Univerzálna sériová zbernica

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.

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.

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.

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.

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:

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.

• FireWire