Kas ir USB? Universālā sērijveida kopne, funkcijas un izmantošana

Pirmā Universal Serial Bus versija tika izveidota 1995. gadā. Šī jaunā tehnoloģija uzreiz guva panākumus. Kopš USB ieviešanas elektronisko ierīču ražotāji domāja par to, kā to varētu izmantot nākotnē. Mūsdienās USB savieno datoru vai citas ierīces, piemēram, klēpjdatorus un MP3 atskaņotājus, ar perifērijas ierīcēm.

Autobusu ieviesa septiņi uzņēmumi, kas pārstāv informācijas tehnoloģiju nozares līderus: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom un Digital Equipment Corporation (DEC).

Pirms vairākiem gadiem USB ierīču pieņēmēji un izstrādātāji īpašā viesnīcā Kalifornijā rīkoja tikšanos, ko sauca par Plugfest, lai testētu savas ierīces. Viņi izvēlējās viesnīcu, kurā bija numuri miegam un testēšanai. Sanāksme ilga trīs dienas. Sanāksmes laikā aptuveni 50 uzņēmumu pārstāvji pieslēdza savas USB ierīces vienai vispārējai galvenajai sistēmai.

Arī USB ierīces logotipam ir sava vēsture. USB logotips tika izstrādāts vairākus mēnešus.

• 1994. gads - septiņi uzņēmumi apvienojas, lai sāktu izstrādāt USB.
• 1995. gads - 340 uzņēmumi izveido USB implementācijas forumu.
• 1996. gads - visā pasaulē jau bija izstrādāti vairāk nekā pieci simti USB produktu.
• 1997. gads - USB ieviešanas forums kļuva bagātāks, jo tajā iesaistījās vēl 60 uzņēmumi.
• 1998. gads - USB kļūst par populārāko tehnoloģiju elektronikas tirgū.
• 2000. gads - USB 2.0 ieviešana. Šodien tā ir visplašāk izmantotā USB ierīce.
• 2005 - USB kļūst bezvadu.
• 2008. gads - tiek ieviests USB 3.0. Tas ir vairāk nekā 10 reizes ātrāks par USB 2.0.
• 2013. gads - tiek ieviests USB 3.1. Tas ir aptuveni divreiz ātrāks par USB 3.0.
• 2015. gads - tiek ieviests C tipa USB. Tas ir divpusējs savienotājs, kas nozīmē, ka to var pieslēgt abos virzienos.

Pašlaik tiek izmantoti pieci dažādi USB standarti: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 un USB 3.1. USB 3.1 tika izlaists 2016. gadā, un tā ātrums divkāršojās salīdzinājumā ar 3.0. Tajā pēc izvēles tiek izmantots cits savienotājs, ko sauc par C tipa USB, kas ir divpusējs (t. i., to var pieslēgt abos virzienos). USB 1.0 tagad izmanto reti.

USB piedāvā piecus dažādus datu pārsūtīšanas ātrumus: 1,5 MBit/s (tā sauktais zemais ātrums), 12 MBit/s (pilnais ātrums), 480 MBit/s (augstais ātrums), 5 Gbit/s (super ātrums) un 10 Gbit/s ("super ātrums+"). Augstais ātrums ir pieejams tikai USB 2.0 un jaunākajās versijās, bet lielais ātrums ir pieejams tikai USB 3.0 versijā. Šie ātrumi ir neapstrādāti bitu pārraides ātrumi (miljonos bitu sekundē). Faktiskais datu pārraides ātrums parasti ir zemāks protokola pieskaitāmo izmaksu dēļ.

Lai izmantotu ātrgaitas datu pārsūtīšanas ātrumu, gan USB kontrolierim, gan pieslēgtajai ierīcei tas ir jāatbalsta. USB ir savietojams ar iepriekšējo versiju. Ātrākas un lēnākas USB ierīces un kontrolierus var savienot kopā, taču tie darbosies ar lēnāku ātrumu.

Gandrīz visiem šodien pārdotajiem datoriem ir USB pieslēgvietas, un lielākā daļa no tiem atbalsta USB 2.0 vai jaunāku versiju. Tomēr to pieslēgvietu skaits parasti ir ierobežots. Parasti ir no diviem līdz sešiem portiem. USB ļauj pievienot USB centrmezglu, lai pievienotu vairāk USB pieslēgvietu.

Arī paši centrmezgli atbilst vienam no USB standartiem. Ierīces, kas pievienotas USB 1.1 centrmezglam, darbosies tikai tik ātri, cik ātrs ir USB 1.1 standarts. Ierīces, kas pieslēgtas jaunākam kontrolierim, var izmantot citus standartus.

USB tika izstrādāts tā, lai to būtu viegli lietot. Inženieri mācījās no citiem savienotājiem, pirms sāka izstrādāt USB savienotājus. Ir 3 savienotāji.

• A tips, parasti tiek izmantots datora kabeļa galā.
• Micro-A (reti)
• B tips, perifērijas galā, reti sastopams, izņemot printerus.
• Micro-B, perifērijas galā, lielākajai daļai viedtālruņu
• C tipa abos galos. Kopš 2017. gada to izmanto daudzos jaunos datoros, tālruņos un perifērijas ierīcēs.

Izmantojamība

• USB A vai B savienotāju nav iespējams pievienot nepareizi. Tos nevar ievietot otrādi, un tas ir acīmredzams pēc izskata un kinestētiskās sajūtas, kad tas tiek ievietots pareizi. Tomēr dažkārt lietotājs nesaprot vai neredz, kā savienotājs iet, tāpēc var nākties izmēģināt abus veidus.
• C tipa USB savienotājus var pieslēgt abos virzienos. Nav nozīmes, kādā veidā savienotājs ir pievienots.
• Lai to pieslēgtu vai atvienotu, nav nepieciešams ļoti spēcīgi spiest vai vilkt. Tas bija norādīts specifikācijā. USB kabeļus un nelielas USB ierīces vietā notur kontaktligzdas satvēriena spēks. USB nav vajadzīgas skrūves, skavas vai citi stiprinājumi. Spēks, kas nepieciešams, lai izveidotu vai pārtrauktu savienojumu, ir neliels. Tas ļauj savienojumus veikt neērtās pozīcijās vai personām ar kustību traucējumiem.
• Pirms C tipa savienotāji nodrošināja USB tīkla virzītu topoloģiju. USB neatbalsta cikliskus tīklus, tāpēc nesaderīgu USB ierīču savienotāji paši ir nesaderīgi. Atšķirībā no citām sakaru sistēmām (piemēram, RJ-45 kabeļiem) pirms USB-On-The-Go (OTG) parādīšanās gandrīz nekad neizmantoja dzimumu mainītājus, tādējādi apgrūtinot cikliska USB tīkla izveidi.

Izturība

• Savienotāji ir izstrādāti tā, lai būtu izturīgi. Agrākās savienotāju konstrukcijas bija trauslas, ar tapām vai citiem smalkiem komponentiem, kas varēja viegli saliekties vai salūzt pat tad, ja ar tiem izturējās saudzīgi. USB savienotāja elektriskie kontakti ir aizsargāti ar plastmasas vāciņu. Visu savienojuma mezglu parasti papildus aizsargā metāla apvalks. Tādējādi ar USB savienotājiem var droši rīkoties, tos ievietot un izņemt pat mazs bērns.
• Savienotāja konstrukcija vienmēr nodrošina, ka kontaktdakšas ārējais apvalks saskaras ar tā analogu kontaktligzdā, pirms tiek savienoti četri savienotāji. Šis apvalks parasti ir savienots ar sistēmas zemējumu, tādējādi ļaujot citādi kaitīgos statiskos lādiņus droši izvadīt pa šo ceļu (nevis caur jutīgiem elektroniskiem komponentiem). Šāds apvalka veids nozīmē arī (mērenu) aizsardzību pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, kas tiek nodrošināta USB signālam, kamēr tas ceļo caur savienotāju pāri (šī ir vienīgā vieta, kur citādi savītajam datu pārim ir jānoiet paralēli liels attālums). Turklāt strāvas un kopējie savienojumi ir izveidoti aiz sistēmas zemējuma, bet pirms datu savienojumiem. Šāda veida pakāpeniska savienojuma izveides un pārrāvuma laika noteikšana ļauj veikt drošu karsto nomaiņu, un tā ir izmantota savienotājiem kosmiskās aviācijas nozarē.
• Jaunākās USB mikro kontaktligzdas ir izstrādātas tā, lai starp kontaktligzdu un kontaktdakšu varētu notikt līdz pat 10 000 ievietošanas un izspiešanas ciklu, salīdzinot ar 500 cikliem standarta USB un Mini-USB kontaktligzdās. Tas panākts, pievienojot bloķēšanas ierīci un pārvietojot lapu atsperes savienotāju no kontaktligzdas uz kontaktdakšu tā, lai visvairāk noslogotā daļa būtu savienojuma kabeļa pusē. Šīs izmaiņas tika veiktas tā, lai visvairāk nodiltu (salīdzinoši lētā) kabeļa savienotājs, nevis micro-USB ierīce.

Savietojamība

• USB standarts nosaka salīdzinoši lielas pielaides USB savienotājiem. Tas tiek darīts, lai samazinātu dažādu ražotāju ražoto savienotāju nesaderību (šis mērķis ir ļoti veiksmīgi sasniegts). Atšķirībā no vairuma citu savienotāju standartu USB specifikācijā ir noteikti arī savienotājierīces izmēra ierobežojumi tās kontaktdakšas apkārtnē. Tas tika darīts, lai nepieļautu, ka ierīce sava izmēra dēļ bloķē blakus esošos portus. Atbilstošām ierīcēm ir vai nu jāietilpst izmēra ierobežojumos, vai arī tām ir jāatbalsta atbilstošs pagarinātājs, kas atbilst šiem ierobežojumiem.
• Ir iespējama arī divvirzienu saziņa. Parasti kabeļiem ir tikai kontaktdakšas, bet saimniekiem un ierīcēm ir tikai kontaktligzdas: saimniekiem ir A tipa kontaktligzdas, bet ierīcēm - B tipa kontaktligzdas. A tipa kontaktdakšas savienojas tikai ar A tipa kontaktligzdām, bet B tipa - ar B tipa kontaktligzdām. Tomēr USB paplašinājums, ko dēvē par USB On-The-Go, ļauj vienai pieslēgvietai darboties vai nu kā saimniekam, vai kā ierīcei - to izvēlas atkarībā no tā, kurš kabeļa gals iespraucas ierīces kontaktligzdā. Pat pēc tam, kad kabelis ir savienots un ierīces sarunājas, abas ierīces var "apmainīties" galiem programmas vadībā. Šī iespēja ir paredzēta tādām ierīcēm kā PDA, kur USB savienojums vienā gadījumā var pieslēgties datora galvenajam pieslēgvietu portam kā ierīce, bet citā gadījumā pats var pieslēgties tastatūras un peles ierīcei kā resursdators.

USB sistēmai ir asimetriska konstrukcija. To veido resursdators, vairāki pakārtotie USB porti un vairākas perifērijas ierīces, kas savienotas zvaigžņveida topoloģijā. Līmeņos var iekļaut papildu USB centrmezglus, kas ļauj sazaroties koka struktūrā ar līdz pat pieciem līmeņiem.

USB resursdatoram var būt vairāki resursdatora kontrolieri. Katrs resursdatora kontrolieris nodrošina vienu vai vairākus USB pieslēgumus. Vienam galvenajam kontrolierim var pieslēgt līdz 127 ierīcēm, ieskaitot centrmezgla ierīces.

USB ierīces tiek savienotas virknē, izmantojot centrmezglus. Vienmēr ir viens centrmezgls, ko sauc par galveno centrmezglu. Saknes koncentrators ir iebūvēts galvenajā kontrolierī. Ir īpaši centrmezgli, ko sauc par "koplietošanas centrmezgliem". Tie ļauj vairākiem datoriem piekļūt vienām un tām pašām perifērijas ierīcēm. Tie darbojas, pārslēdzot piekļuvi starp datoriem manuāli vai automātiski. Tie ir populāri nelielos birojos. Tīkla ziņā tie drīzāk konverģē, nevis sadala atzarus.

Fiziskai USB ierīcei var būt vairākas loģiskas apakšierīces, ko sauc par ierīces funkcijām. Viena ierīce var nodrošināt vairākas funkcijas, piemēram, tīmekļa kamera (video ierīces funkcija) ar iebūvētu mikrofonu (audio ierīces funkcija).

USB ierīces saziņa notiek, izmantojot caurules (loģiskos kanālus). Cauruļvadi ir savienojumi no galvenā kontroliera uz ierīces loģisko vienību, ko sauc par galapunktu. Dažkārt termins "galapunkts" tiek lietots, lai nepareizi apzīmētu cauruli. USB ierīcei var būt līdz 32 aktīvām caurulēm - 16 caurulēm uz galveno kontrolieri un 16 caurulēm no kontroliera.

Katrs galapunkts var pārsūtīt datus tikai vienā virzienā - uz ierīci vai no tās, tāpēc katra caurule ir vienvirziena. Gala punkti ir sagrupēti saskarnēs, un katra saskarne ir saistīta ar vienu ierīces funkciju. Izņēmums ir nulles gala punkts, ko izmanto ierīces konfigurēšanai un kas nav saistīts ne ar vienu saskarni.

Kad USB ierīce pirmo reizi tiek pievienota USB resursdatoram, tiek sākts USB ierīces uzskaitīšanas process. Uzskaitīšana sākas, nosūtot atiestatīšanas signālu USB ierīcei. Atiestatīšanas signāla laikā tiek noteikts USB ierīces ātrums. Pēc atiestatīšanas resursdators nolasa USB ierīces informāciju, pēc tam ierīcei tiek piešķirta unikāla 7 bitu adrese. Ja saimnieks atbalsta ierīci, tiek ielādēti ierīces draiveri, kas nepieciešami saziņai ar ierīci, un ierīce tiek iestatīta konfigurētā stāvoklī. Ja USB resursdators tiek restartēts, uzskaites process tiek atkārtots visām pievienotajām ierīcēm.

Uzņēmēja kontrolieris aptaujā kopni par datu plūsmu, parasti apļveida veidā, tāpēc neviena USB ierīce nevar pārsūtīt datus pa kopni bez tieša pieprasījuma no uzņēmēja kontroliera.

Uzņēmēja kontrolieri

Datora aparatūrai, kas satur uzņēmēja kontrolieri un sakņu centru, ir programmētāja saskarne. To sauc par uzņēmēja kontroliera ierīci (HCD), un to nosaka aparatūras ieviesējs.

USB 1.0 un 1.1 bija divas dažādas HCD implementācijas - Open Host Controller Interface (OHCI) un Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI izstrādāja Compaq, Microsoft un National Semiconductor, UHCI - Intel.

VIA Technologies licencēja UHCI standartu no Intel; visi pārējie mikroshēmu komplektu izstrādātāji izmanto OHCI. UHCI vairāk balstās uz programmatūru. Tas nozīmē, ka UHCI ir nedaudz ietilpīgāks procesora darbībā nekā OHCI, taču to ir vieglāk un lētāk izgatavot. Tā kā bija divas dažādas implementācijas, operētājsistēmu piegādātājiem un aparatūras piegādātājiem bija jāizstrādā un jātestē abas implementācijas. Tas palielināja izmaksas.

USB specifikācijā nav norādītas HCD saskarnes, un tās netiek aplūkotas. Citiem vārdiem sakot, USB definē datu pārsūtīšanas formātu caur portu, bet ne sistēmu, ar kuras palīdzību USB aparatūra sazinās ar datoru, kurā tā atrodas.

USB 2.0 izstrādes posmā USB-IF pieprasīja, lai būtu tikai viena implementācija. USB 2.0 HCD implementācija tiek saukta par uzlaboto uzņēmēja kontrollera saskarni (Enhanced Host Controller Interface, EHCI). Tikai EHCI var atbalstīt ātrgaitas (480 Mbit/s) datu pārsūtīšanu. Lielākajai daļai PCI bāzēto EHCI kontrolleru ir citas HCD implementācijas, ko sauc par "pavadošo uzņēmējas kontrolleri", lai atbalstītu pilna ātruma (12 Mbit/s) pārraidi, un to var izmantot jebkurai ierīcei, kas pretendē uz piederību pie noteiktas klases. Operētājsistēmai ir jāimplementē visas ierīču klases, lai tā varētu nodrošināt vispārīgus draiverus jebkurai USB ierīcei. Par ierīču klasēm lemj USB implementētāju foruma ierīču darba grupa.

USB ierīču klases

Ierīču klasēs ietilpst:

Piezīme, 0. klase: Izmantojiet informāciju par klasi saskarnes deskriptoros. Šī pamatklase ir definēta izmantošanai ierīces deskriptoros, lai norādītu, ka klases informācija jānosaka no ierīces saskarnes deskriptoriem.

• FireWire