USB - USB

Universal Serial Bus
Certifikované USB.svg
Certifikované logo
Typ Autobus
Návrhář
Navrženo Leden 1996 ; Před 25 lety ( 1996-01 )
Vyrobeno Od května 1996
Nahrazeno Sériový port , paralelní port , herní port , Apple Desktop Bus , port PS/2 a FireWire (IEEE 1394)
Délka
Šířka
Výška
Možnost připojení za provozu Ano
Externí Ano
Kabel
Špendlíky
Konektor Unikátní
Signál 5 V DC
Max. Napětí
Max. proud
Datový signál Paketová data, definovaná specifikacemi
Šířka 1 bit
Bitrate V závislosti na režimu
half-duplex ( USB 1.x a USB 2.0 ):
1,5; 12; 480 Mbit / s
plně duplexní ( USB 3.x a USB4 ):
5000; 10 000; 20000; 40 000 Mbit/s
Max. zařízení 127
Protokol Seriál
USB.svg
Standardní konektor USB-A (vlevo) a konektor USB-B (vpravo)
Kolík 1  V BUS (+5 V)
Kolík 2   Data−
Kolík 3   Data+
Kolík 4   Přízemní

Universal Serial Bus ( USB ) je průmyslový standard, který stanoví specifikace pro kabely, konektory a protokoly pro připojení, komunikaci a napájení ( rozhraní ) mezi počítači, periferiemi a dalšími počítači. Existuje široká škála hardwaru USB , včetně čtrnácti různých konektorů , z nichž USB-C je nejnovější.

Vydaný v roce 1996, standard USB je udržován USB Implementers Forum (USB-IF). Existují čtyři generace specifikací USB: USB 1. x , USB 2.0 , USB 3. x a USB4 .

Přehled

USB bylo navrženo tak, aby standardizovalo připojení periferních zařízení k osobním počítačům, a to jak pro komunikaci, tak pro dodávku elektrické energie. Do značné míry nahradil rozhraní, jako jsou sériové porty a paralelní porty , a stal se běžným na celé řadě zařízení. Mezi periferie připojené přes USB patří počítačové klávesnice a myši, videokamery, tiskárny, přenosné přehrávače médií, mobilní (přenosné) digitální telefony, diskové jednotky a síťové adaptéry.

Konektory USB stále častěji nahrazují jiné typy jako nabíjecí kabely přenosných zařízení.

Identifikace zásuvky (zásuvky)

Porty USB-A 3.1 Gen 1 (dříve známé jako USB 3.0; později přejmenované na USB 3.1 Gen 1)

Tato část má umožnit rychlou identifikaci USB konektorů (zásuvek) na zařízení. Další schémata a diskuse o zástrčkách a zásuvkách najdete v hlavním článku výše.

Dostupné zásuvky pro každý konektor
Konektory USB 1.0
1996
USB 1.1
1998
USB 2.0
2001
USB 2.0
revidováno
USB 3.0
2008
USB 3.1
2014
USB 3.2
2017
USB4
2019
Rychlost přenosu dat 1,5  Mbit/s
( nízká rychlost )
12  Mbit/s
( plná rychlost )
1,5  Mbit/s
( nízká rychlost )
12  Mbit/s
( plná rychlost )
480  Mbit/s
( vysoká rychlost )
5 Gbit/s
( SuperSpeed )
10 Gbit/s
( SuperSpeed+ )
20 Gbit/s
( SuperSpeed+ )
40 Gbit/s
( SuperSpeed+, Thunderbolt 3 a 4 )
Standard A Typ A.
Zásuvka USB typu A.svg
Typ A.
Zásuvka USB 3.0 typu A modrá. Svg
Zastaralé
B Typ B.
Zásuvka USB typu B.svg
Typ B.
Zásuvka USB 3.0 typu B modrá. Svg
Zastaralé
C N/A Typ C ( zvětšený )
Zásuvka USB typu C Pinout.svg
Mini A N/A Mini A.
Zásuvka USB Mini-A. Svg
Zastaralé
B Mini B
Zásuvka USB Mini-B. Svg
AB N/A Mini AB
Zásuvka USB Mini-AB. Svg
Mikro A N/A Micro A.
Micro A.
USB 3.0 Micro-A.svg
Zastaralé
B N/A Micro B.
Micro B.
Zásuvka USB 3.0 Micro-B. Svg
Zastaralé
AB N/A Micro AB
Zásuvka USB Micro-AB. Svg
Micro AB
USB micro AB SuperSpeed.png
Zastaralé
Konektory USB 1.0
1996
USB 1.1
1998
USB 2.0
2001
USB 2.0
revidováno
USB 3.0
2011
USB 3.1
2014
USB 3.2
2017
USB4
2019

Cíle

Univerzální sériová sběrnice byla vyvinuta za účelem zjednodušení a vylepšení rozhraní mezi osobními počítači a periferními zařízeními ve srovnání s dříve existujícími standardními nebo ad hoc proprietárními rozhraními.

Z pohledu uživatele počítače zlepšuje rozhraní USB snadné použití několika způsoby:

  • Rozhraní USB se konfiguruje samo, což eliminuje potřebu uživatele upravovat nastavení zařízení pro rychlost nebo formát dat nebo konfigurovat přerušení , vstupní/výstupní adresy nebo kanály přímého přístupu do paměti.
  • Konektory USB jsou standardizovány na hostiteli, takže většina periferií může používat většinu dostupných zásuvek.
  • USB plně využívá dodatečný výpočetní výkon, který lze ekonomicky vložit do periferních zařízení, aby se mohly spravovat samy. Zařízení USB jako taková často nemají uživatelsky nastavitelná nastavení rozhraní.
  • Rozhraní USB lze vyměnit za provozu (zařízení lze vyměnit bez restartování hostitelského počítače).
  • Malá zařízení lze napájet přímo z rozhraní USB, což eliminuje potřebu dalších napájecích kabelů.
  • Protože je použití loga USB povoleno až po testování souladu , může mít uživatel jistotu, že zařízení USB bude fungovat podle očekávání bez rozsáhlých interakcí s nastavením a konfigurací.
  • Rozhraní USB definuje protokoly pro obnovu z běžných chyb, což zvyšuje spolehlivost oproti předchozím rozhraním.
  • Instalace zařízení, které se spoléhá na standard USB, vyžaduje minimální zásah obsluhy. Když uživatel připojí zařízení k portu na běžícím počítači, buď se automaticky automaticky nakonfiguruje pomocí stávajících ovladačů zařízení , nebo systém vyzve uživatele, aby našel ovladač, který následně nainstaluje a nakonfiguruje automaticky.

Standard USB také poskytuje řadu výhod pro výrobce hardwaru a vývojáře softwaru, zejména v relativní snadnosti implementace:

  • Standard USB eliminuje požadavek na vývoj proprietárních rozhraní pro nová periferie.
  • Široký rozsah přenosových rychlostí dostupných z rozhraní USB vyhovuje zařízením od klávesnic a myší až po streamovací video rozhraní.
  • Rozhraní USB může být navrženo tak, aby poskytovalo nejlepší dostupnou latenci pro časově kritické funkce, nebo může být nastaveno tak, aby provádělo přenosy hromadných dat na pozadí s malým dopadem na systémové prostředky.
  • Rozhraní USB je zobecněno bez signálních linek vyhrazených pouze pro jednu funkci jednoho zařízení.

Omezení

Stejně jako u všech standardů má USB několik omezení svého designu:

  • Kabely USB mají omezenou délku, protože standard byl určen pro periferie na stejném stole, nikoli mezi místnostmi nebo budovami. K bráně, která přistupuje ke vzdáleným zařízením, však lze připojit port USB .
  • Rychlost přenosu dat USB je pomalejší než u jiných propojení, jako je 100 Gigabit Ethernet .
  • USB má přísnou stromovou topologii sítě a protokol master/slave pro adresování periferních zařízení; tato zařízení nemohou vzájemně komunikovat kromě hostitele a dva hostitelé nemohou přímo komunikovat přes své porty USB. Určité rozšíření tohoto omezení je možné prostřednictvím USB On-The-Go in, Dual-Role-Devices a Protocol Bridge .
  • Hostitel nemůže vysílat signály všem periferiím najednou - každé je třeba adresovat jednotlivě.
  • Přestože převaděče existují mezi některými staršími rozhraními a USB, nemusí poskytovat úplnou implementaci staršího hardwaru. Například převodník USB na paralelní port může dobře fungovat s tiskárnou, ale ne se skenerem, který vyžaduje obousměrné použití datových kolíků.

Pro vývojáře produktů vyžaduje použití USB implementaci komplexního protokolu a implikuje „inteligentní“ řadič v periferním zařízení. Vývojáři zařízení USB určených k veřejnému prodeji musí obecně získat USB ID, které vyžaduje, aby zaplatili poplatek Fóru USB implementátorů . Vývojáři produktů, které používají specifikaci USB, musí podepsat smlouvu s Implementers Forum. Použití loga USB na produktu vyžaduje roční poplatky a členství v organizaci.

Dějiny

Velký kruh je levý konec vodorovné čáry.  Linka se rozdvojuje do tří větví končících kruhovými, trojúhelníkovými a čtvercovými symboly.
Základní logo USB trojzubce
Logo trojzubce USB4 40 Gbit/s
Logo USB na hlavě standardního konektoru USB-A

Skupina sedmi společností zahájila vývoj USB v roce 1994: Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC a Nortel . Cílem bylo zásadně usnadnit připojení externích zařízení k počítačům výměnou mnoha konektorů na zadní straně počítačů, řešením problémů s použitelností stávajících rozhraní a zjednodušením softwarové konfigurace všech zařízení připojených k USB a umožněním větších přenosové rychlosti pro externí zařízení a funkce Plug and Play . Ajay Bhatt a jeho tým pracovali na standardu v Intelu; první integrované obvody podporující USB byly vyrobeny společností Intel v roce 1995.

Joseph C. Decuir , americký kolega z Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) a jeden z konstruktérů raných 8bitových herních a počítačových systémů Atari (Atari VCS, Atari 400/800), stejně jako Commodore Amiga, jeho práce na Atari SIO , komunikační implementaci 8bitového počítače Atari, je základem standardu USB, který také pomáhal navrhovat a na který má patenty.

Původní specifikace USB 1.0, která byla zavedena v lednu 1996, definovala rychlost přenosu dat 1,5  Mbit/s při nízké rychlosti a 12 Mbit/s při plné rychlosti . Návrhy návrhů požadovaly jednostupňovou sběrnici 5 Mbit/s, ale nízká rychlost byla přidána na podporu levných periferií s nestíněnými kabely , což vedlo k rozdělení designu s přenosovou rychlostí 12 Mbit/s určenou pro vyšší rychlost. zařízení, jako jsou tiskárny a disketové jednotky, a nižší rychlost 1,5 Mbit/s u zařízení s nízkou přenosovou rychlostí, jako jsou klávesnice, myši a joysticky . Microsoft Windows 95 OSR 2.1 poskytuje podporu OEM pro zařízení v srpnu 1997. První široce používanou verzi USB byl 1.1, která byla vydána v září 1998. Apple Inc. ‚s iMac byl prvním tradiční výrobek s rozhraním USB a úspěch iMac popularizoval samotný USB. Po rozhodnutí společnosti Apple odstranit všechny starší porty z iMacu začalo mnoho výrobců počítačů stavět počítače bez starších počítačů , což vedlo k širšímu trhu s počítači , který standardně používal USB.

Specifikace USB 2.0 byla vydána v dubnu 2000 a byla ratifikována USB Implementers Forum (USB-IF) na konci roku 2001. Hewlett-Packard , Intel, Lucent Technologies (nyní Nokia), NEC a Philips společně vedly iniciativu k vyvinout vyšší rychlost přenosu dat, přičemž výsledná specifikace dosahuje 480 Mbit/s, 40krát rychleji než původní specifikace USB 1.1.

Specifikace USB 3.0 byla zveřejněna 12. listopadu 2008. Jejími hlavními cíli bylo zvýšit rychlost přenosu dat (až na 5 Gbit/s), snížit spotřebu energie, zvýšit výkon a být zpětně kompatibilní s USB 2.0. USB 3.0 obsahuje novou, vyšší rychlost sběrnice s názvem SuperSpeed ​​paralelně se sběrnicí USB 2.0. Z tohoto důvodu se nová verze také nazývá SuperSpeed. První zařízení s rozhraním USB 3.0 byla představena v lednu 2010.

V roce 2008 bylo na globálním trhu přibližně 6 miliard portů USB a rozhraní a každý rok se prodávaly asi 2 miliardy.

Specifikace USB 3.1 byla zveřejněna v červenci 2013.

V prosinci 2014 předložila společnost USB-IF specifikace USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 a USB-C podle normy IEC ( TC 100  -audio a video a multimediální systémy a zařízení) za účelem zahrnutí do mezinárodní normy IEC 62680 ( rozhraní Universal Serial Bus pro data and power) , který je v současné době založen na USB 2.0.

Specifikace USB 3.2 byla zveřejněna v září 2017.

USB 1.x

Vydáno v lednu 1996, USB 1.0 specifikovalo přenosové rychlosti 1,5 Mbit/s (nízká šířka pásma nebo nízká rychlost) a 12 Mbit/s (plná rychlost) . Z důvodu načasování a omezení výkonu neumožňoval prodlužovací kabely ani průchozí monitory. Několik zařízení USB se dostalo na trh až do vydání USB 1.1 v srpnu 1998. USB 1.1 byla nejranější revize, která byla široce přijata a vedla k tomu, co společnost Microsoft označila jako „ počítač bez starší verze “.

Ani USB 1.0, ani 1.1 nespecifikovaly design pro jakýkoli konektor menší než standardní typ A nebo typ B. Ačkoli se na mnoha periferiích objevilo mnoho návrhů pro miniaturizovaný konektor typu B, shoda se standardem USB 1.x byla narušena ošetřením periferních zařízení, která měla miniaturní konektory, jako by měly upoutané připojení (to znamená: žádná zástrčka nebo zásuvka na periferním konci). Nebyl znám žádný miniaturní konektor typu A, dokud jej USB 2.0 (revize 1.01) nezavedl.

USB 2.0

Logo Hi-Speed ​​USB

USB 2.0 bylo vydáno v dubnu 2000 a přidalo vyšší maximální rychlost signalizace 480 Mbit/s (maximální teoretická datová propustnost 53 MByt/s) s názvem High Speed nebo High Bandwidth , navíc k rychlosti signalizace USB 1.x Full Speed 12 Mbit/s (maximální teoretická datová propustnost 1,2 MByte/s).

Úpravy specifikace USB byly provedeny prostřednictvím oznámení o technických změnách (ECN). Nejdůležitější z těchto ECN jsou zahrnuty v balíčku specifikací USB 2.0, který je k dispozici na USB.org:

  • Konektor Mini-A a Mini-B
  • Specifikace kabelů a konektorů micro-USB 1.01
  • InterChip USB Supplement
  • On-The-Go Supplement 1.3 USB On-The-Go umožňuje dvěma zařízením USB komunikovat mezi sebou bez nutnosti samostatného USB hostitele
  • Specifikace nabíjení baterií 1.1 Přidána podpora vyhrazených nabíječek, chování hostitelských nabíječek pro zařízení s vybitými bateriemi
  • Specifikace nabíjení baterie 1.2 : se zvýšeným proudem 1,5 A na nabíjecích portech pro nekonfigurovaná zařízení, umožňující vysokorychlostní komunikaci s proudem až 1,5 A a maximálním proudem 5 A
  • Link Power Management Addendum ECN , který přidává stav spánku

USB 3.x

Logo SuperSpeed ​​USB

Specifikace USB 3.0 byla vydána 12. listopadu 2008, přičemž její správa byla převedena ze skupiny USB 3.0 Promoter Group na fórum USB Implementers Forum (USB-IF) a byla oznámena 17. listopadu 2008 na konferenci SuperSpeed ​​USB Developers Conference.

USB 3.0 přidává režim přenosu SuperSpeed s přidruženými zpětně kompatibilními zástrčkami, zásuvkami a kabely. Zástrčky a zásuvky SuperSpeed ​​jsou v zásuvkách standardního formátu označeny výrazným logem a modrými vložkami.

Sběrnice SuperSpeed ​​poskytuje kromě tří stávajících přenosových režimů také přenosový režim s nominální rychlostí 5,0 Gbit/s. Jeho účinnost závisí na řadě faktorů, včetně kódování fyzických symbolů a režie na úrovni odkazu. Při přenosové rychlosti 5 Gbit/s s kódováním 8b/10b potřebuje každý bajt k přenosu 10 bitů, takže hrubá propustnost je 500 MB/s. Když se vezme v úvahu řízení toku, rámování paketů a režie protokolu, je reálné přenášet do aplikace 400 MB/s (3,2 Gbit/s) nebo více. Komunikace je plně duplexní v režimu přenosu SuperSpeed; dřívější režimy jsou napůl duplexní, arbitrované hostitelem.

Zařízení s nízkým výkonem a vysokým výkonem zůstávají v provozu s tímto standardem, ale zařízení využívající SuperSpeed ​​mohou využívat výhody zvýšeného dostupného proudu mezi 150 mA a 900 mA.

USB 3.1 , vydané v červenci 2013, má dvě varianty. První zachovává režim přenosu USB 3.0 SuperSpeed a nese označení USB 3.1 Gen 1 a druhá verze přináší nový režim přenosu SuperSpeed+ pod označením USB 3.1 Gen 2 . SuperSpeed+ zdvojnásobuje maximální rychlost datové signalizace na 10 Gbit/s a zároveň snižuje režii kódování řádků na pouhá 3% změnou schématu kódování na 128b/132b .

USB 3.2 , vydaný v září 2017, zachovává stávající datové režimy USB 3.1 SuperSpeed a SuperSpeed+, ale přináší dva nové přenosové režimy SuperSpeed+ přes konektor USB-C s přenosovou rychlostí 10 a 20 Gbit/s (1,25 a 2,5 GB/s). Zvýšení šířky pásma je výsledkem víceproudého provozu přes stávající vodiče, které byly určeny pro možnosti klopného obvodu konektoru USB-C.

USB 3.0 také představil protokol UASP , který poskytuje obecně vyšší přenosové rychlosti než protokol BOT (Bulk-Only-Transfer).

Pojmenovací schéma

Počínaje standardem USB 3.2 představil USB-IF nové schéma pojmenování. Aby pomohl společnostem při označování různých režimů přenosu, společnost USB-IF doporučila označit režimy přenosu 5, 10 a 20 Gbit/s jako SuperSpeed ​​USB 5Gbps , SuperSpeed ​​USB 10Gbps a SuperSpeed ​​USB 20Gbps :

Značka USB-IF Logo Režim přenosu Starší specifikace Rychlost přenosu dat Přenosová rychlost
SuperSpeed ​​USB 5 Gbit/s USB SuperSpeed ​​5 Gbps Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 1 × 1 USB 3.1 Gen 1, USB 3.0 5 Gbit/s 500 MB/s
SuperSpeed ​​USB 10 Gb/s USB SuperSpeed ​​10 Gb / s Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 2 × 1 USB 3.1 Gen 2, USB 3.1 10 Gbit/s 1,21 GB/s
SuperSpeed ​​USB 20 Gb/s USB SuperSpeed ​​20 Gb / s Trident Logo.svg USB 3.2 Gen 2 × 2 - 20 Gbit/s 2,42 GB/s

USB4

Certifikované logo USB4 40 Gbit/s

Specifikace USB4 byla vydána 29. srpna 2019 na fóru USB Implementers Forum.

USB4 je založeno na specifikaci protokolu Thunderbolt 3 . Podporuje propustnost 40 Gbit/s, je kompatibilní s Thunderbolt 3 a zpětně kompatibilní s USB 3.2 a USB 2.0. Architektura definuje metodu pro dynamické sdílení jednoho vysokorychlostního propojení s více typy koncových zařízení, která nejlépe slouží pro přenos dat podle typu a aplikace.

Specifikace USB4 uvádí, že USB4 budou podporovat následující technologie:

Spojení Povinné pro Poznámky
hostitel rozbočovač přístroj
USB 2.0 (480 Mbit/s) Ano Ano Ano Na rozdíl od jiných funkcí-které využívají multiplexování vysokorychlostních linek-USB 2.0 přes USB-C využívá vlastní diferenciální pár vodičů.
USB4 Gen 2 × 2 (20 Gbit/s) Ano Ano Ano Zařízení označené USB 3.0 stále funguje prostřednictvím hostitele nebo rozbočovače USB4 jako zařízení USB 3.0. Požadavek na zařízení Gen 2x2 platí pouze pro nově přicházející zařízení s označením USB4.
USB4 Gen 3 × 2 (40 Gbit/s) Ne Ano Ne
DisplayPort Ano Ano Ne Specifikace vyžaduje, aby hostitelé a rozbočovače podporovali alternativní režim DisplayPort.
Komunikace mezi hostiteli Ano Ano N/A Spojení podobné LAN mezi dvěma vrstevníky.
PCI Express Ne Ano Ne Funkce PCI Express USB4 kopíruje funkce předchozích verzí specifikace Thunderbolt .
Thunderbolt 3 Ne Ano Ne Thunderbolt 3 používá kabely USB-C; specifikace USB4 umožňuje hostitelům a zařízením a vyžaduje rozbočovače pro podporu interoperability se standardem pomocí alternativního režimu Thunderbolt 3.
Další alternativní režimy Ne Ne Ne Produkty USB4 mohou volitelně nabízet součinnost s alternativními režimy HDMI , MHL a VirtualLink .

Během veletrhu CES 2020 společnosti USB-IF a Intel uvedly svůj záměr povolit produkty USB4, které podporují všechny volitelné funkce, jako produkty Thunderbolt 4 . Očekává se, že prvními produkty kompatibilními s USB4 budou procesory Intel řady Tiger Lake a AMD Zen 3 . Vydáno v roce 2020.

Historie verzí

Verze vydání

název Datum vydání Maximální přenosová rychlost Poznámka
USB 0,7 11. listopadu 1994 ? Před vydáním
USB 0,8 Prosinec 1994 ? Před vydáním
USB 0,9 13. dubna 1995 Plná rychlost (12 Mbit/s) Před vydáním
USB 0,99 Srpna 1995 ? Před vydáním
USB 1.0-RC Listopadu 1995 ? Uvolněte kandidáta
USB 1.0 15. ledna 1996 Plná rychlost (12 Mbit/s),

Nízká rychlost (1,5 Mbit/s)

USB 1.1 Srpna 1998
USB 2.0 Dubna 2000 Vysoká rychlost (480 Mbit/s)
USB 3.0 Listopad 2008 SuperSpeed ​​USB (5 Gbit/s) Označuje se také jako USB 3.1 Gen 1 a USB 3.2 Gen 1 × 1
USB 3.1 červenec 2013 SuperSpeed+ USB (10 Gbit/s) Zahrnuje nový USB 3.1 Gen 2, v pozdějších specifikacích také pojmenovaný USB 3.2 Gen 2 × 1
USB 3.2 Srpna 2017 SuperSpeed+ USB dual-lane (20 Gbit/s) Obsahuje nové režimy USB 3.2 Gen 1 × 2 a Gen 2 × 2 multi-link
USB4 Srpna 2019 40 Gbit/s (2proudový) Zahrnuje nové režimy USB4 Gen 2 × 2 (kódování 64b/66b) a Gen 3 × 2 (kódování 128b/132b) a zavádí směrování USB4 pro tunelování provozu USB3.x, DisplayPort 1.4a a PCI Express a přenosy host-to-host , založený na protokolu Thunderbolt 3

Specifikace týkající se napájení

Název vydání Datum vydání Max. Napájení Poznámka
Nabíjení baterie USB Rev. 1.0 2007-03-08 7,5 W (5 V, 1,5 A)
Nabíjení baterie USB Rev. 1.1 15. dubna 2009 9 W (5 V, 1,8 A) Strana 28, tabulka 5–2, ale s omezením na odstavec 3.5. V běžném portu USB 2.0 se standardem A pouze 1,5 A.
Nabíjení baterie USB Rev. 1.2 07. 12. 2010 25 W (5 V, 5 A)
Napájení USB Rev. 1.0 (V. 1.0) 2012-07-05 100 W (20 V, 5 A) Použití protokolu FSK přes napájení sběrnice (V BUS )
Napájení USB Rev. 1.0 (V. 1.3) 11.03.2014 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C, rev. 1.0 11.08.2014 15 W (5 V, 3 A) Nová specifikace konektoru a kabelu
Napájení USB Rev. 2.0 (V. 1.0) 11.08.2014 100 W (20 V, 5 A) Použití protokolu BMC přes komunikační kanál (CC) na kabelech USB-C.
USB typu C Rev. 1.1 2015-04-03 15 W (5 V, 3 A)
Napájení USB Rev. 2.0 (V. 1.1) 2015-05-07 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C, rev. 1.2 2016-03-25 15 W (5 V, 3 A)
Napájení USB Rev. 2.0 (V. 1.2) 2016-03-25 100 W (20 V, 5 A)
Napájení USB Rev. 2.0 (V. 1.3) 2017-01-12 100 W (20 V, 5 A)
Napájení USB Rev. 3.0 (V. 1.1) 2017-01-12 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C, rev. 1.3 2017-07-14 15 W (5 V, 3 A)
Napájení USB Rev. 3.0 (V. 1.2) 2018-06-21 100 W (20 V, 5 A)
USB typu C, rev. 1.4 29. 3. 2019 15 W (5 V, 3 A)
USB typu C Rev. 2.0 29. 08. 2019 15 W (5 V, 3 A) Povolení USB4 přes konektory a kabely USB typu C.
Napájení USB Rev. 3.0 (V. 2.0) 29. 08. 2019 100 W (20 V, 5 A)
Napájení USB Rev. 3.1 (V. 1.0) 2021-05-24 240 W (48 V, 5 A)
USB typu C Rev. 2.1 2021-05-25 15 W (5 V, 3 A)
Napájení USB Rev. 3.1 (V. 1.1) 2021-07-06 240 W (48 V, 5 A)

Návrh systému

Systém USB se skládá z hostitele s jedním nebo více navazujícími porty a několika periferiemi, které tvoří topologii víceúrovňových hvězd . Mohou být zahrnuty další rozbočovače USB , které umožňují až pět úrovní. Hostitel USB může mít více řadičů, každý s jedním nebo více porty. K jednomu hostitelskému řadiči může být připojeno až 127 zařízení. Zařízení USB jsou propojena v sérii prostřednictvím rozbočovačů. Rozbočovač zabudovaný do hostitelského řadiče se nazývá kořenový rozbočovač .

Zařízení USB se může skládat z několika logických dílčích zařízení, která jsou označována jako funkce zařízení . Kompozitní zařízení může poskytovat několik funkcí, například webová kamera (video funkce zařízení) s vestavěným mikrofonem (funkce audio zařízení). Alternativou je složené zařízení , ve kterém hostitel přiřadí každému logickému zařízení odlišnou adresu a všechna logická zařízení se připojí k vestavěnému rozbočovači, který se připojuje k fyzickému kabelu USB.

Diagram: uvnitř zařízení je několik koncových bodů, z nichž každý se připojuje logickým kanálem k hostitelskému řadiči.  Data v každé trubce proudí jedním směrem, i když do hostitelského řadiče a z něj jde směs.
Koncové body USB jsou umístěny na připojeném zařízení: kanály k hostiteli jsou označovány jako potrubí.

Komunikace zařízení USB je založena na potrubích (logických kanálech). Kanál je připojení z hostitelského řadiče k logické entitě v rámci zařízení, které se nazývá koncový bod . Protože potrubí odpovídají koncovým bodům, termíny se někdy používají zaměnitelně. Každé zařízení USB může mít až 32 koncových bodů (16 V a 16 ven ), ale to je vzácné mít tolik. Koncové body jsou definovány a očíslovány zařízením během inicializace (období po fyzickém připojení nazývané „výčet“), a jsou tedy relativně trvalé, zatímco potrubí lze otevírat a zavírat.

Existují dva typy kanálu: stream a zpráva.

  • Zpráva potrubí je obousměrný a je používán pro ovládání převodů. Zprávy se obvykle používají pro krátké, jednoduché příkazy do zařízení a pro stavové odpovědi ze zařízení, například pomocí kanálu pro řízení sběrnice číslo 0.
  • Proud trubka je jednosměrný potrubí připojeno k jednosměrný koncový bod, který přenáší data pomocí izochronní , přerušení nebo hromadný přenos:
    Isochronní převody
    Při určité zaručené rychlosti přenosu dat (pro streamování dat s pevnou šířkou pásma), ale s možnou ztrátou dat (např. Zvuk nebo video v reálném čase)
    Přerušit převody
    Zařízení, která vyžadují zaručené rychlé reakce (omezená latence), jako jsou polohovací zařízení, myši a klávesnice
    Hromadné převody
    Velké sporadické přenosy využívající veškerou zbývající dostupnou šířku pásma, ale bez záruky šířky pásma nebo latence (např. Přenosy souborů)

Když hostitel spustí přenos dat, odešle token paket obsahující koncový bod určený s n-tice o (DEVICE_ADDRESS, endpoint_number) . Pokud je přenos z hostitele do koncového bodu, hostitel odešle OUT paket (specializace paketu TOKEN) s požadovanou adresou zařízení a číslem koncového bodu. Pokud je přenos dat ze zařízení na hostitele, hostitel místo toho odešle IN paket. Pokud je koncovým bodem určení jednosměrný koncový bod, jehož směr určený výrobcem neodpovídá paketu TOKEN (např. Směr určený výrobcem je IN, zatímco paket TOKEN je paket OUT), paket TOKEN je ignorován. Jinak je přijat a datová transakce může začít. Obousměrný koncový bod naopak přijímá pakety IN i OUT.

Obdélníkový otvor, kde šířka je dvojnásobek výšky.  Otvor má kovový okraj a uvnitř otvoru probíhá rovnoběžně s horní stranou plochá obdélníková lišta.
Dvě zásuvky USB 3.0 Standard-A (vlevo) a dvě zásuvky USB 2.0 Standard-A (vpravo) na předním panelu počítače

Koncové body jsou seskupeny do rozhraní a každé rozhraní je spojeno s funkcí jednoho zařízení. Výjimkou je koncový bod nula, který se používá pro konfiguraci zařízení a není spojen s žádným rozhraním. Funkce jednoho zařízení složená z nezávisle ovládaných rozhraní se nazývá kompozitní zařízení . Kompozitní zařízení má pouze jednu adresu zařízení, protože hostitel funkci přiřazuje pouze adresu zařízení.

Když je zařízení USB poprvé připojeno k hostiteli USB, spustí se proces výčtu zařízení USB. Výčet začíná odesláním resetovacího signálu na zařízení USB. Přenosová rychlost zařízení USB je určena během signalizace resetování. Po resetování jsou informace o zařízení USB přečteny hostitelem a zařízení je přiřazena jedinečná 7bitová adresa. Pokud zařízení podporuje hostitel, načtou se ovladače zařízení potřebné pro komunikaci se zařízením a zařízení se nastaví do konfigurovaného stavu. Pokud je hostitel USB restartován, proces výčtu se opakuje pro všechna připojená zařízení.

Hostitelský řadič směruje tok provozu na zařízení, takže žádné zařízení USB nemůže přenášet žádná data na sběrnici bez výslovného požadavku od hostitelského ovladače. V USB 2.0 hostitelský řadič dotazuje sběrnici na provoz, obvykle způsobem každý s každým . Propustnost každého portu USB je určena pomalejší rychlostí portu USB nebo zařízení USB připojeného k portu.

Vysokorychlostní rozbočovače USB 2.0 obsahují zařízení zvaná transakční translátory, která převádějí mezi vysokorychlostními sběrnicemi USB 2.0 a plnými a nízkými rychlostmi. Na jeden rozbočovač nebo na port může být jeden překladač.

Protože v každém hostiteli USB 3.0 jsou dva samostatné řadiče, zařízení USB 3.0 vysílají a přijímají datové rychlosti USB 3.0 bez ohledu na zařízení USB 2.0 nebo dřívější zařízení připojená k tomuto hostiteli. Sazby provozních dat pro dřívější zařízení jsou nastaveny starším způsobem.

Třídy zařízení

Funkce zařízení USB je definována kódem třídy odeslaným na hostitele USB. To umožňuje hostiteli načítat softwarové moduly pro zařízení a podporovat nová zařízení od různých výrobců.

Třídy zařízení zahrnují:

Třída Používání Popis Příklady nebo výjimka
00 hod přístroj Nespecifikováno Třída zařízení není uvedena, k určení potřebných ovladačů se používají deskriptory rozhraní
01h Rozhraní Zvuk Reproduktor , mikrofon , zvuková karta , MIDI
02h Oba Komunikace a ovládání CDC Sériový adaptér UART a RS-232 , modem , adaptér Wi-Fi , ethernetový adaptér. Používá se společně s třídou 0Ah (CDC-Data ) níže
03h Rozhraní Zařízení lidského rozhraní (HID) Klávesnice , myš , joystick
05h Rozhraní Zařízení fyzického rozhraní (PID) Vynutit joystick zpětné vazby
06h Rozhraní Obrázek ( PTP / MTP ) Webová kamera , skener
07h Rozhraní Tiskárna Laserová tiskárna , inkoustová tiskárna , CNC stroj
08h Rozhraní Velkokapacitní úložiště (MSC nebo UMS) USB flash disk , čtečka paměťových karet , digitální audio přehrávač , digitální fotoaparát , externí disk
09h přístroj USB rozbočovač Rozbočovač s plnou šířkou pásma
0 Ah Rozhraní Data CDC Používá se společně s třídou 02h (komunikace a řízení CDC ) výše
0 Bh Rozhraní Chytrá karta USB čtečka čipových karet
0Dh Rozhraní Zabezpečení obsahu čtečka otisků prstů
0Eh Rozhraní Video Webová kamera
0Fh Rozhraní Třída osobních zdravotnických prostředků (PHDC) Monitor tepu (hodinky)
10 hod Rozhraní Audio/Video (AV) Webkamera , TV
11 hod přístroj Plakátovací tabule Popisuje alternativní režimy USB-C podporované zařízením
DCh Oba Diagnostické zařízení Zařízení pro testování shody USB
E0h Rozhraní Bezdrátový ovladač Bluetooth adaptér, Microsoft RNDIS
EFh Oba Smíšený Zařízení ActiveSync
FEh Rozhraní Specifické pro aplikaci IrDA Bridge, testovací a měřicí třída (USBTMC), USB DFU (aktualizace firmwaru zařízení)
FFh Oba Specifické pro dodavatele Označuje, že zařízení potřebuje ovladače specifické pro dodavatele

Velkokapacitní paměť USB / jednotka USB

Flash disk , typické USB mass-storage zařízení
Deska s obvody z externího 2,5palcového pevného disku SATA HDD USB 3.0

USB Mass Storage Device Class (MSC nebo UMS) standardizuje připojení k úložným zařízením. Nejprve určený pro magnetické a optické jednotky, byl rozšířen o podporu flash disků . Byl také rozšířen na podporu široké škály nových zařízení, protože mnoho systémů lze ovládat pomocí známé metafory manipulace se soubory v adresářích. Proces vytváření nového zařízení tak, aby vypadal jako známé zařízení, se také nazývá rozšíření. Možnost zavést kartu SD uzamčenou proti zápisu pomocí adaptéru USB je zvláště výhodná pro zachování integrity a neporušitelného, ​​nedotčeného stavu zaváděcího média.

Ačkoli většina osobních počítačů od začátku roku 2005 může být zaváděna z velkokapacitních paměťových zařízení USB, USB není určeno jako primární sběrnice pro interní úložiště počítače. USB má však tu výhodu, že umožňuje výměnu za provozu , což je užitečné pro mobilní periferie, včetně jednotek různého druhu.

Několik výrobců nabízí externí přenosné pevné disky USB nebo prázdné skříně pro diskové jednotky. Ty nabízejí výkon srovnatelný s interními disky, omezený počtem a typy připojených zařízení USB a horní hranicí rozhraní USB. Mezi další konkurenční standardy pro připojení externích disků patří eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) a naposledy Thunderbolt .

Dalším využitím pro velkokapacitní paměťová zařízení USB je přenos softwarových aplikací (například webových prohlížečů a klientů VoIP) bez nutnosti instalace na hostitelský počítač.

Protokol pro přenos médií

Media Transfer Protocol (MTP) byl navržen společností Microsoft tak, aby poskytoval přístup na vyšší úroveň k souborovému systému zařízení než velkokapacitní paměťové zařízení USB, a to na úrovni souborů, nikoli bloků disku. Má také volitelné funkce DRM . MTP byl navržen pro použití s přenosnými přehrávači médií , ale od té doby byl přijat jako primární přístupový protokol úložiště operačního systému Android od verze 4.1 Jelly Bean a také Windows Phone 8 (zařízení Windows Phone 7 používala protokol Zune - evoluce MTP). Hlavním důvodem je to, že MTP nevyžaduje výhradní přístup k úložnému zařízení tak, jak to dělá UMS, což zmírňuje potenciální problémy, pokud program Android požaduje úložiště, když je připojen k počítači. Hlavní nevýhodou je, že MTP není tak dobře podporován mimo operační systémy Windows.

Zařízení lidského rozhraní

Myši a klávesnice USB lze obvykle použít se staršími počítači, které mají konektory PS/2 pomocí malého adaptéru USB-to-PS/2. U myší a klávesnic s podporou dvou protokolů lze použít adaptér, který neobsahuje žádné logické obvody : hardware USB v klávesnici nebo myši je navržen tak, aby detekoval, zda je připojen k portu USB nebo PS/2, a komunikoval pomocí příslušný protokol. Existují také převaděče, které připojují klávesnice a myši PS/2 (obvykle jeden z každého) k portu USB. Tato zařízení představují do systému dva koncové body HID a pomocí mikrokontroléru provádějí obousměrný překlad dat mezi těmito dvěma standardy.

Mechanismus upgradu firmwaru zařízení

Aktualizace firmwaru zařízení (DFU) je mechanismus pro aktualizaci firmwaru zařízení USB nezávislý na dodavateli a zařízení s vylepšenými verzemi poskytovanými jejich výrobci, který nabízí (například) způsob nasazení oprav chyb firmwaru. Během operace aktualizace firmwaru zařízení USB mění svůj provozní režim a stávají se programátorem PROM . Tuto schopnost může implementovat jakákoli třída zařízení USB podle oficiálních specifikací DFU.

DFU může také poskytnout uživateli svobodu flashovat USB zařízení pomocí alternativního firmwaru. Jedním z důsledků toho je, že zařízení USB po opětovném flashování mohou fungovat jako různé neočekávané typy zařízení. Například zařízení USB, které má prodejce v úmyslu být pouze jednotkou flash, může „zkazit“ vstupní zařízení jako klávesnice. Viz BadUSB .

Streamování zvuku

Pracovní skupina zařízení USB stanovila specifikace pro streamování zvuku a byly vyvinuty a implementovány specifické standardy pro použití ve zvukové třídě, jako jsou mikrofony, reproduktory, náhlavní soupravy, telefony, hudební nástroje atd. Pracovní skupina vydala tři verze zvukových specifikace zařízení: Audio 1.0, 2.0 a 3.0, označované jako „UAC“ nebo „ADC“.

UAC 2.0 zavedl podporu vysokorychlostního USB (kromě Full Speed), což umožňuje větší šířku pásma pro vícekanálová rozhraní, vyšší vzorkovací frekvence, nižší vlastní latenci a 8 × zlepšení rozlišení časování v synchronních a adaptivních režimech. UAC2 také zavádí koncept hodinových domén, které poskytují hostiteli informace o tom, které vstupní a výstupní terminály odvozují své hodiny ze stejného zdroje, a také vylepšenou podporu pro kódování zvuku, jako je DSD , zvukové efekty, seskupování kanálů, uživatelské ovládací prvky a popisy zařízení.

UAC 3.0 primárně zavádí vylepšení pro přenosná zařízení, například snížení spotřeby energie roztržením dat a častějším pobytem v režimu nízké spotřeby a napájení domén pro různé součásti zařízení, což umožňuje jejich vypnutí, když se nepoužívají.

Zařízení UAC 1.0 jsou však stále běžná, a to kvůli jejich kompatibilitě bez platforem pro různé platformy a částečně také kvůli tomu, že společnost Microsoft neimplementovala UAC 2.0 více než deset let po jeho zveřejnění, protože konečně přidala podporu systému Windows 10 prostřednictvím aktualizace Creators Update. 20. března 2017. UAC 2.0 je podporován také systémy MacOS , iOS a Linux , ale Android také implementuje pouze podmnožinu UAC 1.0.

USB poskytuje tři typy synchronizace isochronní (s pevnou šířkou pásma), které všechny používají zvuková zařízení:

  • Asynchronní-ADC nebo DAC nejsou vůbec synchronizovány s hodinami hostitelského počítače a fungují mimo volně běžící hodiny lokálně v zařízení.
  • Synchronní-hodiny zařízení jsou synchronizovány se signály USB na začátku rámce (SOF) nebo Bus Interval. Může to například vyžadovat synchronizaci hodin 11,2896 MHz se signálem SOF 1 kHz, což je velké frekvenční násobení.
  • Adaptivní - Hodiny zařízení jsou synchronizovány s množstvím dat odeslaných hostitelem na snímek

Zatímco specifikace USB původně popisovala použití asynchronního režimu u „levných reproduktorů“ a adaptivní režim u „špičkových digitálních reproduktorů“, ve světě hi-fi , kde je asynchronní režim inzerován jako funkce, existuje adaptivní režim a adaptivní režim /synchronní režimy mají špatnou pověst. Ve skutečnosti mohou být všechny typy vysoce kvalitní nebo nekvalitní, v závislosti na kvalitě jejich konstrukce a aplikace. Asynchronní má tu výhodu, že se odpoutává od hodin počítače, ale tu nevýhodu, že vyžaduje převod vzorkovací frekvence při kombinování více zdrojů.

Konektory

Konektory, které výbor USB specifikuje, podporují řadu základních cílů USB a odrážejí ponaučení z mnoha konektorů, které počítačový průmysl použil. Zásuvka namontovaná na hostiteli nebo zařízení se nazývá zásuvka a zástrčka připojená ke kabelu se nazývá zástrčka . Oficiální dokumenty specifikací USB také pravidelně definují termín samec, který představuje zástrčku, a žena, který představuje zásuvku.

Konektor USB typu A.
Standardní konektor USB typu A. Jedná se o jeden z mnoha typů konektorů USB .

Podle návrhu je obtížné nesprávně zasunout konektor USB do zásuvky. Specifikace USB vyžaduje, aby byla zástrčka a zásuvka kabelu označeny, aby uživatel rozpoznal správnou orientaci. Konektor USB-C je však reverzibilní. Kabely USB a malá zařízení USB jsou drženy na místě uchopovací silou ze zásuvky, bez šroubů, spon nebo otočení palce, jak používají některé konektory.

Různé zástrčky A a B zabraňují nechtěnému připojení dvou zdrojů napájení. Část této směrované topologie se však ztrácí s příchodem víceúčelových připojení USB (například USB On-The-Go v chytrých telefonech a směrovače Wi-Fi napájené z USB), které vyžadují A-to-A, B- na-B, a někdy Y/rozdělovací kabely.

S postupujícími specifikacemi se znásobily typy konektorů USB. Původní specifikace USB podrobně popisovala zástrčky a zásuvky standardu A a standardu B. Konektory byly různé, takže uživatelé nemohli připojit jednu počítačovou zásuvku k druhé. Datové piny ve standardních zástrčkách jsou zapuštěné ve srovnání s napájecími piny, takže se zařízení může zapnout před navázáním datového připojení. Některá zařízení fungují v různých režimech podle toho, zda je vytvořeno datové připojení. Nabíjecí doky dodávají energii a neobsahují hostitelské zařízení ani datové piny, což umožňuje jakémukoli schopnému zařízení USB nabíjet nebo pracovat ze standardního kabelu USB. Nabíjecí kabely zajišťují připojení napájení, nikoli však data. V kabelu pouze pro nabíjení jsou datové vodiče na konci zařízení zkratovány, jinak může zařízení nabíječku odmítnout jako nevhodnou.

Kabeláž

Různé kabely USB na prodej v Hongkongu

Standard USB 1.1 uvádí, že standardní kabel může mít u zařízení pracujících s plnou rychlostí (12 Mbit/s) maximální délku 5 metrů (16 stop 5 palců) a maximální délku 3 metry (9 stop 10 palců) s zařízení pracující při nízké rychlosti (1,5 Mbit/s).

USB 2.0 poskytuje maximální délku kabelu 5 metrů (16 stop 5 palců) pro zařízení s vysokou rychlostí (480 Mbit/s).

Standard USB 3.0 přímo neurčuje maximální délku kabelu, pouze vyžaduje, aby všechny kabely splňovaly elektrickou specifikaci: pro měděné kabely s  vodiči AWG 26 jsou maximální praktické délky 3 metry (9 ft 10 in).

USB můstkové kabely

Na trhu najdete kabely USB bridge nebo kabely pro přenos dat, které nabízejí přímé připojení PC k PC. Mostní kabel je speciální kabel s čipem a aktivní elektronikou uprostřed kabelu. Čip uprostřed kabelu funguje jako periferní zařízení pro oba počítače a umožňuje vzájemnou komunikaci mezi počítači. Kabely USB bridge slouží k přenosu souborů mezi dvěma počítači prostřednictvím jejich portů USB.

Popularizovaný společností Microsoft jako Windows Easy Transfer , nástroj společnosti Microsoft použil speciální USB můstkový kabel k přenosu osobních souborů a nastavení z počítače se starší verzí systému Windows do počítače s novější verzí. V souvislosti s používáním softwaru Windows Easy Transfer lze mostní kabel někdy označovat jako kabel Easy Transfer .

Mnoho kabelů USB pro přenos / přenos dat je stále USB 2.0, ale existuje také řada přenosových kabelů USB 3.0. Přestože je USB 3.0 10krát rychlejší než USB 2.0, přenosové kabely USB 3.0 jsou vzhledem ke svému designu pouze 2–3krát rychlejší.

Specifikace USB 3.0 představila křížený kabel A-to-A bez napájení pro připojení dvou počítačů. Nejsou určeny pro přenos dat, ale jsou zaměřeny na diagnostické účely.

Dvouúlohové připojení USB

Spojovací můstky USB se staly méně důležitými díky možnostem zařízení USB s dvojí rolí zavedeným ve specifikaci USB 3.1. Podle nejnovějších specifikací podporuje USB většinu scénářů připojení systémů přímo kabelem typu C. Aby však funkce fungovala, musí připojené systémy podporovat přepínání rolí. Možnosti dvou rolí vyžadují, aby v systému byly dva řadiče a také řadič rolí . I když to lze očekávat u mobilní platformy, jako je tablet nebo telefon, stolní počítače a notebooky často nepodporují dvojí roli.

Napájení

USB dodává energii 5 V ± 5% pro napájení USB zařízení.

Zařízení s nízkým a vysokým výkonem

Zařízení s nízkým výkonem mohou odebírat maximálně 1 jednotku zátěže a všechna zařízení musí při spuštění jako nenakonfigurovaná fungovat jako zařízení s nízkým výkonem. 1 jednotková zátěž je 100 mA pro zařízení USB až USB 2.0, zatímco USB 3.0 definuje jednotkovou zátěž jako 150 mA.

Vysoce výkonná zařízení (jako je typický 2,5palcový pevný disk USB) odebírají minimálně 1 jednotkovou zátěž a nejvýše 5 jednotkových zátěží (5x100mA = 500 mA) u zařízení až do USB 2.0 nebo 6 jednotkových zátěží (6x150mA = 900 mA ) pro zařízení SuperSpeed ​​(USB 3.0 a vyšší).

Standardy napájení USB
Specifikace Proud Napětí Výkon (max.)
Zařízení s nízkým výkonem 100 mA 5 V. 0,50 W
Nízkoenergetické zařízení SuperSpeed ​​(USB 3.0) 150 mA 5 V. 0,75 W
Zařízení s vysokým výkonem 500 mA 5 V. 2,5 W
Vysoce výkonné zařízení SuperSpeed ​​(USB 3.0) 900 mA 5 V. 4,5 W
Víceproudové zařízení SuperSpeed ​​(USB 3.2 Gen 2) 1,5 A 5 V. 7,5 W
Nabíjení baterie (BC) 1.1 1,5 A 5 V. 7,5 W
Nabíjení baterie (BC) 1.2 5 A. 5 V. 25 W
USB-C 1,5 A 5 V. 7,5 W
3 A. 5 V. 15 W
Napájení 1,0 Micro-USB 3 A. 20 V. 60 W
Napájení 1,0 Typ-A/B 5 A. 20 V. 100 W
Napájení 2,0/3,0 typu C. 5 A. 20 V. 100 W
Dodávka energie 3.1 Type-C 5 A. 48 V. 240 W

Pro rozpoznání režimu nabíjení baterie klade vyhrazený nabíjecí port odpor nepřesahující 200 Ω přes svorky D+ a D−. Zkratované nebo téměř zkratované datové pruhy s odporem menším než 200 Ω na svorkách „D+“ a „D-“ znamenají vyhrazený nabíjecí port (DCP) s neomezenou rychlostí nabíjení.

Kromě standardního USB existuje patentovaný vysoce výkonný systém známý jako PoweredUSB , vyvinutý v devadesátých letech minulého století a používaný hlavně v terminálech v místě prodeje, jako jsou registrační pokladny.

Signalizace

Signály USB jsou přenášeny pomocí diferenciální signalizace na datovém kabelu s kroucenou dvojlinkou s charakteristickou impedancí 90 Ω ± 15% .

  • Režimy nízké rychlosti (LS) a plné rychlosti (FS) používají jeden pár dat, označený D+ a D−, v poloduplexu . Úrovně přenášeného signálu jsou 0,0–0,3 V pro logickou nízkou úroveň a 2,8–3,6 V pro logickou vysokou úroveň. Signální linky nejsou ukončeny .
  • Vysokorychlostní režim (HS) používá stejný pár vodičů, ale s jinými elektrickými konvencemi. Nižší signální napětí −10 až 10 mV pro nízké a 360 až 440 mV pro logickou vysokou úroveň a ukončení 45 Ω vůči zemi nebo 90 Ω diferenciálu, aby odpovídaly impedanci datového kabelu.
  • SuperSpeed ​​(SS) přidává další dva páry stíněného krouceného vodiče (a nové, většinou kompatibilní rozšířené konektory). Ty jsou určeny pro plně duplexní provoz SuperSpeed. Spojení SuperSpeed ​​funguje nezávisle na kanálu USB 2.0 a má při připojení přednost. Konfigurace spoje se provádí pomocí LFPS (periodická signalizace nízké frekvence, přibližně na frekvenci 20 MHz) a mezi elektrické funkce patří snížení napětí na straně vysílače a adaptivní lineární ekvalizace na straně přijímače pro boj s elektrickými ztrátami v přenosových linkách, a tedy spojením zavádí koncept link trainingu .
  • SuperSpeed+ (SS+) využívá vyšší přenosovou rychlost (režim Gen 2 × 1) a/nebo přídavný pruh v konektoru USB-C (režim Gen 1 × 2 a Gen 2 × 2).

Připojení USB je vždy mezi hostitelem nebo rozbočovačem na konci konektoru A a „upstream“ portem zařízení nebo rozbočovače na druhém konci.

Protokolová vrstva

Během komunikace USB jsou data přenášena jako pakety . Zpočátku jsou všechny pakety odesílány z hostitele prostřednictvím kořenového rozbočovače a případně dalších rozbočovačů do zařízení. Některé z těchto paketů směřují zařízení k odeslání některých paketů jako odpověď.

Transakce

Základní transakce USB jsou:

  • OUT transakce
  • IN transakce
  • SETUP transakce
  • Ovládejte výměnu přenosu

Související standardy

Logo Wireless USB

Fórum USB Implementers Forum představilo 29. července 2015 standard bezdrátové komunikace Media Agnostic USB v.1.0 založený na protokolu USB. Bezdrátové USB je technologie nahrazující kabel a využívá ultraširokopásmovou bezdrátovou technologii pro přenosové rychlosti až 480 Mbit /s.

USB-IF použil specifikaci WiGig Serial Extension v1.2 jako svůj počáteční základ pro specifikaci MA-USB a je kompatibilní se SuperSpeed ​​USB (3.0 a 3.1) a Hi-Speed ​​USB (USB 2.0). Zařízení, která používají MA-USB, budou označena jako „Powered by MA-USB“, za předpokladu, že produkt splňuje certifikační program.

InterChip USB je varianta typu chip-to-chip, která eliminuje konvenční transceivery, které se nacházejí v běžném USB. Fyzická vrstva HSIC využívá ve srovnání s USB 2.0 asi o 50% méně energie a o 75% menší plochu desky .

Porovnání s jinými způsoby připojení

IEEE 1394

Nejprve bylo USB považováno za doplněk technologie IEEE 1394 (FireWire), která byla navržena jako vysokorychlostní sériová sběrnice, která efektivně propojuje periferie, jako jsou diskové jednotky, audio rozhraní a video zařízení. V počátečním návrhu USB fungovalo s mnohem nižším datovým tokem a používalo méně sofistikovaný hardware. Byl vhodný pro malá periferní zařízení, jako jsou klávesnice a polohovací zařízení.

Mezi nejvýznamnější technické rozdíly mezi FireWire a USB patří:

  • Sítě USB používají víceúrovňovou topologii, zatímco sítě IEEE 1394 používají stromovou topologii.
  • USB 1.0, 1.1 a 2.0 používají protokol „speak-when-spoken-to“, což znamená, že každé periferie komunikuje s hostitelem, když to hostitel specificky požaduje ke komunikaci. USB 3.0 umožňuje komunikaci zahájenou zařízením směrem k hostiteli. Zařízení FireWire může kdykoli komunikovat s jakýmkoli jiným uzlem v závislosti na podmínkách sítě.
  • Síť USB se při ovládání sítě spoléhá na jediného hostitele v horní části stromu. Veškerá komunikace probíhá mezi hostitelem a jednou periferií. V síti FireWire může síť ovládat jakýkoli schopný uzel.
  • USB běží s 5  V napájecím vedením, zatímco FireWire napájí 12 V a teoreticky může napájet až 30 V.
  • Standardní porty USB rozbočovače mohou poskytovat typický proud 500 mA/2,5 W, pouze 100 mA z jiných než rozbočovačů. Napájení USB 3.0 a USB On-The-Go 1,8 A/9,0 W (pro vyhrazené nabíjení baterie, 1,5 A/7,5 W plná šířka pásma nebo 900 mA/4,5 W velká šířka pásma), zatímco FireWire může teoreticky dodávat až 60 wattů energie , ačkoli typičtější je 10 až 20 wattů.

Tyto a další rozdíly odrážejí odlišné konstrukční cíle těchto dvou sběrnic: USB byl navržen pro jednoduchost a nízké náklady, zatímco FireWire byl navržen pro vysoký výkon, zejména v časově citlivých aplikacích, jako je audio a video. Ačkoli je teoretická maximální přenosová rychlost podobná, FireWire 400 je při reálném použití rychlejší než vysokorychlostní rozhraní USB 2.0, zejména při použití s ​​velkou šířkou pásma, jako jsou externí pevné disky. Novější standard FireWire 800 je dvakrát rychlejší než FireWire 400 a rychlejší než vysokorychlostní rozhraní USB 2.0, a to teoreticky i prakticky. Rychlostní výhody FireWire však závisí na nízkoúrovňových technikách, jako je přímý přístup do paměti (DMA), což zase vytvořilo příležitosti pro bezpečnostní exploity, jako je útok DMA .

Čipová sada a ovladače použité k implementaci USB a FireWire mají zásadní vliv na to, jak velké šířky pásma předepsané specifikací je v reálném světě dosaženo, spolu s kompatibilitou s periferiemi.

Ethernet

Standardy IEEE 802.3af , 802.3at a 802.3bt Power over Ethernet (PoE) určují propracovanější schémata vyjednávání o napájení než napájené USB. Pracují při 48 V  DC a mohou dodávat více energie (až 12,95 W pro 802.3af , 25,5 W pro 802.3at aka PoE+ , 71 W pro 802.3bt aka 4PPoE ) přes kabel až 100 metrů ve srovnání s USB 2.0, který poskytuje 2,5 W s maximální délkou kabelu 5 metrů. Díky tomu je PoE populární pro telefony VoIP , bezpečnostní kamery , bezdrátové přístupové body a další síťová zařízení v budovách. USB je však levnější než PoE za předpokladu, že je vzdálenost krátká a spotřeba energie nízká.

Standardy ethernetu vyžadují elektrické oddělení mezi síťovým zařízením (počítač, telefon atd.) A síťovým kabelem až do 1500 V AC nebo 2250 V DC po dobu 60 sekund. USB nemá žádné takové požadavky, protože bylo navrženo pro periferie úzce spojené s hostitelským počítačem a ve skutečnosti spojuje periferní a hostitelské zařízení. To dává ethernetu významnou bezpečnostní výhodu oproti USB s periferními zařízeními, jako jsou kabelové a DSL modemy připojené k externímu vedení, které za určitých poruchových podmínek může převzít nebezpečné napětí.

MIDI

Class USB Device Definice MIDI zařízení přenáší Music Instrument Digital Interface ( MIDI ) hudebních dat přes USB. Funkce MIDI je rozšířena tak, aby umožňovala až šestnáct současných virtuálních MIDI kabelů , z nichž každý může nést obvyklých šestnáct kanálů a hodin MIDI.

USB je konkurenceschopné pro levné a fyzicky sousedící zařízení. Power over Ethernet a standard MIDI plug mají však výhodu v zařízeních vyšší třídy, která mohou mít dlouhé kabely. USB může způsobit problémy se zemní smyčkou mezi zařízeními, protože spojuje pozemní reference na obou transceiverech. Naproti tomu standard MIDI plug a ethernet mají vestavěnou izolaci na 500 V nebo více.

eSATA/eSATAp

ESATA konektor je robustnější SATA konektor, určený pro připojení externích pevných disků a SSD. Přenosová rychlost eSATA (až 6 Gbit/s) je podobná rychlosti USB 3.0 (až 5 Gbit/s) a USB 3.1 (až 10 Gbit/s). Zařízení připojené pomocí eSATA se jeví jako běžné zařízení SATA, které poskytuje jak plný výkon, tak plnou kompatibilitu s interními jednotkami.

eSATA nedodává energii externím zařízením. Ve srovnání s USB je to stále větší nevýhoda. I když je 4,5 W USB 3.0 na napájení externích pevných disků někdy nedostatečné, technologie jde kupředu a externí disky postupně potřebují méně energie, což snižuje výhodu eSATA. eSATAp (power over eSATA; aka ESATA/USB) je konektor představený v roce 2009, který dodává energii připojeným zařízením pomocí nového, zpětně kompatibilního konektoru. Na notebooku eSATAp obvykle dodává pouze 5 V pro napájení 2,5palcového pevného disku/SSD; na stolní pracovní stanici může navíc napájet 12 V pro napájení větších zařízení včetně 3,5palcového pevného disku/SSD a 5,25palcových optických jednotek.

Podporu eSATAp lze přidat na stolní počítač ve formě držáku, který propojuje základní desky SATA, napájení a zdroje USB.

eSATA, stejně jako USB, podporuje připojení za provozu , i když to může být omezeno ovladači operačního systému a firmwarem zařízení.

Blesk

Thunderbolt kombinuje PCI Express a Mini DisplayPort do nového sériového datového rozhraní. Původní implementace Thunderboltu mají dva kanály, každý s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s, což má za následek souhrnnou jednosměrnou šířku pásma 20 Gbit/s.

Thunderbolt 2 využívá agregaci odkazů ke spojení dvou kanálů 10 Gbit/s do jednoho obousměrného kanálu 20 Gbit/s.

Thunderbolt 3 používá konektor USB-C . Thunderbolt 3 má dva fyzické obousměrné kanály 20 Gbit/s, agregované tak, aby vypadaly jako jeden logický obousměrný kanál 40 Gbit/s. Řadiče Thunderbolt 3 mohou obsahovat ovladač USB 3.1 Gen 2, který zajistí kompatibilitu se zařízeními USB. Jsou také schopné poskytovat alternativní režim DisplayPort přes konektor USB-C, takže port Thunderbolt 3 je nadmnožinou portu USB 3.1 Gen 2 s alternativním režimem DisplayPort.

Alt Mode DisplayPort 2.0: USB 4 podporuje DisplayPort 2.0 ve svém alternativním režimu. DisplayPort 2.0 může podporovat 8K rozlišení při 60 Hz s barvou HDR10. DisplayPort 2.0 může využívat až 80 Gbit/s, což je dvojnásobek množství dostupného pro data USB, protože odesílá všechna data v jednom směru (na monitor) a může tak využívat všech osm datových pruhů najednou.

Poté, co byla specifikace poskytnuta bez licenčních poplatků a bylo přeneseno správcovství protokolu Thunderbolt od společnosti Intel na fórum USB Implementers Forum, byl Thunderbolt 3 efektivně implementován do specifikace USB4-s kompatibilitou s Thunderbolt 3 volitelnou, ale podporovanou pro produkty USB4.

Interoperabilita

K dispozici jsou různé převaděče protokolů, které převádějí datové signály USB do a z jiných komunikačních standardů.

Bezpečnostní hrozby

  • BadUSB , viz také USB flash disk#BadUSB
  • Procesory Intel od Skylake umožňují převzít nad nimi kontrolu z USB 3.0.
  • USB zabiják
  • Jednotky USB flash byly pro první verze systému Windows XP nebezpečné, protože byly ve výchozím nastavení nakonfigurovány tak, aby spustily program zobrazený v Autorun.inf bezprostředně po připojení jednotky Flash, pomocí které se mohl automaticky aktivovat malware.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

Obecný přehled

Technická dokumentace