Universal Serial Bus (USB) to interfejs do nawiązywania komunikacji między urządzeniami a kontrolerem hosta (Zwykle komputerem osobistym). Obecnie USB zastąpiło wiele wcześniejszych interfejsów PC (takich jak szeregowy RS-232, port równoległy, a nawet FireWire). Ze względu na możliwość zasilania urządzeń wstępnych USB jest często używane jako ładowarka do urządzeń przenośnych.

Architektura systemu USB składa się z kontrolera hosta, portów USB i wielu podłączonych urządzeń. Dodatkowe koncentratory USB mogą być dołączone, umożliwiając rozgałęzianie się w strukturę drzewa z maksymalnie pięcioma poziomami. USB może łączyć urządzenia peryferyjne, takie jak myszy, klawiatury, aparaty cyfrowe, PDA, telefony komórkowe, drukarki, osobiste odtwarzacze multimedialne, urządzenia Media Transfer Protocol (MTP), pamięci flash, GPS, Karty Sieciowe i Zewnętrzne Dyski twarde. Dla wielu z tych urządzeń USB stało się standardową metodą połączenia.

interfejs USB ma na celu usunięcie konieczności dodawania kart rozszerzeń do magistrali PCI lub PCI-Express komputera i poprawić możliwości plug-and-play, umożliwiając urządzenia być hot swap lub dodane do systemu bez ponownego uruchamiania komputera.

USB connectors

There are several types of USB connectors. Złącze zamontowane na Hostie lub urządzeniu nazywa się gniazdem, A złącze przymocowane do kabla nazywa się wtyczką. Oryginalna Specyfikacja USB wyszczególniła wtyczki i gniazda Standard-A i Standard-B. Obecnie znanych jest 7 złączy USB: Standard-A, Standard-B, Mini-A, Mini-B, Micro-A, Micro-AB, Micro-B, Type-C. pinout Mini-USB i pinout Micro-USB różnią się nieco: standardowe USB używa 4 pinów, podczas gdy Mini-USB i Micro-USB używają 5 pinów w złączu. Dodatkowy pin służy jako dołączony wskaźnik obecności urządzenia.

sygnały pinout USB

USB jest magistralą szeregową. Wykorzystuje 4 ekranowane przewody: dwa do zasilania (+5V & GND) i dwa do różnicowych sygnałów danych (oznaczonych jako D+ i D – in pinout). Schemat kodowania Nrzi (Non Return To Zero Invert) używany do wysyłania danych z polem synchronizacji w celu synchronizacji zegarów hosta i odbiornika. W kablu danych USB sygnały Data+ i Data – są przesyłane na skrętce. Nie ma potrzeby terminacji. Half-duplex differential signaling pomaga zwalczać skutki zakłóceń elektromagnetycznych na dłuższych liniach. Wbrew powszechnemu przekonaniu, D+ i D – działają razem; nie są to oddzielne połączenia simplex. USB 2.0 zapewnia maksymalną długość kabla 5 metrów dla urządzeń pracujących z prędkością Hi.

tryby transferu USB

uniwersalna magistrala szeregowa obsługuje tryby sterowania, przerwania, masowego i Izochronicznego transferu.

specyfikacje interfejsów USB.

istnieje kilka głównych wersji USB znanych obecnie:

USB 1.0 – Low Speed lub Full Speed

• wydany w 1996 roku.
• określa szybkość transmisji danych na poziomie 1.5 Mbit/s (niska przepustowość, jest najczęściej używana dla ludzkich urządzeń wejściowych (HID), takich jak klawiatury, myszki, joysticki i często przyciski na urządzeniach o większej prędkości, takich jak drukarki lub skanery) i 12 Mbit/s (Pełna przepustowość).
• Obecnie jest nadal używana przez niektóre urządzenia, które nie potrzebują szybszego transferu danych.

USB 2.0 – High Speed

• wydany w 2000 roku
• oprócz USB 1.0 dodaje szybkość sygnalizacji 480 Mbit/s (Hi-Speed)
• kompatybilny z USB 1.0, ale niektóre urządzenia zaprojektowane dla USB 2.0 mogą nie działać z kontrolerami hosta USB 1.0.

USB 3.0 – SuperSpeed

• wydany w 2008 r.
• dodano szybkość transmisji do 5 Gbit/s (SuperSpeed)
• USB 3.1 wydany w 2013 r. dodano Szybkość Transmisji SuperSpeed+ do 10 Gbit/s
• USB 3.2 wydany w 2017 r. dodano Szybkość Transmisji SuperSpeed+ do 20 Gbit/s i tryby multi-link

USB 1.0 i USB 2.0 mają ten sam pinout złącza, pinout USB 3.0 i USB Type C mają nowe złącza z własnymi pinoutami.

Urządzenie USB musi wskazywać swoją prędkość poprzez pociągnięcie linii D+ lub D do 3,3 V. Te oporniki podciągania na końcu urządzenia będą również używane przez host lub koncentrator do wykrywania obecności urządzenia podłączonego do jego portu. Bez rezystora pull up USB zakłada, że do magistrali nie ma nic podłączonego.

aby pomóc użytkownikowi zidentyfikować maksymalną prędkość urządzenia, Urządzenie USB często określa swoją prędkość na okładce za pomocą jednego ze specjalnych logo marketingowych USB.

gdy nowe urządzenie po raz pierwszy się podłączy, host wylicza je i ładuje sterownik urządzenia niezbędny do jego uruchomienia. Ładowanie odpowiedniego sterownika odbywa się za pomocą kombinacji PID/VID (ID Produktu/ID dostawcy) dostarczanej przez dołączony sprzęt. Kontrolery hostów USB mają swoje własne specyfikacje: UHCI (Universal Host Controller Interface), OHCI (Open Host Controller Interface) z USB 1.1, EHCI (Enhanced Host Controller Interface) jest używany z USB 2.0.

urządzenia zasilane przez USB

złącze USB zapewnia pojedynczy przewód 5 V, z którego podłączone urządzenia USB mogą same się zasilać. Dany segment magistrali jest przystosowany do zasilania do 500 mA. Jest to często wystarczające do zasilania kilku urządzeń, chociaż budżet ten musi być dzielony między wszystkie urządzenia znajdujące się za węzłem bez zasilania. Urządzenie zasilane z magistrali może zużywać tyle mocy, ile pozwala na to port, do którego jest podłączone.

Koncentratory zasilane magistralą mogą nadal dystrybuować zasilanie magistrali do podłączonych urządzeń, ale specyfikacja USB pozwala tylko na jeden poziom urządzeń zasilanych magistralą z koncentratora zasilanego magistralą. Uniemożliwia to podłączenie koncentratora zasilanego magistralą do innego koncentratora zasilanego magistralą. Wiele koncentratorów zawiera zewnętrzne zasilacze, które zasilają podłączone przez nie Urządzenia bez pobierania zasilania z magistrali. Urządzenia, które potrzebują więcej niż 500 mA lub więcej niż 5 woltów, muszą zapewnić własne zasilanie.

gdy urządzenia USB (w tym Huby) są najpierw podłączone, są one przesłuchiwane przez kontroler hosta, który pyta o ich maksymalne zapotrzebowanie na moc. Wydaje się jednak, że każde obciążenie podłączone do portu USB może być traktowane przez system operacyjny jako urządzenie. System operacyjny hosta zazwyczaj śledzi wymagania dotyczące zasilania sieci USB i może ostrzegać operatora komputera, gdy dany segment wymaga większej mocy niż jest dostępna i może wyłączać urządzenia w celu utrzymania zużycia energii w dostępnym zasobie.

wykorzystanie zasilania USB:

aby rozpoznać ładowanie akumulatora, dedykowany port ładowania umieszcza rezystancję nieprzekraczającą 200 Ω na zaciskach D+ I d−.

tryb dedykowanej Ładowarki:

prosta Ładowarka USB powinna zawierać Rezystor 200 Ohm między przewodami D+ I d (czasami wystarcza krótki układ D+ I d – razem). Urządzenie nie będzie wtedy próbowało transmitować ani odbierać danych, ale może pobierać do 1,8 A, jeśli zasilanie może to zapewnić.

napięcie USB:

napięcie zasilane przez port hosta lub koncentratora wynosi od 4,75 V do 5,25 V. maksymalny spadek napięcia dla koncentratorów zasilanych magistralą wynosi 0,35 V od hosta lub koncentratora do portu wyjściowego koncentratora. Wszystkie Koncentratory i funkcje muszą być w stanie przesyłać dane konfiguracyjne pod napięciem 4,4 V, ale tylko funkcje niskiego zasilania muszą pracować przy tym napięciu. Normalne napięcie robocze dla funkcji wynosi minimum 4,75 V.

ekranowanie kabla USB:

Ekran powinien być podłączony tylko do masy u hosta. Żadne urządzenie nie powinno łączyć osłony z ziemią.

przewody kabla USB:

ekranowane:
dane: 28 AWG skręcone
Moc: 28 AWG – 20 AWG non-twisted

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