USB

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z Universal Serial Bus)
Skocz do: nawigacja, szukaj
Ten artykuł dotyczy złącza komputerowego. Zobacz też: inne znaczenia skrótowca USB.
Universal Serial Bus
USB Type A Plug BW.svg
Wtyczka USB typu A
Typ interfejsu szeregowy
Transfer USB 1.1: do 12 Mbit/s (1,5 MB/s)
USB 2.0: do 480 Mbit/s (60 MB/s)
USB 3.0: 5 Gbit/s[1]
USB 3.1: 10 Gbit/s
Długość magistrali 2–5 m (wtórnik USB umożliwia przedłużenie kabla o swoją długość)
Liczba portów USB 1.1: od 2 do 6
USB 2.0: od 2 do 8 (dla chipsetów VIA)
USB 3.0: od 2 do 10
Liczba urządzeń do 127 na magistrali utworzonej przy użyciu hubów
Rodzaj złącza USB typu A lub B lub C
Zasilanie przez interfejs USB 1.1, 2.0 5V 500mA
USB 3.0 5V 900mA
USB BC (Battery Charging) 5V 0.5–1.5 A
USB PD (Power Delivery) 5-20 V 2.5-5 A
Hot plugging tak
Zastosowanie
klawiatury, myszy, dżojstiki, gamepad, kamery internetowe, skanery, drukarki, modemy, pamięci masowe, aparaty cyfrowe, telefony komórkowe, urządzenia audio-wideo, łączenie dwóch komputerów za pomocą kabla PC-USB-PC
Podstawowe logo standardu USB[2]
Mikrofon ze złączem USB

USB (od ang. Universal Serial Bus[3][4][5], czyli uniwersalna magistrala szeregowa[6][7][8][9]) – komputerowe złącze (tak zwany port lub interfejs) komunikacyjne zastępujące stare porty szeregowe i porty równoległe. Zostało opracowane przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM i DEC.

Port USB jest uniwersalny w tym sensie, że można go wykorzystać do podłączenia do komputera wielu różnych urządzeń (na przykład kamery wideo, aparatu fotograficznego, telefonu komórkowego, modemu, skanera, klawiatury, przenośnej pamięci). Urządzenia podłączane w ten sposób mogą być automatycznie wykrywane i rozpoznawane przez system, przez co instalacja sterowników i konfiguracja odbywa się w dużym stopniu automatycznie (przy starszych typach szyn użytkownik musiał bezpośrednio wprowadzić do systemu informacje o rodzaju i modelu urządzenia). Możliwe jest także podłączanie i odłączanie urządzeń bez konieczności wyłączania i ponownego uruchamiania komputera.

Większość współczesnych systemów operacyjnych obsługuje złącze USB – dotyczy to między innymi systemów firmy Microsoft, zaczynając od Windows 95 w wersji OSR2 (istnieje także poprawka do wersji OSR1 udostępniająca obsługę USB), systemów Windows z rodziny NT (od wersji 5.0), systemów opartych na jądrze Linux, systemów BSD oraz Mac OS.

Praca w sieci[edytuj]

Jedną z ważniejszych cech portu USB jest zgodność ze standardem Plug and Play. Architektura USB składa się z serwera (hosta), wielu portów USB oraz urządzeń do nich podłączonych. Host USB może zarządzać wieloma kontrolerami, a każdy kontroler może udostępniać jeden lub więcej portów USB. Urządzenia można łączyć ze sobą tworząc sieć o topologii drzewa wykorzystując do tego koncentratory USB. Mogą być one połączone ze sobą kaskadowo, tworząc nawet pięciopoziomową strukturę drzewiastą. W całej sieci można podłączyć do 127 urządzeń USB, jednak ze względu na pobór mocy ich liczbę trzeba ograniczyć. Każde urządzenie komunikuje się z kontrolerem przy wykorzystaniu kanałów logicznych, których może być do 32, przy czym 16 z nich jest wejściowych i 16 wyjściowych. Dwa kanały, po jednym z każdego kierunku transmisji, są zarezerwowane, więc realnie istnieje 30 kanałów logicznych na każde urządzenie USB. Przykładem wykorzystania wielu kanałów może być kamera internetowa z mikrofonem i wyjściem słuchawkowym. Ponadto w jednej sieci mogą pracować urządzenia o różnych szybkościach transmisji.

Ważną cechą USB jest to, iż magistrala wymaga obecności dokładnie jednego kontrolera magistrali, którego rolę pełni host. Uniemożliwia to wykonanie bezpośredniego połączenia dwóch komputerów (wymagany jest przewód ze specjalnym układem) ani bezpośredniego połączenia ze sobą urządzeń peryferyjnych (w tym przypadku brak kontrolera).

Standardy i przepustowość[edytuj]

Na opakowaniach produktów można znaleźć oznaczenia USB 2.0 i podobne, ważniejszą informacją jest jednak szybkość transmisji. Urządzenia te powinny mieć naklejkę informującą o ich standardzie pracy. Urządzenia USB możemy podzielić na trzy grupy ze względu na zgodność z przyjętymi specyfikacjami:

  • USB 1.1 Urządzenia spełniające warunki tej specyfikacji mogą pracować z szybkością (Full Speed) 12 Mbit/s (1,5 MB/s) i (Low Speed) 1,5 Mbit/s (0,1875 MB/s). Data ogłoszenia specyfikacji: 23.08.1998.
  • USB 2.0 (Hi-Speed) Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z maksymalną szybkością 480 Mbit/s (60 MB/s). Rzeczywista szybkość przesyłu danych zależy od konstrukcji urządzenia. Według testów portalu CNet[10] maksymalna prędkość zapisu kształtuje się w granicach od 25 do 30 MB/s, a odczytu od 30 do 42 MB/s. Jest to głównie spowodowane tym, że transmisja danych przez port odbywa się w trybie half-duplex na jednej parze przewodów. Urządzenia w standardzie USB 2.0 są w pełni kompatybilne ze starszymi urządzeniami. Data ogłoszenia specyfikacji: 27.04.2000.
  • USB 3.0 (SuperSpeed) Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z szybkością 5 Gbit/s[1]. W transmisji stosuje się kodowanie 8b/10b, przez co rzeczywista przepustowość łącza danych wynosi 4 Gbit/s (500 MB/s)[11]. Nowy standard oprócz standardowych przewodów (dla kompatybilności w dół z USB 2.0 i 1.1) do szybkich transferów wykorzystuje dwie dodatkowe, ekranowane pary przewodów w full-dupleksie. Pierwsza prezentacja tej technologii odbyła się na targach CES 2008. Data ogłoszenia specyfikacji: 17.11.2008.
  • USB 3.1 Standard ogłoszony 31 lipca 2013. Do powszechnego użytku wszedł w 2015 roku. Prędkość maksymalna to 10 Gbit/s, a moc może wynosić 100 W. Standard 3.1 jest kompatybilny wstecz.
  • USB 3.1 Typ C 1.0 ogłoszony 11 sierpnia 2014 i Typ C 1.1 ogłoszony 3 kwietnia 2015. Wymiary złącza to 8,3 na 2,5 mm. Wadą złącza jest brak kompatybilności z wersją 3.0 i starszą. Inną wersją złącza USB jest USB Power Delivery.

Typy złączy USB[edytuj]

Transmisja elektryczna[edytuj]

Przewód Numer Sygnał Opis
czerwony 1 VBUS zasilanie +5 V (maks. 0,9 A)
biały 2 D- transmisja danych Data-
zielony 3 D+ transmisja danych Data+
czarny 4 (5 w microUSB i miniUSB) GND masa
fioletowy 5 SSRX- Odbiór Danych USB 3.0
pomarańczowy 6 SSRX+ Odbiór danych USB 3.0
czarny 7 GND DRAIN Masa USB 3.0
żółty 8 SSTX- Nadawanie danych USB 3.0
niebieski 9 SSTX+ Nadawanie danych USB 3.0

Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów (zielonego Data+ i białego Data-). Magistrala zawiera również linię zasilającą (czerwony +5 V DC i czarny przewód – masa) o napięciu 5 V i maksymalnym poborze prądu 0,5 A dla USB 2.0 i USB 1.1 w trybie charging ports (standardowo 0,5 A dla USB 1.1/2.0). W starszych płytach głównych występuje zamiast czterech pięć styków dla każdego gniazda USB; piąty styk należy połączyć z czarnym przewodem GND płytki z gniazdem. Uwaga. W przypadku wtyczek USB mini i micro (jak na powyższym zdjęciu wtyczki zawierające 5 styków) schemat połączeń wygląda nieco inaczej niż zawarty w tabeli poniżej. W mini i micro USB styk oznaczony jako 4 pozostaje niepodłączony (NC), styk o numerze 5 stanowi GND (przewód czarny).

Czasem można spotkać się z następującymi kolorami przewodów: niebieski, pomarańczowy, zielony, biały. Wówczas kolor biały odpowiada czerwonemu (według powyższego schematu jest to przewód nr 1), zielony – biały albo żółty (według powyższego schematu jest to przewód nr 2), pomarańczowy – zielony (według powyższego schematu jest to przewód nr 3), niebieski – czarny (według powyższego schematu jest to przewód nr 4). W niektórych przypadkach przewód czarny (na powyższym schemacie oznaczony nr 4.) znaczony jest kolorem białym, natomiast kolor biały (przewód nr 2 na schemacie) bywa zastępowany niebieskim.

Zasilanie[edytuj]

Standardy zasilania USB
Typ Natężenie Napięcie Moc
USB 1.x and 2.0 500 mA 5 V 2.5 W
USB 3.x 900 mA 5 V 4.5 W
USB Battery Charging (BC 1.2) 0.5–1.5 A 5 V 2.5–7.5 W
USB Type-C 500/900 mA 5 V 2.5/4.5 W
1.5 A 5 V 7.5 W
3 A 5 V 15 W
USB Power Delivery 2 A 5 V 10 W
1.5 A 12 V 18 W
3 A 12 V 36 W
5 A 12 V 60 W
3 A 20 V 60 W
5 A 20 V 100 W

Standardowym napięciem zasilania dla pojedynczego urządzenia podłączonego do portu USB 1.1/2.0 jest 5 V przy czym specyfikacja określa, że powinno być ono między 4,75 V a 5,25 V. Dla portu USB 3.0 podstawowe napięcie jest takie samo, lecz dopuszczalny zakres jest szerszy i wynosi 4,45 – 5,25 V[12]. Dla portu USB 2.0 podstawową jednostką zasilania jest 100 mA, a dla USB 3.0 – 150 mA i są to minimalne wartości prądu jakie może podać port. Otrzymuje się je odpowiednio przy napięciach 4.0 V i 4,4 V. Przy standardowym napięciu zasilania prąd płynący w obwodzie jest 5 razy większy dla standardu USB 2.0 (wynosi on 500 mA) i 6 razy większy dla USB 3.0 (czyli 900 mA). Są to wartości maksymalne dla tych specyfikacji. Jeśli urządzenie podłączone do odpowiedniego portu jest wysokoprądowe, to domyślnie jest zasilane maksymalnym prądem. Natomiast urządzenie niskoprądowe inicjowane jest minimalną wartością prądu, ale może ono zażądać wartości maksymalnej i otrzyma ją, tylko gdy magistrala ma taka możliwość[13]. Jeśli urządzenie wymaga więcej prądu niż maksymalny, jakim jest w stanie zasilić go port, wtedy nie może być ono zasilane z pojedynczego portu. Takie urządzenia zwykle pozwalają na podłączenie dodatkowego portu USB i zasilanie go jednocześnie z obu[14]. Przy podłączeniu koncentratora portów USB do portu bazowego, przydziela on sobie 1 jednostkę zasilania (odpowiednio 100/150 mA), a pozostałe 4 rezerwuje dla później przyłączanych urządzeń. Jeśli zostanie podłączone jedno urządzenie to koncentrator przydzieli mu tylko 1 jednostkę zasilania, a pozostałe rezerwuje. Inaczej jest, gdy koncentrator ma własne zasilanie. W takim przypadku może on podawać maksymalną wartość prądu dla każdego urządzenia.

W specyfikacji USB w 2007 roku zdefiniowano nowy typ portów służący do ładowania akumulatorów urządzeń – są to tak zwane charging ports. Pozwalają one na uzyskanie prądu zasilającego powyżej 500 mA bez jakiejkolwiek negocjacji z kontrolerem. Jeśli jednak podłączone urządzenie będzie przeciążać port, zostanie automatycznie na nim odcięte zasilanie. Rozróżnia się dwie odmiany ładujących portów USB. Należą do nich downstream charging ports, pozwalające na przesyłanie danych, i dedicated charging ports, w których piny D- i D+ są zmostkowane (nie pozwalają na transmisję danych). W pierwszej odmianie portów zbyt duży prąd zasilania mógłby interferować z przewodami sygnałowymi służącymi do przesyłania danych, dlatego maksymalny prąd zasilający został ograniczony do 900 mA. W przypadku portów dedykowanych nie ma takiej obawy, więc wartość maksymalnego prądu jaki może podać port wynosi 1,5 A w przypadku USB 2.0 i 1,8 A dla USB 3.0[15].

Innym rodzajem portów USB są porty zasilane (powered USB), które potrafią dostarczyć prąd o natężeniu 6 A i napięciu 5 V, 12 V lub 24 V. Pozwala to uzyskać do 144 W zasilania na port.

Kontroler USB[edytuj]

Kontroler USB firmy ASUS na złączu PCI

Kontroler USB jest kartą rozszerzeń umożliwiająca podłączanie urządzeń korzystających z interfejsu USB do komputerów go nieposiadających. Karty takie występują w różnych wersjach w zależności od liczby portów i ich rodzaju (USB 1.1, USB 2.0 lub USB 3.0).

Zobacz też[edytuj]

Przypisy

  1. a b Universal Serial Bus Revision 3.0 Specification (.zip file format, size 21.9 MB).
  2. Icon design recommendation for Identifying USB 2.0 Ports on PCs, Hosts and Hubs (ang.). USB Implementers Forum, Inc.. [dostęp 2015-02-18].
  3. USB: Universal Serial Bus. Computerworld. [dostęp 2016-02-07].
  4. USB. Encyklopedia PWN. [dostęp 2016-02-07].
  5. USB w internetowym Słowniku języka polskiego PWN (sjp.pwn.pl).
  6. Waldemar Nawrocki: Rozproszone systemy pomiarowe. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2006.
  7. Komentarz normalizacyjny Stowarzyszenia Elektryków Polskich K SEP-I-0014 – Nowa uniwersalna magistrala szeregowa USB-2. Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw SEP, 2001.
  8. USB – uniwersalna magistrala szeregowa. Słownik techniczny. [dostęp 2016-02-07].
  9. Koncentratory i urządzenia USB. W: Danuta Mendrala, Marcin Szeliga: ABC systemu Windows 7 PL. Helion, 2006.
  10. Seagate FreeAgent GoFlex Ultra-portable Review.
  11. Universal Serial Bus 3.0 Specification,4.4.11 „Efficiency”.
  12. Bus Timing/Electrical Characteristics. W: Universal Serial Bus Specification [on-line].
  13. USB.org.
  14. I have the drive plugged in but I cannot find the drive in “My Computer”, why?. simpletech.com.
  15. Battery Charging Specification. 15 April 2009.

Linki zewnętrzne[edytuj]