Univerzálna sériová zbernica

Univerzálna sériová zbernica (USB) je technológia, ktorá umožňuje pripojenie elektronického zariadenia k počítaču. Je to rýchla sériová zbernica.

Používa sa najmä v osobných počítačoch. USB sa používa aj v iných zariadeniach, ako sú smartfóny a herné konzoly. USB spája rôzne zariadenia pomocou štandardného rozhrania.

Väčšina ľudí používa USB pre počítačové myši, klávesnice, skenery, tlačiarne, digitálne fotoaparáty a USB flash disky. Na svete je viac ako šesť miliárd zariadení USB.

Norma bola vytvorená s cieľom zlepšiť zariadenia typu plug and play. To znamená, že zariadenie možno zapojiť do voľnej zásuvky a jednoducho funguje. Počítač si zariadenie všimne. Počítač niekedy nainštaluje špeciálny softvér na používanie zariadenia. Zariadenie sa dá odstrániť, keď sa prestane používať. Táto technológia sa nazýva "hot swapping". "Hot swapping" znamená, že ho možno zapojiť a odpojiť, keď je zapnuté napájanie. Počítač nemusí byť vypnutý, aby ľudia mohli zariadenia vymeniť.

USB môže prostredníctvom kábla USB poskytovať pripojenému zariadeniu malé množstvo energie. Zariadenia, ktoré potrebujú len malé množstvo energie, ju môžu získať zo zbernice a nepotrebujú samostatnú elektrickú zástrčku. To umožňuje používanie takých pomôcok, ako sú nabíjačky batérií USB, svetlá a ventilátory.

Od roku 2015 USB väčšinou nahradilo niekoľko starších štandardov. Medzi ne patrí paralelný port, sériový port a SCSI. Tieto staré štandardy sa stále používajú na niekoľko úloh, kde ich USB nemôže nahradiť.

Zástrčka USB typu AZoom
Zástrčka USB typu A

Stručná história

Prvá verzia univerzálnej sériovej zbernice vznikla v roku 1995. Táto nová technológia sa okamžite stala úspešnou. Od uvedenia USB ľudia, ktorí vyrábajú elektronické zariadenia, premýšľali o tom, ako by sa dalo v budúcnosti využiť. Dnes USB spája počítač alebo iné zariadenia, ako sú notebooky a MP3 prehrávače, s periférnymi zariadeniami.

Autobus predstavilo sedem spoločností, ktoré predstavujú lídrov v odvetví informačných technológií: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom a Digital Equipment Corporation (DEC).

Niekoľko rokov predtým sa v špeciálnom hoteli v Kalifornii konalo stretnutie s názvom Plugfest, na ktorom si osvojitelia a vývojári USB testovali svoje zariadenia. Vybrali si hotel, v ktorom boli izby na spanie a na testovanie. Stretnutie trvalo tri dni. Počas stretnutia zástupcovia približne 50 spoločností pripojili svoje zariadenia USB k jednému všeobecnému hostiteľskému systému.

Logo zariadenia USB má tiež svoju históriu. Logo USB sa vyvíjalo niekoľko mesiacov.

  • 1994 - sedem spoločností sa spojilo, aby začali vyvíjať USB.
  • 1995 - 340 spoločností založilo fórum USB Implementation Forum.
  • 1996 - Na celom svete už vzniklo viac ako päťsto produktov USB.
  • 1997 - Fórum pre implementáciu USB sa rozrástlo o ďalších 60 spoločností.
  • 1998 - USB sa stáva najpopulárnejšou technológiou na trhu s elektronikou.
  • 2000 - uvedenie rozhrania USB 2.0. Dnes predstavuje najpoužívanejšie zariadenie USB.
  • 2005 - USB sa stáva bezdrôtovým.
  • 2008 - je predstavený USB 3.0. Je viac ako 10-krát rýchlejší ako USB 2.0.
  • 2013 - predstavenie USB 3.1. Je približne dvakrát rýchlejší ako USB 3.0.
  • 2015 - predstavenie USB typu C. Je to obojstranný konektor, čo znamená, že ho môžete zapojiť oboma smermi.
Zástrčka USB-B plnej veľkostiZoom
Zástrčka USB-B plnej veľkosti

Rôzne normy

V súčasnosti sa používa päť rôznych štandardov USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 a USB 3.1. Štandard USB 3.1 bol vydaný v roku 2016 a zdvojnásobil rýchlosť štandardu 3.0. Voliteľne používa iný konektor s názvom USB typu C, ktorý je obojstranný (to znamená, že ho môžete zapojiť oboma smermi). USB 1.0 sa v súčasnosti používa len zriedkavo.

USB ponúka päť rôznych prenosových rýchlostí: 1,5 MBit/s (tzv. nízka rýchlosť), 12 MBit/s (plná rýchlosť), 480 MBit/s (vysoká rýchlosť), 5 Gbit/s (tzv. super rýchlosť) a 10 Gbit/s ("super rýchlosť+"). Hi speed je k dispozícii len v USB 2.0 a novších verziách a super speed je k dispozícii len v USB 3.0. Tieto rýchlosti predstavujú hrubé prenosové rýchlosti (v miliónoch bitov za sekundu). Skutočná rýchlosť prenosu dát je zvyčajne nižšia kvôli réžii protokolu.

Ak chcete používať vysokú prenosovú rýchlosť, musí ju podporovať radič USB aj pripojené zariadenie. USB je spätne kompatibilné. Rýchlejšie a pomalšie zariadenia a radiče USB môžu byť pripojené spolu, ale budú pracovať pomalšou rýchlosťou.

Rozbočovače USB

Takmer všetky dnes predávané počítače majú porty USB a väčšina z nich podporuje rozhranie USB 2.0 alebo novšie. Počet portov je však zvyčajne obmedzený. Bežné sú dva až šesť portov. USB umožňuje pripojiť rozbočovače USB a pridať tak ďalšie porty USB.

Samotné rozbočovače sú tiež v súlade s jedným zo štandardov USB. Zariadenia pripojené k rozbočovaču USB 1.1 budú pracovať len tak rýchlo, ako je rýchlosť USB 1.1. Zariadenia pripojené k neskoršiemu radiču môžu používať iné štandardy.

Rozbočovače USB, ako je tento, sú bežné.Zoom
Rozbočovače USB, ako je tento, sú bežné.

Konektory USB

USB bolo navrhnuté tak, aby sa ľahko používalo. Inžinieri sa pred navrhnutím konektorov USB poučili z iných konektorov. Existujú 3 konektory.

  • Typ A, bežne sa používa na konci kábla počítača
    • Micro-A (zriedkavé)
  • Typ B, na periférnom konci, zriedkavé okrem tlačiarní
    • Micro-B, na periférnom konci, pre väčšinu smartfónov
  • Typ C, na oboch koncoch. Od roku 2017 ho používa mnoho nových počítačov, telefónov a periférnych zariadení.

Použiteľnosť

  • Nie je možné zapojiť konektor USB A alebo B nesprávnym spôsobom. Nemôžu ísť hore nohami a je to zrejmé z pohľadu a kinestetického pocitu, keď ide správne. Niekedy však používateľ nerozumie alebo nevidí, ako konektor ide, takže môže byť potrebné vyskúšať oba spôsoby.
  • Konektory USB typu C sa dajú zapojiť oboma spôsobmi. Nezáleží na tom, ktorým spôsobom je konektor zapojený.
  • Pri zapájaní a odpájaní nie je potrebné silno tlačiť ani ťahať. Toto bolo uvedené v špecifikácii. Káble USB a malé zariadenia USB sú držané na mieste silou uchopenia zo zásuvky. USB nepotrebuje skrutky, svorky ani iné upevňovacie prvky. Sila potrebná na vytvorenie alebo prerušenie spojenia je malá. To umožňuje pripojenie v nepohodlných polohách alebo osobám s pohybovým postihnutím.
  • Pred príchodom typu C konektory presadzovali smerovú topológiu siete USB. USB nepodporuje cyklické siete, takže konektory z nekompatibilných zariadení USB sú samy o sebe nekompatibilné. Na rozdiel od iných komunikačných systémov (napr. kabeláž RJ-45) sa pred príchodom USB-On-The-Go (OTG) takmer nikdy nepoužívali meniče pohlaví, čo sťažovalo vytvorenie cyklickej siete USB.

Trvanlivosť

  • Konektory sú navrhnuté tak, aby boli odolné. Prvé konštrukcie konektorov boli krehké, s kolíkmi alebo inými jemnými komponentmi, ktoré sa mohli ľahko ohnúť alebo zlomiť, aj keď sa s nimi zaobchádzalo šetrne. Elektrické kontakty v konektore USB sú chránené plastovým jazýčkom. Celá spojovacia zostava je zvyčajne ďalej chránená kovovým plášťom. Vďaka tomu môže s konektormi USB bezpečne manipulovať, zasúvať ich a vyberať aj malé dieťa.
  • Konštrukcia konektora vždy zabezpečuje, aby sa vonkajší plášť na zástrčke dotýkal svojho náprotivku v zásuvke skôr, ako sa spoja štyri konektory vo vnútri. Tento plášť je zvyčajne spojený so zemou systému, čo umožňuje bezpečné odvedenie inak škodlivého statického náboja touto cestou (a nie cez citlivé elektronické komponenty). Tento spôsob krytia tiež znamená (mierny) stupeň ochrany pred elektromagnetickým rušením, ktorý je poskytovaný signálu USB počas jeho prechodu cez spojenú dvojicu konektorov (toto je jediné miesto, keď inak skrútený dátový pár musí prekonávať vzdialenosť paralelne). Napájacie a spoločné pripojenie sa vykonáva za systémovou zemou, ale pred dátovými pripojeniami. Tento typ postupného časovania make-break umožňuje bezpečnú výmenu za prevádzky a používa sa pri konektoroch v leteckom priemysle.
  • Novšie zásuvky USB micro sú navrhnuté tak, aby umožňovali až 10 000 cyklov zasunutia a vysunutia medzi zásuvkou a konektorom v porovnaní s 500 cyklami pri štandardných zásuvkách USB a Mini-USB. To sa dosiahlo pridaním blokovacieho zariadenia a presunutím konektora s listovou pružinou z konektora do zástrčky, takže najviac namáhaná časť je na strane kábla pripojenia. Táto zmena bola vykonaná tak, aby sa najviac opotrebovával konektor na (relatívne lacnom) kábli namiesto zariadenia micro-USB.

Kompatibilita

  • Štandard USB stanovuje pomerne veľké tolerancie pre kompatibilné konektory USB. To sa robí s cieľom minimalizovať nekompatibilitu konektorov vyrábaných rôznymi výrobcami (tento cieľ sa veľmi úspešne dosiahol). Na rozdiel od väčšiny ostatných štandardov konektorov špecifikácia USB definuje aj obmedzenia veľkosti pripojeného zariadenia v oblasti okolo jeho konektora. To sa urobilo preto, aby sa zabránilo tomu, že zariadenie bude blokovať susedné porty kvôli svojej veľkosti. Kompatibilné zariadenia sa musia buď zmestiť do obmedzení veľkosti, alebo musia podporovať kompatibilný predlžovací kábel, ktorý ich spĺňa.
  • Možná je aj obojsmerná komunikácia. Káble majú zvyčajne len zástrčky a hostitelia a zariadenia majú len zásuvky: hostitelia majú zásuvky typu A a zariadenia typu B. Zástrčky typu A sa spájajú len so zásuvkami typu A a typ B so zásuvkami typu B. Rozšírenie USB nazývané USB On-The-Go však umožňuje, aby jeden port fungoval buď ako hostiteľ, alebo ako zariadenie - podľa toho, ktorý koniec kábla sa zasunie do zásuvky na jednotke. Aj po zapojení kábla a komunikácii medzi jednotkami si môžu obe jednotky "vymeniť" konce pod kontrolou programu. Toto zariadenie je určené pre jednotky, ako sú PDA, kde sa prepojenie USB môže v jednom prípade pripojiť k hostiteľskému portu počítača ako zariadenie, ale v inom prípade sa môže pripojiť ako hostiteľ k zariadeniu s klávesnicou a myšou.
Konektor a zásuvka série "A".Zoom
Konektor a zásuvka série "A".

Konektor USB typu C.Zoom
Konektor USB typu C.

Predlžovací kábel USBZoom
Predlžovací kábel USB

Ako sa vykonáva USB

Systém USB má asymetrický dizajn. Pozostáva z hostiteľa, niekoľkých nadväzujúcich portov USB a viacerých periférnych zariadení zapojených do hviezdicovej topológie. Do úrovní môžu byť zahrnuté ďalšie rozbočovače USB, ktoré umožňujú rozvetvenie do stromovej štruktúry s maximálne piatimi úrovňami úrovní.

Hostiteľ USB môže mať viacero hostiteľských radičov. Každý hostiteľský radič poskytuje jeden alebo viac portov USB. K jednému hostiteľskému radiču môže byť pripojených až 127 zariadení vrátane zariadení rozbočovača.

Zariadenia USB sú sériovo prepojené prostredníctvom rozbočovačov. Vždy existuje jeden rozbočovač známy ako hlavný rozbočovač. Koreňový rozbočovač je zabudovaný v hostiteľskom radiči. Existujú špeciálne rozbočovače, ktoré sa nazývajú "zdieľajúce rozbočovače". Tie umožňujú viacerým počítačom prístup k rovnakým periférnym zariadeniam. Fungujú tak, že prepínajú prístup medzi počítačmi, a to buď manuálne, alebo automaticky. Sú obľúbené v malých kanceláriách. Z hľadiska siete skôr konvergujú ako rozvádzajú vetvy.

Fyzické zariadenie USB môže mať niekoľko logických podzariadení, ktoré sa označujú ako funkcie zariadenia. Jedno zariadenie môže poskytovať niekoľko funkcií, napríklad webovú kameru (funkcia video zariadenia) so zabudovaným mikrofónom (funkcia audio zariadenia).

Komunikácia zariadení USB je založená na potrubiach (logických kanáloch). Rúrky sú spojenia z hostiteľského radiča do logickej entity na zariadení s názvom koncový bod. Pojem koncový bod sa občas používa na nesprávne označenie potrubia. Zariadenie USB môže mať až 32 aktívnych potrubí, 16 do hostiteľského radiča a 16 z radiča.

Každý koncový bod môže prenášať údaje len jedným smerom, buď do zariadenia, alebo zo zariadenia, takže každá rúrka je jednosmerná. Koncové body sú zoskupené do rozhraní a každé rozhranie je spojené s jednou funkciou zariadenia. Výnimkou je koncový bod nula, ktorý sa používa na konfiguráciu zariadenia a ktorý nie je priradený k žiadnemu rozhraniu.

Pri prvom pripojení zariadenia USB k hostiteľovi USB sa spustí proces vymenovania zariadenia USB. Vyčíslenie sa začne odoslaním signálu reset do zariadenia USB. Počas signalizácie resetovania sa určí rýchlosť zariadenia USB. Po resetovaní hostiteľ prečíta informácie o zariadení USB a potom zariadeniu pridelí jedinečnú 7-bitovú adresu. Ak je zariadenie podporované hostiteľom, načítajú sa ovládače zariadenia potrebné na komunikáciu so zariadením a zariadenie sa nastaví do nakonfigurovaného stavu. Ak sa hostiteľ USB reštartuje, proces vymenovania sa opakuje pre všetky pripojené zariadenia.

Hostiteľský radič sa pýta zbernice na prenos dát, zvyčajne spôsobom round-robin, takže žiadne zariadenie USB nemôže prenášať žiadne dáta na zbernici bez výslovnej požiadavky od hostiteľského radiča.

Hostiteľské ovládače

Počítačový hardvér, ktorý obsahuje hostiteľský radič a koreňový rozbočovač, má rozhranie pre programátor. Nazýva sa Host Controller Device (HCD) a definuje ho implementátor hardvéru.

Pre USB 1.0 a 1.1 existovali dve rôzne implementácie HCD: Open Host Controller Interface (OHCI) a Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI vyvinuli spoločnosti Compaq, Microsoft a National Semiconductor, UHCI spoločnosť Intel.


Spoločnosť VIA Technologies získala licenciu na štandard UHCI od spoločnosti Intel; všetci ostatní výrobcovia čipových súprav používajú štandard OHCI. UHCI sa viac spolieha na softvér. To znamená, že UHCI je o niečo náročnejšie na procesor ako OHCI, ale je jednoduchšie a lacnejšie. Keďže existovali dve rôzne implementácie, výrobcovia operačných systémov a hardvéru museli vyvíjať a testovať na oboch z nich. To zvýšilo náklady.

Špecifikácia USB nešpecifikuje žiadne rozhrania HCD a nezaoberá sa nimi. Inými slovami, USB definuje formát prenosu údajov cez port, ale nie systém, ktorým hardvér USB komunikuje s počítačom, v ktorom sa nachádza.

Počas fázy návrhu USB 2.0 trvala organizácia USB-IF na tom, aby existovala len jedna implementácia. Implementácia HCD USB 2.0 sa nazýva Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Iba EHCI môže podporovať vysokorýchlostné (480 Mbit/s) prenosy. Väčšina radičov EHCI na báze PCI má iné implementácie HCD nazývané "sprievodný hostiteľský radič", ktoré podporujú plnú rýchlosť (12 Mbit/s) a môžu sa používať pre akékoľvek zariadenie, ktoré sa hlási k určitej triede. Operačný systém má implementovať všetky triedy zariadení, takže môže poskytovať všeobecné ovládače pre akékoľvek zariadenie USB. O triedach zariadení rozhoduje pracovná skupina pre zariadenia fóra USB Implementers Forum.

Triedy zariadení USB

Triedy zariadení zahŕňajú:

Trieda

Používanie

Popis

Príklady

00h

Zariadenie

Nešpecifikovanátrieda 0

(Trieda zariadenia nie je špecifikovaná. Na určenie požadovaných ovládačov sa používajú deskriptory rozhrania.)

01h

Rozhranie

Audio

Reproduktor, mikrofón, zvuková karta

02h

Obe stránky

Komunikácia a kontrola CDC

Ethernetový adaptér, modem, adaptér sériového portu

03h

Rozhranie

Zariadenie ľudského rozhrania (HID)

Klávesnica, myš, joystick

05h

Rozhranie

Zariadenie fyzického rozhrania (PID)

Joystick so spätnou väzbou

06h

Rozhranie

Obrázok

Digitálny fotoaparát (väčšina fotoaparátov funguje ako veľkokapacitné úložisko na priamy prístup k pamäťovým médiám).

07h

Rozhranie

Tlačiareň

Laserová tlačiareň, Atramentová tlačiareň

08h

Rozhranie

Hromadné ukladanie

USB flash disk, čítačka pamäťových kariet, digitálny audio prehrávač, externé disky

09h

Zariadenie

Rozbočovač USB

Plne rýchlostný náboj, vysokorýchlostný náboj

0Ah

Rozhranie

CDC-Data

(Táto trieda sa používa spolu s triedou 02h - Komunikácia a riadenie CDC.)

0Bh

Rozhranie

Inteligentná karta

Čítačka čipových kariet USB

0Dh

Rozhranie

Zabezpečenie obsahu

-

0Eh

Rozhranie

Video

Webová kamera

0Fh

Rozhranie

Osobná zdravotná starostlivosť

-

DCh

Obe stránky

Diagnostické zariadenie

Zariadenie na testovanie zhody USB

E0h

Rozhranie

Bezdrôtový ovládač

Adaptér Wi-Fi, adaptér Bluetooth

EFh

Obe stránky

Rôzne

Synchronizačné zariadenie ActiveSync a Palm

FEh

Rozhranie

Špecifické aplikácie

Most IrDA

FFh

Obe stránky

Špecifický predajca

(Tento kód triedy označuje, že zariadenie potrebuje ovládače špecifické pre dodávateľa.)

Poznámka trieda 0: Použite informácie o triede v deskriptoroch rozhrania. Táto základná trieda je definovaná tak, aby sa používala v deskriptoroch zariadenia na označenie, že informácie o triede by sa mali určiť z deskriptorov rozhrania v zariadení.

Koncové body USB sú v skutočnosti na pripojenom zariadení: kanály k hostiteľovi sa označujú ako potrubia.Zoom
Koncové body USB sú v skutočnosti na pripojenom zariadení: kanály k hostiteľovi sa označujú ako potrubia.

Typický konektor USB.Zoom
Typický konektor USB.

Súvisiace stránky

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je USB?


Odpoveď: USB je skratka pre Universal Serial Bus (univerzálna sériová zbernica) a je to technológia, ktorá umožňuje pripojenie elektronického zariadenia k počítaču.

Otázka: Aké typy zariadení možno pripojiť pomocou USB?


Odpoveď: Väčšina ľudí používa USB pre počítačové myši, klávesnice, skenery, tlačiarne, digitálne fotoaparáty a USB flash disky. Môže sa používať aj v iných zariadeniach, ako sú smartfóny a herné konzoly.

Otázka: Čo znamená "hot swapping"?


Odpoveď: Hot swapping znamená, že zariadenie možno pripojiť do voľnej zásuvky a jednoducho pracovať bez toho, aby bolo potrebné vypnúť počítač alebo vypnúť zariadenie pri jeho výmene.

Otázka: Poskytuje USB napájanie?


Odpoveď: Áno, USB môže prostredníctvom kábla USB poskytovať pripojenému zariadeniu malé množstvo energie. Zariadenia, ktoré potrebujú len malé množstvo energie, ju môžu získať zo zbernice namiesto toho, aby potrebovali samostatnú elektrickú zástrčku.

Otázka: Používajú sa ešte staršie štandardy, ako napríklad paralelný port?


Odpoveď: Staršie štandardy ako paralelný port, sériový port a SCSI sú dnes zriedkavé, ale len veľmi málo počítačov na svete stále používa tieto staré konektory na úlohy, pri ktorých ich USB nemôže nahradiť.

Otázka: Koľko zariadení na svete používa USB?


Odpoveď: Na svete je viac ako šesť miliárd zariadení USB.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3