USB - USB

Bus seriale universale

Logo certificato
Tipo	Autobus
Storia della produzione
progettista
Progettato	gennaio 1996 ; 25 anni fa ( 1996-01 )
Prodotto	Dal maggio 1996
Sostituito	Porta seriale , porta parallela , porta giochi , Apple Desktop Bus , PS / 2 porta , e FireWire (IEEE 1394)
Specifiche generali
Lunghezza
Larghezza
Altezza
Collegabile a caldo	sì
Esterno	sì
Cavo
spilli
Connettore	Unico
Elettrico
Segnale	5 V CC
massimo voltaggio
massimo attuale
Dati
Segnale dati	Dati a pacchetto, definiti dalle specifiche
Larghezza	1 bit
Bitrate	A seconda della modalità Half-duplex ( USB 1.x e USB 2.0 ): 1.5; 12; 480 Mbit/s Full-duplex ( USB 3.x e USB4 ): 5000; 10000; 20000; 40000 Mbit/s
massimo dispositivi	127
Protocollo	Seriale
Pin out
Spina USB-A standard (sinistra) e presa USB-B (destra)
Pin 1		V BUS (+5 V)
Pin 2		Dati-
Perno 3		Dati+
Perno 4		Terreno

Universal Serial Bus ( USB ) è uno standard industriale che stabilisce le specifiche per cavi, connettori e protocolli per la connessione, la comunicazione e l'alimentazione ( interfacciamento ) tra computer, periferiche e altri computer. Esiste un'ampia varietà di hardware USB , inclusi quattordici connettori diversi , di cui USB-C è il più recente.

Rilasciato nel 1996, lo standard USB è mantenuto dall'USB Implementers Forum (USB-IF). Esistono quattro generazioni di specifiche USB: USB 1. x , USB 2.0 , USB 3. x e USB4 .

Panoramica

USB è stato progettato per standardizzare il collegamento delle periferiche ai personal computer, sia per comunicare che per fornire energia elettrica. Ha ampiamente sostituito interfacce come porte seriali e parallele ed è diventato comune su un'ampia gamma di dispositivi. Esempi di periferiche collegate tramite USB includono tastiere e mouse per computer, videocamere, stampanti, lettori multimediali portatili, telefoni digitali mobili (portatili), unità disco e adattatori di rete.

I connettori USB stanno sostituendo sempre più altri tipi come cavi di ricarica di dispositivi portatili.

Identificazione della presa (presa)

Questa sezione ha lo scopo di consentire una rapida identificazione delle prese USB (prese) sull'apparecchiatura. Ulteriori schemi e discussioni su spine e prese possono essere trovati nell'articolo principale sopra.

Prese disponibili per ogni connettore

Connettori		USB 1.0 1996	USB 1.1 1998	USB 2.0 2001	USB 2.0 rivisto	USB 3.0 2008	USB 3.1 2014	USB 3.2 2017	USB4 2019
Velocità dati		1,5  Mbit/s ( bassa velocità ) 12  Mbit/s (massima velocità )		1,5  Mbit/s ( bassa velocità ) 12  Mbit/s (massima velocità ) 480  Mbit/s ( alta velocità )		5 Gbit/s ( SuperVelocità )	10 Gbit/s ( SuperVelocità+ )	20 Gbit/s ( SuperVelocità+ )	40 Gbit/s ( SuperSpeed+, Thunderbolt 3 e 4 )
Standard	UN	Digitare un				Digitare un		Deprecato
	B	Tipo B				Tipo B		Deprecato
	C	N / A		Tipo C ( ingrandito )
Mini	UN	N / A	Mini A			Deprecato
	B		Mini B
	AB	N / A			Mini AB
micro	UN	N / A			Micro A	Micro A		Deprecato
	B	N / A			Micro Si	Micro Si		Deprecato
	AB	N / A			MicroAB	MicroAB		Deprecato
Connettori		USB 1.0 1996	USB 1.1 1998	USB 2.0 2001	USB 2.0 rivisto	USB 3.0 2011	USB 3.1 2014	USB 3.2 2017	USB4 2019

obiettivi

L'Universal Serial Bus è stato sviluppato per semplificare e migliorare l'interfaccia tra personal computer e periferiche, rispetto alle interfacce proprietarie standard o ad hoc precedentemente esistenti.

Dal punto di vista dell'utente del computer, l'interfaccia USB migliora la facilità d'uso in diversi modi:

• L'interfaccia USB è autoconfigurante, eliminando la necessità per l'utente di regolare le impostazioni del dispositivo per la velocità o il formato dei dati, o configurare gli interrupt , gli indirizzi di input/output oi canali di accesso diretto alla memoria.
• I connettori USB sono standardizzati sull'host, quindi qualsiasi periferica può utilizzare la maggior parte delle prese disponibili.
• USB sfrutta appieno la potenza di elaborazione aggiuntiva che può essere economicamente inserita nei dispositivi periferici in modo che possano gestirsi da soli. Pertanto, i dispositivi USB spesso non dispongono di impostazioni dell'interfaccia regolabili dall'utente.
• L'interfaccia USB è sostituibile a caldo (i dispositivi possono essere scambiati senza riavviare il computer host).
• I piccoli dispositivi possono essere alimentati direttamente dall'interfaccia USB, eliminando la necessità di cavi di alimentazione aggiuntivi.
• Poiché l'uso del logo USB è consentito solo dopo i test di conformità , l'utente può essere certo che un dispositivo USB funzionerà come previsto senza un'interazione estensiva con le impostazioni e la configurazione.
• L'interfaccia USB definisce i protocolli per il ripristino da errori comuni, migliorando l'affidabilità rispetto alle interfacce precedenti.
• L'installazione di un dispositivo che si basa sullo standard USB richiede un'azione minima dell'operatore. Quando un utente collega un dispositivo a una porta su un computer in esecuzione, si configura in modo completamente automatico utilizzando i driver di dispositivo esistenti oppure il sistema richiede all'utente di individuare un driver, che quindi installa e configura automaticamente.

Lo standard USB offre inoltre molteplici vantaggi per i produttori di hardware e gli sviluppatori di software, in particolare nella relativa facilità di implementazione:

• Lo standard USB elimina la necessità di sviluppare interfacce proprietarie per nuove periferiche.
• L'ampia gamma di velocità di trasferimento disponibile da un'interfaccia USB si adatta a dispositivi che vanno da tastiere e mouse fino alle interfacce video in streaming.
• Un'interfaccia USB può essere progettata per fornire la migliore latenza disponibile per le funzioni time-critical o può essere configurata per eseguire trasferimenti in background di dati di massa con un impatto minimo sulle risorse di sistema.
• L'interfaccia USB è generalizzata senza linee di segnale dedicate a una sola funzione di un dispositivo.

Limitazioni

Come per tutti gli standard, l'USB presenta molteplici limitazioni al suo design:

• I cavi USB sono di lunghezza limitata, poiché lo standard era inteso per le periferiche sullo stesso piano del tavolo, non tra stanze o edifici. Tuttavia, una porta USB può essere collegata a un gateway che accede a dispositivi distanti.
• Le velocità di trasferimento dati USB sono inferiori a quelle di altre interconnessioni come 100 Gigabit Ethernet .
• USB ha una rigida topologia di rete ad albero e un protocollo master/slave per l'indirizzamento dei dispositivi periferici; questi dispositivi non possono interagire tra loro se non tramite l'host e due host non possono comunicare direttamente tramite le loro porte USB. Alcune estensioni a questa limitazione sono possibili tramite USB On-The-Go in, Dual-Role-Devices e Protocol Bridge .
• Un host non può trasmettere segnali a tutte le periferiche contemporaneamente: ognuna deve essere indirizzata individualmente.
• Sebbene esistano convertitori tra alcune interfacce legacy e USB, potrebbero non fornire un'implementazione completa dell'hardware legacy. Ad esempio, un convertitore da USB a porta parallela può funzionare bene con una stampante, ma non con uno scanner che richiede l'uso bidirezionale dei pin di dati.

Per uno sviluppatore di prodotti, l'utilizzo dell'USB richiede l'implementazione di un protocollo complesso e implica un controller "intelligente" nel dispositivo periferico. Gli sviluppatori di dispositivi USB destinati alla vendita al pubblico in genere devono ottenere un ID USB, che richiede il pagamento di una tariffa all'USB Implementers Forum . Gli sviluppatori di prodotti che utilizzano la specifica USB devono firmare un accordo con il Forum degli implementatori. L'uso dei loghi USB sul prodotto richiede quote annuali e l'appartenenza all'organizzazione.

Storia

Un gruppo di sette aziende ha iniziato lo sviluppo di USB nel 1994: Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC e Nortel . L'obiettivo era rendere fondamentalmente più semplice il collegamento di dispositivi esterni ai PC sostituendo la moltitudine di connettori sul retro dei PC, risolvendo i problemi di usabilità delle interfacce esistenti e semplificando la configurazione software di tutti i dispositivi collegati a USB, oltre a consentire una maggiore velocità dati per dispositivi esterni e funzionalità Plug and Play . Ajay Bhatt e il suo team hanno lavorato allo standard presso Intel; i primi circuiti integrati che supportano USB sono stati prodotti da Intel nel 1995.

Joseph C. Decuir , un membro americano dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e uno dei progettisti dei primi sistemi di gioco e computer Atari a 8 bit (Atari VCS, Atari 400/800), nonché il Commodore Amiga, accredita il suo lavoro su Atari SIO , l'implementazione di comunicazione del computer Atari a 8 bit come base dello standard USB, che ha anche aiutato a progettare e su cui detiene i brevetti.

La specifica USB 1.0 originale, introdotta nel gennaio 1996, definiva velocità di trasferimento dati di 1,5  Mbit/s a bassa velocità e 12 Mbit/s a piena velocità . I progetti in bozza richiedevano un bus a 5 Mbit/s a velocità singola, ma la bassa velocità è stata aggiunta per supportare periferiche a basso costo con cavi non schermati , risultando in un design diviso con una velocità dati di 12 Mbit/s destinato a velocità più elevate dispositivi come stampanti e unità disco floppy e la velocità inferiore di 1,5 Mbit/s per dispositivi a bassa velocità di trasmissione dati come tastiere, mouse e joystick . Microsoft Windows 95, OSR 2.1 ha fornito il supporto OEM per i dispositivi nell'agosto 1997. La prima versione ampiamente utilizzata di USB è stata la 1.1, rilasciata nel settembre 1998. L' iMac di Apple Inc. è stato il primo prodotto mainstream con USB e il successo di iMac popolare USB stesso. A seguito della decisione progettuale di Apple di rimuovere tutte le porte legacy dall'iMac, molti produttori di PC hanno iniziato a costruire PC senza legacy , il che ha portato al mercato dei PC più ampio che utilizza l'USB come standard.

La specifica USB 2.0 è stata rilasciata nell'aprile 2000 ed è stata ratificata dall'USB Implementers Forum (USB-IF) alla fine del 2001. Hewlett-Packard , Intel, Lucent Technologies (ora Nokia), NEC e Philips hanno guidato congiuntamente l'iniziativa per sviluppare una velocità di trasferimento dati più elevata, con la specifica risultante che raggiunge 480 Mbit/s, 40 volte più veloce della specifica USB 1.1 originale.

La specifica USB 3.0 è stata pubblicata il 12 novembre 2008. I suoi obiettivi principali erano aumentare la velocità di trasferimento dati (fino a 5 Gbit/s), ridurre il consumo energetico, aumentare la potenza in uscita ed essere retrocompatibile con USB 2.0. USB 3.0 include un nuovo bus ad alta velocità chiamato SuperSpeed ​​in parallelo con il bus USB 2.0. Per questo motivo la nuova versione si chiama anche SuperSpeed. I primi dispositivi dotati di USB 3.0 sono stati presentati nel gennaio 2010.

Nel 2008, circa 6 miliardi di porte e interfacce USB erano presenti sul mercato globale e circa 2 miliardi venivano venduti ogni anno.

La specifica USB 3.1 è stata pubblicata nel luglio 2013.

Nel mese di dicembre 2014, USB-IF ha presentato USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 e USB-C specifiche per l' IEC ( TC 100  - audio, sistemi video e multimediali e attrezzature) per l'inclusione nello standard IEC 62680 (internazionali interfacce Universal Serial Bus per dati e alimentazione) , che attualmente è basato su USB 2.0.

La specifica USB 3.2 è stata pubblicata a settembre 2017.

USB 1.x

Rilasciato nel gennaio 1996, USB 1.0 ha specificato velocità di segnale di 1,5 Mbit/s (larghezza di banda bassa o bassa velocità) e 12 Mbit/s (velocità massima) . Non consentiva cavi di prolunga o monitor passanti, a causa di limiti di tempo e potenza. Pochi dispositivi USB sono arrivati ​​sul mercato fino al rilascio di USB 1.1 nell'agosto 1998. USB 1.1 è stata la prima revisione ampiamente adottata e ha portato a quello che Microsoft ha definito il " PC Legacy-free ".

Né USB 1.0 né 1.1 hanno specificato un design per connettori più piccoli dello standard di tipo A o di tipo B. Sebbene molti design per un connettore di tipo B miniaturizzato siano apparsi su molte periferiche, la conformità allo standard USB 1.x è stata ostacolata dal trattamento delle periferiche che avevano connettori miniaturizzati come se avessero una connessione cablata (ovvero: nessuna spina o presa all'estremità periferica). Non era noto alcun connettore di tipo A in miniatura fino a quando USB 2.0 (revisione 1.01) non ne ha introdotto uno.

USB 2.0

USB 2.0 è stato rilasciato nell'aprile 2000, aggiungendo una velocità di segnalazione massima superiore di 480 Mbit/s (velocità massima di dati teorica 53 MByte/s) denominata High Speed o High Bandwidth , oltre alla velocità di segnalazione USB 1.x Full Speed di 12 Mbit/s (massimo throughput teorico di dati 1,2 MByte/s).

Le modifiche alle specifiche USB sono state apportate tramite avvisi di modifica tecnica (ECN). I più importanti di questi ECN sono inclusi nel pacchetto di specifiche USB 2.0 disponibile da USB.org:

• Connettore Mini-A e Mini-B
• Specifiche dei cavi e connettori micro-USB 1.01
• Supplemento USB InterChip
• Il supplemento On-The-Go 1.3 USB On-The-Go consente a due dispositivi USB di comunicare tra loro senza richiedere un host USB separato
• Specifiche di ricarica della batteria 1.1 Aggiunto supporto per caricabatterie dedicati, comportamento dei caricabatterie host per dispositivi con batterie scariche
• Specifica di carica della batteria 1.2 : con una corrente aumentata di 1,5 A sulle porte di ricarica per dispositivi non configurati, consentendo la comunicazione ad alta velocità pur avendo una corrente fino a 1,5 A e consentendo una corrente massima di 5 A
• Link Power Management Addendum ECN , che aggiunge un sonno stato di alimentazione

USB 3.x

La specifica USB 3.0 è stata rilasciata il 12 novembre 2008, con il trasferimento della gestione da USB 3.0 Promoter Group all'USB Implementers Forum (USB-IF) e annunciata il 17 novembre 2008 alla SuperSpeed ​​USB Developers Conference.

USB 3.0 aggiunge una modalità di trasferimento SuperSpeed , con spine, prese e cavi compatibili con le versioni precedenti. Le spine e le prese SuperSpeed ​​sono identificate con un logo distinto e inserti blu nelle prese di formato standard.

Il bus SuperSpeed ​​prevede una modalità di trasferimento a una velocità nominale di 5,0 Gbit/s, in aggiunta alle tre modalità di trasferimento esistenti. La sua efficienza dipende da una serie di fattori, tra cui la codifica dei simboli fisici e l'overhead del livello di collegamento. Con una velocità di segnalazione di 5 Gbit/s con codifica 8b/10b , ogni byte necessita di 10 bit per la trasmissione, quindi il throughput grezzo è di 500 MB/s. Quando si considerano il controllo del flusso, il framing dei pacchetti e l'overhead del protocollo, è realistico trasmettere a un'applicazione 400 MB/s (3,2 Gbit/s) o più. La comunicazione è full-duplex in modalità di trasferimento SuperSpeed; le modalità precedenti sono half-duplex, arbitrate dall'host.

I dispositivi a bassa e ad alta potenza rimangono operativi con questo standard, ma i dispositivi che utilizzano SuperSpeed ​​possono sfruttare l'aumento della corrente disponibile tra 150 mA e 900 mA, rispettivamente.

USB 3.1 , rilasciato a luglio 2013 ha due varianti. Il primo conserva la modalità di trasferimento SuperSpeed ​​di USB 3.0 ed è etichettato come USB 3.1 Gen 1 , mentre la seconda versione introduce una nuova modalità di trasferimento SuperSpeed+ sotto l'etichetta di USB 3.1 Gen 2 . SuperSpeed+ raddoppia la velocità di trasmissione dati massima a 10 Gbit/s, riducendo l'overhead della codifica di linea ad appena il 3% modificando lo schema di codifica a 128b/132b .

USB 3.2 , rilasciato a settembre 2017, conserva le modalità dati USB 3.1 SuperSpeed e SuperSpeed+ esistenti ma introduce due nuove modalità di trasferimento SuperSpeed+ sul connettore USB-C con velocità dati di 10 e 20 Gbit/s (1,25 e 2,5 GB/s). L'aumento della larghezza di banda è il risultato del funzionamento a più corsie sui cavi esistenti destinati alle funzionalità flip-flop del connettore USB-C.

USB 3.0 ha anche introdotto il protocollo UASP , che fornisce velocità di trasferimento generalmente più elevate rispetto al protocollo BOT (Bulk-Only-Transfer).

Schema di denominazione

A partire dallo standard USB 3.2, USB-IF ha introdotto un nuovo schema di denominazione. Per aiutare le aziende con marchio delle diverse modalità di trasferimento, USB-IF raccomandato branding del 5, 10 e 20 Gbit / s modalità di trasferimento come SuperSpeed USB 5Gbps , SuperSpeed USB 10 Gbps e USB SuperSpeed 20Gbps , rispettivamente:

Marchio USB-IF	Logo	Modalità di trasferimento	Specifiche precedenti	Velocità dati	Velocità di trasferimento
USB SuperSpeed ​​5Gbit/s		USB 3.2 Gen 1×1	USB 3.1 di prima generazione, USB 3.0	5 Gbit/s	500 MB/s
USB SuperSpeed ​​10 Gbit/s		USB 3.2 Gen 2×1	USB 3.1 di seconda generazione, USB 3.1	10 Gbit/s	1,21 GB/s
USB superveloce 20 Gbit/s		USB 3.2 Gen 2×2	–	20 Gbit/s	2,42 GB/s

USB4

La specifica USB4 è stata rilasciata il 29 agosto 2019 dall'USB Implementers Forum.

USB4 si basa sulla specifica del protocollo Thunderbolt 3 . Supporta un throughput di 40 Gbit/s, è compatibile con Thunderbolt 3 e retrocompatibile con USB 3.2 e USB 2.0. L'architettura definisce un metodo per condividere dinamicamente un singolo collegamento ad alta velocità con più tipi di dispositivi finali che serve al meglio il trasferimento di dati per tipo e applicazione.

La specifica USB4 afferma che le seguenti tecnologie devono essere supportate da USB4:

Connessione	Obbligatorio per			Osservazioni
	ospite	centro	dispositivo
USB 2.0 (480 Mbit/s)	sì	sì	sì	Contrariamente ad altre funzioni, che utilizzano il multiplexing di collegamenti ad alta velocità, USB 2.0 su USB-C utilizza la propria coppia differenziale di fili.
USB4 generazione 2×2 (20 Gbit/s)	sì	sì	sì	Un dispositivo con etichetta USB 3.0 funziona ancora tramite un host o hub USB4 come dispositivo USB 3.0. Il requisito del dispositivo di Gen 2x2 si applica solo ai nuovi dispositivi con etichetta USB4.
USB4 generazione 3×2 (40 Gbit/s)	No	sì	No
DisplayPort	sì	sì	No	La specifica richiede che host e hub supportino la modalità alternativa DisplayPort.
Comunicazioni da host a host	sì	sì	N / A	Una connessione di tipo LAN tra due peer.
PCI Express	No	sì	No	La funzione PCI Express di USB4 replica la funzionalità delle versioni precedenti della specifica Thunderbolt .
Fulmine 3	No	sì	No	Thunderbolt 3 utilizza cavi USB-C; la specifica USB4 consente a host e dispositivi e richiede che gli hub supportino l'interoperabilità con lo standard utilizzando la modalità alternativa Thunderbolt 3.
Altre modalità alternative	No	No	No	I prodotti USB4 possono opzionalmente offrire l'interoperabilità con le modalità alternative HDMI , MHL e VirtualLink .

Durante il CES 2020 , USB-IF e Intel hanno dichiarato la loro intenzione di consentire prodotti USB4 che supportano tutte le funzionalità opzionali come prodotti Thunderbolt 4 . I primi prodotti compatibili con USB4 dovrebbero essere la serie Tiger Lake di Intel e la serie di CPU Zen 3 di AMD. Rilasciato nel 2020.

Cronologia delle versioni

Versioni di rilascio

Nome	Data di rilascio	Velocità di trasferimento massima	Nota
USB 0.7	11 novembre 1994	?	Pre-rilascio
USB 0.8	dicembre 1994	?	Pre-rilascio
USB 0.9	13 aprile 1995	Velocità massima (12 Mbit/s)	Pre-rilascio
USB 0,99	agosto 1995	?	Pre-rilascio
USB 1.0-RC	novembre 1995	?	Candidato al rilascio
USB 1.0	15 gennaio 1996	Velocità massima (12 Mbit/s), Bassa velocità (1,5 Mbit/s)
USB 1.1	agosto 1998
USB 2.0	aprile 2000	Alta velocità (480 Mbit/s)
USB 3.0	novembre 2008	USB super veloce (5 Gbit/s)	Indicato anche come USB 3.1 Gen 1 e USB 3.2 Gen 1 × 1
USB 3.1	luglio 2013	USB SuperSpeed+ (10 Gbit/s)	Include il nuovo USB 3.1 Gen 2, chiamato anche USB 3.2 Gen 2 × 1 nelle specifiche successive
USB 3.2	Agosto 2017	SuperSpeed+ USB a doppia corsia (20 Gbit/s)	Include le nuove modalità multi-link USB 3.2 Gen 1 × 2 e Gen 2 × 2
USB4	Agosto 2019	40 Gbit/s (2 corsie)	Include le nuove modalità USB4 Gen 2 × 2 (codifica 64b/66b) e Gen 3 × 2 (codifica 128b/132b) e introduce il routing USB4 per il tunneling del traffico USB3.x, DisplayPort 1.4a e PCI Express e i trasferimenti da host a host , basato sul protocollo Thunderbolt 3

Specifiche relative all'alimentazione

Nome rilascio	Data di rilascio	massimo potenza	Nota
Ricarica della batteria USB Rev. 1.0	2007-03-08	7,5 W (5 V, 1,5 A)
Ricarica della batteria USB Rev. 1.1	2009-04-15	9 W (5 V, 1,8 A)	Pagina 28, Tabella 5-2, ma con limitazione al paragrafo 3.5. Nella normale porta USB 2.0 standard-A, solo 1,5 A.
Ricarica della batteria USB Rev. 1.2	2010-12-07	25W (5V, 5A)
Alimentazione USB Rev. 1.0 (V. 1.0)	2012-07-05	100W (20V, 5A)	Utilizzo del protocollo FSK sull'alimentazione del bus (V BUS )
Alimentazione USB Rev. 1.0 (V. 1.3)	2014-03-11	100W (20V, 5A)
USB Type-C Rev. 1.0	2014-08-11	15W (5V, 3A)	Nuovo connettore e specifica del cavo
Alimentazione USB Rev. 2.0 (V. 1.0)	2014-08-11	100W (20V, 5A)	Utilizzo del protocollo BMC sul canale di comunicazione (CC) su cavi USB-C.
USB Type-C Rev. 1.1	2015-04-03	15W (5V, 3A)
Alimentazione USB Rev. 2.0 (V. 1.1)	2015-05-07	100W (20V, 5A)
USB Type-C Rev. 1.2	2016-03-25	15W (5V, 3A)
Alimentazione USB Rev. 2.0 (V. 1.2)	2016-03-25	100W (20V, 5A)
Alimentazione USB Rev. 2.0 (V. 1.3)	2017-01-12	100W (20V, 5A)
Alimentazione USB Rev. 3.0 (V. 1.1)	2017-01-12	100W (20V, 5A)
USB Type-C Rev. 1.3	2017-07-14	15W (5V, 3A)
Alimentazione USB Rev. 3.0 (V. 1.2)	2018-06-21	100W (20V, 5A)
USB Type-C Rev. 1.4	2019-03-29	15W (5V, 3A)
USB Type-C Rev. 2.0	2019-08-29	15W (5V, 3A)	Abilitazione di connettori e cavi USB4 su USB Type-C.
Alimentazione USB Rev. 3.0 (V. 2.0)	2019-08-29	100W (20V, 5A)
Alimentazione USB Rev. 3.1 (V. 1.0)	2021-05-24	240W (48V, 5A)
USB Type-C Rev. 2.1	2021-05-25	15W (5V, 3A)
Alimentazione USB Rev. 3.1 (V. 1.1)	2021-07-06	240W (48V, 5A)

Sistema di design

Un sistema USB è costituito da un host con una o più porte downstream e più periferiche, che formano una topologia a stella a più livelli . Possono essere inclusi hub USB aggiuntivi , che consentono fino a cinque livelli. Un host USB può avere più controller, ciascuno con una o più porte. È possibile collegare fino a 127 dispositivi a un singolo controller host. I dispositivi USB sono collegati in serie tramite hub. L'hub integrato nel controller host è chiamato hub principale .

Un dispositivo USB può essere costituito da diversi sottodispositivi logici denominati funzioni del dispositivo . Un dispositivo composito può fornire diverse funzioni, ad esempio una webcam (funzione del dispositivo video) con un microfono incorporato (funzione del dispositivo audio). Un'alternativa a questo è un dispositivo composto , in cui l'host assegna a ciascun dispositivo logico un indirizzo distinto e tutti i dispositivi logici si collegano a un hub integrato che si collega al cavo USB fisico.

La comunicazione del dispositivo USB è basata su pipe (canali logici). Una pipe è una connessione dal controller host a un'entità logica all'interno di un dispositivo, denominata endpoint . Poiché le pipe corrispondono agli endpoint, i termini vengono talvolta utilizzati in modo intercambiabile. Ogni dispositivo USB può avere fino a 32 endpoint (16 in e 16 out ), anche se è raro averne così tanti. Gli endpoint sono definiti e numerati dal dispositivo durante l'inizializzazione (il periodo successivo alla connessione fisica chiamato "enumerazione") e quindi sono relativamente permanenti, mentre i tubi possono essere aperti e chiusi.

Esistono due tipi di pipe: stream e message.

• Una pipe di messaggi è bidirezionale e viene utilizzata per i trasferimenti di controllo . Le pipe di messaggi vengono in genere utilizzate per comandi brevi e semplici al dispositivo e per le risposte di stato dal dispositivo, utilizzate, ad esempio, dalla pipe di controllo del bus numero 0.
• Una stream pipe è una pipe unidirezionale collegata a un endpoint unidirezionale che trasferisce i dati utilizzando un trasferimento isocrono , interrupt o bulk :

  Trasferimenti isocroni

  A una certa velocità dati garantita (per dati in streaming a larghezza di banda fissa) ma con possibile perdita di dati (ad es. audio o video in tempo reale)

  Interrompere i trasferimenti

  Dispositivi che richiedono risposte rapide garantite (latenza limitata) come dispositivi di puntamento, mouse e tastiere

  Trasferimenti in blocco

  Trasferimenti sporadici di grandi dimensioni che utilizzano tutta la larghezza di banda disponibile rimanente, ma senza garanzie su larghezza di banda o latenza (ad es. trasferimenti di file)

Quando un host avvia un trasferimento di dati, invia un pacchetto TOKEN contenente un endpoint specificato con una tupla di (device_address, endpoint_number) . Se il trasferimento avviene dall'host all'endpoint, l'host invia un pacchetto OUT (una specializzazione di un pacchetto TOKEN) con l'indirizzo del dispositivo e il numero dell'endpoint desiderati. Se il trasferimento dei dati avviene dal dispositivo all'host, l'host invia invece un pacchetto IN. Se l'endpoint di destinazione è un endpoint unidirezionale la cui direzione designata dal produttore non corrisponde al pacchetto TOKEN (ad esempio, la direzione designata dal produttore è IN mentre il pacchetto TOKEN è un pacchetto OUT), il pacchetto TOKEN viene ignorato. In caso contrario, viene accettato e la transazione dati può iniziare. Un endpoint bidirezionale, d'altra parte, accetta sia i pacchetti IN che OUT.

Gli endpoint sono raggruppati in interfacce e ogni interfaccia è associata a una singola funzione del dispositivo. Un'eccezione a ciò è l'endpoint zero, che viene utilizzato per la configurazione del dispositivo e non è associato ad alcuna interfaccia. Una singola funzione del dispositivo composta da interfacce controllate indipendentemente è chiamata dispositivo composito . Un dispositivo composito ha un solo indirizzo di dispositivo perché l'host assegna solo un indirizzo di dispositivo a una funzione.

Quando un dispositivo USB viene connesso per la prima volta a un host USB, viene avviato il processo di enumerazione del dispositivo USB. L'enumerazione inizia inviando un segnale di ripristino al dispositivo USB. La velocità dei dati del dispositivo USB viene determinata durante la segnalazione di ripristino. Dopo il ripristino, le informazioni del dispositivo USB vengono lette dall'host e al dispositivo viene assegnato un indirizzo univoco a 7 bit. Se il dispositivo è supportato dall'host, i driver di dispositivo necessari per comunicare con il dispositivo vengono caricati e il dispositivo viene impostato su uno stato configurato. Se l'host USB viene riavviato, il processo di enumerazione viene ripetuto per tutti i dispositivi collegati.

Il controller host dirige il flusso di traffico ai dispositivi, quindi nessun dispositivo USB può trasferire dati sul bus senza una richiesta esplicita dal controller host. In USB 2.0, il controller host interroga il bus per il traffico, di solito in modalità round-robin . Il throughput di ciascuna porta USB è determinato dalla velocità inferiore della porta USB o del dispositivo USB collegato alla porta.

Gli hub USB 2.0 ad alta velocità contengono dispositivi chiamati traduttori di transazione che convertono tra bus USB 2.0 ad alta velocità e bus a velocità piena e bassa. Potrebbe esserci un traduttore per hub o per porta.

Poiché ci sono due controller separati in ciascun host USB 3.0, i dispositivi USB 3.0 trasmettono e ricevono a velocità dati USB 3.0 indipendentemente dall'USB 2.0 o dai dispositivi precedenti collegati a quell'host. Le velocità dei dati operativi per i dispositivi precedenti sono impostate in modo legacy.

Classi di dispositivi

La funzionalità di un dispositivo USB è definita da un codice di classe inviato a un host USB. Ciò consente all'host di caricare moduli software per il dispositivo e di supportare nuovi dispositivi di produttori diversi.

Le classi di dispositivi includono:

Classe	utilizzo	Descrizione	Esempi o eccezioni
00 ore	Dispositivo	Non specificato	La classe del dispositivo non è specificata, i descrittori di interfaccia vengono utilizzati per determinare i driver necessari
01h	Interfaccia	Audio	Altoparlante , microfono , scheda audio , MIDI
02h	Entrambi	Comunicazioni e controllo CDC	Adattatore seriale UART e RS-232 , Modem , Adattatore Wi-Fi , Adattatore Ethernet . Utilizzato insieme alla classe 0Ah (CDC-Data ) di seguito
03h	Interfaccia	Dispositivo di interfaccia umana (HID)	Tastiera , mouse , joystick
05h	Interfaccia	Dispositivo di interfaccia fisica (PID)	Joystick con feedback di forza
06h	Interfaccia	Immagine ( PTP / MTP )	Webcam , scanner
07h	Interfaccia	Stampante	Stampante laser , stampante a getto d'inchiostro , macchina CNC
08h	Interfaccia	Archiviazione di massa (MSC o UMS)	Flash drive USB , memory card reader , lettore audio digitale , macchina fotografica digitale , unità esterna
09h	Dispositivo	Hub USB	Hub a larghezza di banda completa
0Ah	Interfaccia	CDC-Dati	Utilizzato insieme alla classe 02h (Comunicazioni e controllo CDC ) sopra
0Bh	Interfaccia	Smart card	Lettore di smart card USB
0Dh	Interfaccia	Sicurezza dei contenuti	lettore di impronte digitali
0Eh	Interfaccia	video	Webcam
0Fh	Interfaccia	Classe di dispositivi sanitari personali (PHDC)	Cardiofrequenzimetro (orologio)
10h	Interfaccia	Audio/Video (AV)	Webcam , TV
11h	Dispositivo	Tabellone	Descrive le modalità alternative USB-C supportate dal dispositivo
DCh	Entrambi	Dispositivo diagnostico	Dispositivo per test di conformità USB
E0h	Interfaccia	Controller senza fili	Adattatore Bluetooth , Microsoft RNDIS
EFh	Entrambi	Varie	Dispositivo ActiveSync
FEh	Interfaccia	Specifico per l'applicazione	Bridge IrDA , classe di test e misurazione (USBTMC), USB DFU (aggiornamento del firmware del dispositivo)
FFh	Entrambi	Specifico del fornitore	Indica che un dispositivo necessita di driver specifici del fornitore

Memoria di massa USB/unità USB

La classe del dispositivo di archiviazione di massa USB (MSC o UMS) standardizza le connessioni ai dispositivi di archiviazione. Inizialmente destinato alle unità magnetiche e ottiche, è stato esteso per supportare le unità flash . È stato anche esteso per supportare un'ampia varietà di nuovi dispositivi poiché molti sistemi possono essere controllati con la familiare metafora della manipolazione dei file all'interno delle directory. Il processo per rendere un nuovo dispositivo simile a un dispositivo familiare è anche noto come estensione. La possibilità di avviare una scheda SD con blocco di scrittura con un adattatore USB è particolarmente vantaggiosa per mantenere l'integrità e lo stato incontaminato e incorruttibile del supporto di avvio.

Sebbene la maggior parte dei personal computer dall'inizio del 2005 possa avviarsi da dispositivi di archiviazione di massa USB, l'USB non è inteso come bus primario per l'archiviazione interna di un computer. Tuttavia, l'USB ha il vantaggio di consentire l' hot-swap , rendendolo utile per le periferiche mobili, comprese le unità di vario genere.

Diversi produttori offrono unità disco rigido USB portatili esterne o contenitori vuoti per unità disco. Questi offrono prestazioni paragonabili alle unità interne, limitate dal numero e dai tipi di dispositivi USB collegati e dal limite superiore dell'interfaccia USB. Altri standard concorrenti per la connettività di unità esterne includono eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) e, più recentemente, Thunderbolt .

Un altro utilizzo per i dispositivi di archiviazione di massa USB è l'esecuzione portatile di applicazioni software (come browser Web e client VoIP) senza la necessità di installarle sul computer host.

Protocollo di trasferimento multimediale

Media Transfer Protocol (MTP) è stato progettato da Microsoft per fornire un accesso di livello superiore al filesystem di un dispositivo rispetto all'archiviazione di massa USB, a livello di file anziché di blocchi di dischi. Ha anche funzionalità DRM opzionali . MTP è stato progettato per l'uso con lettori multimediali portatili , ma da allora è stato adottato come protocollo di accesso alla memoria principale del sistema operativo Android dalla versione 4.1 Jelly Bean e Windows Phone 8 (i dispositivi Windows Phone 7 avevano utilizzato il protocollo Zune - un'evoluzione di MTP). La ragione principale di ciò è che MTP non richiede l'accesso esclusivo al dispositivo di archiviazione come fa UMS, alleviando potenziali problemi nel caso in cui un programma Android richieda l'archiviazione mentre è collegato a un computer. Lo svantaggio principale è che MTP non è altrettanto supportato al di fuori dei sistemi operativi Windows.

Dispositivi di interfaccia umana

I mouse e le tastiere USB di solito possono essere utilizzati con computer meno recenti dotati di connettori PS/2 con l'ausilio di un piccolo adattatore da USB a PS/2. Per mouse e tastiere con supporto a doppio protocollo, è possibile utilizzare un adattatore che non contiene circuiti logici : l' hardware USB della tastiera o del mouse è progettato per rilevare se è collegato a una porta USB o PS/2 e comunicare utilizzando il protocollo appropriato. Esistono anche convertitori che collegano tastiere e mouse PS/2 (di solito uno di ciascuno) a una porta USB. Questi dispositivi presentano al sistema due endpoint HID e utilizzano un microcontrollore per eseguire la traduzione bidirezionale dei dati tra i due standard.

Meccanismo di aggiornamento del firmware del dispositivo

Device Firmware Upgrade (DFU) è un meccanismo indipendente dal fornitore e dal dispositivo per aggiornare il firmware dei dispositivi USB con versioni migliorate fornite dai rispettivi produttori, offrendo (ad esempio) un modo per distribuire correzioni di bug del firmware. Durante l'operazione di aggiornamento del firmware, i dispositivi USB cambiano la loro modalità operativa diventando di fatto un programmatore PROM . Qualsiasi classe di dispositivo USB può implementare questa funzionalità seguendo le specifiche DFU ufficiali.

DFU può anche dare all'utente la libertà di eseguire il flashing dei dispositivi USB con firmware alternativo. Una conseguenza di ciò è che i dispositivi USB dopo essere stati rilampeggiati possono agire come vari tipi di dispositivi imprevisti. Ad esempio, un dispositivo USB che il venditore intende essere solo un'unità flash può "falsificare" un dispositivo di input come una tastiera. Vedi USB difettoso .

Streaming audio

Il gruppo di lavoro sui dispositivi USB ha definito le specifiche per lo streaming audio e sono stati sviluppati e implementati standard specifici per gli usi della classe audio, come microfoni, altoparlanti, cuffie, telefoni, strumenti musicali, ecc. Il gruppo di lavoro ha pubblicato tre versioni di audio specifiche del dispositivo: Audio 1.0, 2.0 e 3.0, denominati "UAC" o "ADC".

UAC 2.0 ha introdotto il supporto per USB ad alta velocità (oltre a Full Speed), consentendo una maggiore larghezza di banda per interfacce multicanale, frequenze di campionamento più elevate, latenza intrinseca inferiore e un miglioramento di 8 volte nella risoluzione temporale nelle modalità sincrone e adattive. UAC2 introduce anche il concetto di domini di clock, che fornisce informazioni all'host su quali terminali di input e output derivano i propri clock dalla stessa sorgente, nonché un supporto migliorato per le codifiche audio come DSD , effetti audio, clustering dei canali, controlli utente e descrizioni dei dispositivi.

UAC 3.0 introduce principalmente miglioramenti per i dispositivi portatili, come il consumo ridotto di energia facendo scoppiare i dati e rimanendo in modalità a basso consumo più spesso e domini di alimentazione per diversi componenti del dispositivo, consentendo loro di essere spenti quando non sono in uso.

I dispositivi UAC 1.0 sono ancora comuni, tuttavia, a causa della loro compatibilità multipiattaforma senza driver e anche in parte a causa dell'incapacità di Microsoft di implementare UAC 2.0 per oltre un decennio dopo la sua pubblicazione, avendo finalmente aggiunto il supporto a Windows 10 tramite Creators Update il 20 marzo 2017. UAC 2.0 è supportato anche da MacOS , iOS e Linux , tuttavia anche Android implementa solo un sottoinsieme di UAC 1.0.

USB fornisce tre tipi di sincronizzazione isocrona (larghezza di banda fissa), tutti utilizzati dai dispositivi audio:

• Asincrono: l'ADC o il DAC non sono affatto sincronizzati con l'orologio del computer host, operando in base a un orologio a esecuzione libera locale rispetto al dispositivo.
• Sincrono – L'orologio del dispositivo è sincronizzato con i segnali USB start-of-frame (SOF) o Bus Interval. Ad esempio, ciò può richiedere la sincronizzazione di un clock a 11,2896 MHz con un segnale SOF da 1 kHz, una grande moltiplicazione di frequenza.
• Adattivo: l'orologio del dispositivo è sincronizzato con la quantità di dati inviati per frame dall'host

Mentre le specifiche USB originariamente descrivevano la modalità asincrona utilizzata in "altoparlanti a basso costo" e la modalità adattiva in "altoparlanti digitali di fascia alta", la percezione opposta esiste nel mondo dell'hi-fi , dove la modalità asincrona è pubblicizzata come una caratteristica e adattiva Le modalità /sincrone hanno una cattiva reputazione. In realtà, tutti i tipi possono essere di alta qualità o di bassa qualità, a seconda della qualità della loro ingegneria e dell'applicazione. Asincrono ha il vantaggio di essere svincolato dall'orologio del computer, ma lo svantaggio di richiedere la conversione della frequenza di campionamento quando si combinano più sorgenti.

Connettori

I connettori specificati dal comitato USB supportano una serie di obiettivi di base dell'USB e riflettono le lezioni apprese dai numerosi connettori utilizzati dall'industria dei computer. Il connettore femmina montato sull'host o sul dispositivo è chiamato presa e il connettore maschio collegato al cavo è chiamato spina . I documenti ufficiali delle specifiche USB inoltre definiscono periodicamente il termine maschio per rappresentare la spina e femmina per rappresentare la presa.

In base alla progettazione, è difficile inserire una spina USB nella sua presa in modo errato. La specifica USB richiede che la spina del cavo e la presa siano contrassegnate in modo che l'utente possa riconoscere l'orientamento corretto. La presa USB-C è invece reversibile. I cavi USB e i piccoli dispositivi USB sono tenuti in posizione dalla forza di presa dalla presa, senza viti, clip o pomolo come utilizzano alcuni connettori.

Le diverse spine A e B impediscono il collegamento accidentale di due fonti di alimentazione. Tuttavia, parte di questa topologia diretta viene persa con l'avvento delle connessioni USB multiuso (come USB On-The-Go negli smartphone e router Wi-Fi alimentati tramite USB), che richiedono A-to-A, B- a-B, e talvolta cavi Y/splitter.

I tipi di connettori USB si sono moltiplicati con l'avanzare delle specifiche. La specifica USB originale descriveva in dettaglio le spine e le prese standard-A e standard-B. I connettori erano diversi in modo che gli utenti non potessero collegare una presa del computer a un'altra. I pin dati nelle spine standard sono incassati rispetto ai pin di alimentazione, in modo che il dispositivo possa accendersi prima di stabilire una connessione dati. Alcuni dispositivi funzionano in modalità diverse a seconda che venga effettuata la connessione dati. I dock di ricarica forniscono alimentazione e non includono un dispositivo host o pin dati, consentendo a qualsiasi dispositivo USB compatibile di caricare o funzionare da un cavo USB standard. I cavi di ricarica forniscono connessioni di alimentazione, ma non dati. In un cavo di sola ricarica, i cavi dati sono in cortocircuito all'estremità del dispositivo, altrimenti il ​​dispositivo potrebbe rifiutare il caricabatterie in quanto non idoneo.

Cablaggio

Lo standard USB 1.1 specifica che un cavo standard può avere una lunghezza massima di 5 metri (16 piedi e 5 pollici) con dispositivi che funzionano a piena velocità (12 Mbit/s) e una lunghezza massima di 3 metri (9 piedi e 10 pollici) con dispositivi funzionanti a bassa velocità (1,5 Mbit/s).

USB 2.0 fornisce una lunghezza massima del cavo di 5 metri (16 piedi e 5 pollici) per i dispositivi che funzionano ad alta velocità (480 Mbit/s).

Lo standard USB 3.0 non specifica direttamente una lunghezza massima del cavo, richiedendo solo che tutti i cavi soddisfino una specifica elettrica: per il cablaggio in rame con  fili AWG 26 la lunghezza pratica massima è di 3 metri (9 ft 10 pollici).

Cavi ponte USB

Sul mercato sono disponibili cavi bridge USB o cavi per il trasferimento dei dati, che offrono connessioni dirette da PC a PC. Un cavo bridge è un cavo speciale con un chip e un'elettronica attiva nel mezzo del cavo. Il chip al centro del cavo funge da periferica per entrambi i computer e consente la comunicazione peer-to-peer tra i computer. I cavi bridge USB vengono utilizzati per trasferire file tra due computer tramite le relative porte USB.

Resa popolare da Microsoft come Windows Easy Transfer , l'utilità Microsoft utilizzava uno speciale cavo bridge USB per trasferire file e impostazioni personali da un computer che esegue una versione precedente di Windows a un computer che esegue una versione più recente. Nel contesto dell'uso del software Windows Easy Transfer , il cavo bridge può talvolta essere indicato come cavo Easy Transfer .

Molti bridge USB/cavi di trasferimento dati sono ancora USB 2.0, ma esistono anche numerosi cavi di trasferimento USB 3.0. Nonostante USB 3.0 sia 10 volte più veloce di USB 2.0, i cavi di trasferimento USB 3.0 sono solo 2-3 volte più veloci dato il loro design.

La specifica USB 3.0 ha introdotto un cavo incrociato da A ad A senza alimentazione per il collegamento di due PC. Questi non sono destinati al trasferimento di dati ma sono finalizzati a usi diagnostici.

Connessioni USB a doppio ruolo

I cavi USB bridge sono diventati meno importanti con le funzionalità USB a doppio ruolo introdotte con la specifica USB 3.1. Secondo le specifiche più recenti, USB supporta la maggior parte degli scenari collegando i sistemi direttamente con un cavo di tipo C. Affinché la funzionalità funzioni, tuttavia, i sistemi connessi devono supportare il cambio di ruolo. Le funzionalità a doppio ruolo richiedono la presenza di due controller all'interno del sistema, oltre a un controller di ruolo . Sebbene ciò sia prevedibile in una piattaforma mobile come un tablet o un telefono, i PC desktop e i laptop spesso non supportano il doppio ruolo.

Potenza

USB fornisce alimentazione a 5 V ± 5% per alimentare i dispositivi USB downstream.

Dispositivi a bassa e ad alta potenza

I dispositivi a bassa potenza possono assorbire al massimo 1 unità di carico e tutti i dispositivi devono agire come dispositivi a bassa potenza quando vengono avviati come non configurati. 1 unità di carico è 100 mA per i dispositivi USB fino a USB 2.0, mentre USB 3.0 definisce un carico dell'unità come 150 mA.

I dispositivi ad alta potenza (come una tipica unità disco rigido USB da 2,5 pollici) assorbono almeno 1 unità di carico e al massimo 5 unità di carico (5x100 mA = 500 mA) per dispositivi fino a USB 2.0 o 6 unità di carico (6x150 mA = 900 mA ) per dispositivi SuperSpeed ​​(USB 3.0 e versioni successive).

Standard di alimentazione USB

Specifiche	Attuale	Voltaggio	Potenza (massima)
Dispositivo a bassa potenza	100 mA	5 V	0,50 W
Dispositivo SuperSpeed ​​(USB 3.0) a bassa potenza	150 mA	5 V	0,75 W
Dispositivo ad alta potenza	500 mA	5 V	2,5 W
Dispositivo SuperSpeed ​​(USB 3.0) ad alta potenza	900 mA	5 V	4,5 W
Dispositivo SuperSpeed ​​a più corsie (USB 3.2 Gen 2)	1,5 A	5 V	7,5 W
Ricarica della batteria (BC) 1.1	1,5 A	5 V	7,5 W
Ricarica della batteria (BC) 1.2	5 A	5 V	25 W
USB-C	1,5 A	5 V	7,5 W
	3 A	5 V	15 W
Alimentazione 1.0 Micro-USB	3 A	20 V	60 W
Erogazione di potenza 1.0 Tipo-A/B	5 A	20 V	100 W
Power Delivery 2.0/3.0 Tipo C	5 A	20 V	100 W
Erogazione di potenza 3.1 Tipo-C	5 A	48 V	240 W

Per riconoscere la modalità di ricarica della batteria, una porta di ricarica dedicata pone una resistenza non superiore a 200 attraverso i terminali D+ e D−. Corsie dati in cortocircuito o quasi con meno di 200 di resistenza attraverso i terminali "D+" e "D-" indicano una porta di ricarica dedicata (DCP) con velocità di ricarica indefinite.

Oltre all'USB standard, esiste un sistema proprietario ad alta potenza noto come PoweredUSB , sviluppato negli anni '90 e utilizzato principalmente nei terminali dei punti vendita come i registratori di cassa.

Segnalazione

I segnali USB vengono trasmessi utilizzando la segnalazione differenziale su un cavo dati a doppino intrecciato con impedenza caratteristica di 90 Ω ± 15% .

• Le modalità a bassa velocità (LS) e a piena velocità (FS) utilizzano una singola coppia di dati, etichettata D+ e D−, in half-duplex . I livelli del segnale trasmesso sono 0,0–0,3 V per livello logico basso e 2,8–3,6 V per livello logico alto. Le linee di segnale non sono terminate .
• La modalità ad alta velocità (HS) utilizza la stessa coppia di cavi, ma con convenzioni elettriche diverse. Tensioni di segnale inferiori da -10 a 10 mV per livello basso e da 360 a 440 mV per livello logico alto e terminazione di 45 a terra o differenziale di 90 per adattarsi all'impedenza del cavo dati.
• SuperSpeed ​​(SS) aggiunge due coppie aggiuntive di fili intrecciati schermati (e nuovi connettori espansi per lo più compatibili). Questi sono dedicati al funzionamento SuperSpeed ​​full-duplex. Il collegamento SuperSpeed ​​opera indipendentemente dal canale USB 2.0 e ha la precedenza sulla connessione. La configurazione del collegamento viene eseguita utilizzando LFPS (segnalazione periodica a bassa frequenza, approssimativamente a una frequenza di 20 MHz) e le caratteristiche elettriche includono la de-enfasi della tensione sul lato del trasmettitore e l'equalizzazione lineare adattativa sul lato del ricevitore per combattere le perdite elettriche nelle linee di trasmissione, e quindi il collegamento introduce il concetto di link training .
• SuperSpeed+ (SS+) utilizza una maggiore velocità di trasmissione dati (modalità Gen 2×1) e/o la corsia aggiuntiva nel connettore USB-C (modalità Gen 1×2 e Gen 2×2).

Una connessione USB è sempre tra un host o hub all'estremità del connettore A e la porta "upstream" di un dispositivo o hub all'altra estremità.

Livello di protocollo

Durante la comunicazione USB, i dati vengono trasmessi come pacchetti . Inizialmente, tutti i pacchetti vengono inviati dall'host tramite l'hub principale, e possibilmente più hub, ai dispositivi. Alcuni di questi pacchetti indirizzano un dispositivo a inviare alcuni pacchetti in risposta.

Transazioni

Le transazioni di base di USB sono:

• transazione OUT
• IN transazione
• IMPOSTAZIONE transazione
• Scambio di trasferimento di controllo

Norme correlate

Il 29 luglio 2015 l'USB Implementers Forum ha introdotto lo standard di comunicazione wireless Media Agnostic USB v.1.0 basato sul protocollo USB. Wireless USB è una tecnologia che sostituisce il cavo e utilizza la tecnologia wireless a banda ultralarga per velocità di trasmissione dati fino a 480 Mbit /S.

L'USB-IF ha utilizzato la specifica WiGig Serial Extension v1.2 come base iniziale per la specifica MA-USB ed è conforme a SuperSpeed ​​USB (3.0 e 3.1) e Hi-Speed ​​USB (USB 2.0). I dispositivi che utilizzano MA-USB saranno contrassegnati come "Powered by MA-USB", a condizione che il prodotto soddisfi il suo programma di certificazione.

InterChip USB è una variante chip-to-chip che elimina i tradizionali ricetrasmettitori presenti nelle normali USB. Il livello fisico HSIC utilizza circa il 50% in meno di energia e il 75% in meno di area della scheda rispetto a USB 2.0.

Confronti con altri metodi di connessione

IEEE 1394

All'inizio, l'USB era considerato un complemento alla tecnologia IEEE 1394 (FireWire), progettata come bus seriale a larghezza di banda elevata che interconnette in modo efficiente periferiche come unità disco, interfacce audio e apparecchiature video. Nella progettazione iniziale, l'USB funzionava a una velocità di trasmissione dati molto inferiore e utilizzava hardware meno sofisticato. Era adatto per piccole periferiche come tastiere e dispositivi di puntamento.

Le differenze tecniche più significative tra FireWire e USB includono:

• Le reti USB utilizzano una topologia a stella a più livelli , mentre le reti IEEE 1394 utilizzano una topologia ad albero .
• USB 1.0, 1.1 e 2.0 utilizzano un protocollo "parla quando si parla", il che significa che ogni periferica comunica con l'host quando l'host lo richiede specificamente per comunicare. USB 3.0 consente comunicazioni avviate dal dispositivo verso l'host. Un dispositivo FireWire può comunicare con qualsiasi altro nodo in qualsiasi momento, in base alle condizioni della rete.
• Una rete USB si basa su un singolo host nella parte superiore dell'albero per controllare la rete. Tutte le comunicazioni sono tra l'host e una periferica. In una rete FireWire, qualsiasi nodo abilitato può controllare la rete.
• L'USB funziona con una linea di alimentazione da 5  V , mentre FireWire fornisce 12 V e teoricamente può fornire fino a 30 V.
• Le porte hub USB standard possono fornire dai tipici 500 mA/2,5 W di corrente, solo 100 mA dalle porte non hub. USB 3.0 e USB On-The-Go forniscono 1,8 A/9,0 W (per la ricarica della batteria dedicata, 1,5 A/7,5 W di larghezza di banda completa o 900 mA/4,5 W di larghezza di banda elevata), mentre FireWire può in teoria fornire fino a 60 watt di potenza , anche se da 10 a 20 watt è più tipico.

Queste e altre differenze riflettono i diversi obiettivi di progettazione dei due bus: USB è stato progettato per semplicità e basso costo, mentre FireWire è stato progettato per alte prestazioni, in particolare in applicazioni sensibili al tempo come audio e video. Sebbene simile nella velocità di trasferimento massima teorica, FireWire 400 è più veloce dell'elevata larghezza di banda USB 2.0 nell'uso reale, specialmente nell'uso a larghezza di banda elevata come i dischi rigidi esterni. Il nuovo standard FireWire 800 è due volte più veloce di FireWire 400 e più veloce della larghezza di banda elevata USB 2.0 sia teoricamente che praticamente. Tuttavia, i vantaggi in termini di velocità di FireWire si basano su tecniche di basso livello come l'accesso diretto alla memoria (DMA), che a loro volta hanno creato opportunità per exploit di sicurezza come l' attacco DMA .

Il chipset e i driver utilizzati per implementare USB e FireWire hanno un impatto cruciale su quanta larghezza di banda prescritta dalle specifiche viene raggiunta nel mondo reale, insieme alla compatibilità con le periferiche.

Ethernet

Gli standard IEEE 802.3af , 802.3at e 802.3bt Power over Ethernet (PoE) specificano schemi di negoziazione dell'alimentazione più elaborati rispetto all'USB alimentato. Funzionano a 48 V  CC e possono fornire più potenza (fino a 12,95 W per 802.3af , 25,5 W per 802.3at aka PoE+ , 71 W per 802.3bt aka 4PPoE ) su un cavo fino a 100 metri rispetto a USB 2.0, che fornisce 2,5 W con una lunghezza massima del cavo di 5 metri. Ciò ha reso il PoE popolare per telefoni VoIP , telecamere di sicurezza , punti di accesso wireless e altri dispositivi di rete all'interno degli edifici. Tuttavia, l'USB è più economico del PoE a condizione che la distanza sia breve e la richiesta di energia sia bassa.

Gli standard Ethernet richiedono l'isolamento elettrico tra il dispositivo in rete (computer, telefono, ecc.) e il cavo di rete fino a 1500 V CA o 2250 V CC per 60 secondi. L'USB non ha tali requisiti in quanto è stato progettato per periferiche strettamente associate a un computer host, e infatti collega la periferica e la massa dell'host. Ciò offre a Ethernet un significativo vantaggio in termini di sicurezza rispetto all'USB con periferiche come modem via cavo e DSL collegati a cablaggi esterni che possono assumere tensioni pericolose in determinate condizioni di guasto.

MIDI

La definizione della classe del dispositivo USB per i dispositivi MIDI trasmette i dati musicali MIDI (Music Instrument Digital Interface ) su USB. La capacità MIDI è estesa per consentire fino a sedici cavi MIDI virtuali simultanei , ognuno dei quali può trasportare i normali sedici canali MIDI e clock.

L'USB è competitivo per i dispositivi a basso costo e fisicamente adiacenti. Tuttavia, Power over Ethernet e lo standard MIDI plug hanno un vantaggio nei dispositivi di fascia alta che possono avere cavi lunghi. L'USB può causare problemi di loop di massa tra le apparecchiature, poiché collega i riferimenti di terra su entrambi i ricetrasmettitori. Al contrario, lo standard MIDI plug ed Ethernet hanno un isolamento integrato a 500 V o più.

eSATA/eSATAp

Il connettore eSATA è un connettore SATA più robusto , destinato alla connessione a dischi rigidi esterni e SSD. La velocità di trasferimento di eSATA (fino a 6 Gbit/s) è simile a quella di USB 3.0 (fino a 5 Gbit/s) e USB 3.1 (fino a 10 Gbit/s). Un dispositivo connesso tramite eSATA appare come un normale dispositivo SATA, offrendo sia prestazioni complete che piena compatibilità associate alle unità interne.

eSATA non fornisce alimentazione a dispositivi esterni. Questo è uno svantaggio crescente rispetto all'USB. Anche se i 4,5 W di USB 3.0 a volte sono insufficienti per alimentare i dischi rigidi esterni, la tecnologia sta avanzando e le unità esterne richiedono gradualmente meno energia, diminuendo il vantaggio eSATA. eSATAp (power over eSATA; noto anche come ESATA/USB) è un connettore introdotto nel 2009 che fornisce alimentazione ai dispositivi collegati utilizzando un nuovo connettore compatibile con le versioni precedenti. Su un notebook eSATAp di solito fornisce solo 5 V per alimentare un HDD/SSD da 2,5 pollici; su una workstation desktop può inoltre fornire 12 V per alimentare dispositivi più grandi, inclusi HDD/SSD da 3,5 pollici e unità ottiche da 5,25 pollici.

Il supporto eSATAp può essere aggiunto a una macchina desktop sotto forma di una staffa che collega le risorse SATA, alimentazione e USB della scheda madre.

eSATA, come USB, supporta il collegamento a caldo , anche se questo potrebbe essere limitato dai driver del sistema operativo e dal firmware del dispositivo.

Fulmine

Thunderbolt combina PCI Express e Mini DisplayPort in una nuova interfaccia dati seriale. Le implementazioni Thunderbolt originali hanno due canali, ciascuno con una velocità di trasferimento di 10 Gbit/s, con conseguente larghezza di banda unidirezionale aggregata di 20 Gbit/s.

Thunderbolt 2 utilizza l'aggregazione dei collegamenti per combinare i due canali da 10 Gbit/s in un canale bidirezionale da 20 Gbit/s.

Thunderbolt 3 utilizza il connettore USB-C . Thunderbolt 3 ha due canali bidirezionali fisici da 20 Gbit/s, aggregati per apparire come un singolo canale bidirezionale logico da 40 Gbit/s. I controller Thunderbolt 3 possono incorporare un controller USB 3.1 Gen 2 per garantire la compatibilità con i dispositivi USB. Sono anche in grado di fornire la modalità alternativa DisplayPort sul connettore USB-C, rendendo una porta Thunderbolt 3 un superset di una porta USB 3.1 Gen 2 con modalità alternativa DisplayPort.

DisplayPort Alt Mode 2.0: USB 4 supporta DisplayPort 2.0 rispetto alla sua modalità alternativa. DisplayPort 2.0 può supportare la risoluzione 8K a 60 Hz con colore HDR10. DisplayPort 2.0 può utilizzare fino a 80 Gbit/s, che è il doppio della quantità disponibile per i dati USB, perché invia tutti i dati in una direzione (al monitor) e può quindi utilizzare tutte e otto le corsie dati contemporaneamente.

Dopo che la specifica è stata resa esente da royalty e la custodia del protocollo Thunderbolt è stata trasferita da Intel all'USB Implementers Forum, Thunderbolt 3 è stato effettivamente implementato nella specifica USB4, con compatibilità con Thunderbolt 3 opzionale ma incoraggiata per i prodotti USB4.

Interoperabilità

Sono disponibili vari convertitori di protocollo che convertono i segnali dati USB da e verso altri standard di comunicazione.

Minacce alla sicurezza

• BadUSB , vedi anche Chiavetta USB#BadUSB
• Le CPU Intel, di Skylake, consentono di controllarle da USB 3.0.
• USB Killer
• Le unità flash USB erano pericolose per le prime versioni di Windows XP perché erano configurate per impostazione predefinita per eseguire il programma mostrato in Autorun.inf subito dopo aver collegato l'unità flash, il malware poteva essere attivato automaticamente con l'utilizzo di quello.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

• Axelson, gennaio (1 settembre 2006). Archiviazione di massa USB: progettazione e programmazione di dispositivi e host incorporati (1a ed.). Ricerca sul lago . ISBN 978-1-931-44804-8.
• ——— (1 dicembre 2007). Porta seriale completa: porte COM, porte COM virtuali USB e porte per sistemi incorporati (2a ed.). Ricerca sul lago. ISBN 978-1-931-44806-2.
• ——— (2015). USB Complete: The Developer's Guide (5a ed.). Ricerca sul lago. ISBN 978-1-931448-28-4.
• Hyde, John (febbraio 2001). USB Design by Example: una guida pratica alla costruzione di dispositivi I/O (2a ed.). Intel Press . ISBN 978-0-970-28465-5.
• "Debug di USB 2.0 per la conformità: non è solo un mondo digitale" (PDF) . Tecnologie Keysight . Nota applicativa sulle tecnologie. Mirino (1382–3).

link esterno

Panoramica generale

• Joel Johnson (29 maggio 2019). "Le improbabili origini dell'USB, la porta che ha cambiato tutto" . Compagnia veloce .
• Leigh, Peter (24 maggio 2020). Perché USB continua a cambiare? (video).

Documenti tecnici

• "Forum degli implementatori USB (USB-IF)" . USB.org .
• "Libreria documenti USB (USB 3.2, USB 2.0, USB wireless, USB-C, USB Power Delivery)" . USB.org .
• "Interfaccia controller host universale (UHCI)" (PDF) . Intel . Citare il diario richiede |journal=( aiuto )
• "Connettori USB 3.0 Standard-A, Standard-B, Powered-B" . Guida ai pinout. Citare il diario richiede |journal=( aiuto )
• Muller, Henk (luglio 2012). "Come creare e programmare dispositivi USB" . Progettazione elettronica .
• Garney, John (giugno 1996). "Un'analisi delle caratteristiche di throughput di Universal Serial Bus" (PDF) .
• Hershenhoren, Razi; Reznik, Omer (ottobre 2010). "Motore protocollo USB 2.0" (PDF) .
• IEC 62680 (Interfacce Universal Serial Bus per dati e alimentazione):
  • IEC 62680-1.1:2015 - Parte 1-1: Componenti comuni - Specifiche di ricarica della batteria USB, revisione 1.2
  • IEC 62680-1-2:2018 - Parte 1-2: Componenti comuni - Specifiche USB Power Delivery
  • IEC 62680-1-3:2018 - Parte 1-3: Componenti comuni - Specifiche del cavo e connettore USB di tipo C
  • IEC 62680-1-4:2018 - Parte 1-4: Componenti comuni - Specifiche di autenticazione USB Type-C
  • IEC 62680-2-1:2015 - Parte 2-1: Specifiche del bus seriale universale, revisione 2.0
  • IEC 62680-2-2:2015 - Parte 2-2: Specifiche di cavi e connettori micro-USB, revisione 1.01
  • IEC 62680-2-3:2015 - Parte 2-3: Cavi e connettori per bus seriale universale Revisione documento 2.0
  • IEC 62680-3-1:2017 - Parte 3-1: Specifiche Universal Serial Bus 3.1