Некоторая информация, которую вам следует знать о USB

Эта статья о стандарте компьютерной шины. Для других значений см. USB (значения).

Universal Serial Bus (USB) — это отраслевой стандарт, разработанный USB Implementers Forum (USB-IF), для передачи цифровых данных и электропитания между многими типами электронных устройств. Он определяет архитектуру, в частности физические интерфейсы, и протоколы связи с хостами, такими как персональные компьютеры, и от них к периферийным устройствам, например, дисплеям, клавиатурам и накопителям данных, а также к промежуточным концентраторам и от них, которые увеличивают количество портов хоста.[2]

Представленный в 1996 году, USB изначально разрабатывался для стандартизации подключения периферийных устройств к компьютерам, заменяя различные интерфейсы, такие как последовательные порты, параллельные порты, игровые порты, и Apple Desktop Bus (ADB) порты.[3] Ранние версии USB стали повсеместно использоваться в широком спектре устройств, таких как клавиатуры, мыши, камеры, принтеры, сканеры, флеш-накопители, смартфоны, игровые консоли и внешние аккумуляторы.[4] С тех пор USB превратился в стандарт, заменяющий практически все распространенные порты на компьютерах, мобильных устройствах, периферии, блоках питания и множестве других мелких электронных устройств.

В последнем стандарте USB-C разъем заменяет многие типы 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 USB состоит из четырех поколений спецификаций: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x, и USB4. Спецификация USB4 улучшает функциональность передачи данных и подачи питания с помощью «ориентированной на соединения туннельной архитектуры, предназначенной для объединения нескольких протоколов на одном физическом интерфейсе, чтобы общая скорость и производительность структуры USB4 могли динамически распределяться».[2] В частности, USB4 поддерживает туннелирование Thunderbolt 3 протоколы, а именно PCI Express (PCIe, интерфейс загрузки/хранения) и DisplayPort (интерфейс дисплея). USB4 также добавляет интерфейсы «хост-хост».[2]

Каждая подверсия спецификации поддерживает разные скорости передачи сигнала от 1,5 и 12 Мбит/с полудуплекс в USB 1.0/1.1 до 80 Гбит/с полный дуплекс в USB4 2.0.[5][6][7][2] USB также обеспечивает питание периферийных устройств; последние версии стандарта расширяют возможности подачи питания для зарядки аккумуляторов и устройств, требующих до 240 ватт, как определено в USB Power Delivery (USB-PD) Ред. V3.1.[8] За прошедшие годы USB(-PD) был принят в качестве стандартного формата питания и зарядки для многих мобильных устройств, таких как мобильные телефоны, что снизило потребность в фирменных зарядных устройствах.[9]

[редактировать исходный код]

USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств к персональным компьютерам, как для обмена данными, так и для подачи электрического питания. Он в значительной степени заменил такие интерфейсы, как последовательные порты и параллельные порты и стал повсеместно использоваться в различных устройствах. Периферийные устройства, подключаемые через USB, включают компьютерные клавиатуры и мыши, видеокамеры, принтеры, портативные медиаплееры, мобильные (портативные) цифровые телефоны, дисководы и сетевые адаптеры.

USB-разъемы все чаще заменяют другие типы кабелей для зарядки портативных устройств.[10][11][12]

Интерфейсы USB-разъемов делятся на три типа: множество различных устаревших разъемов Type-A (восходящий поток) и Type-B (нисходящий поток), используемых в хостах, концентраторах и периферийных устройствах, а также современный Type-C (USB-C) разъем, который заменяет множество устаревших разъемов как единственный применимый разъем для USB4.

Разъемы типа A и типа B выпускались в стандартном, мини- и микро-исполнении. Стандартный формат был самым крупным и в основном использовался для настольных компьютеров и крупной периферии. Разъемы Mini-USB (Mini-A, Mini-B, Mini-AB) были представлены для мобильных устройств, однако их быстро вытеснили более тонкие разъемы Micro-USB (Micro-A, Micro-B, Micro-AB). Разъем типа C, также известный как USB-C, не является исключительным для USB, представляет собой единственный текущий стандарт для USB, обязателен для USB4 и требуется другими стандартами, включая современные DisplayPort и Thunderbolt. Он симметричен и может поддерживать различные функции и протоколы, включая USB; некоторые из них обязательны, а многие опциональны, в зависимости от типа оборудования: хост, периферийное устройство или концентратор.[13][14]

Спецификации USB обеспечивают обратную совместимость, что обычно приводит к снижению скорости передачи данных, максимальной доступной мощности и других 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), включая при этом спецификацию USB 2.0. USB4 «функционально заменяет» USB 3.2, сохраняя параллельную работу шины USB 2.0.[5][6][7][2]

Спецификация USB 3.0 определила новую архитектуру и протокол под названием SuperSpeed (также известный как SuperSpeed USB, маркируемый как SS), который включал новую линию для новой схемы кодирования сигналов (символы 8b/10b, 5 Гбит/с; позже также известную как Gen 1), обеспечивающую полнодуплексную передачу данных, что физически потребовало добавления пяти дополнительных проводов и контактов, при этом сохраняя архитектуру и протоколы USB 2.0 и, следовательно, оставляя исходные четыре контакта/провода для обратной совместимости с USB 2.0, что в итоге дало 9 проводов (с 9 или 10 контактами на разъёмах; ID-контакт не подключён).

Спецификация USB 3.1 представила улучшенную систему SuperSpeed — при сохранении архитектуры и протокола SuperSpeed (SuperSpeed USB) — с дополнительной архитектурой и протоколом SuperSpeedPlus (также известной как SuperSpeedPlus USB), добавляющей новую схему кодирования (128b/132b символы, 10 Гбит/с; также известную как Gen 2); некоторое время продавалась как SuperSpeed+ (SS+).

Спецификация USB 3.2[15] добавила второй канал в систему Enhanced SuperSpeed, помимо прочих улучшений, так что часть системы SuperSpeedPlus USB реализует режимы работы Gen 1×2, Gen 2×1 и Gen 2×2. Однако часть системы SuperSpeed USB по-прежнему реализует одноканальный 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 полнофункциональным USB-C. По состоянию на 2023 год они реализованы довольно редко; однако Intel начала включать их в свои процессоры 11-го поколения SoC, но Apple их никогда не предоставляла. С другой стороны, USB 3.2 Gen 1(×1) (5 Гбит/с) и Gen 2(×1) (10 Гбит/с) уже несколько лет являются довольно распространёнными.

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB-аппаратное обеспечение § Разъемы

Каждое USB-соединение выполняется с помощью двух разъемов: гнезда и штекера. На изображениях показаны только гнезда:

[Редактировать исходный код]

Универсальная последовательная шина была разработана для упрощения и улучшения интерфейса между персональными компьютерами и периферийными устройствами, такими как мобильные телефоны, компьютерные аксессуары и мониторы, по сравнению с ранее существовавшими стандартными или специальными проприетарными интерфейсами.[17]

С точки зрения пользователя компьютера, USB-интерфейс повышает удобство использования несколькими способами:

Стандарт USB также предоставляет множество преимуществ для производителей оборудования и разработчиков программного обеспечения, особенно в относительной простоте реализации:

[редактировать исходный код]

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 ID, что требует уплаты взноса в USB Implementers Forum (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.[17]

[редактировать исходный код]

Базовый логотип USB trident

Группа из семи компаний начала разработку USB в 1995 году:[21] Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, и Nortel. Цель заключалась в том, чтобы сделать подключение внешних устройств к ПК принципиально проще, заменив множество разъемов на задней панели ПК, решив проблемы удобства использования существующих интерфейсов, упростив программную настройку всех устройств, подключенных через USB, а также обеспечив более высокие скорости передачи данных для внешних устройств и подключай и работай функций.[22] Концепции 1979 года Atari SIO последовательной шины 8-битных компьютеров Atari и 1980 года IEEE-488 производная Шина Commodore, и Hewlett Packard's HP-IL шина первой применила этот подход.[23][24] Консорциум под руководством Apple, включающий Sony, Panasonic (Matsushita), LG, Toshiba, Hitachi, Cannon, Philips Electronics, Compaq, Thomson и Texas Instruments, продолжил развитие концепции с 1986 года как IEEE 1394 стандарт FireWire и патентный пул.[25] Джозеф С. Декуир, изначально работавший в Atari, затем в Commodore, и разработчик общей шины Atari SIO, участвовал в проекте USB для Microsoft, получив один из соответствующих патентов США.[26] Аджай Бхатт и его команда[a] работали над стандартом в Intel;[28][29] первые интегральные схемы, поддерживающие USB, были произведены Intel в 1995 году.[30]

[редактировать исходный код]

Логотип Basic-Speed USB

Выпущенный в январе 1996 года, USB 1.0 определял скорости передачи сигналов 1,5 Мбит/с (низкая пропускная способность или низкая скорость) и 12 Мбит/с (полная скорость).[31] Он не допускал использования удлинительных кабелей из-за ограничений по времени и питанию. Немногие USB-устройства появились на рынке до выхода USB 1.1 в августе 1998 года. USB 1.1 был самой ранней версией, которая получила широкое распространение и привела к тому, что Microsoft назвала "Legacy-free PC".[32][33][34]

Ни USB 1.0, ни USB 1.1 не определяли конструкцию разъема меньшего размера, чем стандартный тип A или тип B. Хотя на многих периферийных устройствах появлялись различные конструкции миниатюрных разъемов типа B, соответствие стандарту USB 1.x было затруднено из-за того, что периферийные устройства с миниатюрными разъемами рассматривались как имеющие фиксированное соединение (то есть без штекера или гнезда на стороне периферийного устройства). Не было известно ни одного миниатюрного разъема типа A до тех пор, пока USB 2.0 (редакция 1.01) не представила его.

[редактировать исходный код]

Логотип Hi-Speed USB

USB 2.0 был выпущен в апреле 2000 года, добавив более высокую максимальную скорость передачи сигнала 480 Мбит/с (максимальная теоретическая пропускная способность 53 Мбайт/с[35]), названную High Speed или High Bandwidth, в дополнение к скорости передачи сигнала USB 1.x Full Speed 12 Мбит/с (максимальная теоретическая пропускная способность 1,2 Мбайт/с).[36]

Изменения в спецификацию USB вносились через уведомления об инженерных изменениях (ECN). Наиболее важные из этих ECN включены в пакет спецификации USB 2.0, доступный на USB.org:[37]

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB 3.0

Устаревший логотип SuperSpeed USB

Спецификация USB 3.0 была выпущена 12 ноября 2008 года, а управление ею перешло от группы продвижения USB 3.0 к Форуму разработчиков USB (USB-IF), о чём было объявлено 17 ноября 2008 года на конференции разработчиков SuperSpeed USB.[39]

USB 3.0 добавляет новую архитектуру и протокол под названием SuperSpeed, с соответствующими обратно совместимыми вилками, розетками и кабелями. Вилки и розетки SuperSpeed обозначаются специальным логотипом и синими вставками в розетках стандартного формата.

Архитектура SuperSpeed обеспечивает режим работы со скоростью 5,0 Гбит/с в дополнение к трём существующим режимам работы. Его эффективность зависит от ряда факторов, включая физическое символьное кодирование и накладные расходы на уровне канала связи. При скорости передачи сигнала 5 Гбит/с с кодированием 8b/10b, каждый байт требует 10 бит для передачи, поэтому сырая пропускная способность составляет 500 МБ/с. С учетом управления потоком, кадрирования пакетов и протокольных накладных расходов реально передать приложению около двух третей сырой пропускной способности, или 330 МБ/с.[40]: 4–19  Архитектура SuperSpeed является полнодуплексный; все более ранние реализации, USB 1.0-2.0, являются полудуплексными с арбитражем со стороны хоста.[41]

Устройства с низким и высоким энергопотреблением остаются работоспособными при этом стандарте, но устройства, поддерживающие SuperSpeed, могут обеспечивать повышенный ток от 150 мА до 900 мА с дискретными шагами в 150 мА.[40]: 9–9 

USB 3.0 также представил Протокол SCSI, подключенный через USB (UASP), который обычно обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с протоколом BOT (Bulk-Only-Transfer).

USB 3.1,[5] выпущенная в июле 2013 года, имеет два варианта. Первый сохраняет архитектуру и протокол SuperSpeed USB 3.0, а его режим работы получил новое название USB 3.1 Gen 1,[42][43][44] второй вариант представляет принципиально новую архитектуру и протокол SuperSpeedPlus с дополнительным режимом работы, названным USB 3.1 Gen 2 (продаётся как SuperSpeed+ USB). SuperSpeed+ удваивает максимальную скорость передачи сигнала до 10 Гбит/с (позже в спецификации USB 3.2 продавалась как SuperSpeed USB 10 Гбит/с), одновременно снижая накладные расходы на кодирование линии до всего 3% за счёт изменениясхема кодирования в 128b/132b.[42][45]

USB 3.2, выпущенная в сентябре 2017 года,[15] сохраняет существующие архитектуры и протоколы USB 3.1 SuperSpeed и SuperSpeedPlus, а также их соответствующие режимы работы, но вводит два дополнительных режима работы SuperSpeedPlus (USB 3.2 Gen 1×2 и USB 3.2 Gen 2×2) с новой USB-C Fabric со скоростью передачи сигнала 10 и 20 Гбит/с (сырая скорость передачи данных 1212 и 2424 МБ/с). Увеличение пропускной способности достигается за счет двухполосной работы по существующим проводам, которые изначально предназначались для функций триггера (flip-flop) разъема USB-C.[46]

[редактировать исходный код]

Начиная со спецификации USB 3.2, USB-IF ввела новую схему наименования.[47] Чтобы помочь компаниям с брендингом различных режимов работы, USB-IF рекомендовала обозначать возможности 5, 10 и 20 Гбит/с как SuperSpeed USB 5 Гбит/с, SuperSpeed USB 10 Гбит/с и SuperSpeed USB 20 Гбит/с соответственно.[48]

В 2023 году они были снова заменены,[49] с удалением «SuperSpeed», на USB 5 Гбит/с, USB 10 Гбит/с и USB 20 Гбит/с. С новыми логотипами для упаковки и портов.[50]

[编辑源代码]

Основная статья: USB4

Устаревший сертифицированный логотип USB4

Спецификация USB4 была выпущена 29 августа 2019 года организацией USB Implementers Forum.[51]

Спецификация USB4 2.0 была выпущена 1 сентября 2022 года организацией USB Implementers Forum.[52]

USB4 основан на Thunderbolt 3 протокол.[53] Он поддерживает пропускную способность 40 Гбит/с, совместим с Thunderbolt 3 и обратно совместим с USB 3.2 и USB 2.0.[54][55] Архитектура определяет метод динамического совместного использования одного высокоскоростного канала с несколькими конечными устройствами, который наилучшим образом подходит для передачи данных по типу и приложению.

Во время CES 2020, USB-IF и Intel заявили о намерении разрешить продукты USB4, поддерживающие все опциональные функции как Thunderbolt 4 продукты.

USB4 2.0 со скоростью 80 Гбит/с должен был быть представлен в ноябре 2022 года.[56][57] Дополнительные технические детали должны были быть опубликованы на двух днях разработчиков USB, запланированных на ноябрь 2022 года.[58][требуется обновление]

Спецификация USB4 гласит, что следующие технологии должны поддерживаться USB4:[2]

[редактировать исходный код]

Обзор схемы именования USB, введенной в сентябре 2022 года

(Отображается смесь спецификаций USB и их маркетинговых названий

поскольку спецификации иногда ошибочно используются в качестве маркетинговых названий.)

[спорно (поскольку: USB4 20 Гбит/с не существует; USB4 2×2 не взаимозаменяем с USB 3.2 2×2, как указано на логотипе; логотипы для USB 3.x и USB4 различаются.) – обсуждение]

Из-за предыдущих запутанных схем наименования USB-IF решил изменить их снова. С 2 сентября 2022 года маркетинговые названия следуют синтаксису "USB x Гбит/с", где x — скорость передачи в Гбит/с.[59] 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 режиме.

[редактировать исходный код]

[редактировать исходный код]

[редактировать исходный код]

[редактировать исходный код]

Система USB состоит из хоста с одним или несколькими портами, направленными вниз (DFP),[67] и нескольких периферийных устройств, образующих многоуровневуютопологию звезды. ДополнительныеUSB-концентраторы может быть включено, что позволяет до пяти уровней. USB-хост может иметь несколько контроллеров, каждый с одним или несколькими портами. К одному хост-контроллеру может быть подключено до 127 устройств.[68][40]: 8–29  USB-устройства соединяются последовательно через хабы. Хаб, встроенный в хост-контроллер, называется корневым хабом.

USB-устройство может состоять из нескольких логических подустройств, которые называются функциями устройства. Составное устройство может предоставлять 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 USB-кабелю.

USB-конечные точки находятся на периферийном устройстве: каналы к хосту называются трубами.

Обмен данными с USB-устройством осуществляется через каналы (логические соединения). Канал соединяет хост-контроллер с логическим объектом внутри устройства, который называется конечной точкой. Поскольку каналы соответствуют конечным точкам, эти термины иногда используются как взаимозаменяемые. Каждое USB-устройство может иметь до 32 конечных точек (16 входных и 16 выходных), хотя такое количество встречается редко. Конечные точки определяются и нумеруются устройством во время инициализации (период после физического подключения, называемый перечислением) и поэтому являются относительно постоянными, тогда как каналы могут открываться и закрываться.

Существует два типа труб: потоковые и сообщений.

Когда хост начинает передачу данных, он отправляет TOKEN-пакет, содержащий конечную точку, указанную с помощью кортежа(device_address, endpoint_number). Если передача данных осуществляется от хоста к конечной точке, хост отправляет пакет OUT (разновидность пакета TOKEN) с указанием требуемого адреса устройства и номера конечной точки. Если передача данных происходит от устройства к хосту, хост вместо этого отправляет пакет IN. Если целевая конечная точка является однонаправленной, и заданное производителем направление не совпадает с пакетом TOKEN (например, направление, заданное производителем, — IN, а пакет TOKEN — OUT), такой пакет TOKEN игнорируется. В противном случае он принимается, и может начаться транзакция данных. Двунаправленная конечная точка, напротив, принимает как пакеты IN, так и OUT.

Два разъема USB 3.0 Standard-A (слева) и два разъема USB 2.0 Standard-A (справа) на передней панели компьютера

Конечные точки группируются в интерфейсы, и каждый интерфейс связан с одной функцией устройства. Исключением является конечная точка ноль, которая используется для конфигурации устройства и не связана ни с одним интерфейсом. Одна функция устройства, состоящая из независимо управляемых интерфейсов, называется композитным устройством. Композитное устройство имеет только один адрес устройства, поскольку хост назначает адрес устройства только одной функции.

Когда USB-устройство впервые подключается к USB-хосту, запускается процесс перечисления USB-устройства. Перечисление начинается с отправки сигнала сброса на USB-устройство. Скорость передачи данных USB-устройства определяется во время сигнала сброса. После сброса хост считывает информацию об USB-устройстве, 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 перезагружается, процесс перечисления повторяется для всех подключенных устройств.

Хост-контроллер управляет потоком данных к устройствам, 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 опросы шина для трафика, обычно в циклический образом. Пропускная способность каждого порта USB определяется более низкой скоростью либо порта USB, либо подключенного к порту USB-устройства.

Высокоскоростные концентраторы USB 2.0 содержат устройства, называемые транзакционными преобразователями, которые выполняют преобразование между высокоскоростными шинами USB 2.0 и шинами полной и низкой скорости. Может быть один преобразователь на концентратор или на порт.

Поскольку в каждом хосте USB 3.0 имеется два отдельных контроллера, устройства USB 3.0 передают и принимают данные на скоростях сигнализации USB 3.0 независимо от подключенных к этому хосту устройств USB 2.0 или более ранних версий. Рабочие скорости сигнализации для более ранних устройств устанавливаются устаревшим способом.

[редактировать исходный код]

Функциональность USB-устройства определяется кодом класса, отправляемым USB-хосту. Это позволяет хосту загружать программные модули для устройства и поддерживать новые устройства от разных производителей.

Классы устройств включают:[70]

[редактировать исходный код]

См. также: Класс запоминающих устройств USB, Корпус для диска, и Внешний жесткий диск

USB-флеш-накопитель, типичное USB-запоминающее устройство

USB-M.2 (2242) твердотельный накопитель (SSD) подключенный через адаптер USB 3.0 к компьютеру

 Класс устройств массовой памяти USB (MSC или UMS) стандартизирует подключение к устройствам хранения данных. Изначально предназначенный для магнитных и оптических дисков, он был расширен для поддержки флеш-накопителей и SD-карт ридеров. Возможность загрузки с защищенного от записи Карта SD с USB-адаптером особенно выгодно для сохранения целостности и неизменного, безупречного состояния загрузочного носителя.

Хотя большинство персональных компьютеров с начала 2005 года могут загружаться с USB-накопителей, USB не предназначен в качестве основной шины для внутреннего хранения данных компьютера. Однако USB имеет преимущество, позволяя горячую замену, что делает его полезным для мобильных периферийных устройств, включая различные типы накопителей.

Несколько производителей предлагают внешние портативные USB жёсткие диски, или пустые корпуса для дисковых накопителей. Они обеспечивают производительность, сравнимую с внутренними накопителями, ограниченную количеством и типами подключённых USB-устройств, а также верхним пределом интерфейса USB. Другие конкурирующие стандарты для подключения внешних накопителей включают eSATA, ExpressCard, FireWire (IEEE 1394), и совсем недавно Thunderbolt.

Еще одно применение запоминающих устройств USB — это портативный запуск программного обеспечения (например, веб-браузеров и VoIP-клиентов) без необходимости установки на главный компьютер.[74][75]

[редактировать исходный код]

См. также: Протокол передачи изображений

Протокол передачи мультимедиа (MTP) был разработан компанией Microsoft для обеспечения доступа более высокого уровня к файловой системе устройства, чем USB-накопитель, на уровне файлов, а не дисковых блоков. Он также имеет дополнительные DRM функции. MTP был разработан для использования с портативными медиаплеерами, но с тех пор он был принят в качестве основного протокола доступа к хранилищу в операционной системе Android начиная с версии 4.1 Jelly Bean, а также Windows Phone 8 (устройства на Windows Phone 7 использовали протокол Zune — эволюцию MTP). Основная причина этого заключается в том, что MTP не требует монопольного доступа к устройству хранения, как UMS, что устраняет потенциальные проблемы, если программа Android запрашивает хранилище, пока оно подключено к компьютеру. Главный недостаток — MTP не так хорошо поддерживается за пределами операционных систем Windows.

[редактировать исходный код]

Основная статья: Класс USB-устройств взаимодействия с человеком

USB-мышь или клавиатуру обычно можно использовать с более старыми компьютерами, имеющими порты PS/2 с помощью небольшого USB-адаптера на PS/2. Для мышей и клавиатур с поддержкой двух протоколов пассивный адаптер, не содержащий логическая схема может использоваться: USB-аппаратное обеспечениев клавиатуре или мыши предназначен для определения того, подключено ли устройство к порту USB или PS/2, и для связи с использованием соответствующего протокола.[требуется цитирование] Также существуют активные переходники, которые подключают USB-клавиатуры и мыши (обычно по одному каждого типа) к портам PS/2.[76]

[редактировать исходный код]

Обновление прошивки устройства (DFU) — это общий механизм для обновленияпрошивки устройств USB с улучшенными версиями, предоставленными их производителями, предлагая (например) способ развертывания исправлений ошибок прошивки. Во время операции обновления прошивки USB-устройства меняют свой режим работы, фактически становясь ПЗУ программист. Любой класс USB-устройств может реализовать эту возможность, следуя официальным спецификациям DFU. Это позволяет использовать совместимые с DFU хост-инструменты для обновления устройства.[73][77][78]

DFU иногда используется как протокол программирования флэш-памяти в микроконтроллерах со встроенным USB-загрузчиком. [79]

[редактировать исходный код]

Рабочая группа USB Device Working Group разработала спецификации для потоковой передачи аудио, а для аудиоклассов, таких как микрофоны, динамики, гарнитуры, телефоны, музыкальные инструменты и т. д., были созданы и внедрены конкретные стандарты. Рабочая группа опубликовала три версии спецификаций аудиоустройств:[80][81] USB Audio 1.0, 2.0 и 3.0, обозначаемые как "UAC"[82] или "ADC".[83]

UAC 3.0 в первую очередь вводит улучшения для портативных устройств, такие как снижение энергопотребления за счет пакетной передачи данных и более частого нахождения в режиме низкого энергопотребления, а также домены питания для различных компонентов устройства, позволяющие отключать их, когда они не используются.[84]

UAC 2.0 представил поддержку High Speed USB (в дополнение к Full Speed), что обеспечило большую пропускную способность для многоканальных интерфейсов, более высокие частоты дискретизации,[85] меньшую собственную задержку,[86][82] и 8-кратное улучшение временного разрешения в синхронном и адаптивном режимах.[82] UAC2 также ввел концепцию тактовых доменов, которая предоставляет хосту информацию о том, какие входные и выходные терминалы получают тактовые сигналы от одного источника, а также улучшенную поддержку аудиокодеков, таких как DSD, аудиоэффекты, кластеризацию каналов, пользовательские элементы управления и описания устройств.[82][87]

Устройства UAC 1.0 по-прежнему распространены, однако, благодаря их кроссплатформенной совместимости без драйверов,[85] а также частично из-за Microsoftне смогла реализовать UAC 2.0 в течение более десяти лет после его публикации, наконец добавив поддержку в Windows 10 через обновление Creators Update 20 марта 2017 года.[88][89][87] UAC 2.0 также поддерживается macOS, iOS, и Linux,[82] однако Android реализует только подмножество спецификации UAC 1.0.[90]

USB предоставляет три типа изохронной (фиксированной пропускной способности) синхронизации,[91] все из которых используются аудиоустройствами:[92]

Хотя в спецификации USB изначально описывался асинхронный режим для «недорогих колонок» и адаптивный режим для «высококачественных цифровых колонок»,[96] в настоящее время существует противоположное восприятие вhi-fi мир, где асинхронный режим рекламируется как особенность, а адаптивный/синхронный режимы имеют плохую репутацию.[97][98][90] В действительности, все типы могут быть как высокого, так и низкого качества, в зависимости от качества их разработки и применения.[94][82][99] Асинхронный режим имеет преимущество в виде независимости от тактовой частоты компьютера, но недостаток — необходимость впреобразование частоты дискретизации при объединении нескольких источников.

[редактировать исходный код]

Основная статья: Разъёмы USB § Разъёмы

Разъемы, указанные комитетом USB, поддерживают ряд основных целей USB и отражают уроки, извлеченные из множества разъемов, используемых компьютерной индустрией. Ответный разъем, установленный на хосте или устройстве, называется гнездом (receptacle), а штекерный разъем, прикрепленный к кабелю, называется вилкой (plug).[40]: 2-5–2-6  В официальных документах спецификации USB также периодически определяется термин «штекер» (male) для обозначения вилки и «гнездо» (female) для обозначения ответного разъема.[100]

Штекер USB Standard-A, когда-то самый распространенный тип USB-разъема, теперь один из многих устаревших типов USB-разъемов

Дизайн предназначен для того, чтобы затруднить неправильное вставление USB-штекера в его гнездо. Спецификация USB требует, чтобы кабельный штекер и гнездо были маркированы, чтобы пользователь мог распознать правильную ориентацию.[40] Однако штекер USB-C является обратимым. USB-кабели и небольшие USB-устройства удерживаются на месте силой захвата от гнезда, без винтов, зажимов или поворотных фиксаторов, как в некоторых разъемах.

USB Mini-B (справа) и его преемник USB Micro-B (слева). Это были наиболее распространенные типы USB-разъемов на небольших и портативных устройствах до создания USB Type-C.

Разные разъемы A и B предотвращают случайное подключение двух источников питания. Однако часть этой направленной топологии теряется с появлением многоцелевых USB-подключений (таких как USB On-The-Go в смартфонах и USB-роутерах с питанием от Wi-Fi), которые требуют кабелей A-A, B-B, а иногда и Y-образных/разветвительных кабелей.

Типы разъемов USB множились по мере развития спецификации. Исходная спецификация USB описывала стандартные вилки и розетки типа A и типа B. Разъемы были разными, чтобы пользователи не могли соединить один компьютерный разъем с другим. Контакты данных в стандартных вилках утоплены по сравнению с контактами питания, чтобы устройство могло включиться до установления соединения данных. Некоторые устройства работают в разных режимах в зависимости от того, установлено ли соединение данных. Зарядные станции подают питание и не содержат хост-устройства или контактов данных, что позволяет любому совместимому USB-устройству заряжаться или работать от стандартного USB-кабеля. Зарядные кабели обеспечивают соединение по питанию, но не по данным. В кабеле только для зарядки провода данных закорочены на стороне устройства; в противном случае устройство может отклонить зарядное устройство как неподходящее.

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB-аппаратное обеспечение § Кабели

Разнообразие USB-кабелей в продаже в Гонконг

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 устройств, работающих на низкой скорости (1,5 Мбит/с).[101][102][103]

USB 2.0 предусматривает максимальную длину кабеля 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на высокой скорости (480 Мбит/с).[103]

Стандарт USB 3.0 не указывает напрямую максимальную длину кабеля, требуя только, чтобы все кабели соответствовали электрическим спецификациям: для медного кабеля с AWG 26 проводов максимальная практическая длина составляет 3 метра (9 футов 10 дюймов).[104]

[редактировать исходный код]

USB-мостовые кабели или кабели для передачи данных можно найти на рынке, они обеспечивают прямое соединение между ПК. Мостовой кабель — это специальный кабель с чипом и активной электроникой посередине. Чип в середине кабеля действует как периферийное устройство для обоих компьютеров и обеспечивает одноранговую связь между ними. USB-мостовые кабели используются для передачи файлов между двумя компьютерами через их USB-порты.

Популяризирован Microsoft как Windows Easy Transfer, утилита Microsoft использовала специальный USB-мостовой кабель для переноса личных файлов и настроек с компьютера под управлением более ранней версии Windows на компьютер с более новой версией. В контексте использования программного обеспечения Windows Easy Transfer мостовой кабель иногда может называться кабелем Easy Transfer.

Многие USB-мосты / кабели для передачи данных всё ещё являются USB 2.0, но также существует ряд кабелей для передачи данных USB 3.0. Несмотря на то, что USB 3.0 в 10 раз быстрее USB 2.0, кабели для передачи данных USB 3.0 из-за своей конструкции работают только в 2-3 раза быстрее.[требуется уточнение]

Спецификация USB 3.0 представила перекрёстный кабель A-A без питания для соединения двух ПК. Они не предназначены для передачи данных, а нацелены на диагностическое использование.

[редактировать исходный код]

USB-мостовые кабели стали менее важными с появлением возможностей двухролевого устройства USB, введённых в спецификации USB 3.1. Согласно последним спецификациям, USB поддерживает большинство сценариев прямого соединения систем с помощью кабеля Type-C. Однако для работы этой возможности подключённые системы должны поддерживать переключение ролей. Двухролевые возможности требуют наличия в системе двух контроллеров, а также контроллера ролей. Хотя это можно ожидать на мобильных платформах, таких как планшеты или телефоны, настольные ПК и ноутбуки часто не поддерживают двухролевой режим.[105]

[редактировать исходный код]

Основная статья:USB-аппаратное обеспечение § Питание

Восходящие USB-разъемы подают питание номинальным напряжением 5 В постоянного тока через контакт V_BUS на нисходящие USB-устройства.

[редактировать исходный код]

В этом разделе описывается модель распределения питания USB, существовавшая до Power-Delivery (USB-PD). На устройствах, не использующих PD, USB обеспечивает до 4,5 Вт через разъемы Type-A и Type-B и до 15 Вт через USB-C. Вся мощность USB до PD подается при напряжении 5 В.

Для хоста, обеспечивающего питание устройств, USB использует концепцию единичной нагрузки. Любое устройство может потреблять мощность одной единицы, а устройства могут запрашивать больше энергии дискретными шагами. Хост не обязан предоставлять запрашиваемую мощность, и устройство не может потреблять больше энергии, чем было согласовано.

Устройства, потребляющие не более одной единицы нагрузки, называются маломощными устройствами. Все устройства должны работать как маломощные при начальной настройке. Для USB-устройств до USB 2.0 единица нагрузки составляет 100 мА (или 500 мВт), а USB 3.0 определяет единицу нагрузки как 150 мА (750 мВт). Полнофункциональный USB-C может поддерживать маломощные устройства с единицей нагрузки 250 мА (или 1250 мВт).

Устройства, потребляющие более одной единицы, являются **высокомощными** устройствами (например, типичные 2,5-дюймовые жёсткие диски). USB до версии 2.0 позволяет хосту или концентратору подавать до 2,5 Вт на каждое устройство, с пятью дискретными шагами по 100 мА, а устройства SuperSpeed (USB 3.x) позволяют хосту или концентратору подавать до 4,5 Вт с шестью шагами по 150 мА. USB-C поддерживает двухканальную работу USB 3.x с увеличенной единичной нагрузкой (250 мА; до 7,5 Вт).[106] USB-C также поддерживает ток Type-C в качестве замены USB BC, сигнализируя о доступной мощности простым способом, без необходимости в каком-либо подключении данных.[107]

Для распознавания режима зарядки аккумулятора выделенный зарядный порт устанавливает сопротивление не более 200 Ом между контактами D+ и D−. Замкнутые или почти замкнутые линии данных с сопротивлением менее 200 Ом между контактами D+ и D− указывают на выделенный зарядный порт (DCP) с неограниченной скоростью зарядки.[108][109]

Помимо стандартного USB, существует проприетарная высокомощная система, известная как PoweredUSB, разработанный в 1990-х годах и используемый в основном в терминалах точек продаж, таких как кассовые аппараты.

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB communications § Signaling (USB PHY)

Сигналы USB передаются с использованием дифференциальная сигнализация на витая пара провода данных с 90 Ом ± 15% характеристический импеданс.[110] Спецификации USB 2.0 и более ранние определяют одну пару в полудуплекс (HDx). Спецификации USB 3.0 и более поздние версии определяют одну выделенную пару для совместимости с USB 2.0 и две или четыре пары для передачи данных: две пары проводов данных, реализующие полный дуплекс (FDx) для вариантов с одной полосой (×1), требуют как минимум разъемов SuperSpeed (SS); четыре пары, реализующие полный дуплекс для вариантов с двумя полосами (×2), требуют разъемов USB-C.

USB4 Gen 4 требует использования всех четырех пар, но допускает асимметричную конфигурацию пар.[111] В этом случае одна пара проводов данных используется для восходящего потока данных, а остальные три — для нисходящего или наоборот. USB4 Gen 4 использует импульсно-амплитудная модуляция на 3 уровнях, обеспечивая трит информации каждые бод при передаче частота передачи 12,8 ГГц соответствует скорости передачи 25,6 ГБд[112], а преобразование 11-бит–в–7-трит обеспечивает теоретическую максимальную скорость передачи чуть более 40,2 Гбит/с.[113]

USB-соединение всегда устанавливается между концом **A** (хост или нисходящий порт концентратора) и концом **B** (периферийное устройство или восходящий порт концентратора). Исторически это было очевидно, поскольку хосты имели только разъёмы Type-A, а периферийные устройства — только Type-B, а каждый совместимый кабель оснащался одной вилкой Type-A и одной вилкой Type-B. USB-C (Type-C) представляет собой единый разъём, заменяющий все устаревшие разъёмы Type-A и Type-B. Поэтому, когда обе стороны оснащены портами USB Type-C, они договариваются, какая из них будет **хостом**, а какая — **устройством**.

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB (связь) § Уровень протокола

Во время USB-связи данные передаются в виде пакеты. Изначально все пакеты отправляются хостом через корневой концентратор и, возможно, через другие концентраторы, к устройствам. Некоторые из этих пакетов предписывают устройству отправить несколько пакетов в ответ.

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB (Communications) § Транзакция

Основными транзакциями USB являются:

[редактировать исходный код]

Логотип Wireless USB

[редактировать исходный код]

USB Implementers Forum представил стандарт беспроводной связи Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0 на основе протокола USB 29 июля 2015 года. Wireless USB — это технология замены кабеля, использующая сверхширокополосный беспроводная технология для скорости передачи данных до 480 Мбит/с.[114]

USB-IF использовала спецификацию WiGig Serial Extension v1.2 в качестве первоначальной основы для спецификации MA-USB, и она совместима с SuperSpeed USB (3.0 и 3.1) и Hi-Speed USB (USB 2.0). Устройства, использующие MA-USB, будут маркироваться как "Powered by MA-USB" при условии прохождения программы сертификации.[115]

[редактировать исходный код]

Основная статья: InterChip USB

InterChip USB — это чип-к-чипу вариант, который устраняет традиционные приёмопередатчики, используемые в обычном USB. HSIC физический уровень использует примерно на 50% меньше энергии и на 75% меньше платы площадь по сравнению с USB 2.0.[116] Это альтернативный стандарт для SPI и I2C.

[редактировать исходный код]

Основная статья: USB-C

USB-C (официально USB Type-C) — это стандарт, определяющий новый разъем и несколько новых функций подключения. Среди них поддерживается Alternate Mode, который позволяет передавать другие протоколы через разъем и кабель USB-C. Это часто используется для поддержки DisplayPort или HDMI протоколов, 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 однополосной работы (Gen 1×1 и Gen 2×1).[117]

[редактировать исходный код]

Основная статья: DisplayLink

DisplayLink — это технология, позволяющая подключать несколько дисплеев к компьютеру через USB. Она была представлена около 2006 года, и до появления Alternate Mode через USB-C это был единственный способ подключения дисплеев через USB. Это проприетарная технология, не стандартизированная USB Implementers Forum, и обычно требует отдельного драйвер устройства на компьютере.

[редактировать исходный код]

[редактировать исходный код]

Сначала USB рассматривался как дополнение к FireWire (IEEE 1394) технология, которая была разработана как высокоскоростная последовательная шина, 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 значительные технические различия между FireWire и USB включают:

Эти и другие различия отражают разные цели проектирования двух шин: USB был разработан для простоты и низкой стоимости, в то время как FireWire — для высокой производительности, особенно в чувствительных ко времени приложениях, таких как аудио и видео. Хотя теоретическая максимальная скорость передачи сигнала у них схожа, FireWire 400 на практике быстрее, чем USB 2.0 с высокой пропускной способностью,[118] особенно при использовании с внешними жесткими дисками.[119][120][121][122] Более новый стандарт FireWire 800 вдвое быстрее FireWire 400 и превосходит USB 2.0 с высокой пропускной способностью как теоретически, так и практически.[123] Однако преимущества FireWire в скорости основаны на низкоуровневых методах, таких какпрямой доступ к памяти (DMA), что, в свою очередь, создало возможности для эксплуатации уязвимостей безопасности, таких как Атака DMA.

Чипсет и драйверы, используемые для реализации USB и FireWire, оказывают решающее влияние на то, насколько пропускная способность, предписанная спецификацией, достигается в реальном мире, а также на совместимость с периферийными устройствами.[124]

[редактировать исходный код]

Стандарты IEEE 802.3af, 802.3at и 802.3bt Power over Ethernet (PoE) стандарты определяют более сложные схемы согласования питания, чем питаемый USB. Они работают при напряжении 48 В DC и может подавать больше энергии (до 12,95 Вт для 802.3af, 25,5 Вт для 802.3at, также известного как PoE+, 71 Вт для 802.3bt, также известного как 4PPoE) по кабелю длиной до 100 метров по сравнению с USB 2.0, который обеспечивает 2,5 Вт при максимальной длине кабеля 5 метров. Это сделало PoE популярным для Голос через IPтелефоны,камеры видеонаблюдения, беспроводные точки доступа, и другие сетевые устройства в зданиях. Однако USB дешевле PoE при условии короткого расстояния и низкого энергопотребления.

EthernetСтандарты требуют электрической изоляции между сетевым устройством (компьютером, телефоном и т. д.) и сетевым кабелем до 1500 В переменного тока или 2250 В постоянного тока в течение 60 секунд.[125] USB не имеет такого требования, поскольку он был разработан для периферийных устройств, тесно связанных с хост-компьютером, и фактически соединяет заземление периферийного устройства и хоста. Это дает Ethernet значительное преимущество в безопасности перед USB при использовании с периферийными устройствами, такими как кабельные и DSL-модемы, подключенные к внешней проводке, которая может принимать опасные напряжения при определенных условиях неисправности.[126][127]

[редактировать исходный код]

Определение класса USB-устройств для MIDI-устройств передает цифровой интерфейс музыкальных инструментов (MIDI) музыкальные данные через USB.[128] Возможности MIDI расширены, чтобы поддерживать до шестнадцати одновременных виртуальных MIDI-кабелей, каждый из которых может передавать обычные шестнадцать каналов и тактовые сигналы MIDI.

USB конкурентоспособен для недорогих и физически близких устройств. Однако Power over Ethernet и MIDI стандарт разъема имеют преимущество в высококлассных устройствах, которые могут иметь длинные кабели. USB может вызывать заземляющая петля проблемы между оборудованием, поскольку он соединяет опорные заземления на обоих приемопередатчиках. Напротив, стандарт разъема MIDI и Ethernet имеют встроенную изоляцию до 500 В или более.

[редактировать исходный код]

eSATA разъем является более надежным SATAразъем, предназначенный для подключения внешних жестких дисков и SSD. Скорость передачи данных eSATA (до 6 Гбит/с) аналогична USB 3.0 (до 5 Гбит/с) и USB 3.1 (до 10 Гбит/с). Устройство, подключенное через eSATA, определяется как обычное SATA-устройство, обеспечивая как полную производительность, так и полную совместимость, характерную для внутренних дисков.

eSATA не подает питание на внешние устройства. Это становится все более серьезным недостатком по сравнению с USB. Хотя 4,5 Вт USB 3.0 иногда недостаточно для питания внешних жестких дисков, технологии развиваются, и внешним накопителям постепенно требуется меньше энергии, что снижает преимущество eSATA.eSATAp (power over eSATA, также известный 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 HDD/SSD; на настольной рабочей станции он может дополнительно подавать 12 В для питания более крупных устройств, включая 3,5-дюймовые HDD/SSD и 5,25-дюймовые оптические приводы.

Поддержку eSATAp можно добавить на настольный компьютер с помощью кронштейна, подключающего материнскую плату к ресурсам SATA, питания и USB.

eSATA, как и USB, поддерживаетгорячее подключение, хотя это может быть ограничено драйверами ОС и прошивкой устройства.

[редактировать исходный код]

Основная статья: Thunderbolt (интерфейс)

Thunderbolt объединяет PCI Express и DisplayPort в новый последовательный интерфейс данных. Оригинальные реализации Thunderbolt имеют два канала, каждый со скоростью передачи 10 Гбит/с, что обеспечивает совокупную однонаправленную пропускную способность 20 Гбит/с.[129]

Thunderbolt 2 использует агрегацию каналов для объединения двух каналов по 10 Гбит/с в один двунаправленный канал 20 Гбит/с.[130]

Thunderbolt 3 и Thunderbolt 4 использует USB-C.[131][132][133] Thunderbolt 3 имеет два физических двунаправленных канала по 20 Гбит/с, объединенных в один логический двунаправленный канал 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 структуру USB4, что делает функции порта Thunderbolt 3 надмножеством функций порта USB 3.1 Gen 2.

DisplayPort Alternate Mode 2.0: USB4 (требующий USB-C) требует, чтобы концентраторы поддерживали DisplayPort 2.0 через альтернативный режим USB-C. DisplayPort 2.0 может поддерживать разрешение 8K при 60 Гц с цветом HDR10.[134] DisplayPort 2.0 может использовать 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 данных одновременно.[134]

После того как спецификация стала бесплатной и управление протоколом Thunderbolt было передано от Intel в USB Implementers Forum, Thunderbolt 3 был эффективно реализован в спецификации USB4 – совместимость с Thunderbolt 3 является опциональной, но рекомендуется для продуктов USB4.[135]

[редактировать исходный код]

Основная статья:Адаптер USB-последовательный порт

Различныепреобразователи протоколов доступны, которые преобразуют сигналы данных USB в другие стандарты связи и обратно.

[Редактировать исходный код]

Из-за распространенности стандарта USB существует множество эксплойтов, использующих этот стандарт. Одним из самых известных примеров на сегодняшний день является так называемый USB-убийца, устройство, которое повреждает USB-устройства, подавая импульсы высокого напряжения на линии данных.

В версиях Microsoft Windows до Windows XP, Windows автоматически запускала скрипт (если он присутствовал) на некоторых устройствах через Автозапуск, один из которых — USB-накопители, которые могут содержать вредоносное ПО.[136]