Universal Serial Bus (USB) è un’interfaccia per stabilire la comunicazione tra dispositivi e un controller host (di solito personal computer). Oggigiorno USB ha sostituito una varietà di interfacce PC precedenti (come seriale RS-232, porta parallela e persino FireWire). A causa della capacità di fornire alimentazione ai dispositivi preipheral USB viene spesso utilizzato come caricabatterie per dispositivi portatili.

Un’architettura di sistema USB è costituita da un controller host, una porta USB e più dispositivi collegati. Hub USB aggiuntivi possono essere inclusi consentendo ramificazione in una struttura ad albero con un massimo di cinque livelli di livello. USB può collegare periferiche per computer come mouse, tastiere, fotocamere digitali, PDA, telefoni cellulari, stampanti, lettori multimediali personali, dispositivi MTP (Media Transfer Protocol), unità flash, GPS, adattatori di rete e dischi rigidi esterni. Per molti di questi dispositivi, USB è diventato il metodo di connessione standard.

Interfaccia USB mirava a rimuovere la necessità di aggiungere schede di espansione nel bus PCI o PCI-Express del computer e migliorare le funzionalità plug-and-play consentendo ai dispositivi di essere scambiati a caldo o aggiunti al sistema senza riavviare il computer.

USB connectors

There are several types of USB connectors. Il connettore montato sull’host o sul dispositivo è chiamato presa e il connettore collegato al cavo è chiamato spina. La specifica originale USB dettagliata Standard-A e Standard-B spine e prese. Oggigiorno ci sono 7 connettori USB noti: Standard-A, Standard-B, Mini-A , Mini-B, Micro-A, Micro-AB, Micro-B, Type-C. La piedinatura Mini-USB e la piedinatura Micro-USB sono leggermente diverse: USB standard utilizza 4 pin mentre Mini-USB e Micro-USB utilizza 5 pin nel connettore. Il pin aggiuntivo viene utilizzato come indicatore di presenza del dispositivo collegato.

Segnali di pinout USB

USB è un bus seriale. Utilizza 4 fili schermati: due per l’alimentazione (+5v & GND) e due per segnali di dati differenziali (etichettati come pinout D+ e D – in). Schema di codifica NRZI (Non Return to Zero Invert) utilizzato per inviare dati con un campo di sincronizzazione per sincronizzare gli orologi host e ricevitore. Nel cavo dati USB I dati + e i segnali Dati vengono trasmessi su una coppia intrecciata. Nessuna terminazione necessaria. La segnalazione differenziale half-duplex aiuta a combattere gli effetti del rumore elettromagnetico su linee più lunghe. Contrariamente alla credenza popolare, D + e D – operano insieme; non sono connessioni simplex separate. USB 2.0 prevede una lunghezza massima del cavo di 5 metri per i dispositivi che funzionano ad alta velocità.

Modalità di trasferimento USB

Il bus seriale Univeral supporta le modalità di trasferimento di controllo, Interrupt, Bulk e isocrono.

Interfacce USB specifiche.

Ci sono alcune importanti versioni USB noti oggigiorno:

USB 1.0 – Bassa velocità o piena velocità

• rilasciato nel 1996.
• Specifica velocità dati pari a 1.5 Mbit / s (a bassa larghezza di banda, viene utilizzato principalmente per dispositivi di input umani (HID) come tastiere, mouse, joystick e spesso i pulsanti su dispositivi a velocità più elevata come stampanti o scanner) e 12 Mbit/s (larghezza di banda completa).
• al giorno d’oggi è ancora utilizzato da alcuni dispositivi che non hanno bisogno di velocità di trasferimento dati più veloci.

USB 2.0 ad Alta Velocità

• pubblicato nel 2000
• oltre a USB 1.0 aggiunge segnalazione velocità di 480 Mbit/s (Hi-Speed)
• compatibile con USB 1.0, ma alcuni componenti hardware progettato per USB 2.0 potrebbe non funzionare con USB 1.0 host controller.

USB 3.0 – SuperSpeed

• uscito nel 2008
• maggiore velocità di trasmissione fino a 5 Gbit/s (SuperSpeed)
• USB 3.1 rilasciato in 2013 aggiunta SuperSpeed+ velocità di trasmissione fino a 10 Gbit/s
• USB 3.2 rilasciato nel 2017 aggiunto SuperSpeed+ velocità di trasmissione fino a 20 Gbit/s e multi-link

USB 1.0 e USB 2.0 condivide la stessa piedinatura del connettore, USB 3.0 pin e USB di Tipo C, dispone di connettori di nuovo con il proprio pin.

Un dispositivo USB deve indicare la sua velocità tirando la linea D + o D alta a 3,3 volt. Questi resistori di pull up all’estremità del dispositivo verranno utilizzati anche dall’host o dall’hub per rilevare la presenza di un dispositivo collegato alla sua porta. Senza un resistore di pull up, USB presuppone che non ci sia nulla collegato al bus.

Al fine di aiutare l’utente a identificare la velocità massima del dispositivo, un dispositivo USB spesso specifica la sua velocità sulla sua copertina con uno dei loghi di marketing speciali USB.

Quando il nuovo dispositivo si collega per la prima volta, l’host lo enumera e carica il driver di periferica necessario per eseguirlo. Il caricamento del driver appropriato viene effettuato utilizzando una combinazione PID/VID (ID prodotto / ID fornitore) fornita dall’hardware collegato. Il controller host USB ha le proprie specifiche: UHCI (Universal Host Controller Interface), OHCI (Open Host Controller Interface) con USB 1.1, EHCI (Enhanced Host Controller Interface) viene utilizzato con USB 2.0.

Dispositivi USB alimentati

Il connettore USB fornisce un singolo cavo da 5 volt da cui i dispositivi USB collegati possono alimentarsi. Un dato segmento del bus è specificato per fornire fino a 500 mA. Questo è spesso sufficiente per alimentare diversi dispositivi, anche se questo budget deve essere condiviso tra tutti i dispositivi a valle di un hub non alimentato. Un dispositivo alimentato da bus può utilizzare tutta la potenza consentita dalla porta a cui è collegato.

Gli hub alimentati dal bus possono continuare a distribuire l’alimentazione fornita dal bus ai dispositivi collegati, ma la specifica USB consente solo un singolo livello di dispositivi alimentati dal bus da un hub alimentato dal bus. Ciò non consente il collegamento di un hub alimentato da bus a un altro hub alimentato da bus. Molti hub includono alimentatori esterni che alimenteranno i dispositivi collegati attraverso di essi senza prendere il potere dal bus. I dispositivi che necessitano di più di 500 Ma o superiore a 5 volt devono fornire la propria alimentazione.

Quando i dispositivi USB (inclusi gli hub) sono collegati per la prima volta, vengono interrogati dal controller host, che chiede a ciascuno i loro requisiti di potenza massima. Tuttavia, sembra che qualsiasi carico collegato alla porta USB possa essere trattato dal sistema operativo come dispositivo. Il sistema operativo host in genere tiene traccia dei requisiti di alimentazione della rete USB e può avvertire l’operatore del computer quando un determinato segmento richiede più potenza di quella disponibile e può spegnere i dispositivi al fine di mantenere il consumo energetico all’interno della risorsa disponibile.

di potere di USB di utilizzo:

Per riconoscere la carica della batteria, una porta di ricarica dedicata pone una resistenza non superiore a 200 Ω attraverso i terminali D+ e D−.

Modalità caricabatterie dedicato:

Un semplice caricabatterie USB dovrebbe incorporare una resistenza da 200 Ohm tra i fili D+ e D (a volte è sufficiente un cortocircuito D+ e D – insieme). Il dispositivo non tenterà quindi di trasmettere o ricevere dati, ma può elaborare fino a 1,8 A, se l’alimentazione può fornirlo.

Tensione USB:

Tensione in dotazione da un host o un hub alimentato porte è tra 4.75 V e 5.25 V. Caduta di tensione massima per bus-powered mozzi è 0.35 V dal suo host o hub per i mozzi porta di uscita. Tutti gli hub e le funzioni devono essere in grado di inviare i dati di configurazione a 4,4 V, ma solo le funzioni a bassa potenza devono funzionare a questa tensione. Normale tensione di funzionamento per le funzioni è minimo 4.75 V.

cavo USB schermatura:

Scudo deve essere collegato solo a terra presso l’host. Nessun dispositivo deve collegare Shield a terra.

Cavo USB fili:

Schermato:
Dati: 28 AWG twisted
Potenza: 28 AWG – 20 AWG non-twisted

Non-shielded:
Data: 28 AWG non-twisted
Power: 28 AWG – 20 AWG non-twisted