Universaalne järjestiksiin

Lühike ajalugu

Universaalse seeriavõrgu esimene versioon loodi 1995. aastal. Sellest uuest tehnoloogiast sai kohene edu. Alates USB kasutuselevõtust mõtlesid elektroonikaseadmeid valmistavad inimesed, kuidas seda tulevikus kasutada. Tänapäeval ühendab USB arvuti või muud seadmed, nagu sülearvutid ja MP3-mängijad, perifeerseadmetega.

Bussi esitlesid seitse ettevõtet, mis esindavad infotehnoloogia valdkonna liidreid: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom ja Digital Equipment Corporation (DEC).

Mitu aastat varem pidasid USB-ühenduste kasutuselevõtjad ja arendajad Californias spetsiaalses hotellis kohtumise nimega Plugfest, et testida oma seadmeid. Nad valisid hotelli, kus olid magamis- ja testimisruumid. Kohtumine kestis kolm päeva. Kohtumise ajal ühendasid umbes 50 ettevõtte esindajad oma USB-seadmed ühe üldise host-süsteemiga.

Ka USB-seadme logol on oma ajalugu. USB-logo oli mitu kuud väljatöötamisel.

• 1994 - Seitse ettevõtet ühinesid, et alustada USB arendamist.
• 1995 - 340 ettevõtet moodustas USB rakendusfoorumi.
• 1996 - Maailmas oli juba üle viiesaja USB-toote väljatöötamisel.
• 1997 - USB rakendusfoorum sai 60 uue ettevõttega rikkamaks.
• 1998 - USB muutub kõige populaarsemaks tehnoloogiaks elektroonikaturul.
• 2000 - USB 2.0 kasutuselevõtt. Tänapäeval on see kõige laialdasemalt kasutatav USB-seade.
• 2005 - USB muutub traadita ühenduseks.
• 2008 - võetakse kasutusele USB 3.0. See on üle 10 korra kiirem kui USB 2.0.
• 2013 - võetakse kasutusele USB 3.1. See on umbes kaks korda kiirem kui USB 3.0.
• 2015 - võetakse kasutusele USB Type-C. Tegemist on pöördühendusega, mis tähendab, et seda saab ühendada mõlemal viisil.

Täissuuruses USB-B pistik

Erinevad standardid

Praegu on kasutusel viis erinevat USB-standardit: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 ja USB 3.1. USB 3.1 ilmus 2016. aastal ja kahekordistas 3.0 kiiruse. See kasutab valikuliselt teist pistikut nimega USB Type-C, mis on pööratav (see tähendab, et seda saab ühendada mõlemal viisil). USB 1.0 on nüüdseks harva kasutusel.

USB pakub viit erinevat ülekandekiirust: 1,5 MBit sekundis (nn madal kiirus), 12 MBit sekundis (täiskiirus), 480 MBit/s (Hi Speed), 5 Gbit/s (nn superkiirgus) ja 10 Gbit/s ("superkiirgus+"). Hi speed on saadaval ainult USB 2.0 ja hilisemates versioonides ning super speed on saadaval ainult USB 3.0 versioonis. Need kiirused on töötlemata bitikiirused (miljonites bitides sekundis). Tegelik andmesagedus on tavaliselt madalam protokolli üldkulude tõttu.

Kõrgkiiruse ülekandekiiruse kasutamiseks peavad nii USB-kontroller kui ka ühendatud seade seda toetama. USB on tagurpidi ühilduv. Kiiremaid ja aeglasemaid USB-seadmeid ja -kontrollereid saab ühendada, kuid need töötavad aeglasema kiirusega.

USB-keskused

Peaaegu kõik tänapäeval müüdavad arvutid on varustatud USB-portidega ja enamik neist toetab USB 2.0 või uuemat versiooni. Nende portide arv on aga tavaliselt piiratud. Tavalised on kaks kuni kuus porti. USB võimaldab USB-keskuste ühendamist, et lisada rohkem USB-porti.

Hubid ise vastavad samuti ühele USB-standardile. USB 1.1 jaoturiga ühendatud seadmed töötavad ainult nii kiiresti kui USB 1.1 kiirusega. Hilisema kontrolleriga ühendatud seadmed võivad kasutada erinevaid standardeid.

Sellised USB-hubid on tavalised.

USB-liitmikud

USB on loodud nii, et seda oleks lihtne kasutada. Insenerid õppisid enne USB-liitmike väljatöötamist teistest pistikutest. On 3 pistikut.

• tüüp A, mida tavaliselt kasutatakse arvuti kaabli lõpus
• Micro-A (haruldane)
• B-tüüp, perifeerses otsas, haruldane, välja arvatud printerite puhul
• Micro-B, perifeerses otsas, enamiku nutitelefonide jaoks
• Tüüp C, mõlemast otsast. Alates 2017. aastast kasutavad seda paljud uued arvutid, telefonid ja lisaseadmed.

Kasutatavus

• USB A või B pistikut ei ole võimalik valesti ühendada. Neid ei saa tagurpidi sisse panna ja see on ilmselge välimuse ja kineetilise tunnetuse järgi, kui see õigesti sisse läheb. Mõnikord aga ei saa kasutaja aru või ei näe, kuidas pistik läheb, nii et võib olla vaja proovida mõlemat teed.
• C-tüüpi USB-pistikuid saab ühendada mõlemal viisil. Ei ole oluline, kummal viisil pistik on ühendatud.
• Selle ühendamiseks või lahtivõtmiseks ei ole vaja väga tugevalt vajutada või tõmmata. See oli spetsifikatsioonis kirjas. USB-kaableid ja väikseid USB-seadmeid hoiab paigal pistikupesa haaramisjõud. USB ei vaja kruvisid, klambreid ega muid kinnitusvahendeid. Ühenduse loomiseks või katkestamiseks vajalik jõud on väike. See võimaldab ühendusi teha ka ebamugavas asendis või liikumispuudega inimestele.
• Enne C-tüübi kasutuselevõttu sundisid pistikud USB-võrgu suunatud topoloogiat. USB ei toeta tsüklilisi võrke, seega on ühildumatute USB-seadmete pistikud ise ühildumatud. Erinevalt teistest sidesüsteemidest (nt RJ-45 kaablitest) ei kasutatud enne USB-On-The-Go (OTG) kasutuselevõttu peaaegu kunagi soovahetusi, mistõttu oli raske luua tsüklilist USB-võrku.

Vastupidavus

• Liitmikud on mõeldud olema vastupidavad. Varasemad ühenduskonstruktsioonid olid haprad, nööpnõelad või muud õrnad komponendid võisid kergesti painduda või puruneda, isegi kui neid õrnalt kohelda. USB-pistiku elektrikontaktid on kaitstud plastist keelega. Kogu ühenduskomplekti kaitseb tavaliselt ka ümbritsev metallümbris. Selle tulemusena saab USB-pistikuid ohutult käsitseda, sisestada ja eemaldada isegi väike laps.
• Pistikute konstruktsioon tagab alati, et pistiku väline ümbris puutub enne nelja sisemise pistiku ühendamist kokku pistikupesas oleva vastasega. See ümbris on tavaliselt ühendatud süsteemi maandusega, mis võimaldab muidu kahjulikke staatilisi laenguid ohutult tühjendada seda teed mööda (mitte tundlike elektroonikakomponentide kaudu). Selline ümbris tähendab ka seda, et USB-signaal on (mõõdukalt) kaitstud elektromagnetiliste häirete eest, kui see liigub läbi ühendatud pistikutepaari (see on ainus koht, kus muidu keeratud andmepaar peab läbima paralleelselt vahemaa). Samuti tehakse toite- ja ühisühendused pärast süsteemi maandust, kuid enne andmeühendusi. Selline etapiviisiline katkestamise ajastus võimaldab ohutut vahetamist ja seda on kasutatud lennundustööstuses pistikutes.
• Uuemad USB-mikropesad on konstrueeritud nii, et need võimaldavad kuni 10 000 pistiku ja pistiku sisestamise ja väljutamise tsüklit, võrreldes 500 tsükliga tavalise USB- ja Mini-USB-pistiku puhul. Selleks on lisatud lukustusseade ja liigutatud lehtvedruga pistikupesa pistikupesast pistikupessa, nii et kõige rohkem koormatud osa on kaabli poolel. See muudatus tehti selleks, et (suhteliselt odava) kaabli pistik kannataks kõige rohkem, mitte mikro-USB-seade.

Ühilduvus

• USB-standardis on ette nähtud suhteliselt suured tolerantsid nõuetele vastavate USB-pistmike puhul. Seda tehakse selleks, et vähendada eri tootjate toodetud pistikutes esinevaid vastuolusid (eesmärk, mis on väga edukalt saavutatud). Erinevalt enamikust teistest pistikutestandarditest on USB-spetsifikatsioonis määratletud ka ühendatava seadme suuruse piirangud selle pistikupesa ümbruses. Seda tehti selleks, et vältida seda, et seade ei blokeeriks oma suuruse tõttu naaberporti. Nõuetele vastavad seadmed peavad kas mahtuma suuruspiirangutesse või toetama nõuetele vastavat pikenduskaablit, mis seda teeb.
• Võimalik on ka kahesuunaline side. Tavaliselt on kaablitel ainult pistikud ning hostidel ja seadmetel ainult pistikupesad: hostidel on A-tüüpi pistikupesad ja seadmetel B-tüüpi pistikupesad. A-tüüpi pistikud ühenduvad ainult A-tüüpi pistikupesadega ja B-tüüpi pistikud B-tüüpi pistikupesadega. Kuid USB-ühenduse laiendus, mida nimetatakse USB On-The-Go, võimaldab ühel pordil tegutseda kas hostina või seadmena - seda saab valida selle järgi, milline kaabli ots ühendatakse seadme pistikupessa. Isegi pärast kaabli ühendamist ja seadmete omavahelist suhtlemist võivad kaks seadet programmi kontrolli all "vahetada" otsi. See võimalus on suunatud sellistele seadmetele nagu PDA-d, kus USB-ühendus võib ühel juhul ühenduda arvuti host-porti seadmena, kuid teisel juhul ühendada end hostina klaviatuuri ja hiirega.

USB Type-C pesa.


USB pikendusjuhe


A-seeria "A" pistik ja pistikupesa.

Kuidas USB on tehtud

USB-süsteem on asümmeetrilise konstruktsiooniga. See koosneb hostist, mitmest allavoolu USB-pordist ja mitmest perifeerseadmest, mis on ühendatud tähttopoloogiasse. Tasanditesse võib lisada täiendavaid USB-keskusi, mis võimaldab hargneda kuni viie tasandiga puustruktuuriks.

USB-hostil võib olla mitu host-kontrollerit. Iga hostikontroller pakub ühte või mitut USB-porti. Ühe host-kontrolleriga võib ühendada kuni 127 seadet, kaasa arvatud keskuse seadmed.

USB-seadmed on ühendatud jadakeskuste kaudu. Alati on olemas üks hub, mida nimetatakse root hubiks. Juurhub on sisseehitatud host-kontrollerisse. On olemas spetsiaalsed jaoturid, mida nimetatakse "jagamishubideks". Need võimaldavad mitmel arvutil kasutada samu perifeerseadmeid. Need töötavad nii, et arvutite vahel vahetatakse juurdepääsu kas käsitsi või automaatselt. Need on populaarsed väikestes kontorikeskkondades. Võrgustiku mõttes koondavad nad pigem harusid kui lahutavad harusid.

Füüsilisel USB-seadmel võib olla mitu loogilist alamseadet, mida nimetatakse seadme funktsioonideks. Üks seade võib pakkuda mitut funktsiooni, näiteks veebikaamera (videoseadme funktsioon) koos sisseehitatud mikrofoniga (audioseadme funktsioon).

USB-seadmete side põhineb torujuhtmetel (loogilised kanalid). Torud on ühendused vastuvõtva kontrolleri ja seadme loogilise üksuse vahel, mida nimetatakse lõpp-punktiks. Mõnikord kasutatakse terminit "lõpp-punkt" vääralt toru tähistamiseks. USB-seadmel võib olla kuni 32 aktiivset toru, millest 16 läheb vastuvõtvasse kontrollerisse ja 16 väljub kontrollerist.

Iga lõpp-punkt saab andmeid edastada ainult ühes suunas, kas seadmesse või seadmest välja, nii et iga toru on ühesuunaline. Lõpp-punktid on rühmitatud liidesteks ja iga liides on seotud ühe seadme funktsiooniga. Erandiks on lõpp-punkt null, mida kasutatakse seadme konfigureerimiseks ja mis ei ole seotud ühegi liidesega.

Kui USB-seade ühendatakse esmakordselt USB-hostiga, käivitub USB-seadme loendamisprotsess. Loendamist alustatakse USB-seadmele reset-signaali saatmisega. USB-seadme kiirus määratakse kindlaks reset-signaali saatmise ajal. Pärast lähtestamist loeb host USB-seadme andmed, seejärel määratakse seadmele unikaalne 7-bitine aadress. Kui vastuvõtja toetab seadet, laaditakse seadmega suhtlemiseks vajalikud seadme draiverid ja seade viiakse konfigureeritud olekusse. Kui USB-host käivitatakse uuesti, korratakse loendamisprotsessi kõigi ühendatud seadmete puhul.

Host-kontroller küsib bussilt andmevahetust, tavaliselt ümarlaualiselt, nii et ükski USB-seade ei saa edastada andmeid bussil ilma host-kontrollerilt saadud selgesõnalise taotluseta.

Host-kontrollerid

Arvutiriistvaral, mis sisaldab vastuvõtva kontrolleri ja root-keskuse, on programmeerija jaoks olemas liides. Seda nimetatakse Host Controller Device (HCD) ja selle määrab riistvara rakendaja.

USB 1.0 ja 1.1 puhul oli kaks erinevat HCD rakendamist: Open Host Controller Interface (OHCI) ja Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI töötasid välja Compaq, Microsoft ja National Semiconductor, UHCI Intel.

VIA Technologies litsentseeris Intelilt UHCI standardi; kõik teised kiibistikute rakendajad kasutavad OHCI standardit. UHCI tugineb rohkem tarkvarale. See tähendab, et UHCI on pisut protsessorimahukam kui OHCI, kuid lihtsam ja odavam. Kuna oli kaks erinevat rakendust, pidid operatsioonisüsteemide ja riistvara tootjad arendama ja testima mõlemaid. See suurendas kulusid.

USB-spetsifikatsioon ei täpsusta HCD-liideseid ega käsitle neid. Teisisõnu, USB määratleb pordi kaudu toimuva andmeedastuse formaadi, kuid mitte süsteemi, mille abil USB-riistvara suhtleb arvutiga, milles see asub.

USB 2.0 projekteerimise ajal nõudis USB-IF, et oleks ainult üks rakendus. USB 2.0 HCD rakendamine kannab nime EHCI (Enhanced Host Controller Interface). Ainult EHCI toetab ülikiiret (480 Mbit/s) ülekannet. Enamikul PCI-põhistel EHCI-kontrolleritel on muud HCD-implementatsioonid, mida nimetatakse "companion host controller", et toetada Full Speed (12 Mbit/s) ja mida võib kasutada mis tahes seadme puhul, mis väidab end olevat teatud klassi kuuluv. Operatsioonisüsteem peaks rakendama kõiki seadmeklasse, nii et see võib pakkuda üldisi draivereid igale USB-seadmele. Seadmeklasside üle otsustab USB Implementers Forum'i seadmete töörühm.

USB-seadmete klassid

Seadmeklasside hulka kuuluvad:

Klass	Kasutamine	Kirjeldus	Näited
00h	Seade	Täpsustamata klass 0	(Seadmeklass on määratlemata. Vajalike draiverite määramiseks kasutatakse liidese kirjeldusi).
01h	Kasutajaliides	Audio	Kõlar, mikrofon, helikaart
02h	Mõlemad	Side ja CDC kontroll	Ethernet-adapter, modem, jadapordi adapter
03h	Kasutajaliides	Inimese kasutajaliidese seade (HID)	Klaviatuur, hiir, joystick
05h	Kasutajaliides	Füüsiline liideseseade (PID)	Jõu tagasiside joystick
06h	Kasutajaliides	Pilt	Digitaalkaamera (enamik kaameraid toimib masssalvestusena, mis võimaldab otsest juurdepääsu andmekandjale).
07h	Kasutajaliides	Printer	Laserprinter, tindiprinter
08h	Kasutajaliides	Massihoidla	USB-mäluseade, mälukaardilugeja, digitaalne helimängija, välised kettad
09h	Seade	USB-keskjaam	Täiskiiruseline rummu, kiire rummu
0Ah	Kasutajaliides	CDC-andmed	(Seda klassi kasutatakse koos klassiga 02h - side ja CDC kontroll).
0Bh	Kasutajaliides	Nutikaart	USB kiipkaardi lugeja
0Dh	Kasutajaliides	Sisu turvalisus	-
0Eh	Kasutajaliides	Video	Veebikaamera
0Fh	Kasutajaliides	Isiklik tervishoid	-
DCh	Mõlemad	Diagnostiline seade	USB vastavustesti seade
E0h	Kasutajaliides	Juhtmevaba kontroller	Wi-Fi adapter, Bluetooth adapter
EFh	Mõlemad	Mitmesugused	ActiveSync ja Palm sünkroonimisseade
FEh	Kasutajaliides	Rakendusspetsiifiline	IrDA sild
FFh	Mõlemad	Müüja spetsiifiline	(See klassi kood näitab, et seade vajab tootja spetsiifilisi draivereid.)

Märkus klass 0: Kasutage klassiandmeid liidesedeskriptorites. See baasklass on määratletud kasutamiseks seadme kirjeldustes, et näidata, et klassiandmed tuleks määrata seadme liidese kirjeldustest.

USB-pääsupunktid on tegelikult ühendatud seadmes: kanaleid hostiga nimetatakse torudeks.


Tüüpiline USB-pesa.

Seotud leheküljed

• FireWire