Univerzalno serijsko vodilo USB: definicija, delovanje, uporaba in zgodovina

Prva različica univerzalnega zaporednega vodila je bila ustvarjena leta 1995. Ta nova tehnologija je takoj postala uspešna. Od uvedbe USB so ljudje, ki izdelujejo elektronske naprave, razmišljali, kako bi ga lahko uporabljali v prihodnosti. Danes USB povezuje računalnik ali druge naprave, kot so prenosni računalniki in predvajalniki MP3, s perifernimi napravami.

Avtobus je predstavilo sedem podjetij, ki so vodilna v panogi informacijske tehnologije: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom in Digital Equipment Corporation (DEC).

Pred nekaj leti so se privrženci in razvijalci USB-ja v posebnem hotelu v Kaliforniji sestali na srečanju, imenovanem Plugfest, da bi preizkusili svoje naprave. Izbrali so hotel, v katerem so bile sobe za spanje in testiranje. Srečanje je trajalo tri dni. Na srečanju so predstavniki približno 50 podjetij svoje naprave USB priključili na en splošni gostiteljski sistem.

Tudi logotip naprave USB ima svojo zgodovino. Logotip USB se je razvijal več mesecev.

• 1994 - sedem podjetij se združi in začne razvijati USB.
• 1995 - 340 podjetij je ustanovilo Forum za implementacijo USB.
• 1996 - Po svetu je bilo razvitih že več kot petsto izdelkov USB.
• 1997 - Forum za izvajanje USB je postal bogatejši za 60 novih podjetij.
• 1998 - USB postane najbolj priljubljena tehnologija na trgu elektronike.
• 2000 - uvedba USB 2.0. Danes je to najpogosteje uporabljena naprava USB.
• 2005 - USB postane brezžičen.
• 2008 - predstavljen je USB 3.0. Je več kot 10-krat hitrejši od USB 2.0.
• 2013 - predstavljen je USB 3.1. Je približno dvakrat hitrejši od USB 3.0.
• 2015 - predstavljen je USB tipa C. Gre za obojestranski priključek, kar pomeni, da ga lahko priključite v obe smeri.

Trenutno se uporablja pet različnih standardov USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 in USB 3.1. Standard USB 3.1 je bil izdan leta 2016 in je podvojil hitrost standarda 3.0. Po želji uporablja drugačen priključek, imenovan USB Type-C, ki je reverzibilen (kar pomeni, da ga lahko priključite v obe smeri). USB 1.0 se zdaj redko uporablja.

USB ponuja pet različnih hitrosti prenosa: 1,5 MBit/s (t. i. nizka hitrost), 12 MBit/s (polna hitrost), 480 MBit/s (visoka hitrost), 5 Gbit/s (t. i. super hitrost) in 10 Gbit/s ("super hitrost+"). Hi speed je na voljo samo v USB 2.0 in novejših različicah, super speed pa samo v USB 3.0. Te hitrosti so surove bitne hitrosti (v milijonih bitov na sekundo). Dejanska hitrost prenosa podatkov je običajno nižja zaradi režijskih stroškov protokola.

Če želite uporabljati visoko hitrost prenosa, jo morata podpirati tako krmilnik USB kot priključena naprava. USB je združljiv za nazaj. Hitrejše in počasnejše naprave in krmilnike USB lahko povežete skupaj, vendar bodo delovali z nižjo hitrostjo.

Skoraj vsi računalniki, ki se danes prodajajo, imajo vrata USB in večina jih podpira USB 2.0 ali novejši. Vendar je število priključkov običajno omejeno. Običajno je med dvema in šestimi priključki. USB omogoča priključitev razdelilnikov USB za dodajanje več priključkov USB.

Tudi sama vozlišča so skladna z enim od standardov USB. Naprave, priključene na vozlišče USB 1.1, bodo delovale le tako hitro, kot je to mogoče pri standardu USB 1.1. Naprave, priključene na kasnejši krmilnik, lahko uporabljajo drugačne standarde.

USB je bil zasnovan tako, da je enostaven za uporabo. Inženirji so se učili na drugih priključkih, preden so zasnovali priključke USB. Na voljo so 3 priključki.

• Tip A, ki se običajno uporablja na računalniškem koncu kabla
• Micro-A (redko)
• Tip B, na perifernem koncu, redko, razen pri tiskalnikih
• Micro-B, na perifernem koncu, za večino pametnih telefonov
• Tip C, na obeh koncih. Od leta 2017 ga uporabljajo številni novi računalniki, telefoni in periferne naprave.

Uporabnost

• Priključka USB A ali B ni mogoče priključiti narobe. Ne moreta se vstaviti narobe, pri čemer je že na pogled in kinestetični občutek jasno, kdaj se vstavi pravilno. Včasih pa uporabnik ne razume ali ne vidi, kako gre priključek, zato je morda treba poskusiti na oba načina.
• Konektorje USB tipa C lahko priključite na oba načina. Ni pomembno, na kakšen način je priključek priključen.
• Za vklop ali izklop ga ni treba močno potiskati ali vleči. To je bilo navedeno v specifikaciji. Kabli USB in majhne naprave USB so na mestu zaradi sile, ki jo drži vtičnica. USB ne potrebuje vijakov, sponk ali drugih pritrdilnih elementov. Sila, ki je potrebna za vzpostavitev ali prekinitev povezave, je majhna. To omogoča, da lahko priključke izvedejo v nerodnih položajih ali gibalno ovirane osebe.
• Pred pojavom tipa C so priključki uveljavljali usmerjeno topologijo omrežja USB. USB ne podpira cikličnih omrežij, zato so priključki nezdružljivih naprav USB sami po sebi nezdružljivi. V nasprotju z drugimi komunikacijskimi sistemi (npr. kabli RJ-45) se pred pojavom USB-On-The-Go (OTG) menjalniki spola skoraj niso uporabljali, zato je bilo težko ustvariti ciklično omrežje USB.

Trajnost

• Priključki so zasnovani tako, da so trpežni. Zgodnje zasnove konektorjev so bile krhke, z zatiči ali drugimi občutljivimi sestavnimi deli, ki so se zlahka upognili ali zlomili, tudi če smo z njimi ravnali nežno. Električni kontakti v konektorju USB so zaščiteni s plastičnim jezičkom. Celoten priključni sklop je običajno dodatno zaščiten s kovinskim plaščem. Zato lahko s priključki USB varno ravna, jih vstavlja in odstranjuje tudi majhen otrok.
• Konstrukcija konektorja vedno zagotavlja, da se zunanji plašč na vtiču dotakne svojega nasprotnika v vtičnici, preden se povežejo štirje konektorji znotraj vtiča. Ta plašč je običajno povezan z ozemljitvijo sistema, kar omogoča varno odvajanje sicer škodljivih statičnih nabojev po tej poti (in ne prek občutljivih elektronskih komponent). Ta način ohišja pomeni tudi (zmerno) stopnjo zaščite signala USB pred elektromagnetnimi motnjami, medtem ko potuje skozi spojeni par konektorjev (to je edino mesto, kjer mora sicer zvit podatkovni par prepotovati razdaljo vzporedno). Poleg tega sta napajalna in skupna povezava izvedeni za sistemsko maso, vendar pred podatkovnimi povezavami. Ta vrsta postopnega časovnega razporeditve make-break omogoča varno zamenjavo v vročem stanju in je bila uporabljena za konektorje v letalski in vesoljski industriji.
• Novejše vtičnice USB mikro so zasnovane tako, da omogočajo do 10 000 ciklov vstavljanja in izvleka med vtičnico in vtičem, v primerjavi s 500 cikli pri standardnih vtičnicah USB in Mini-USB. To je doseženo z dodajanjem zaklepne naprave in s premikom priključka z listno vzmetjo z vtičnice na vtič, tako da je najbolj obremenjen del na kabelski strani povezave. Ta sprememba je bila narejena zato, da bi se namesto naprave micro-USB najbolj obrabil priključek na (razmeroma poceni) kablu.

Združljivost

• Standard USB določa razmeroma velike tolerance za združljive priključke USB. To je storjeno zato, da bi se čim bolj zmanjšala nezdružljivost priključkov, ki jih proizvajajo različni proizvajalci (cilj, ki je bil zelo uspešno dosežen). Za razliko od večine drugih standardov za priključke specifikacija USB določa tudi omejitve velikosti priključne naprave na območju okoli vtiča. To je bilo storjeno zato, da naprava zaradi svoje velikosti ne bi blokirala sosednjih priključkov. Ustrezne naprave morajo ustrezati omejitvam glede velikosti ali podpirati ustrezen podaljšek, ki to omogoča.
• Možna je tudi dvosmerna komunikacija. Običajno imajo kabli samo vtiče, gostitelji in naprave pa samo vtičnice: gostitelji imajo vtičnice tipa A, naprave pa tipa B. Vtiči tipa A se povezujejo samo z vtičnicami tipa A, tip B pa s tipom B. Vendar razširitev USB, imenovana USB On-The-Go, omogoča, da en sam priključek deluje kot gostitelj ali naprava - odvisno od tega, kateri konec kabla se vstavi v vtičnico na enoti. Tudi ko je kabel priključen in se enoti pogovarjata, lahko enoti pod nadzorom programa "zamenjata" konca. Ta možnost je namenjena enotam, kot so dlančniki, pri katerih se lahko povezava USB v enem primeru poveže z gostiteljskimi vrati osebnega računalnika kot naprava, v drugem primeru pa se kot gostitelj poveže z napravo s tipkovnico in miško.

Sistem USB ima asimetrično zasnovo. Sestavljen je iz gostitelja, več priključkov USB v nadaljevanju in več perifernih naprav, povezanih v zvezdasto topologijo. V stopnje so lahko vključena dodatna vozlišča USB, kar omogoča razvejitev v drevesno strukturo z največ petimi stopnjami.

Gostitelj USB ima lahko več gostiteljskih krmilnikov. Vsak gostiteljski krmilnik zagotavlja enega ali več vrat USB. Na en gostiteljski krmilnik je lahko priključenih do 127 naprav, vključno z napravami vozlišča.

Naprave USB so zaporedno povezane prek vozlišč. Vedno obstaja eno vozlišče, znano kot glavno vozlišče. Korensko vozlišče je vgrajeno v gostiteljski krmilnik. Obstajajo posebna vozlišča, imenovana "skupna vozlišča". Ta omogočajo več računalnikom dostop do istih perifernih naprav. Delujejo tako, da ročno ali samodejno preklapljajo dostop med računalniki. Priljubljena so v majhnih pisarnah. V omrežnem smislu konvergirajo in ne razvezujejo vej.

Fizična naprava USB ima lahko več logičnih podnaprav, ki se imenujejo funkcije naprave. Posamezna naprava ima lahko več funkcij, na primer spletno kamero (funkcija video naprave) z vgrajenim mikrofonom (funkcija zvočne naprave).

Komunikacija z napravami USB temelji na ceveh (logičnih kanalih). Cevi so povezave med gostiteljskim krmilnikom in logično enoto v napravi, imenovano končna točka. Izraz končna točka se občasno uporablja za napačno sklicevanje na cev. Naprava USB ima lahko do 32 aktivnih cevi, 16 v gostiteljski krmilnik in 16 iz njega.

Vsaka končna točka lahko prenaša podatke samo v eno smer, v napravo ali iz nje, zato je vsaka cev enosmerna. Končne točke so združene v vmesnike, vsak vmesnik pa je povezan z eno samo funkcijo naprave. Izjema je končna točka nič, ki se uporablja za konfiguracijo naprave in ni povezana z nobenim vmesnikom.

Ko je naprava USB prvič priključena na gostitelja USB, se začne postopek naštevanja naprave USB. Ta se začne s pošiljanjem ponastavitvenega signala napravi USB. Hitrost naprave USB se določi med ponastavitvenim signalom. Po ponastavitvi gostitelj prebere informacije o napravi USB, nato pa napravi dodeli edinstven 7-bitni naslov. Če gostitelj podpira napravo, se naložijo gonilniki naprave, ki so potrebni za komunikacijo z napravo, in naprava se nastavi v konfigurirano stanje. Če se gostitelj USB znova zažene, se postopek naštevanja ponovi za vse priključene naprave.

Gostiteljski krmilnik poizveduje o prometu na vodilu, običajno na krožni način, tako da nobena naprava USB ne more prenesti podatkov na vodilo brez izrecne zahteve gostiteljskega krmilnika.

Gostiteljski krmilniki

Računalniška strojna oprema, ki vsebuje gostiteljski krmilnik in korensko vozlišče, ima vmesnik za programator. Imenuje se gostiteljska krmilna naprava (HCD) in ga določi izvajalec strojne opreme.

Za USB 1.0 in 1.1 sta obstajali dve različni izvedbi HCD, in sicer Open Host Controller Interface (OHCI) in Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI so razvili Compaq, Microsoft in National Semiconductor, UHCI pa Intel.

Družba VIA Technologies je standard UHCI licencirala pri Intelu; vsi drugi proizvajalci čipovnih naborov uporabljajo OHCI. UHCI se bolj zanaša na programsko opremo. To pomeni, da je UHCI nekoliko bolj zahteven za procesor kot OHCI, vendar ga je lažje in ceneje izdelati. Ker sta obstajali dve različni izvedbi, so morali prodajalci operacijskih sistemov in strojne opreme razvijati in preizkušati obe izvedbi. To je povečalo stroške.

Specifikacija USB ne določa vmesnikov HCD in se z njimi ne ukvarja. Z drugimi besedami, USB določa obliko prenosa podatkov prek vrat, ne pa sistema, s katerim strojna oprema USB komunicira z računalnikom, v katerem je nameščena.

V fazi načrtovanja USB 2.0 je združenje USB-IF vztrajalo, da je na voljo le ena izvedba. Izvedba HCD USB 2.0 se imenuje EHCI (Enhanced Host Controller Interface). Samo vmesnik EHCI lahko podpira prenose visoke hitrosti (480 Mbit/s). Večina krmilnikov EHCI, ki temeljijo na PCI, ima druge implementacije HCD, imenovane "spremljevalni gostiteljski krmilnik", ki podpirajo polno hitrost (12 Mbit/s) in se lahko uporabljajo za vsako napravo, ki trdi, da je član določenega razreda. Operacijski sistem naj bi implementiral vse razrede naprav, zato lahko zagotovi splošne gonilnike za katero koli napravo USB. O razredih naprav odloča delovna skupina za naprave foruma USB Implementers Forum.

Razredi naprav USB

Razredi naprav vključujejo:

Opomba razred 0: Uporabite informacije o razredu v opisnikih vmesnikov. Ta osnovni razred je opredeljen za uporabo v opisnikih naprave, da se označi, da je treba informacije o razredu določiti iz opisnikov vmesnikov v napravi.

• FireWire