USB

Η πρώτη έκδοση του Universal Serial Bus δημιουργήθηκε το 1995. Αυτή η νέα τεχνολογία γνώρισε άμεση επιτυχία. Από την εισαγωγή του USB, οι άνθρωποι που κατασκευάζουν ηλεκτρονικές συσκευές σκέφτηκαν πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον. Σήμερα, το USB συνδέει έναν υπολογιστή ή άλλες συσκευές, όπως φορητούς υπολογιστές και συσκευές αναπαραγωγής MP3, με περιφερειακές συσκευές.

Το λεωφορείο παρουσιάστηκε από επτά εταιρείες που αντιπροσωπεύουν τους ηγέτες στον κλάδο της τεχνολογίας των πληροφοριών: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom και Digital Equipment Corporation (DEC).

Αρκετά χρόνια νωρίτερα, οι υποστηρικτές και οι προγραμματιστές του USB πραγματοποίησαν μια συνάντηση με την ονομασία Plugfest σε ένα ειδικό ξενοδοχείο στην Καλιφόρνια για να δοκιμάσουν τις συσκευές τους. Επέλεξαν ένα ξενοδοχείο που περιλάμβανε δωμάτια για ύπνο και για δοκιμές. Η συνάντηση διήρκεσε τρεις ημέρες. Κατά τη διάρκεια της συνάντησης, οι εκπρόσωποι περίπου 50 εταιρειών συνέδεσαν τις συσκευές USB τους σε ένα γενικό σύστημα υποδοχής.

Το λογότυπο της συσκευής USB έχει επίσης τη δική του ιστορία. Το λογότυπο USB βρισκόταν σε εξέλιξη για αρκετούς μήνες.

• 1994 - Επτά εταιρείες ενώνουν τις δυνάμεις τους για να ξεκινήσουν την ανάπτυξη του USB.
• 1995 - 340 εταιρείες δημιούργησαν το USB Implementation Forum.
• 1996 - Περισσότερα από πεντακόσια προϊόντα USB είχαν ήδη αναπτυχθεί σε όλο τον κόσμο.
• 1997 - Το Φόρουμ Εφαρμογής USB έγινε πιο πλούσιο με 60 επιπλέον εταιρείες.
• 1998 - Το USB γίνεται η πιο δημοφιλής τεχνολογία στην αγορά ηλεκτρονικών ειδών.
• 2000 - Η εισαγωγή του USB 2.0. Σήμερα αποτελεί την πιο διαδεδομένη συσκευή USB.
• 2005 - Το USB γίνεται ασύρματο.
• 2008 - Παρουσιάζεται το USB 3.0. Είναι πάνω από 10 φορές ταχύτερο από το USB 2.0.
• 2013 - Παρουσιάζεται το USB 3.1. Είναι περίπου δύο φορές πιο γρήγορο από το USB 3.0.
• 2015 - Παρουσιάζεται το USB Type-C. Πρόκειται για έναν αναστρέψιμο σύνδεσμο, που σημαίνει ότι μπορείτε να τον συνδέσετε και με τους δύο τρόπους.

Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται πέντε διαφορετικά πρότυπα USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 και USB 3.1. Το USB 3.1 κυκλοφόρησε το 2016 και διπλασίασε την ταχύτητα του 3.0. Χρησιμοποιεί προαιρετικά ένα διαφορετικό βύσμα που ονομάζεται USB Type-C, το οποίο είναι αναστρέψιμο (δηλαδή μπορείτε να το συνδέσετε και με τους δύο τρόπους). Το USB 1.0 χρησιμοποιείται πλέον σπάνια.

Το USB προσφέρει πέντε διαφορετικές ταχύτητες μεταφοράς: 1,5 MBit ανά δευτερόλεπτο (ονομάζεται χαμηλή ταχύτητα), 12 MBit ανά δευτερόλεπτο (πλήρης ταχύτητα), 480 MBit/δευτερόλεπτο (υψηλή ταχύτητα), 5Gbit ανά δευτερόλεπτο (ονομάζεται υπερταχύτητα) και 10 Gbit/s ("υπερταχύτητα+"). Η Hi speed είναι διαθέσιμη μόνο στο USB 2.0 και μεταγενέστερα, ενώ η Super speed είναι διαθέσιμη μόνο στο USB 3.0. Αυτές οι ταχύτητες είναι ακατέργαστοι ρυθμοί bit (σε εκατομμύρια bit ανά δευτερόλεπτο). Ο πραγματικός ρυθμός δεδομένων είναι συνήθως χαμηλότερος λόγω των επιβαρύνσεων του πρωτοκόλλου.

Για να χρησιμοποιήσετε το ρυθμό μεταφοράς υψηλής ταχύτητας, τόσο ο ελεγκτής USB όσο και η συνδεδεμένη συσκευή πρέπει να τον υποστηρίζουν. Το USB είναι συμβατό προς τα πίσω. Οι ταχύτερες και οι πιο αργές συσκευές και ελεγκτές USB μπορούν να συνδεθούν μαζί, αλλά θα λειτουργούν με την πιο αργή ταχύτητα.

Σχεδόν όλοι οι υπολογιστές που πωλούνται σήμερα διαθέτουν θύρες USB και οι περισσότεροι από αυτούς υποστηρίζουν USB 2.0 ή νεότερη έκδοση. Ωστόσο, ο αριθμός των θυρών που διαθέτουν είναι συνήθως περιορισμένος. Συνήθως υπάρχουν δύο έως έξι θύρες. Το USB επιτρέπει τη σύνδεση διανομέων USB για την προσθήκη περισσότερων θυρών USB.

Οι ίδιοι οι διανομείς είναι επίσης συμβατοί με ένα από τα πρότυπα USB. Οι συσκευές που είναι συνδεδεμένες σε διανομέα USB 1.1 θα λειτουργούν τόσο γρήγορα όσο και οι ρυθμοί USB 1.1. Οι συσκευές που συνδέονται σε έναν μεταγενέστερο ελεγκτή μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικά πρότυπα.

Το USB σχεδιάστηκε για να είναι εύκολο στη χρήση. Οι μηχανικοί έμαθαν από άλλους συνδέσμους πριν σχεδιάσουν τους συνδέσμους USB. Υπάρχουν 3 συνδετήρες.

• Τύπος A, χρησιμοποιείται συνήθως στο άκρο του καλωδίου του υπολογιστή
• Micro-A (σπάνια)
• Τύπος Β, στο περιφερειακό άκρο, σπάνια εκτός από εκτυπωτές
• Micro-B, στο περιφερειακό άκρο, για τα περισσότερα smartphones
• Τύπος C, σε κάθε άκρο. Από το 2017, πολλοί νέοι υπολογιστές, τηλέφωνα και περιφερειακά τον χρησιμοποιούν.

Ευχρηστία

• Δεν είναι δυνατόν να συνδέσετε ένα βύσμα USB A ή B με λάθος τρόπο. Δεν μπορούν να μπουν ανάποδα, και είναι προφανές από την εμφάνιση και την κιναισθητική αίσθηση, όταν μπαίνει σωστά. Μερικές φορές, ωστόσο, ένας χρήστης δεν καταλαβαίνει ή δεν βλέπει πώς μπαίνει ο σύνδεσμος, οπότε μπορεί να χρειαστεί να δοκιμάσει και τους δύο τρόπους.
• Τα βύσματα USB τύπου C μπορούν να συνδεθούν και με τους δύο τρόπους. Δεν έχει σημασία με ποιον τρόπο είναι συνδεδεμένος ο σύνδεσμος.
• Δεν χρειάζεται να σπρώξετε ή να τραβήξετε πολύ δυνατά για να το συνδέσετε ή να το αποσυνδέσετε. Αυτό αναφερόταν στις προδιαγραφές. Τα καλώδια USB και οι μικρές συσκευές USB συγκρατούνται στη θέση τους από τη δύναμη σύλληψης της υποδοχής. Το USB δεν χρειάζεται βίδες, κλιπς ή άλλα συνδετικά στοιχεία. Η δύναμη που απαιτείται για να γίνει ή να διακοπεί μια σύνδεση είναι μικρή. Αυτό επιτρέπει την πραγματοποίηση συνδέσεων σε δύσκολες θέσεις ή από άτομα με κινητικές αναπηρίες.
• Πριν από την εμφάνιση του τύπου C, οι σύνδεσμοι επέβαλαν την κατευθυνόμενη τοπολογία ενός δικτύου USB. Το USB δεν υποστηρίζει κυκλικά δίκτυα, οπότε οι σύνδεσμοι από ασύμβατες συσκευές USB είναι οι ίδιοι ασύμβατοι. Σε αντίθεση με άλλα συστήματα επικοινωνιών (π.χ. καλωδίωση RJ-45), πριν από την έλευση του USB-On-The-Go (OTG) δεν χρησιμοποιούνταν σχεδόν ποτέ εναλλακτήρες φύλου, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη δημιουργία κυκλικού δικτύου USB.

Ανθεκτικότητα

• Οι σύνδεσμοι έχουν σχεδιαστεί για να είναι ανθεκτικοί. Τα πρώτα σχέδια συνδέσμων ήταν εύθραυστα, με ακίδες ή άλλα ευαίσθητα εξαρτήματα που μπορούσαν εύκολα να λυγίσουν ή να σπάσουν, ακόμη και αν αντιμετωπίζονταν απαλά. Οι ηλεκτρικές επαφές σε έναν σύνδεσμο USB προστατεύονται από μια πλαστική γλώσσα. Ολόκληρο το συγκρότημα σύνδεσης προστατεύεται συνήθως περαιτέρω από ένα μεταλλικό περίβλημα. Ως αποτέλεσμα, οι σύνδεσμοι USB μπορούν να χειριστούν, να εισαχθούν και να αφαιρεθούν με ασφάλεια, ακόμη και από ένα μικρό παιδί.
• Η κατασκευή του συνδέσμου εξασφαλίζει πάντα ότι το εξωτερικό περίβλημα του βύσματος έρχεται σε επαφή με το αντίστοιχο στην υποδοχή πριν από τη σύνδεση των τεσσάρων εσωτερικών συνδέσμων. Αυτό το περίβλημα συνδέεται συνήθως με τη γείωση του συστήματος, επιτρέποντας την ασφαλή εκφόρτιση των αλλιώς επιβλαβών στατικών φορτίων μέσω αυτής της οδού (και όχι μέσω των ευαίσθητων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων). Αυτό το μέσο περιβλήματος σημαίνει επίσης ότι υπάρχει ένας (μέτριος) βαθμός προστασίας από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές που παρέχεται στο σήμα USB κατά τη διάρκεια της διαδρομής του μέσω του ζευγαριού των ζευγών συνδετήρων (αυτό είναι το μόνο σημείο όπου το κατά τα άλλα συνεστραμμένο ζεύγος δεδομένων πρέπει να διανύσει μια απόσταση παράλληλα). Επίσης, οι συνδέσεις τροφοδοσίας και οι κοινές συνδέσεις πραγματοποιούνται μετά τη γείωση του συστήματος αλλά πριν από τις συνδέσεις δεδομένων. Αυτός ο τύπος σταδιακού χρονισμού make-break επιτρέπει την ασφαλή εναλλαγή εν θερμώ και έχει χρησιμοποιηθεί για συνδετήρες στην αεροδιαστημική βιομηχανία.
• Οι νεότερες υποδοχές USB micro έχουν σχεδιαστεί για να επιτρέπουν έως και 10.000 κύκλους εισαγωγής και εξαγωγής μεταξύ υποδοχής και βύσματος, σε σύγκριση με 500 για τις τυπικές υποδοχές USB και Mini-USB. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη μιας συσκευής ασφάλισης και με τη μετακίνηση του συνδέσμου με ελατήριο φύλλων από την υποδοχή στο βύσμα, έτσι ώστε το πιο καταπονούμενο τμήμα να βρίσκεται στην πλευρά του καλωδίου της σύνδεσης. Αυτή η αλλαγή έγινε έτσι ώστε ο σύνδεσμος στο (σχετικά φθηνό) καλώδιο να φέρει τη μεγαλύτερη φθορά αντί για τη συσκευή micro-USB.

Συμβατότητα

• Το πρότυπο USB ορίζει σχετικά μεγάλες ανοχές για τις συμβατές υποδοχές USB. Αυτό γίνεται για να ελαχιστοποιηθούν οι ασυμβατότητες σε συνδετήρες που παράγονται από διαφορετικούς προμηθευτές (ένας στόχος που έχει επιτευχθεί με μεγάλη επιτυχία). Σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα πρότυπα συνδετήρων, η προδιαγραφή USB ορίζει επίσης όρια για το μέγεθος μιας συσκευής σύνδεσης στην περιοχή γύρω από το βύσμα της. Αυτό έγινε για να αποτραπεί η παρεμπόδιση μιας συσκευής να μπλοκάρει παρακείμενες θύρες λόγω του μεγέθους της. Οι συμβατές συσκευές πρέπει είτε να χωράνε μέσα στους περιορισμούς μεγέθους είτε να υποστηρίζουν ένα συμβατό καλώδιο επέκτασης το οποίο να χωράει.
• Είναι επίσης δυνατή η αμφίδρομη επικοινωνία. Συνήθως τα καλώδια έχουν μόνο βύσματα και οι κεντρικοί υπολογιστές και οι συσκευές έχουν μόνο υποδοχές: οι κεντρικοί υπολογιστές έχουν υποδοχές τύπου Α και οι συσκευές τύπου Β. Τα βύσματα τύπου Α συνδέονται μόνο με υποδοχές τύπου Α και τα βύσματα τύπου Β με υποδοχές τύπου Β. Ωστόσο, μια επέκταση του USB που ονομάζεται USB On-The-Go επιτρέπει σε μια θύρα να λειτουργεί είτε ως κεντρικός υπολογιστής είτε ως συσκευή - ανάλογα με το ποιο άκρο του καλωδίου θα συνδεθεί στην υποδοχή της συσκευής. Ακόμα και αφού το καλώδιο συνδεθεί και οι μονάδες συνομιλούν, οι δύο μονάδες μπορούν να "ανταλλάξουν" άκρα υπό τον έλεγχο του προγράμματος. Αυτή η δυνατότητα απευθύνεται σε μονάδες όπως τα PDA, όπου η σύνδεση USB μπορεί να συνδεθεί στη θύρα κεντρικού υπολογιστή ως συσκευή σε μια περίπτωση, αλλά να συνδεθεί ως κεντρικός υπολογιστής με μια συσκευή πληκτρολογίου και ποντικιού σε μια άλλη περίπτωση.

Ένα σύστημα USB έχει ασύμμετρο σχεδιασμό. Αποτελείται από έναν κεντρικό υπολογιστή, πολλές θύρες USB στα επόμενα στάδια και πολλές περιφερειακές συσκευές συνδεδεμένες σε τοπολογία αστέρα. Στις βαθμίδες μπορούν να συμπεριληφθούν πρόσθετοι διανομείς USB, επιτρέποντας τη διακλάδωση σε μια δενδρική δομή με έως και πέντε επίπεδα βαθμίδων.

Ένας κεντρικός υπολογιστής USB μπορεί να έχει πολλούς ελεγκτές κεντρικού υπολογιστή. Κάθε ελεγκτής κεντρικού υπολογιστή παρέχει μία ή περισσότερες θύρες USB. Έως και 127 συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των συσκευών διανομέα, μπορούν να συνδεθούν σε έναν μόνο ελεγκτή κεντρικού υπολογιστή.

Οι συσκευές USB συνδέονται σε σειρά μέσω διανομέων. Υπάρχει πάντα ένας διανομέας γνωστός ως ριζικός διανομέας. Ο ριζικός διανομέας είναι ενσωματωμένος στον ελεγκτή υποδοχής. Υπάρχουν ειδικοί διανομείς, οι οποίοι ονομάζονται "διανομείς κοινής χρήσης". Αυτοί επιτρέπουν σε πολλούς υπολογιστές να έχουν πρόσβαση στις ίδιες περιφερειακές συσκευές. Λειτουργούν με την εναλλαγή της πρόσβασης μεταξύ των υπολογιστών, είτε χειροκίνητα είτε αυτόματα. Είναι δημοφιλείς σε περιβάλλοντα μικρών γραφείων. Σε όρους δικτύου, συγκλίνουν παρά αποκλίνουν κλάδους.

Μια φυσική συσκευή USB μπορεί να έχει διάφορες λογικές υπο-συσκευές που αναφέρονται ως λειτουργίες συσκευής. Μια ενιαία συσκευή μπορεί να παρέχει διάφορες λειτουργίες, για παράδειγμα, μια κάμερα (λειτουργία συσκευής βίντεο) με ενσωματωμένο μικρόφωνο (λειτουργία συσκευής ήχου).

Η επικοινωνία συσκευών USB βασίζεται σε σωλήνες (λογικά κανάλια). Οι αγωγοί είναι συνδέσεις από τον κεντρικό ελεγκτή σε μια λογική οντότητα της συσκευής που ονομάζεται τελικό σημείο. Ο όρος endpoint χρησιμοποιείται περιστασιακά για να αναφερθεί εσφαλμένα στον σωλήνα. Μια συσκευή USB μπορεί να έχει έως και 32 ενεργούς σωλήνες, 16 προς τον κεντρικό ελεγκτή και 16 από τον ελεγκτή.

Κάθε τελικό σημείο μπορεί να μεταφέρει δεδομένα προς μία μόνο κατεύθυνση, είτε προς τη συσκευή είτε από τη συσκευή, οπότε κάθε σωλήνας είναι μονοκατευθυντικός. Τα τελικά σημεία ομαδοποιούνται σε διεπαφές και κάθε διεπαφή συνδέεται με μία μόνο λειτουργία της συσκευής. Εξαίρεση αποτελεί το τελικό σημείο μηδέν, το οποίο χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της συσκευής και το οποίο δεν συνδέεται με καμία διεπαφή.

Όταν μια συσκευή USB συνδέεται για πρώτη φορά σε έναν κεντρικό υπολογιστή USB, ξεκινά η διαδικασία απαρίθμησης συσκευής USB. Η απαρίθμηση ξεκινά με την αποστολή ενός σήματος επαναφοράς στη συσκευή USB. Η ταχύτητα της συσκευής USB καθορίζεται κατά τη διάρκεια της σηματοδότησης επαναφοράς. Μετά την επαναφορά, οι πληροφορίες της συσκευής USB διαβάζονται από τον κεντρικό υπολογιστή και στη συνέχεια αποδίδεται στη συσκευή μια μοναδική διεύθυνση 7 bit. Εάν η συσκευή υποστηρίζεται από τον κεντρικό υπολογιστή, φορτώνονται τα προγράμματα οδήγησης συσκευής που απαιτούνται για την επικοινωνία με τη συσκευή και η συσκευή τίθεται σε διαμορφωμένη κατάσταση. Εάν ο κεντρικός υπολογιστής USB επανεκκινηθεί, η διαδικασία απαρίθμησης επαναλαμβάνεται για όλες τις συνδεδεμένες συσκευές.

Ο κεντρικός ελεγκτής πραγματοποιεί δημοσκοπήσεις στο δίαυλο για κίνηση, συνήθως με κυκλικό τρόπο, έτσι ώστε καμία συσκευή USB να μην μπορεί να μεταφέρει δεδομένα στο δίαυλο χωρίς ρητή αίτηση από τον κεντρικό ελεγκτή.

Ελεγκτές υποδοχής

Το υλικό του υπολογιστή που περιέχει τον κεντρικό ελεγκτή και τον κόμβο ρίζας διαθέτει μια διεπαφή για τον προγραμματιστή. Ονομάζεται Host Controller Device (HCD) και ορίζεται από τον υλοποιητή του υλικού.

Για το USB 1.0 και 1.1, υπήρχαν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις HCD, η Open Host Controller Interface (OHCI) και η Universal Host Controller Interface (UHCI). Το OHCI αναπτύχθηκε από την Compaq, τη Microsoft και την National Semiconductor, ενώ το UHCI από την Intel.

Η VIA Technologies απέκτησε άδεια χρήσης του προτύπου UHCI από την Intel- όλοι οι άλλοι κατασκευαστές chipset χρησιμοποιούν το OHCI. Το
UHCI βασίζεται περισσότερο στο λογισμικό
. Αυτό σημαίνει ότι το UHCI είναι ελαφρώς πιο απαιτητικό σε σχέση με το OHCI, αλλά είναι ευκολότερο και φθηνότερο να κατασκευαστεί. Επειδή υπήρχαν δύο διαφορετικές υλοποιήσεις, οι πωλητές λειτουργικών συστημάτων και οι πωλητές υλικού έπρεπε να αναπτύξουν και να δοκιμάσουν και τις δύο. Αυτό αύξησε το κόστος.

Η προδιαγραφή USB δεν καθορίζει διεπαφές HCD και δεν ασχολείται με αυτές. Με άλλα λόγια, το USB ορίζει τη μορφή της μεταφοράς δεδομένων μέσω της θύρας, αλλά όχι το σύστημα με το οποίο το υλικό USB επικοινωνεί με τον υπολογιστή στον οποίο βρίσκεται.

Κατά τη φάση του σχεδιασμού του USB 2.0, η USB-IF επέμενε να υπάρχει μόνο μία υλοποίηση. Η υλοποίηση του USB 2.0 HCD ονομάζεται Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Μόνο το EHCI μπορεί να υποστηρίξει μεταφορές υψηλής ταχύτητας (480 Mbit/s). Οι περισσότεροι ελεγκτές EHCI που βασίζονται σε PCI διαθέτουν άλλες υλοποιήσεις HCD που ονομάζονται "companion host controller" για την υποστήριξη Full Speed (12 Mbit/s) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για οποιαδήποτε συσκευή που ισχυρίζεται ότι είναι μέλος μιας συγκεκριμένης κατηγορίας. Ένα λειτουργικό σύστημα υποτίθεται ότι υλοποιεί όλες τις κλάσεις συσκευών, ώστε να μπορεί να παρέχει γενικούς οδηγούς για οποιαδήποτε συσκευή USB. Οι κλάσεις συσκευών αποφασίζονται από την Ομάδα Εργασίας Συσκευών του Φόρουμ Υλοποιητών USB.

Κατηγορίες συσκευών USB

Οι κατηγορίες συσκευών περιλαμβάνουν:

Σημείωση κλάση 0: Χρησιμοποιήστε τις πληροφορίες κλάσης στους περιγραφείς διασύνδεσης. Αυτή η βασική κλάση ορίζεται να χρησιμοποιείται στους περιγραφείς συσκευής για να υποδεικνύει ότι οι πληροφορίες κλάσης πρέπει να προσδιορίζονται από τους περιγραφείς διασύνδεσης στη συσκευή.

• FireWire