USB используется кабелями, портами и протоколами для обеспечения общепринятых соединений между устройствами и периферийными устройствами.

Универсальная последовательная шина (USB) определяется как стандарт, в котором упоминаются спецификации, используемые кабелями, портами и протоколами, которые обеспечивают простое и общепризнанное соединение между хостом и периферийным устройством. В этой статье объясняется, что такое USB, типы USB и важность технологии.

Что такое USB (универсальная последовательная шина)?

USB или универсальная последовательная шина — это механизм, используемый для подключения периферийных устройств к компьютерам. До появления технологии USB ПК обычно имел одно или два последовательных соединения, параллельный порт, разъемы для клавиатуры и мыши и, в некоторых случаях, порт для джойстика.

Стандарт USB был установлен в середине 1990-х рядом американских компаний, в частности, IBM, Intel и Microsoft Corporation, как более простой способ подключения компьютерной периферии. Порт обеспечивал стандартный метод подключения различных устройств и предлагал значительные преимущества в скорости по сравнению с другими альтернативами.

Первоначально принятие технологии USB было вялым:

• Производители компьютеров очень медленно включали порты в свои системы до того, как стали доступны периферийные устройства с поддержкой USB.
• Производители периферийных устройств также не желали продвигать продукты USB до того, как порты USB стали повсеместными на новых компьютерах.
• Когда технология была первоначально запущена, операционные системы имели относительно скромные вспомогательные возможности.

Выпуск в 1998 году первой модели iMac от Apple Inc. стал крупным прорывом. Создав популярную и хорошо зарекомендовавшую себя машину только с USB-подключением, Apple заставила других производителей принять этот стандарт. С тех пор большинство периферийных устройств, включая принтеры, сканеры и клавиатуры, используют USB. Принятие этого стандарта подстегнуло даже создание новых технологий (таких как портативные карты памяти, обычно называемые USB-накопителями, которые в конечном итоге заменили дискеты).

В настоящее время дизайн USB стандартизирован Форумом разработчиков USB (USB-IF), который состоит из организаций, поддерживающих и продвигающих USB. USBIF не только поддерживает USB, но также поддерживает стандарт и обеспечивает соблюдение программы соответствия.

Как работает USB (универсальная последовательная шина)?

«Шина» компьютера — это сеть кабелей, передающих данные между внутренними компонентами или компьютером и его внешними устройствами. Это метафора электронной шины, которая распределяет электричество по большим энергоемким местам, таким как заводы или центры обработки данных.

До появления USB любое периферийное устройство подключалось к компьютеру через порт собственной конструкции. С годами, по мере роста количества периферийных устройств, потребовался новый стандартизованный метод обмена данными с основным хостом и различными устройствами. Это в конечном итоге привело к изобретению USB.

Когда периферийное устройство подключается к хост-компьютеру через USB, хост-компьютер автоматически определяет тип устройства и устанавливает драйвер, обеспечивающий его работу.

USB передает данные между двумя устройствами в меньших количествах, известных как «пакеты». Каждый пакет передает заранее определенное количество байтов (единицу цифровой информации). Это может включать такие детали, как источник и место назначения материала, а также любые аномалии, которые могли быть обнаружены.

Работу USB можно разбить следующим образом:

• Массовая передача данных : этот тип передачи используется принтерами или цифровыми сканерами для больших объемов данных. Как правило, это передача с низким приоритетом и не зависит от времени. Операция может быть отложена, если к хост-компьютеру подключено много USB-устройств.
• Небольшие пакеты для важных подключений устройств : эта функция используется периферийными системами, такими как клавиатуры и мыши, для передачи небольших объемов данных. Эти передачи часто используются для случайных, но важных требований. Удаленное устройство генерирует запросы и ждет, пока хост запросит точные данные, которые ему потребуются. Запросы будут предприняты повторно, если первый запрос на транзакцию завершится ошибкой. Здесь USB также будет информировать вас о любых изменениях состояния устройства.
• Передача пакетов управления для управления USB : эта передача данных используется для настройки и управления USB-устройствами. Хост отправляет запрос на устройство с последующей передачей данных. Передача управления также используется для проверки состояния. В любой момент может быть обработан только один управляющий запрос.
• Непрерывная передача данных в реальном времени в изохронном режиме : Изохронная передача используется для аудио, видео и других данных в реальном времени. Во время передачи могут возникать ошибки, но передача не будет приостановлена ​​для повторной отправки пакетов. Однако такие передачи часто включают в себя случаи, в которых точность данных не имеет решающего значения, например, передача звуковых частей в вызове с передачей голоса по Интернет-протоколу (VoIP) , которые слушатель может не обнаружить. Эти компоненты лучше исключить, чем повторно отправлять данные, что может привести к сбоям в работе звука.

По мере увеличения количества устройств хост ведет учет общего объема пропускной способности, запрашиваемой всеми изохронными и прерывающими устройствами. Вместе они могут занимать до 90% доступной пропускной способности, что составляет 480 мегабит в секунду для стандартного USB или 4,8 гигабит в секунду для USB 3.0.

Хост предотвращает доступ к любым другим изохронным устройствам или устройствам прерывания после того, как 90% израсходовано. Пакеты управления и пакеты массовой передачи используют любую оставшуюся полосу пропускания (которая всегда составляет как минимум 10%). За пределами этого порога у вас не может быть нескольких USB-соединений для одновременной передачи данных.

Как работают USB-кабели?

Порт USB — это стандартный интерфейс для подключения кабелей к ПК и устройствам бытовой электроники. Пользователи могут подключить к этому порту специально разработанный провод, называемый кабелем USB. Один конец кабеля подключается к хосту, а другой — к периферийному устройству, и в зависимости от типа USB два конца могут быть или не быть симметричными.

Кабели USB могут передавать как питание, так и информацию. Для этого любой USB-кабель имеет два типа проводов. Один набор передает ток, а другой передает сигналы данных.

Внутри обычного разъема USB 2.0 есть четыре металлических полоски. Две крайние полоски — это положительные и отрицательные клеммы источника питания. Две центральные полосы предназначены для передачи данных. Благодаря новейшему соединению USB 3.0 включение дополнительных полос для переноса данных увеличивает скорость передачи данных. Четыре дополнительные сигнальные линии обеспечивают превосходную скорость USB 3.0.

Ключевые особенности USB

Подключения к универсальной последовательной шине (обеспечиваемые портами USB и кабелями USB) поддерживают следующее:

1. Горячая замена

Горячая замена является одной из основных характеристик USB. Эта функция позволяет удалять или заменять устройство, не требуя перезагрузки или прерывания работы системы.

ПК необходимо перезагрузить при установке или удалении устройства из более старого порта. Электростатический разряд (ESD), непреднамеренный электрический ток, способный нанести значительный ущерб хрупким электронным устройствам, изначально предотвращался перезагрузкой. С USB в этом нет необходимости. Горячая замена защищена от сбоев, что означает, что она может продолжать работать, несмотря на аппаратный сбой.

2. Передача постоянного тока

Еще одним аспектом USB является использование постоянного тока (DC). Несколько устройств подключены к постоянному току через разъем питания USB, но не передают данные. Известные примеры включают USB-динамики, небольшие холодильники, лампы для клавиатуры и даже зарядные устройства на базе USB.

3. Использование нескольких точек контакта

Все USB-соединения имеют как минимум четыре контакта для питания, заземления и два провода для передачи данных (D+ и D-). Разъемы USB 3.0 и выше имеют пять контактов. USB-соединение предназначено для передачи 5 В при максимальном токе 500 мА. USB-соединение может быть вставлено только в одном направлении. Можно принудительно установить неправильное соединение. Однако это может привести к повреждению устройства.

4. Экранирование и защита

Соединение USB изолировано металлическим корпусом, который не является частью схемы. Эта характеристика имеет решающее значение для поддержания целостности сигнала в электрически «занятой» среде. Все кабели USB завернуты в пластик на конце соединения, чтобы избежать повреждения кабеля и электрического соединения.

10 типов USB

USB можно классифицировать на основе четырех поколений разработки или типа используемых кабельных соединений. Давайте сначала посмотрим на четыре версии USB, которые были разработаны на протяжении многих лет.

1. Оригинальный USB

До USB в системах были последовательные и параллельные порты, как объяснялось ранее. Многие производители компьютеров, такие как Intel, Microsoft и Apple, совместно разработали универсальное устройство, которое подключало несколько внешних источников к ПК без необходимости перезагрузки. Это было первое поколение, так как выпускалось в 90-х годах.

2. USB 2.0

В 2000 году USB 2.0 получил широкое распространение. Скорость передачи была наиболее существенной разницей между версией 2.0 и версией 1.1. USB 2.0 доставлял данные со скоростью 480 мегабит в секунду, что в сорок раз быстрее, чем USB 1.1. Помимо значительного повышения скорости, USB 2.0 можно было конфигурировать с любым портом USB 1.1 и наоборот.

3. USB 3.0, 3.1 и 3.2

USB 3.0 был первым в своем роде устройством для эффективной передачи видео высокой четкости. Он также был известен как SuperSpeed ​​USB и имел скорость передачи 5 гигабит в секунду или примерно 5120 мегабит в секунду. Однако, подобно USB 1.0, USB 3.0 не смог завоевать популярность, и его преемники нашли гораздо большее признание.
Макбуки и хромбуки были одними из первых ноутбуков, использующих представленный в 2014 году USB 3.1. Максимальная скорость передачи USB 3.1 составляла 10 гигабит в секунду. Ровно через три года после этого был запущен USB 3.2 со скоростью передачи 20 гигабит в секунду, что в два раза быстрее, чем USB 3.1. Только эти USB-разъемы совместимы с соединениями типа C. Эти порты являются полнодуплексными, что означает, что данные могут передаваться в обоих направлениях, поскольку USB является симметричным.

4. USB4

USB4 (также известный как USB 4.0) — это стандарт 2019 года, выпущенный USB-IF в версии 1.0. Протокол USB4 построен на стандарте Thunderbolt 3, который корпорация Intel представила на рассмотрение USB-IF. Его конструкция может динамически использовать одно высокоскоростное соединение с многочисленными типами конечных устройств, выполняя каждую передачу в соответствии с его данными или типом приложения.
Первыми продуктами, совместимыми с USB4, были процессоры Intel Tiger Lake, и примерно в конце 2020 года появится больше устройств. Этот тип USB-подключения еще не стал массовым.
Другой способ понять различные типы USB — это классифицировать их на основе характера кабельного соединения и физической конструкции. Вот основные типы USB, на которые стоит обратить внимание, продолжая предыдущий список:

5. USB А

Соединения USB типа A, часто называемые разъемами типа A, являются одними из самых распространенных разъемов USB. Следовательно, они также известны как стандартные соединения типа А. Если ноутбуки или настольные компьютеры оснащены USB-портом (куда могут быть подключены USB-устройства), скорее всего, это будет порт типа A. Обратите внимание, что в большинстве последних ноутбуков Apple (Mac) отсутствуют разъемы USB типа A.

6. USB-В

Тип B имеет квадратную форму и меньше, чем тип A. Он менее распространен, чем тип-A; однако его можно найти на компонентах компьютера, таких как сканеры, принтеры, внешние дисковые накопители и т. д. Этот тип в основном подходит для соединений с массовой передачей данных. USB типа B редко встречается на ноутбуках, но может быть распространен на старых настольных рабочих станциях, серверах и мейнфреймах.

7. USB С

USB type-C, вероятно, является наиболее распространенным USB-подключением, доступным в настоящее время. Он легко помещается в самые маленькие периферийные устройства, которые мы используем сегодня, такие как мобильные телефоны, динамики Bluetooth и т. д., благодаря своим компактным размерам. Одно из многочисленных преимуществ типа C по сравнению с другими текущими вариантами заключается в том, что он поддерживает «обратную ориентацию вилки», что означает, что его вилку можно вставлять независимо от ее ориентации.
Это означает, что вы можете заряжать свой телефон через ноутбук или наоборот, используя двунаправленный источник питания типа C. Комитет Европейского парламента по внутреннему рынку (IMCO) также подтвердил Открывает новое окночто все устройства, запущенные в ЕС, в обязательном порядке должны иметь возможность зарядки USB-C.

8. Кабели и порты Lightning (также построенные по технологии USB)

Современные устройства Apple, такие как iPhone и iPad, часто имеют отдельный USB-разъем: шнур Lightning. На одном конце кабеля находится узкое прямоугольное соединение, а на другом — разъем типа C. Подобно USB C, он двусторонний или симметричный, то есть его можно вставлять любым способом. Однако из-за своей конструкции соединение Lightning нельзя использовать ни в одном продукте или гаджете, кроме продуктов Apple.

9. Мини USB

Этот тип USB оптимизирует соединения USB A или B для более старых портативных устройств. Это миниатюрные версии USB-подключений типа A и типа B. USB Mini часто используется в портативных камерах, игровых контроллерах и старых сотовых телефонах.

10. Микро USB

Опять же, вариант micro оптимизирует USB A или B для мобильных устройств, хотя и для относительно новых. С появлением USB Type C микро-USB теперь постепенно отказываются от новых моделей смартфонов высокого класса. Тем не менее, микро-USB по-прежнему широко используется в недорогих сотовых телефонах и других электронных устройствах, таких как наушники, по всему миру.
USB Micro B SuperSpeed ​​— это дополнительная разновидность стандарта micro USB. Как следует из названия, это обеспечивает более быструю передачу данных, чем стандартные порты micro USB B. Поэтому эти соединения часто встречаются на внешних дисках, где часто происходит массовая передача данных.

Важность технологии USB

По разным причинам USB является основополагающей технологией в современную цифровую эпоху как для потребителей, так и для бизнеса.

1. Использует единый интерфейс с легкой масштабируемостью

Адаптивность USB устраняет необходимость в отдельных типах подключения и аппаратных спецификациях для каждого аксессуара. Кроме того, большинство персональных компьютеров имеют от трех до четырех портов USB. Если требуется больше портов USB, можно использовать концентраторы USB для добавления внешних портов.

2. Минимизирует пространство и сложности с электропитанием

По сравнению со старыми разъемами USB-разъемы меньше по размеру. Кроме того, интерфейс USB с самого начала был создан для работы в качестве источника питания постоянного тока. Через разъем USB любое хост-устройство может обеспечить периферийное устройство напряжением 5 В постоянного тока — от 500 мА (USB 1.0 и 2.0) до 900 мА (USB 3.0).

3. Не требует ручной настройки драйвера

Операционная система хост-устройства должна установить драйвер USB-устройства только один раз. После этого при подключении периферийного устройства сразу запускается драйвер для настройки периферийного устройства. Как правило, драйвер устройства для любого периферийного устройства USB загружается автоматически при первом подключении периферийного устройства к хосту.

4. Обеспечивает скорость и надежность

USB предлагает несколько настроек скорости, что делает его более удобным и эффективным. Он обеспечивает скорость от 1,5 Мбит/с до 5 Гбит/с. В 2013 году был выпущен USB 3.1, увеличивший скорость до 10 Гбит/с. Кроме того, протокол USB может обнаруживать ошибки передачи данных и сообщать передатчику о повторной отправке данных.

5. Экономит расходы

Благодаря масштабируемости производственного процесса, а также адаптируемости и популярности USB теперь стало доступным производство продуктов с поддержкой USB. Следовательно, компоненты, соединения и кабели широко доступны и недороги. В «режиме ожидания» периферийное устройство потребляет менее 500 мкА для USB 2.0 и менее 2,5 мА для USB 3.0, что значительно снижает расходы.

Заключение

За последние два десятилетия USB стал наиболее распространенным типом подключения для потребительских устройств. Он имеет множество приложений для периферийных устройств ПК при работе из дома и для расширения памяти мобильных устройств. Организации могут использовать технологию USB, чтобы расширить возможности своего основного хранилища и обеспечить большую гибкость для сотрудников.