Универсальная последовательная шина ( USB ) — это отраслевой стандарт , который обеспечивает обмен данными и передачу энергии между различными типами электроники. Он определяет его архитектуру, в частности его физический интерфейс , а также протоколы связи для передачи данных и подачи питания к хостам , таким как персональные компьютеры , и от них к периферийным устройствам , например дисплеям, клавиатурам и устройствам хранения данных, а также к и от них. промежуточные хабы , которые умножают количество портов хоста. [2]
Изначально USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств к компьютерам, заменяя различные интерфейсы, такие как последовательные порты , параллельные порты , игровые порты и порты ADB . [3] Предыдущие версии USB стали обычным явлением на широком спектре устройств, таких как клавиатуры, мыши, камеры, принтеры, сканеры, флэш-накопители, смартфоны, игровые консоли и блоки питания. [4] Он превратился в стандарт, заменяющий практически все распространенные порты на компьютерах, мобильных устройствах, периферийных устройствах, источниках питания и множестве другой мелкой электроники.
В текущем стандарте разъем USB-C заменяет множество различных разъемов для питания (до 240 Вт), дисплеев (например, DisplayPort, HDMI) и многих других целей, а также все предыдущие разъемы USB.
По состоянию на 2024 год [обновлять]USB состоит из четырех поколений спецификаций: USB 1.x, USB 2.0, USB 3. x и USB4 . USB4 расширяет возможности передачи данных и подачи питания за счет
туннельная архитектура, ориентированная на соединение, предназначенная для объединения нескольких протоколов в одном физическом интерфейсе, чтобы можно было динамически распределять общую скорость и производительность USB4 Fabric. [2]
USB4, в частности, поддерживает туннелирование протоколов Thunderbolt 3 , а именно PCI Express (PCIe, интерфейс загрузки/сохранения) и DisplayPort (интерфейс дисплея). USB4 также добавляет интерфейсы между хостами. [2]
Каждая подверсия спецификации поддерживает разные скорости передачи сигналов от 1,5 и 12 Мбит/с в сумме в USB 1.0 до 80 Гбит/с (в каждом направлении) в USB4. [5] [6] [7] [2] USB также обеспечивает питание периферийных устройств; последние версии стандарта расширяют пределы подачи мощности для зарядки аккумуляторов и устройств, требующих до 240 Вт ( USB Power Delivery (USB-PD) ). [8] На протяжении многих лет USB(-PD) был принят в качестве стандартного формата питания и зарядки для многих мобильных устройств, таких как мобильные телефоны, что уменьшило потребность в фирменных зарядных устройствах. [9]
USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств к персональным компьютерам как для обмена данными, так и для подачи электроэнергии. Он в значительной степени заменил такие интерфейсы, как последовательные порты и параллельные порты , и стал обычным явлением для широкого спектра устройств. Примеры периферийных устройств, подключаемых через USB, включают компьютерные клавиатуры и мыши, видеокамеры, принтеры, портативные медиаплееры, мобильные (портативные) цифровые телефоны, дисководы и сетевые адаптеры.
USB-разъемы все чаще вытесняют другие типы в качестве зарядных кабелей портативных устройств.
Интерфейсы разъемов USB делятся на три типа: множество различных устаревших разъемов типа A (восходящий поток) и типа B (нисходящий поток), которые можно найти на хостах , концентраторах и периферийных устройствах ; и современный разъем Type-C ( USB-C ) (который с 2014 года начинает заменять все многие устаревшие разъемы и является единственным применимым разъемом для USB4).
Разъемы Type-A и Type-B выпускались в размерах Standard, Mini и Micro. Стандартный формат был самым большим и в основном использовался для настольных компьютеров и более крупного периферийного оборудования. Разъемы Mini-USB (Mini-A, Mini-B, Mini-AB) были представлены для мобильных устройств, но их быстро заменили более тонкие разъемы Micro-USB (Micro-A, Micro-B, Micro-AB). Разъем Type-C, также известный как USB-C , не является эксклюзивным для USB, является единственным действующим стандартом для USB, требуется для USB4, а также требуется для других стандартов, включая современные DisplayPort и Thunderbolt. Он двусторонний и может поддерживать различные функции и протоколы, включая USB; некоторые из них являются обязательными, многие — необязательными, в зависимости от типа оборудования: хост, периферийное устройство или концентратор. [10] [11]
Спецификации USB обеспечивают обратную совместимость, но это обычно приводит к снижению скорости передачи сигналов, максимальной предлагаемой мощности и других предоставляемых возможностей. Спецификация USB 1.1 заменяет USB 1.0. Спецификация USB 2.0 обратно совместима с USB 1.0/1.1. Спецификация USB 3.2 заменяет USB 3.1 (и USB 3.0), а также включает спецификацию USB 2.0. USB4 «функционально заменяет» USB 3.2, сохраняя при этом шину USB 2.0, работающую параллельно. [5] [6] [7] [2]
Спецификация USB 3.0 определила новую архитектуру и протокол под названием SuperSpeed (также известный как SuperSpeed USB , продаваемый как SS ), который включал новую линию для новой схемы кодирования сигнала (символы 8b/10b, 5 Гбит/с; также известный как Gen 1 ), обеспечивающую полнодуплексная передача данных, для которой физически требовалось пять дополнительных проводов и контактов, при этом сохранялась архитектура и протоколы USB 2.0 и, следовательно, сохранялись исходные 4 контакта/провода для обратной совместимости USB 2.0, что приводило к 9 проводам (с 9 или 10 контактами на разъеме). интерфейсов; ID-пин не распаян) всего.
Спецификация USB 3.1 представила Enhanced SuperSpeed System – при сохранении архитектуры и протокола SuperSpeed ( SuperSpeed USB ) – с дополнительной архитектурой и протоколом SuperSpeedPlus (также известной как SuperSpeedPlus USB ), добавляющей новую схему кодирования (символы 128b/132b, 10 Гбит/с; также известная как поколение 2 ); в течение некоторого периода времени продавался как SuperSpeed+ ( SS+ ).
Спецификация USB 3.2 добавила вторую полосу к Enhanced SuperSpeed System, помимо других улучшений, так что системная часть SuperSpeedPlus USB реализует режимы работы Gen 1×2 , Gen 2×1 и Gen 2×2 . Однако часть системы SuperSpeed USB по-прежнему реализует однополосный режим работы Gen 1×1 . Таким образом, двухканальные операции, а именно USB 3.2 Gen 1× 2 (10 Гбит/с) и Gen 2× 2 (20 Гбит/с), возможны только с полнофункциональными фабриками USB-C. [7] По состоянию на 2023 год [обновлять]они реализуются довольно редко; Intel, однако, начинает включать их в свои модели процессоров SoC 11-го поколения, но Apple их так и не предоставила. С другой стороны, USB 3.2 Gen 1(×1) (5 Гбит/с) и Gen 2(×1) (10 Гбит/с) довольно распространен в течение нескольких лет.
Каждое USB-соединение осуществляется с помощью двух разъемов: розетки и вилки . На фотографиях показаны только розетки:
Универсальная последовательная шина была разработана для упрощения и улучшения интерфейса между персональными компьютерами и периферийными устройствами, такими как сотовые телефоны, компьютерные аксессуары и мониторы, по сравнению с ранее существовавшими стандартными или специальными проприетарными интерфейсами. [12]
С точки зрения пользователя компьютера интерфейс USB упрощает использование несколькими способами:
Стандарт USB также предоставляет множество преимуществ производителям оборудования и разработчикам программного обеспечения, в частности, в относительной простоте реализации:
Как и все стандарты, USB имеет множество ограничений в своей конструкции:
Для разработчика продукта использование USB требует реализации сложного протокола и подразумевает наличие «интеллектуального» контроллера в периферийном устройстве. Разработчики USB-устройств, предназначенных для публичной продажи, обычно должны получить USB-идентификатор, для чего им необходимо заплатить взнос Форуму разработчиков USB (USB-IF). Разработчики продуктов, использующих спецификацию USB, должны подписать соглашение с USB-IF. Использование логотипов USB на продукте требует ежегодной оплаты и членства в организации. [12]
Группа из семи компаний начала разработку USB в 1995 году: [16] Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC и Nortel . Цель заключалась в том, чтобы существенно упростить подключение внешних устройств к ПК за счет замены множества разъемов на задней панели ПК, решения проблем с удобством использования существующих интерфейсов и упрощения настройки программного обеспечения всех устройств, подключенных к USB, а также обеспечения большего скорость передачи данных для внешних устройств и функции Plug and Play . [17] Аджай Бхатт и его команда работали над стандартом в Intel; [18] [19] первые интегральные схемы с поддержкой USB были произведены Intel в 1995 году. [20]
Выпущенный в январе 1996 года, USB 1.0 указал скорость передачи сигналов 1,5 Мбит/с ( низкая полоса пропускания или низкая скорость ) и 12 Мбит/с ( полная скорость ). [21] Использование удлинительных кабелей не допускалось из-за ограничений по времени и мощности. Лишь немногие USB-устройства появились на рынке до тех пор, пока в августе 1998 года не был выпущен USB 1.1. USB 1.1 был самой ранней версией, которая получила широкое распространение и привела к тому, что Microsoft назвала «ПК без устаревших версий ». [22] [23] [24]
Ни в USB 1.0, ни в 1.1 не указана конструкция любого разъема меньше стандартного типа A или типа B. Хотя многие конструкции миниатюрного разъема типа B появлялись на многих периферийных устройствах, соответствие стандарту USB 1. x было затруднено из-за рассмотрения периферийных устройств, которые имели миниатюрные разъемы, как если бы они имели привязанное соединение (то есть: на периферийном конце нет вилки или розетки). Не было известного миниатюрного разъема типа A до тех пор, пока он не появился в USB 2.0 (версия 1.01).
USB 2.0 был выпущен в апреле 2000 года, с добавлением более высокой максимальной скорости передачи данных 480 Мбит/с (максимальная теоретическая пропускная способность данных 53 МБит/с [25] ), названной High Speed или High Bandwidth , в дополнение к сигнализации USB 1. x Full Speed. скорость 12 Мбит/с (максимальная теоретическая пропускная способность 1,2 МБ/с [26] ).
Изменения в спецификации USB были внесены посредством уведомлений о технических изменениях (ECN). Наиболее важные из этих ECN включены в пакет спецификаций USB 2.0, доступный на USB.org: [27]
Спецификация USB 3.0 была выпущена 12 ноября 2008 года, управление ею перешло от группы промоутеров USB 3.0 к Форуму разработчиков USB (USB-IF) и было объявлено 17 ноября 2008 года на конференции разработчиков SuperSpeed USB. [29]
USB 3.0 добавляет режим работы SuperSpeed с соответствующими обратно совместимыми вилками, розетками и кабелями. Вилки и розетки SuperSpeed отмечены отчетливым логотипом и синими вставками в розетках стандартного формата.
Шина SuperSpeed предусматривает режим работы на скорости 5,0 Гбит/с в дополнение к трем существующим режимам работы. Его эффективность зависит от ряда факторов, включая физическое кодирование символов и накладные расходы на канальном уровне. При скорости передачи сигналов 5 Гбит/с с кодировкой 8b/10b для передачи каждого байта требуется 10 бит, поэтому необработанная пропускная способность составляет 500 МБ/с. Если принять во внимание управление потоком, формирование пакетов и накладные расходы протокола, то вполне реально передать приложению скорость 400 МБ/с (3,2 Гбит/с) или более. [30] : 4–19 В режиме работы SuperSpeed связь является полнодуплексной ; более ранние режимы являются полудуплексными и контролируются хостом. [31]
Устройства с низким и высоким энергопотреблением продолжают работать по этому стандарту, но устройства, использующие SuperSpeed, могут использовать преимущества увеличенного доступного тока до 150–900 мА соответственно. [30] : 9–9
USB 3.1 , выпущенный в июле 2013 года, имеет два варианта. Первая версия сохраняет режим работы SuperSpeed USB 3.0 и получила новое обозначение USB 3.1 Gen 1 , [32] [33] , а вторая версия представляет новый режим работы SuperSpeedPlus под маркировкой USB 3.1 Gen 2 (продается как SuperSpeed+ USB ). . SuperSpeed+ удваивает максимальную скорость передачи данных до 10 Гбит/с (позже (USB 3.2) продается как SuperSpeed USB 10 Гбит/с ), одновременно сокращая накладные расходы на кодирование строк всего до 3 % за счет изменения схемы кодирования на 128b/132b . [32] [34]
USB 3.2 , выпущенный в сентябре 2017 года, [35] сохраняет существующие режимы работы USB 3.1 SuperSpeed и SuperSpeedPlus , но вводит два новых режима работы SuperSpeedPlus с новой матрицей USB-C со скоростями передачи сигналов 10 и 20 Гбит/с (номинальная скорость передачи данных 1212 и 2424 МБ/с). Увеличение пропускной способности является результатом многополосной работы по существующим проводам, которые предназначались для триггерных возможностей разъема USB-C. [36]
USB 3.0 также представил протокол USB Attached SCSI (UASP) , который обычно обеспечивает более высокую скорость передачи, чем протокол BOT (Bulk-Only-Transfer).
Начиная со спецификации USB 3.2, USB-IF представил новую схему именования. [37] Чтобы помочь компаниям в брендинге различных режимов работы, USB-IF рекомендовал маркировать режимы работы 5, 10 и 20 Гбит/с как SuperSpeed USB 5 Гбит/ с , SuperSpeed USB 10 Гбит /с и SuperSpeed USB 20 Гбит/с соответственно. [38]
Спецификация USB4 была опубликована 29 августа 2019 года Форумом разработчиков USB. [39]
Спецификация USB4 2.0 была выпущена 1 сентября 2022 года Форумом разработчиков USB. [40]
USB4 основан на протоколе Thunderbolt 3 . [41] Он поддерживает пропускную способность 40 Гбит/с, совместим с Thunderbolt 3 и обратно совместим с USB 3.2 и USB 2.0. [42] [43] Архитектура определяет метод динамического совместного использования одного высокоскоростного канала несколькими типами конечных устройств, который наилучшим образом обеспечивает передачу данных по типу и приложению.
В спецификации USB4 указано, что USB4 должен поддерживать следующие технологии: [39]
Во время выставки CES 2020 USB-IF и Intel заявили о своем намерении разрешить продукты USB4, поддерживающие все дополнительные функции, как продукты Thunderbolt 4 . Ожидается, что первыми продуктами, совместимыми с USB4, станут процессоры Intel Tiger Lake и AMD Zen 3 , выпущенные в 2020 году.
Из-за предыдущих запутанных схем именования USB-IF решил еще раз изменить их. По состоянию на 2 сентября 2022 года маркетинговые названия имеют синтаксис «USB x Гбит/с», где x — скорость передачи данных в Гбит/с. [44] Обзор обновленных названий и логотипов можно увидеть в соседней таблице.
Режимы работы USB 3.2 Gen 2×2 и USB4 Gen 2×2 – или: USB 3.2 Gen 2×1 и USB4 Gen 2×1 – не являются взаимозаменяемыми или совместимыми; все участвующие контроллеры должны работать в одном и том же режиме.
Система USB состоит из хоста с одним или несколькими нисходящими портами (DFP) [52] и множеством периферийных устройств, образующих многоуровневую топологию звезды . Могут быть включены дополнительные USB-концентраторы , что позволяет использовать до пяти уровней. USB-хост может иметь несколько контроллеров, каждый из которых имеет один или несколько портов. К одному хост-контроллеру можно подключить до 127 устройств. [53] [30] : 8–29 USB-устройств соединены последовательно через концентраторы. Концентратор, встроенный в хост-контроллер, называется корневым концентратором .
USB-устройство может состоять из нескольких логических подустройств, которые называются функциями устройства . Составное устройство может выполнять несколько функций, например веб-камера (функция видеоустройства) со встроенным микрофоном (функция аудиоустройства). Альтернативой этому является составное устройство , в котором хост назначает каждому логическому устройству отдельный адрес, и все логические устройства подключаются к встроенному концентратору, который подключается к физическому кабелю USB.
Связь с USB-устройствами основана на каналах (логических каналах). Канал — это соединение хост-контроллера с логическим объектом внутри устройства, называемым конечной точкой . Поскольку каналы соответствуют конечным точкам, эти термины иногда используются как синонимы. Каждое USB-устройство может иметь до 32 конечных точек (16 входов и 16 выходов ), хотя такое количество встречается редко. Конечные точки определяются и нумеруются устройством во время инициализации (период после физического соединения, называемый «перечислением») и поэтому являются относительно постоянными, тогда как каналы можно открывать и закрывать.
Существует два типа каналов: поток и сообщение.
Когда хост начинает передачу данных, он отправляет пакет TOKEN, содержащий конечную точку, указанную кортежем ( device_address , endpoint_number) . Если передача осуществляется от хоста к конечной точке, хост отправляет пакет OUT (специализация пакета TOKEN) с желаемым адресом устройства и номером конечной точки. Если передача данных осуществляется от устройства к хосту, хост вместо этого отправляет IN-пакет. Если конечная точка назначения является однонаправленной конечной точкой, направление, назначенное производителем, не соответствует пакету TOKEN (например, назначенное производителем направление IN, а пакет TOKEN является пакетом OUT), пакет TOKEN игнорируется. В противном случае он будет принят, и транзакция данных может начаться. С другой стороны, двунаправленная конечная точка принимает пакеты IN и OUT.
Конечные точки сгруппированы в интерфейсы , и каждый интерфейс связан с одной функцией устройства. Исключением является нулевая конечная точка, которая используется для настройки устройства и не связана ни с каким интерфейсом. Единая функция устройства, состоящая из независимо управляемых интерфейсов, называется составным устройством . Составное устройство имеет только один адрес устройства, поскольку хост назначает функции только адрес устройства.
Когда USB-устройство впервые подключается к USB-хосту, запускается процесс перечисления USB-устройств. Перечисление начинается с отправки сигнала сброса на USB-устройство. Скорость передачи сигналов USB-устройства определяется во время сигнализации сброса. После сброса информация об устройстве USB считывается хостом, и устройству присваивается уникальный 7-битный адрес. Если устройство поддерживается хостом, загружаются драйверы устройств , необходимые для связи с устройством, и устройство переводится в настроенное состояние. Если USB-хост перезапускается, процесс перечисления повторяется для всех подключенных устройств.
Хост-контроллер направляет поток трафика на устройства, поэтому ни одно USB-устройство не может передавать какие-либо данные по шине без явного запроса от хост-контроллера. В USB 2.0 хост-контроллер опрашивает шину на наличие трафика, обычно в циклическом режиме. Пропускная способность каждого USB-порта определяется более низкой скоростью либо USB-порта, либо USB-устройства, подключенного к порту.
Высокоскоростные концентраторы USB 2.0 содержат устройства, называемые трансляторами транзакций, которые преобразуют высокоскоростные шины USB 2.0 в полноскоростные и низкоскоростные шины. На каждый концентратор или порт может быть один транслятор.
Поскольку на каждом хосте USB 3.0 имеется два отдельных контроллера, устройства USB 3.0 передают и принимают со скоростью сигнала USB 3.0 независимо от того, какие устройства USB 2.0 или более ранних версий подключены к этому хосту. Рабочие скорости передачи сигналов для более ранних устройств устанавливаются традиционным способом.
Функциональность USB-устройства определяется кодом класса, отправленным на USB-хост. Это позволяет хосту загружать программные модули для устройства и поддерживать новые устройства от разных производителей.
Классы устройств включают: [55]
Класс запоминающих устройств USB (MSC или UMS) стандартизирует подключения к устройствам хранения данных. Первоначально предназначенный для магнитных и оптических приводов, он был расширен для поддержки флэш-накопителей и устройств чтения SD-карт . Возможность загрузки SD-карты с блокировкой записи с помощью USB-адаптера особенно выгодна для поддержания целостности и неповрежденного, первозданного состояния загрузочного носителя.
Хотя большинство персональных компьютеров, выпущенных с начала 2005 года, могут загружаться с запоминающих устройств USB, USB не предназначен в качестве основной шины для внутренней памяти компьютера. Однако преимущество USB заключается в возможности горячей замены , что делает его полезным для мобильных периферийных устройств, включая накопители различных типов.
Некоторые производители предлагают внешние портативные жесткие диски USB или пустые корпуса для дисков. Они обеспечивают производительность, сравнимую с внутренними накопителями, но ограничены количеством и типами подключенных USB-устройств, а также верхним пределом интерфейса USB. Другие конкурирующие стандарты подключения внешних накопителей включают eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) и, совсем недавно, Thunderbolt .
Еще одним применением USB-накопителей является портативное выполнение программных приложений (таких как веб-браузеры и клиенты VoIP) без необходимости их установки на главный компьютер. [59] [60]
Протокол передачи мультимедиа (MTP) был разработан Microsoft для предоставления доступа к файловой системе устройства более высокого уровня, чем USB-накопитель, на уровне файлов, а не дисковых блоков. Он также имеет дополнительные функции DRM . MTP был разработан для использования с портативными медиаплеерами , но с тех пор он был принят в качестве основного протокола доступа к хранилищу операционной системы Android начиная с версии 4.1 Jelly Bean, а также Windows Phone 8 (устройства Windows Phone 7 использовали протокол Zune – эволюция MTP). Основная причина этого заключается в том, что MTP не требует монопольного доступа к устройству хранения, как это делает UMS, что устраняет потенциальные проблемы, если программа Android запросит хранилище, когда оно подключено к компьютеру. Основным недостатком является то, что MTP не так хорошо поддерживается за пределами операционных систем Windows.
USB-мышь или клавиатуру обычно можно использовать со старыми компьютерами, имеющими порты PS/2 , с помощью небольшого адаптера USB-PS/2. Для мышей и клавиатур с поддержкой двух протоколов можно использовать пассивный адаптер, не содержащий логических схем : аппаратное обеспечение USB в клавиатуре или мыши предназначено для определения того, подключено ли оно к порту USB или PS/2, и обменивается данными с помощью соответствующий протокол. [ нужна цитата ] Также существуют активные преобразователи, которые подключают USB-клавиатуры и мыши (обычно по одной) к портам PS/2. [61]
Обновление прошивки устройства (DFU) — это универсальный механизм обновления прошивки USB-устройств улучшенными версиями, предоставляемыми их производителями, предлагающий (например) способ развертывания исправлений ошибок прошивки. Во время обновления прошивки USB-устройства меняют свой режим работы, фактически становясь программатором PROM . Любой класс USB-устройств может реализовать эту возможность, следуя официальным спецификациям DFU. Это позволит использовать DFU-совместимые хост-инструменты для обновления устройства. [58] [62] [63]
DFU иногда используется в качестве протокола программирования флэш-памяти в микроконтроллерах со встроенной функцией загрузчика USB.[64]
Рабочая группа по USB-устройствам разработала спецификации для потоковой передачи звука, а также разработала и внедрила конкретные стандарты для использования аудиоклассов, таких как микрофоны, динамики, гарнитуры, телефоны, музыкальные инструменты и т. д. Рабочая группа опубликовала три версии аудио характеристики устройства: [65] [66] USB Audio 1.0, 2.0 и 3.0, называемые «UAC» [67] или «ADC». [68]
UAC 3.0 в первую очередь вводит улучшения для портативных устройств, такие как снижение энергопотребления за счет пакетной передачи данных и более частого пребывания в режиме пониженного энергопотребления, а также домены питания для различных компонентов устройства, позволяющие отключать их, когда они не используются. [69]
В UAC 2.0 появилась поддержка высокоскоростного USB (в дополнение к Full Speed), что обеспечивает большую пропускную способность для многоканальных интерфейсов, более высокую частоту дискретизации, [70] меньшую задержку, [71] [67] и 8-кратное улучшение временного разрешения в синхронный и адаптивный режимы. [67] UAC2 также представил концепцию тактовых доменов, которая предоставляет хосту информацию о том, какие входные и выходные терминалы получают свои тактовые сигналы из одного и того же источника, а также улучшенную поддержку аудиокодировок, таких как DSD , аудиоэффектов, кластеризации каналов, пользовательского элементы управления и описания устройств. [67] [72]
Однако устройства UAC 1.0 по-прежнему широко распространены из-за их кроссплатформенной совместимости без драйверов [70] , а также частично из-за того, что Microsoft не смогла внедрить UAC 2.0 в течение более десяти лет после его публикации, наконец добавив поддержку в Windows 10 через Обновление Creators от 20 марта 2017 г. [73] [74] [72] UAC 2.0 также поддерживается macOS , iOS и Linux , [67] однако Android реализует только часть спецификации UAC 1.0. [75]
USB обеспечивает три типа изохронной синхронизации (с фиксированной полосой пропускания), [76] каждый из которых используется аудиоустройствами: [77]
В то время как спецификация USB изначально описывала асинхронный режим, используемый в «недорогих колонках», и адаптивный режим в «высококлассных цифровых колонках», [81] противоположное мнение существует в мире Hi-Fi , где асинхронный режим рекламируется как функция , а адаптивные/синхронные режимы имеют плохую репутацию. [82] [83] [75] В действительности все типы могут быть качественными или некачественными, в зависимости от качества их разработки и применения. [79] [67] [84] Преимущество асинхронного режима состоит в том, что он не привязан к часам компьютера, но у него есть недостаток, заключающийся в необходимости преобразования частоты дискретизации при объединении нескольких источников.
Разъемы, которые определяет комитет USB, соответствуют ряду основных целей USB и отражают уроки, извлеченные из многих разъемов, используемых в компьютерной промышленности. Гнездовой разъем, установленный на хосте или устройстве, называется розеткой , а вилочный разъем, прикрепленный к кабелю, называется вилкой . [30] : 2–5 – 2–6 В официальных документах по спецификациям USB также периодически определяется термин « папа» для обозначения вилки и « мама» для обозначения розетки. [85]
Конструкция предназначена для того, чтобы затруднить неправильную вставку USB-штекера в розетку. Спецификация USB требует, чтобы вилка и розетка кабеля были помечены, чтобы пользователь мог определить правильную ориентацию. [30] Однако разъем USB-C является двусторонним. Кабели USB и небольшие USB-устройства удерживаются на месте за счет силы захвата со стороны розетки без использования винтов, зажимов или поворотов большого пальца, как в некоторых разъемах.
Различные вилки A и B предотвращают случайное подключение двух источников питания. Однако некоторая часть этой направленной топологии теряется с появлением многоцелевых USB-соединений (таких как USB On-The-Go в смартфонах и Wi-Fi-маршрутизаторах с питанием от USB), для которых требуются соединения A-A, B- to-B, а иногда и Y/разветвитель.
Типы USB-разъемов увеличивались по мере развития спецификации. В исходной спецификации USB подробно описаны вилки и розетки стандартов A и B. Разъемы были разными, поэтому пользователи не могли подключить одну компьютерную розетку к другой. Контакты для передачи данных в стандартных разъемах утоплены по сравнению с контактами питания, поэтому устройство может включиться перед установкой соединения для передачи данных. Некоторые устройства работают в разных режимах в зависимости от того, установлено ли соединение для передачи данных. Зарядные док-станции обеспечивают питание и не включают в себя хост-устройство или контакты для передачи данных, что позволяет любому совместимому USB-устройству заряжаться или работать от стандартного USB-кабеля. Зарядные кабели обеспечивают подключение питания, но не передачу данных. В кабеле, предназначенном только для зарядки, провода передачи данных закорочены на конце устройства, в противном случае устройство может отклонить зарядное устройство как непригодное.
Стандарт USB 1.1 определяет, что стандартный кабель может иметь максимальную длину 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на полной скорости (12 Мбит/с), и максимальную длину 3 метра (9 футов 10 дюймов) для устройства, работающие на низкой скорости (1,5 Мбит/с). [86] [87] [88]
USB 2.0 обеспечивает максимальную длину кабеля 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на высокой скорости (480 Мбит/с). [88]
Стандарт USB 3.0 напрямую не определяет максимальную длину кабеля, требуя только, чтобы все кабели соответствовали электрическим характеристикам: для медных кабелей с проводами AWG 26 максимальная практическая длина составляет 3 метра (9 футов 10 дюймов). [89]
На рынке можно найти USB-мосты или кабели для передачи данных, обеспечивающие прямое соединение ПК с ПК. Мостовой кабель представляет собой специальный кабель с чипом и активной электроникой в середине кабеля. Чип в середине кабеля действует как периферийное устройство для обоих компьютеров и обеспечивает одноранговую связь между компьютерами. Кабели USB-моста используются для передачи файлов между двумя компьютерами через их порты USB.
Популяризированная Microsoft как Windows Easy Transfer , утилита Microsoft использовала специальный USB-кабель для передачи личных файлов и настроек с компьютера под управлением более ранней версии Windows на компьютер под управлением более новой версии. В контексте использования программного обеспечения Windows Easy Transfer мостовой кабель иногда можно назвать кабелем Easy Transfer .
Многие USB-мосты/кабели для передачи данных по-прежнему относятся к USB 2.0, но существует также ряд кабелей для передачи данных USB 3.0. Несмотря на то, что USB 3.0 в 10 раз быстрее, чем USB 2.0, кабели передачи USB 3.0 работают всего в 2–3 раза быстрее, учитывая их конструкцию. [ нужны разъяснения ]
Спецификация USB 3.0 представила перекрестный кабель A-to-A без питания для соединения двух компьютеров. Они не предназначены для передачи данных, а предназначены для диагностических целей.
Кабели-мосты USB стали менее важными с появлением возможностей USB-устройств двойной роли, представленных в спецификации USB 3.1. Согласно последним спецификациям, USB поддерживает большинство сценариев подключения систем напрямую с помощью кабеля Type-C. Однако для того, чтобы эта возможность работала, подключенные системы должны поддерживать переключение ролей. Возможности двойной роли требуют наличия в системе двух контроллеров, а также контроллера ролей . Хотя этого можно ожидать от мобильной платформы, такой как планшет или телефон, настольные ПК и ноутбуки часто не поддерживают двойную роль. [90]
Восходящие USB-разъемы подают питание с номинальным напряжением 5 В постоянного тока через контакт V_BUS на нижестоящие USB-устройства.
Обратите внимание, что здесь описана модель распределения питания USB, существовавшая до Power-Delivery (USB-PD). До PD USB обеспечивал мощность до 7,5 Вт через разъемы Type-A и Type-B и до 15 Вт через USB-C. Все питание USB до PD обеспечивается напряжением 5 В.
Для хоста, обеспечивающего питание устройств, USB имеет концепцию единичной нагрузки . Любое устройство может потреблять мощность одного устройства, а устройства могут запрашивать дополнительную мощность на этих дискретных этапах. Не требуется, чтобы хост предоставлял запрошенную мощность, и устройство не может потреблять больше энергии, чем оговорено.
Устройства, потребляющие не более одной единицы, называются устройствами с низким энергопотреблением . Все устройства должны работать как устройства с низким энергопотреблением при запуске в ненастроенном состоянии. Для устройств USB до USB 2.0 единичная нагрузка составляет 100 мА (или 500 мВт), а для USB 3.0 единичная нагрузка определяется как 150 мА (750 мВт). Полнофункциональные коммутационные панели USB-C могут поддерживать маломощные устройства с единичной нагрузкой 250 мА (или 1250 мВт).
Устройства, потребляющие более одного блока, являются устройствами высокой мощности (например, типичные 2,5-дюймовые жесткие диски). USB до 2.0 позволяет хосту или концентратору подавать до 2,5 Вт на каждое устройство за пять дискретных шагов по 100 мА, а устройства SuperSpeed (USB 3.0 и выше) позволяют хосту или концентратору обеспечивать до 4,5 Вт за шесть шаг 150мА. USB-C поддерживает устройства высокой мощности до 7,5 Вт с шестью шагами по 250 мА. Полнофункциональные коммутационные сети USB-C могут поддерживать мощность до 15 Вт.
Чтобы распознать режим зарядки аккумулятора, специальный порт зарядки устанавливает сопротивление, не превышающее 200 Ом, между клеммами D+ и D-. Закороченные или почти закороченные линии передачи данных с сопротивлением менее 200 Ом на клеммах «D+» и «D-» обозначают выделенный порт зарядки (DCP) с неопределенной скоростью зарядки. [91] [92]
В дополнение к стандартному USB существует запатентованная высокопроизводительная система, известная как PoweredUSB , разработанная в 1990-х годах и в основном используемая в торговых терминалах, таких как кассовые аппараты.
Сигналы USB передаются с использованием дифференциальной передачи данных по витой паре с характеристическим сопротивлением 90 Ом ± 15 % . [93] USB 2.0 и более ранние спецификации определяют одну пару в полудуплексном режиме (HDx). Спецификации USB 3.0 и более поздних версий определяют одну выделенную пару для совместимости с USB 2.0 и две или четыре пары для передачи данных: две пары в полнодуплексном режиме (FDx) для однополосных вариантов требуют разъемов SuperSpeed; четыре пары в полнодуплексном режиме для двухполосных вариантов (×2) требуют разъемов USB-C. USB4 Gen 4 требует использования всех четырех пар, но допускает асимметричную конфигурацию пар, [94] в этом случае одна полоса используется для восходящих данных, а три других — для нисходящих данных или наоборот. USB4 Gen 4 использует импульсно-амплитудную модуляцию на 3 уровнях, обеспечивая одну трит информации в каждом передаваемом боде , частота передачи 12,8 ГГц соответствует скорости передачи 25,6 ГБд [95] , а преобразование с 11 бит на 7 бит обеспечивает теоретическая максимальная скорость передачи чуть более 40,2 Гбит/с. [96]
USB-соединение всегда осуществляется между концом A ( хостом или нисходящим портом концентратора) и концом B ( периферийным устройством или восходящим портом концентратора). Исторически это было ясно из того факта, что хосты имели только порты типа A, а периферийные устройства имели только порты типа B, и каждый (действительный) кабель имел одну вилку типа A и одну вилку типа B. USB-C (Type-C) — это единый разъем, который заменяет все разъемы типа A и типа B ( устаревшие разъемы), поэтому, когда обе стороны представляют собой современное оборудование с портами USB-C, они договариваются о том, какой из них является хостом (A) и что это за устройство (B).
Во время USB-соединения данные передаются в виде пакетов . Первоначально все пакеты отправляются с хоста через корневой концентратор и, возможно, через несколько концентраторов на устройства. Некоторые из этих пакетов предписывают устройству отправить несколько пакетов в ответ.
Основные транзакции USB:
29 июля 2015 года Форум разработчиков USB представил стандарт беспроводной связи Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0, основанный на протоколе USB. Wireless USB представляет собой технологию замены кабеля и использует сверхширокополосную беспроводную технологию для скоростей передачи данных до 480 Мбит/с. [100]
USB-IF использовал спецификацию WiGig Serial Extension v1.2 в качестве исходной основы для спецификации MA-USB и совместим со SuperSpeed USB (3.0 и 3.1) и Hi-Speed USB (USB 2.0). Устройства, использующие MA-USB, будут иметь маркировку «Powered by MA-USB» при условии, что продукт соответствует требованиям программы сертификации. [101]
InterChip USB — это вариант «чип-чип», который исключает использование традиционных приемопередатчиков, присутствующих в обычном USB. Физический уровень HSIC потребляет примерно на 50 % меньше энергии и на 75 % меньше площади платы по сравнению с USB 2.0. [102] Это альтернативный стандарт SPI и I2C .
USB-C (официально USB Type-C ) — это стандарт, определяющий новый разъем и несколько новых функций подключения. Среди них он поддерживает альтернативный режим , который позволяет передавать другие протоколы через разъем USB-C и кабель. Обычно он используется для поддержки протоколов DisplayPort или HDMI , что позволяет подключать дисплей, например компьютерный монитор или телевизор , через USB-C.
Все остальные разъемы не поддерживают двухполосную работу (Gen 1×2 и Gen 2×2) в USB 3.2, но могут использоваться для однополосных операций (Gen1×1 и Gen2×1). [103]
DisplayLink — это технология, позволяющая подключать несколько дисплеев к компьютеру через USB. Он был представлен примерно в 2006 году и до появления альтернативного режима через USB-C это был единственный способ подключения дисплеев через USB. Это запатентованная технология, не стандартизированная Форумом разработчиков USB, и обычно для нее требуется отдельный драйвер устройства на компьютере.
Сначала USB считался дополнением к технологии FireWire ( IEEE 1394 ), которая была разработана как последовательная шина с высокой пропускной способностью, эффективно соединяющая периферийные устройства, такие как дисководы, аудиоинтерфейсы и видеооборудование. В первоначальной конструкции USB работал с гораздо более низкой скоростью передачи данных и использовал менее сложное оборудование. Он подходил для небольших периферийных устройств, таких как клавиатуры и указывающие устройства.
Наиболее существенные технические различия между FireWire и USB включают в себя:
Эти и другие различия отражают разные цели проектирования двух шин: USB был разработан для простоты и низкой стоимости, а FireWire был разработан для высокой производительности, особенно в чувствительных ко времени приложениях, таких как аудио и видео. Хотя теоретическая максимальная скорость передачи сигналов аналогична, FireWire 400 в реальном использовании быстрее, чем USB 2.0 с высокой пропускной способностью, [104] особенно при использовании с высокой пропускной способностью, например, при использовании внешних жестких дисков. [105] [106] [107] [108] Новый стандарт FireWire 800 в два раза быстрее, чем FireWire 400, и быстрее, чем USB 2.0 с высокой пропускной способностью как теоретически, так и практически. [109] Однако преимущества FireWire в скорости основаны на низкоуровневых методах, таких как прямой доступ к памяти (DMA), которые, в свою очередь, создали возможности для эксплойтов безопасности, таких как атака DMA .
Чипсет и драйверы, используемые для реализации USB и FireWire, оказывают решающее влияние на то, какая часть пропускной способности, предписанная спецификацией, достигается в реальном мире, а также на совместимость с периферийными устройствами. [110]
Стандарты IEEE 802.3af , 802.3at и 802.3bt Power over Ethernet (PoE) определяют более сложные схемы согласования мощности, чем USB с питанием. Они работают при 48 В постоянного тока и могут подавать большую мощность (до 12,95 Вт для 802.3af , 25,5 Вт для 802.3at , он же PoE+ , 71 Вт для 802.3bt , он же 4PPoE ) по кабелю длиной до 100 метров по сравнению с USB 2.0, который обеспечивает Мощность 2,5 Вт при максимальной длине кабеля 5 метров. Это сделало PoE популярным для VoIP- телефонов, камер видеонаблюдения , точек беспроводного доступа и других сетевых устройств внутри зданий. Однако USB дешевле, чем PoE, при условии небольшого расстояния и низкого энергопотребления.
Стандарты Ethernet требуют электрической изоляции между сетевым устройством (компьютером, телефоном и т. д.) и сетевым кабелем напряжением до 1500 В переменного тока или 2250 В постоянного тока в течение 60 секунд. [111] USB не имеет такого требования, поскольку он был разработан для периферийных устройств, тесно связанных с главным компьютером, и фактически соединяет заземление периферийного устройства и хоста. Это дает Ethernet значительное преимущество в безопасности по сравнению с USB с периферийными устройствами, такими как кабельные и DSL-модемы, подключенными к внешней проводке, которая может находиться под опасным напряжением при определенных условиях неисправности. [112] [113]
Определение класса USB-устройства для MIDI-устройств передает музыкальные данные цифрового интерфейса музыкального инструмента ( MIDI ) через USB. [114] Возможности MIDI расширены и позволяют одновременно использовать до шестнадцати виртуальных MIDI-кабелей , каждый из которых может передавать обычные шестнадцать MIDI-каналов и тактовые сигналы.
USB является конкурентоспособным среди недорогих и физически соседних устройств. Однако Power over Ethernet и стандарт MIDI- штекера имеют преимущество в устройствах высокого класса, которые могут иметь длинные кабели. USB может вызвать проблемы с контуром заземления между оборудованием, поскольку он соединяет опорные точки заземления на обоих трансиверах. Напротив, стандарт MIDI-штекера и Ethernet имеют встроенную изоляцию до 500 В и более.
Разъем eSATA — более надежный разъем SATA , предназначенный для подключения к внешним жестким дискам и твердотельным накопителям. Скорость передачи данных eSATA (до 6 Гбит/с) аналогична скорости передачи данных USB 3.0 (до 5 Гбит/с) и USB 3.1 (до 10 Гбит/с). Устройство, подключенное через eSATA, выглядит как обычное устройство SATA, обеспечивая полную производительность и полную совместимость с внутренними дисками.
eSATA не подает питание на внешние устройства. Это растущий недостаток по сравнению с USB. Несмотря на то, что мощности 4,5 Вт USB 3.0 иногда недостаточно для питания внешних жестких дисков, технологии развиваются, и внешним дискам постепенно требуется меньше энергии, что уменьшает преимущество eSATA. eSATAp (питание через eSATA; также известное как ESATA/USB) — это разъем, представленный в 2009 году, который подает питание на подключенные устройства с помощью нового, обратно совместимого разъема. На ноутбуке eSATAp обычно подает только 5 В для питания 2,5-дюймового жесткого диска или твердотельного накопителя; на настольной рабочей станции он может дополнительно подавать напряжение 12 В для питания более крупных устройств, включая 3,5-дюймовые жесткие диски/твердотельные накопители и 5,25-дюймовые оптические приводы.
Поддержка eSATAp может быть добавлена к настольному компьютеру в виде кронштейна, соединяющего ресурсы SATA материнской платы, питание и USB.
eSATA, как и USB, поддерживает горячее подключение , хотя это может быть ограничено драйверами ОС и прошивкой устройства.
Thunderbolt объединяет PCI Express и Mini DisplayPort в новый интерфейс последовательной передачи данных. Исходные реализации Thunderbolt имеют два канала, каждый со скоростью передачи 10 Гбит/с, в результате чего совокупная однонаправленная пропускная способность составляет 20 Гбит/с. [115]
Thunderbolt 2 использует агрегацию каналов для объединения двух каналов 10 Гбит/с в один двунаправленный канал 20 Гбит/с. [116]
Thunderbolt 3 и Thunderbolt 4 используют USB-C . [117] [118] [119] Thunderbolt 3 имеет два физических двунаправленных канала со скоростью 20 Гбит/с, объединенных в один логический двунаправленный канал со скоростью 40 Гбит/с. Контроллеры Thunderbolt 3 могут включать контроллер USB 3.1 Gen 2 для обеспечения совместимости с USB-устройствами. Они также способны обеспечивать альтернативный режим DisplayPort, а также DisplayPort через USB4 Fabric, что делает функцию порта Thunderbolt 3 расширенной функцией порта USB 3.1 Gen 2.
Альтернативный режим DisplayPort 2.0: USB4 (требуется USB-C) требует, чтобы концентраторы поддерживали DisplayPort 2.0 через альтернативный режим USB-C. DisplayPort 2.0 может поддерживать разрешение 8K при частоте 60 Гц и цвете HDR10. [120] DisplayPort 2.0 может использовать скорость до 80 Гбит/с, что вдвое превышает объем, доступный для данных USB, поскольку он отправляет все данные в одном направлении (на монитор) и, таким образом, может использовать все восемь проводов передачи данных одновременно. [120]
После того, как спецификация стала бесплатной, а ответственность за протокол Thunderbolt была передана от Intel Форуму разработчиков USB, Thunderbolt 3 был эффективно реализован в спецификации USB4 – с совместимостью с Thunderbolt 3, которая не является обязательной, но рекомендуется для продуктов USB4. [121]
Доступны различные преобразователи протоколов , которые преобразуют сигналы данных USB в другие стандарты связи и обратно.
Из-за распространенности стандарта USB существует множество эксплойтов, использующих стандарт USB. Один из крупнейших примеров этого сегодня известен как USB Killer — устройство, которое повреждает устройства, посылая импульсы высокого напряжения по линиям передачи данных.
В версиях Microsoft Windows до Windows XP Windows автоматически запускала сценарий (если он присутствует) на определенных устройствах посредством автозапуска , одним из которых являются запоминающие устройства USB, которые могут содержать вредоносное программное обеспечение. [122]
В приложениях, где важна задержка потоковой передачи, UAC2 обеспечивает сокращение до 8 раз по сравнению с UAC1.
... У каждого метода синхронизации есть свои плюсы и минусы, а также наиболее подходящие области применения.
ADC-2 относится к определению класса USB-устройств для аудиоустройств, версия 2.0.
Все операционные системы (Win, OSX и Linux) изначально поддерживают USB Audio Class 1.
Это означает, что вам не нужно устанавливать драйверы, это Plug&Play.
Обратите внимание, что Full Speed USB имеет гораздо более высокую внутреннюю задержку — 2 мс.
Поддержка класса 2 обеспечивает гораздо более высокие частоты дискретизации, такие как PCM 24 бит/384 кГц и DSD (DoP) вплоть до DSD256.
Теперь у нас есть встроенная поддержка устройств USB Audio 2.0 с драйвером класса Inbox!
Это ранняя версия драйвера, в которой включены не все функции.
Синхронный подрежим обычно не используется со звуком, поскольку и хост, и периферийное устройство зависят от тактовой частоты USB.
PCM2906C использует архитектуру SpAct™, уникальную систему TI, которая восстанавливает тактовую частоту аудио из пакетных данных USB.
Ранние интерфейсы воспроизведения USB использовали синхронный режим, но приобрели репутацию из-за низкого качества восстановленной тактовой частоты (и, как следствие, низкого качества воспроизведения).
Это произошло в первую очередь из-за недостатков реализации синхронизации, а не из-за присущих подходу недостатков.
Тот факт, что в USB-кабеле нет линии синхронизации, приводит к тому, что кабель становится тоньше, что является преимуществом.
Но независимо от того, насколько хороши кварцевые генераторы на передающем и принимающем концах, между ними всегда будет некоторая разница...
Синхронный USB-ЦАП имеет самое низкое качество из трех... Адаптивный... означает, что в ЦАП нет непрерывной и точной тактовой частоты, что вызывает дрожание аудиопотока.
... Асинхронный – его сложнее всего реализовать, но он является огромным улучшением по сравнению с другими типами.
Синхронный режим не используется в качественных ЦАП, так как он очень нервный.
... асинхронный — лучший из этих режимов.
Некоторые производители могут заставить вас поверить, что асинхронная передача через USB превосходит адаптивную передачу через USB, и поэтому вы должны верить в асинхронное решение.
Это не более верно, чем утверждение, что вы «должны» держать вилку в левой руке.
На самом деле, если ты знаешь, что делаешь, ты накормишь себя любой рукой.
Вопрос действительно в хороших инженерных практиках.