USB — kas tai? Apibrėžimas, veikimo principas ir panaudojimas

Pirmoji universaliosios nuosekliosios magistralės versija sukurta 1995 m. Ši nauja technologija iš karto sulaukė sėkmės. Nuo tada, kai buvo pristatyta USB, elektroninius prietaisus gaminantys žmonės galvojo, kaip ji galėtų būti naudojama ateityje. Šiandien per USB jungiamas kompiuteris arba kiti įrenginiai, pavyzdžiui, nešiojamieji kompiuteriai ir MP3 grotuvai, su periferiniais įrenginiais.

Autobusą pristatė septynios bendrovės, atstovaujančios informacinių technologijų pramonės lyderėms: "Compaq", IBM, "Intel", "Microsoft", NEC, "Northern Telecom" ir "Digital Equipment Corporation" (DEC).

Prieš kelerius metus USB diegėjai ir kūrėjai surengė susitikimą "Plugfest" specialiame viešbutyje Kalifornijoje, kad išbandytų savo įrenginius. Jie pasirinko viešbutį, kuriame buvo kambariai miegui ir bandymams. Susitikimas truko tris dienas. Susitikimo metu maždaug 50 bendrovių atstovai prijungė savo USB įrenginius prie vienos bendros pagrindinės sistemos.

USB įrenginio logotipas taip pat turi savo istoriją. USB logotipas buvo kuriamas kelis mėnesius.

• 1994 m. - septynios bendrovės susivienijo ir pradėjo kurti USB.
• 1995 m. - 340 bendrovių įsteigė USB diegimo forumą.
• 1996 m. - pasaulyje jau buvo sukurta daugiau kaip penki šimtai USB gaminių.
• 1997 m. - USB diegimo forumas pasipildė dar 60 įmonių.
• 1998 m. - USB tampa populiariausia technologija elektronikos rinkoje.
• 2000 m. - pristatytas USB 2.0. Šiandien tai plačiausiai naudojamas USB įrenginys.
• 2005 m. - USB tampa belaidžiu ryšiu.
• 2008 m. - pristatoma USB 3.0. Ji daugiau nei 10 kartų spartesnė už USB 2.0.
• 2013 m. - pristatoma USB 3.1. Ji yra maždaug dvigubai spartesnė už USB 3.0.
• 2015 m. - pristatoma C tipo USB. Tai dvipusė jungtis, t. y. ją galima prijungti abiem būdais.

Šiuo metu naudojami penki skirtingi USB standartai: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 ir USB 3.1. USB 3.1 buvo išleista 2016 m. ir padvigubino 3.0 greitį. Jame pasirinktinai naudojama kitokia jungtis, vadinama C tipo USB, kuri yra reversinė (t. y. ją galima prijungti abiem kryptimis). USB 1.0 dabar naudojama retai.

USB siūlo penkis skirtingus duomenų perdavimo greičius: 1,5 MBit per sekundę (vadinamas mažuoju greičiu), 12 MBit per sekundę (pilnas greitis), 480 MBit per sekundę (aukštas greitis), 5 Gbit per sekundę (vadinamas super greičiu) ir 10 Gbit/s ("super greitis+"). "Hi speed" yra tik USB 2.0 ir vėlesnėse versijose, o "Super speed" - tik USB 3.0 versijoje. Šie greičiai yra neapdoroti bitų greičiai (milijonais bitų per sekundę). Tikroji duomenų perdavimo sparta paprastai yra mažesnė dėl pridėtinių protokolo sąnaudų.

Kad būtų galima naudoti didelės spartos duomenų perdavimo spartą, ją turi palaikyti ir USB valdiklis, ir prijungtas įrenginys. USB suderinama atgaline data. Greitesnius ir lėtesnius USB įrenginius ir valdiklius galima prijungti kartu, tačiau jie veiks lėtesniu greičiu.

Beveik visuose šiandien parduodamuose kompiuteriuose yra USB prievadai, o dauguma jų palaiko USB 2.0 arba naujesnę versiją. Tačiau jų prievadų skaičius paprastai būna ribotas. Įprastai būna nuo dviejų iki šešių prievadų. USB leidžia prijungti USB šakotuvus, kad būtų galima pridėti daugiau USB prievadų.

Patys šakotuvai taip pat atitinka vieną iš USB standartų. Prie USB 1.1 šakotuvo prijungti įrenginiai veiks tik tokiu greičiu, kokiu atitinka USB 1.1 standartą. Prietaisai, prijungti prie vėlesnio valdiklio, gali naudoti kitus standartus.

USB buvo sukurta taip, kad ja būtų lengva naudotis. Prieš kurdami USB jungtis, inžinieriai pasimokė iš kitų jungčių. Yra 3 jungtys.

• A tipo, dažniausiai naudojamas kompiuterio kabelio gale
• Micro-A (retas)
• B tipo, periferiniame gale, retas, išskyrus spausdintuvus
• "Micro-B", periferinis galas, skirtas daugumai išmaniųjų telefonų
• C tipo, abiejuose galuose. Nuo 2017 m. daugelyje naujų kompiuterių, telefonų ir periferinių įrenginių naudojama ši jungtis.

Tinkamumas naudoti

• Neįmanoma prijungti USB A arba B jungties ne taip, kaip reikia. Jų negalima įkišti aukštyn kojomis, ir tai akivaizdu iš išvaizdos ir kinestetinio pojūčio, kai ji įkišama tinkamai. Tačiau kartais naudotojas nesupranta arba nemato, kaip jungtis eina, todėl gali tekti išbandyti abu būdus.
• C tipo USB jungtis galima prijungti abiem būdais. Nesvarbu, kuriuo būdu jungtis prijungta.
• Norint prijungti arba atjungti, nereikia labai stipriai stumti arba traukti. Tai buvo nurodyta specifikacijoje. USB kabeliai ir nedideli USB įrenginiai laikosi vietoje dėl lizdo suėmimo jėgos. USB nereikia varžtų, spaustukų ar kitų tvirtinimo elementų. Jėga, kurios reikia sujungimui užmegzti arba nutraukti, yra nedidelė. Todėl jungtis galima prijungti nepatogiose padėtyse arba asmenims, turintiems judėjimo negalią.
• Prieš atsirandant C tipo jungtims, jungtys įtvirtino kryptingą USB tinklo topologiją. USB nepalaiko ciklinių tinklų, todėl nesuderinamų USB įrenginių jungtys pačios yra nesuderinamos. Skirtingai nei kitose ryšių sistemose (pvz., RJ-45 kabeliuose), iki USB-On-The-Go (OTG) atsiradimo beveik niekada nebuvo naudojami lyčių keitikliai, todėl buvo sunku sukurti ciklinį USB tinklą.

Patvarumas

• Jungtys sukurtos taip, kad būtų tvirtos. Ankstyvosios jungčių konstrukcijos buvo trapios, su kaiščiais ar kitais subtiliais komponentais, kurie galėjo lengvai sulinkti ar sulūžti, net jei su jais buvo elgiamasi atsargiai. USB jungties elektriniai kontaktai apsaugoti plastikiniu liežuvėliu. Visą jungties mazgą paprastai dar labiau apsaugo metalinis apvalkalas. Todėl USB jungtis saugiai gali laikyti, įkišti ir ištraukti net mažas vaikas.
• Jungties konstrukcija visada užtikrina, kad kištuko išorinis apvalkalas liestųsi su jo analogišku apvalkalu lizde prieš sujungiant keturias jungtis. Šis apvalkalas paprastai yra sujungtas su sistemos įžeminimu, todėl žalingi statiniai krūviai gali būti saugiai išsklaidyti šiuo būdu (o ne per jautrius elektroninius komponentus). Šis gaubtas taip pat reiškia, kad USB signalas, keliaudamas per sujungtų jungčių porą, yra (vidutiniškai) apsaugotas nuo elektromagnetinių trikdžių (tai vienintelė vieta, kai kitaip susukta duomenų pora turi lygiagrečiai įveikti tam tikrą atstumą). Be to, maitinimo ir bendroji jungtys jungiamos po sistemos įžeminimo, bet prieš duomenų jungtis. Toks pakopinis sujungimo ir nutraukimo laiko nustatymas leidžia saugiai atlikti karštąjį keitimą ir buvo naudojamas aerokosminėje pramonėje gaminant jungtis.
• Naujesni USB mikro lizdai suprojektuoti taip, kad lizdas ir kištukas gali atlikti iki 10 000 įkišimo ir iškišimo ciklų, o standartiniai USB ir Mini-USB lizdai - 500. Tai pasiekiama pridedant fiksatorių ir perkeliant lapinę spyruoklinę jungtį iš lizdo į kištuką, kad labiausiai apkrauta dalis būtų kabelio jungties pusėje. Šis pakeitimas buvo padarytas tam, kad labiausiai dėvėtųsi (palyginti nebrangaus) kabelio jungtis, o ne "micro-USB" įrenginys.

Suderinamumas

• USB standarte nurodyti gana dideli leistini USB jungčių nuokrypiai. Taip siekiama sumažinti skirtingų gamintojų gaminamų jungčių nesuderinamumą (šį tikslą pavyko sėkmingai pasiekti). Skirtingai nei daugumoje kitų jungčių standartų, USB specifikacijoje taip pat apibrėžtos jungiamojo įrenginio dydžio ribos aplink jo kištuką. Tai padaryta siekiant, kad įrenginys dėl savo dydžio neblokuotų gretimų prievadų. Įrenginiai, atitinkantys šiuos reikalavimus, turi tilpti į dydžio apribojimus arba turėti juos atitinkantį ilginamąjį kabelį.
• Taip pat galimas abipusis ryšys. Paprastai kabeliai turi tik kištukus, o kompiuteriai ir įrenginiai - tik lizdus: kompiuteriai turi A tipo lizdus, o įrenginiai - B tipo lizdus. A tipo kištukai jungiami tik su A tipo lizdais, o B tipo - su B tipo lizdais. Tačiau USB išplėtimas, vadinamas "USB On-The-Go", leidžia vienam prievadui veikti kaip priimančiajam arba kaip įrenginiui - pasirenkama pagal tai, kuris kabelio galas įkišamas į įrenginio lizdą. Net ir prijungus kabelį ir įrenginiams bendraujant, abu įrenginiai gali "apsikeisti" galais, valdomi programos. Ši galimybė skirta tokiems įrenginiams kaip kišeniniai kompiuteriai, kuriuose USB jungtis vienu atveju gali būti prijungta prie kompiuterio pagrindinio prievado kaip įrenginys, o kitu atveju - kaip pagrindinis įrenginys prie klaviatūros ir pelės įrenginio.

USB sistema yra asimetriškos konstrukcijos. Ją sudaro pagrindinis kompiuteris, keli tolesni USB prievadai ir keli periferiniai įrenginiai, sujungti žvaigždės topologija. Į pakopas gali būti įtraukiami papildomi USB šakotuvai, todėl galima šakotis į iki penkių pakopų medžio struktūrą.

USB prievadas gali turėti kelis prievado valdiklius. Kiekvienas prievado valdiklis turi vieną ar daugiau USB prievadų. Prie vieno pagrindinio valdiklio galima prijungti iki 127 įrenginių, įskaitant šakotuvo įrenginius.

USB įrenginiai nuosekliai jungiami per šakotuvus. Visada yra vienas šakotuvas, vadinamas pagrindiniu šakotuvu. Pagrindinis šakninis šakotuvas yra įmontuotas į pagrindinio valdiklio bloką. Yra specialių šakotuvų, vadinamų dalijimosi šakotuvais. Jos leidžia keliems kompiuteriams naudotis tais pačiais periferiniais įrenginiais. Jie veikia perjungdami prieigą tarp kompiuterių rankiniu arba automatiniu būdu. Jie populiarūs nedidelių biurų aplinkoje. Tinklo požiūriu jie konverguoja, o ne skiria šakas.

Fizinis USB įrenginys gali turėti kelis loginius poįrenginius, kurie vadinami įrenginio funkcijomis. Vienas įrenginys gali atlikti kelias funkcijas, pavyzdžiui, internetinės vaizdo kameros (vaizdo įrenginio funkcija) su įmontuotu mikrofonu (garso įrenginio funkcija).

USB įrenginio ryšys grindžiamas vamzdžiais (loginiais kanalais). Vamzdžiai - tai jungtys iš pagrindinio valdiklio į loginį įrenginio subjektą, vadinamą galiniu tašku. Kartais terminas "galinis taškas" vartojamas neteisingai nurodant vamzdį. USB įrenginys gali turėti iki 32 aktyvių vamzdžių: 16 į pagrindinį valdiklį ir 16 iš valdiklio.

Kiekvienas galinis taškas gali perduoti duomenis tik viena kryptimi - į įrenginį arba iš jo, todėl kiekvienas vamzdis yra vienakryptis. Galiniai taškai grupuojami į sąsajas, o kiekviena sąsaja yra susieta su viena įrenginio funkcija. Išimtis yra nulinis galinis taškas, kuris naudojamas įrenginio konfigūravimui ir kuris nėra susietas su jokia sąsaja.

Kai USB įrenginys pirmą kartą prijungiamas prie USB pagrindinio įrenginio, pradedamas USB įrenginio išvardijimo procesas. Įrašymas pradedamas siunčiant į USB įrenginį iš naujo nustatymo signalą. Iš naujo nustatymo signalo metu nustatomas USB įrenginio greitis. Po iš naujo nustatant USB įrenginį, kompiuterio šeimininkas nuskaito USB įrenginio informaciją, tada įrenginiui priskiriamas unikalus 7 bitų adresas. Jei įrenginys yra palaikomas šeimininko, įkeliamos įrenginio tvarkyklės, reikalingos ryšiui su įrenginiu palaikyti, ir įrenginys nustatomas į sukonfigūruotą būseną. Iš naujo paleidus USB prievadą, visų prijungtų įrenginių išvardijimo procesas kartojamas.

Priimančiojo įrenginio valdiklis apklausia magistralę dėl duomenų srauto, paprastai apėjimo būdu, todėl joks USB įrenginys negali perduoti jokių duomenų magistrale be aiškaus priimančiojo įrenginio valdiklio prašymo.

Priimančiųjų valdikliai

Kompiuterio aparatinė įranga, kurioje yra pagrindinis valdiklis ir šakninis šakotuvas, turi programuotojo sąsają. Ji vadinama priimančiojo valdiklio įrenginiu (HCD) ir ją apibrėžia aparatinės įrangos diegėjas.

USB 1.0 ir 1.1 versijose buvo dvi skirtingos HCD realizacijos: "Open Host Controller Interface" (OHCI) ir "Universal Host Controller Interface" (UHCI). OHCI sukūrė "Compaq", "Microsoft" ir "National Semiconductor", o UHCI - "Intel".

"VIA Technologies" iš "Intel" licencijavo UHCI standartą; visi kiti mikroschemų rinkinių diegėjai naudoja OHCI. UHCI labiau priklauso nuo programinės įrangos. Tai reiškia, kad UHCI reikalauja šiek tiek daugiau procesoriaus nei OHCI, tačiau ją sukurti yra lengviau ir pigiau. Kadangi buvo dvi skirtingos realizacijos, operacinių sistemų ir aparatinės įrangos pardavėjai turėjo kurti ir testuoti abi realizacijas. Tai padidino sąnaudas.

USB specifikacijoje nenurodomos jokios HCD sąsajos ir jos nėra susijusios su jomis. Kitaip tariant, USB apibrėžia duomenų perdavimo per prievadą formatą, bet ne sistemą, kuria USB aparatinė įranga bendrauja su kompiuteriu, kuriame ji yra.

USB 2.0 projektavimo etape USB-IF primygtinai reikalavo, kad būtų tik viena realizacija. USB 2.0 HCD įgyvendinimas vadinamas patobulinta prievadinio valdiklio sąsaja (Enhanced Host Controller Interface, EHCI). Tik EHCI gali palaikyti didelės spartos (480 Mbit/s) duomenų perdavimą. Dauguma PCI pagrindu veikiančių EHCI valdiklių turi kitas HCD realizacijas, vadinamas "lydinčiuoju priimančiosios dalies valdikliu", palaikančias "Full Speed" (12 Mbit/s) ir gali būti naudojamos bet kokiam įrenginiui, kuris pretenduoja būti tam tikros klasės nariu. Operacinė sistema turi įgyvendinti visas įrenginių klases, todėl ji gali pateikti bendrąsias tvarkykles bet kuriam USB įrenginiui. Įrenginių klases nustato USB įgyvendintojų forumo Įrenginių darbo grupė.

USB įrenginių klasės

Įrenginių klasės:

Pastaba, klasė 0: naudokite sąsajos aprašymuose pateiktą informaciją apie klasę. Ši bazinė klasė apibrėžiama kaip naudojama įrenginio deskriptoriuose nurodant, kad klasės informacija turėtų būti nustatoma iš įrenginio sąsajos deskriptorių.

• FireWire