB.

Популярная в Microsoft как Windows Easy Transfer , утилита Microsoft использовала специальный соединительный кабель USB для передачи личных файлов и настроек с компьютера с более ранней версией Windows на компьютер с более новой версией. В контексте использования программного обеспечения Windows Easy Transfer кабель моста иногда может называться кабелем Easy Transfer .

Многие кабели USB-моста / передачи данных по-прежнему относятся к USB 2.0, но есть также несколько кабелей передачи USB 3.0. Несмотря на то, что USB 3.0 в 10 раз быстрее USB 2.0, кабели передачи USB 3.0 всего в 2–3 раза быстрее, учитывая их конструкцию.

Спецификация USB 3.0 представила перекрестный кабель A-to-A без питания для соединения двух ПК. Они не предназначены для передачи данных, а предназначены для диагностических целей.

Двухролевые USB-соединения

Мостовые кабели USB стали менее важными с появлением возможностей USB-устройств с двойной ролью, представленных в спецификации USB 3.1. Согласно последним спецификациям, USB поддерживает большинство сценариев подключения систем напрямую с помощью кабеля Type-C. Однако для работы подключенные системы должны поддерживать переключение ролей. Возможности двойной роли требуют наличия двух контроллеров в системе, а также ролевого контроллера . Хотя этого можно ожидать на мобильной платформе, такой как планшет или телефон, настольные ПК и ноутбуки часто не поддерживают двойные роли.

Власть

USB обеспечивает питание с напряжением 5 В ± 5% для питания нисходящих устройств USB.

Маломощные и высокомощные устройства

Устройства с низким энергопотреблением могут потреблять максимум 1 единицу нагрузки, и все устройства должны работать как устройства с низким энергопотреблением при запуске без конфигурации. 1 единица нагрузки составляет 100 мА для устройств USB до USB 2.0, тогда как USB 3.0 определяет единичную нагрузку как 150 мА.

Мощные устройства (например, типичный 2,5-дюймовый жесткий диск USB) потребляют не менее 1 единичной нагрузки и не более 5 единичных нагрузок (5x100 мА = 500 мА) для устройств до USB 2.0 или 6 единичных нагрузок (6x150 мА = 900 мА). ) для устройств SuperSpeed ​​(USB 3.0 и выше).

Стандарты питания USB
Технические характеристики Текущий Напряжение Мощность (макс.)
Маломощное устройство 100 мА 5 В 0,50 Вт
Устройство с низким энергопотреблением SuperSpeed ​​(USB 3.0) 150 мА 5 В 0,75 Вт
Устройство большой мощности 500 мА 5 В 2,5 Вт
Устройство высокой мощности SuperSpeed ​​(USB 3.0) 900 мА 5 В 4,5 Вт
Многополосное устройство SuperSpeed ​​(USB 3.2 Gen 2) 1,5 А 5 В 7,5 Вт
Зарядка аккумулятора (BC) 1.1 1,5 А 5 В 7,5 Вт
Зарядка аккумулятора (BC) 1.2 5 А 5 В 25 Вт
USB-C 1,5 А 5 В 7,5 Вт
3 А 5 В 15 Вт
Питание 1.0 Micro-USB 3 А 20 В 60 Вт
Электропитание 1.0 Тип-A / B 5 А 20 В 100 Вт
Подача питания 2.0 / 3.0 Type-C 5 А 20 В 100 Вт
Электропитание 3.1 Тип-C 5 А 48 В 240 Вт

Чтобы распознать режим зарядки аккумулятора, специальный порт зарядки помещает сопротивление, не превышающее 200 Ом, на клеммы D + и D−. Закороченные или почти закороченные линии передачи данных с сопротивлением менее 200 Ом на клеммах «D +» и «D-» обозначают выделенный порт зарядки (DCP) с неограниченной скоростью зарядки.

Помимо стандартного USB, существует запатентованная мощная система, известная как PoweredUSB , разработанная в 1990-х годах и в основном используемая в торговых терминалах, таких как кассовые аппараты.

Сигнализация

USB-сигналы передаются с использованием дифференциальной сигнализации по кабелю данных типа витая пара с характеристическим сопротивлением 90 Ом ± 15% .

  • В низкоскоростном (LS) и полноскоростном (FS) режимах используется одна пара данных, обозначенная D + и D-, в полудуплексном режиме . Уровни передаваемого сигнала составляют 0,0–0,3 В для низкого логического уровня и 2,8–3,6 В для высокого логического уровня. Сигнальные линии не терминированы .
  • В высокоскоростном режиме (HS) используется одна и та же пара проводов, но с другими электрическими схемами. Более низкие напряжения сигнала: от -10 до 10 мВ для низкого уровня и от 360 до 440 мВ для логического высокого уровня, а также согласование с нагрузкой 45 Ом на землю или дифференциал 90 Ом для соответствия импедансу кабеля передачи данных.
  • SuperSpeed ​​(SS) добавляет две дополнительные пары экранированных витых проводов (и новые, в основном совместимые расширенные разъемы). Они предназначены для полнодуплексного режима SuperSpeed. Канал SuperSpeed ​​работает независимо от канала USB 2.0 и имеет приоритет при подключении. Конфигурация канала выполняется с использованием LFPS (низкочастотная периодическая передача сигналов, примерно на частоте 20 МГц), а электрические функции включают устранение акцента напряжения на стороне передатчика и адаптивную линейную коррекцию на стороне приемника для борьбы с электрическими потерями в линиях передачи и, следовательно, в канале связи. вводит концепцию обучения ссылкам .
  • SuperSpeed ​​+ (SS +) использует повышенную скорость передачи данных (режим Gen 2 × 1) и / или дополнительную полосу в разъеме USB-C (режимы Gen 1 × 2 и Gen 2 × 2).

Соединение USB всегда осуществляется между хостом или концентратором на конце разъема A и «восходящим» портом устройства или концентратора на другом конце.

Уровень протокола

Во время USB-связи данные передаются в виде пакетов . Первоначально все пакеты отправляются с хоста через корневой концентратор и, возможно, другие концентраторы на устройства. Некоторые из этих пакетов предписывают устройству отправить несколько пакетов в ответ.

Сделки

Основные транзакции USB:

  • OUT транзакция
  • В транзакции
  • НАСТРОЙКА транзакции
  • Обмен управления передачей

Связанные стандарты

Логотип Wireless USB

Форум разработчиков USB представил стандарт беспроводной связи Media Agnostic USB v.1.0 на основе протокола USB 29 июля 2015 года. Беспроводной USB - это технология замены кабеля, в которой используется сверхширокополосная беспроводная технология для скорости передачи данных до 480 Мбит. / с.

USB-IF использовал спецификацию WiGig Serial Extension v1.2 в качестве исходной основы для спецификации MA-USB и совместим с SuperSpeed ​​USB (3.0 и 3.1) и Hi-Speed ​​USB (USB 2.0). Устройства, использующие MA-USB, будут иметь маркировку «Powered by MA-USB» при условии, что продукт соответствует требованиям программы сертификации.

InterChip USB - это вариант «чип-к-чипу», который исключает использование обычных трансиверов, имеющихся в обычном USB. Физический уровень HSIC потребляет примерно на 50% меньше энергии и на 75% меньше площади платы по сравнению с USB 2.0.

Сравнение с другими способами подключения

IEEE 1394

Сначала USB считался дополнением к технологии IEEE 1394 (FireWire), которая была разработана как последовательная шина с высокой пропускной способностью, которая эффективно соединяет периферийные устройства, такие как дисководы, аудиоинтерфейсы и видеооборудование. В первоначальном дизайне USB работал с гораздо более низкой скоростью передачи данных и использовал менее сложное оборудование. Он подходил для небольших периферийных устройств, таких как клавиатуры и указывающие устройства.

Наиболее существенные технические различия между FireWire и USB включают:

  • Сети USB используют топологию многоуровневой звезды , в то время как сети IEEE 1394 используют топологию дерева .
  • В USB 1.0, 1.1 и 2.0 используется протокол «говори при разговоре», что означает, что каждое периферийное устройство обменивается данными с хостом, когда хост специально запрашивает его для связи. USB 3.0 обеспечивает инициируемую устройством связь с хостом. Устройство FireWire может связываться с любым другим узлом в любое время в зависимости от условий сети.
  • Сеть USB полагается на единственный хост в верхней части дерева для управления сетью. Все коммуникации между хостом и одним периферийным устройством. В сети FireWire любой узел может управлять сетью.
  • USB работает с питанием от сети 5  В , а FireWire подает 12 В и теоретически может обеспечивать до 30 В.
  • Стандартные порты концентратора USB могут обеспечивать ток от 500 мА / 2,5 Вт, а от портов без концентратора - только 100 мА. USB 3.0 и USB On-The-Go обеспечивают питание 1,8 A / 9,0 Вт (для специальной зарядки аккумулятора, полная пропускная способность 1,5 A / 7,5 Вт или высокая пропускная способность 900 мА / 4,5 Вт), в то время как FireWire теоретически может обеспечить до 60 Вт мощности , хотя типично от 10 до 20 Вт.

Эти и другие различия отражают разные цели дизайна двух шин: USB был разработан для простоты и низкой стоимости, а FireWire был разработан для обеспечения высокой производительности, особенно в чувствительных ко времени приложениях, таких как аудио и видео. Хотя теоретически максимальная скорость передачи данных примерно одинакова, FireWire 400 быстрее, чем USB 2.0 с высокой пропускной способностью в реальном использовании, особенно при использовании с высокой пропускной способностью, например, внешних жестких дисков. Новый стандарт FireWire 800 в два раза быстрее FireWire 400 и быстрее, чем USB 2.0 с высокой пропускной способностью как теоретически, так и практически. Однако преимущества скорости FireWire основаны на низкоуровневых методах, таких как прямой доступ к памяти (DMA), которые, в свою очередь, создали возможности для уязвимостей безопасности, таких как DMA-атака .

Набор микросхем и драйверы, используемые для реализации USB и FireWire, имеют решающее влияние на то, какая часть полосы пропускания, предписанной спецификацией, достигается в реальном мире, а также на совместимость с периферийными устройствами.

Ethernet

Стандарты IEEE 802.3af , 802.3at и 802.3bt Power over Ethernet (PoE) определяют более сложные схемы согласования мощности, чем USB с питанием. Они работают при 48 В  постоянного тока и могут обеспечивать большую мощность (до 12,95 Вт для 802.3af , 25,5 Вт для 802.3at, также известного как PoE + , 71 Вт для 802.3bt, также известного как 4PPoE ) по кабелю длиной до 100 метров по сравнению с USB 2.0, который обеспечивает 2,5 Вт при максимальной длине кабеля 5 метров. Это сделало PoE популярным для VoIP- телефонов, камер видеонаблюдения , точек беспроводного доступа и других сетевых устройств в зданиях. Однако USB дешевле, чем PoE, при условии небольшого расстояния и низкого энергопотребления.

Стандарты Ethernet требуют гальванической развязки между сетевым устройством (компьютером, телефоном и т. Д.) И сетевым кабелем напряжением до 1500 В переменного тока или 2250 В постоянного тока в течение 60 секунд. USB не предъявляет таких требований, поскольку он был разработан для периферийных устройств, тесно связанных с главным компьютером, и фактически соединяет периферийные устройства и земли хоста. Это дает Ethernet значительное преимущество в безопасности по сравнению с USB с периферийными устройствами, такими как кабельные и DSL-модемы, подключенные к внешней проводке, которые могут принимать опасные напряжения при определенных условиях неисправности.

MIDI

Определение класса USB - устройство для MIDI - устройств передает Music Instrument Digital Interface ( MIDI ) музыкальных данных через USB. Возможности MIDI расширены до шестнадцати одновременных виртуальных MIDI-кабелей , каждый из которых может нести обычные шестнадцать каналов MIDI и тактовую частоту.

USB является конкурентоспособным для недорогих и физически смежных устройств. Тем не менее, Power over Ethernet и стандарт MIDI- штекеров имеют преимущество в устройствах высокого класса, которые могут иметь длинные кабели. USB может вызвать проблемы с контуром заземления между оборудованием, поскольку он соединяет заземляющие опоры на обоих трансиверах. Напротив, стандарт MIDI-штекера и Ethernet имеют встроенную изоляцию до 500 В и более.

eSATA / eSATAp

Esata разъем является более надежным SATA разъемом, предназначенный для подключения к внешним жестким дискам и SSD. Скорость передачи данных eSATA (до 6 Гбит / с) аналогична скорости передачи USB 3.0 (до 5 Гбит / с) и USB 3.1 (до 10 Гбит / с). Устройство, подключенное через eSATA, выглядит как обычное устройство SATA, обеспечивая как полную производительность, так и полную совместимость с внутренними дисками.

eSATA не подает питание на внешние устройства. Это возрастающий недостаток по сравнению с USB. Несмотря на то, что 4,5 Вт USB 3.0 иногда недостаточно для питания внешних жестких дисков, технологии развиваются, и внешним дискам постепенно требуется меньше энергии, уменьшая преимущество eSATA. eSATAp (power over eSATA; также известный как ESATA / USB) - это разъем, представленный в 2009 году, который обеспечивает питание подключенных устройств с помощью нового, обратно совместимого разъема. На ноутбуке eSATAp обычно подает только 5 В для питания 2,5-дюймового жесткого диска / твердотельного накопителя; на настольной рабочей станции он может дополнительно подавать 12 В для питания более крупных устройств, включая 3,5-дюймовые жесткие диски / твердотельные накопители и 5,25-дюймовые оптические приводы.

Поддержка eSATAp может быть добавлена ​​к настольному компьютеру в виде кронштейна, соединяющего ресурсы материнской платы SATA, питания и USB.

eSATA, как и USB, поддерживает горячее подключение , хотя это может быть ограничено драйверами ОС и прошивкой устройства.

Thunderbolt

Thunderbolt объединяет PCI Express и Mini DisplayPort в новый интерфейс последовательной передачи данных. Исходные реализации Thunderbolt имеют два канала, каждый со скоростью передачи 10 Гбит / с, что дает совокупную однонаправленную пропускную способность 20 Гбит / с.

Thunderbolt 2 использует агрегацию каналов для объединения двух каналов 10 Гбит / с в один двунаправленный канал 20 Гбит / с.

Thunderbolt 3 использует разъем USB-C . Thunderbolt 3 имеет два физических двунаправленных канала со скоростью 20 Гбит / с, объединенных в один логический двунаправленный канал со скоростью 40 Гбит / с. Контроллеры Thunderbolt 3 могут включать в себя контроллер USB 3.1 Gen 2 для обеспечения совместимости с USB-устройствами. Они также могут обеспечивать альтернативный режим DisplayPort через разъем USB-C, что делает порт Thunderbolt 3 надмножеством порта USB 3.1 Gen 2 с альтернативным режимом DisplayPort.

Альтернативный режим DisplayPort 2.0: USB 4 поддерживает DisplayPort 2.0 по сравнению с его альтернативным режимом. DisplayPort 2.0 может поддерживать разрешение 8K при 60 Гц с цветом HDR10. DisplayPort 2.0 может использовать до 80 Гбит / с, что вдвое превышает объем, доступный для данных USB, поскольку он отправляет все данные в одном направлении (на монитор) и, таким образом, может использовать все восемь каналов данных одновременно.

После того, как спецификация была сделана без лицензионных отчислений и управление протоколом Thunderbolt было передано от Intel на форум разработчиков USB, Thunderbolt 3 был эффективно реализован в спецификации USB4 - с совместимостью с Thunderbolt 3, необязательной, но поощряемой для продуктов USB4.

Совместимость

Доступны различные конвертеры протоколов , которые преобразуют сигналы данных USB в другие стандарты связи и обратно.

Угрозы безопасности

  • BadUSB , см. Также флешку # BadUSB
  • Процессоры Intel от Skylake позволяют управлять ими через USB 3.0.
  • Убийца USB
  • USB-накопители были опасны для первых версий Windows XP, потому что по умолчанию они были настроены на выполнение программы, показанной в Autorun.inf, сразу после подключения флэш-накопителя, и вредоносное ПО могло быть автоматически активировано с его использованием.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Общий обзор

Техническая документация