Univerzální sériová sběrnice (USB) — definice, fungování a použití

První verze sběrnice Universal Serial Bus vznikla v roce 1995. Tato nová technologie se okamžitě stala úspěšnou. Od zavedení USB přemýšleli lidé, kteří vyrábějí elektronická zařízení, o tom, jak by se dalo v budoucnu využít. Dnes USB propojuje počítač nebo jiná zařízení, jako jsou notebooky a přehrávače MP3, s periferními zařízeními.

Autobus představilo sedm společností, které představují lídry v oboru informačních technologií: Společnost Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom a Digital Equipment Corporation (DEC).

O několik let dříve uspořádali osvojitelé a vývojáři USB ve speciálním hotelu v Kalifornii setkání nazvané Plugfest, na kterém testovali svá zařízení. Vybrali si hotel, který zahrnoval pokoje pro spaní a pro testování. Setkání trvalo tři dny. Během setkání připojili zástupci asi 50 společností svá zařízení USB k jednomu obecnému hostitelskému systému.

Logo zařízení USB má také svou historii. Logo USB se vyvíjelo několik měsíců.

• 1994 - Sedm společností se spojilo a začalo vyvíjet USB.
• 1995 - 340 společností založilo fórum USB Implementation Forum.
• 1996 - Po celém světě vzniklo již více než pět set produktů USB.
• 1997 - USB Implementation Forum se rozrostlo o dalších 60 společností.
• 1998 - USB se stává nejoblíbenější technologií na trhu s elektronikou.
• 2000 - Zavedení rozhraní USB 2.0. Dnes představuje nejrozšířenější zařízení USB.
• 2005 - USB se stává bezdrátovým.
• 2008 - je představeno rozhraní USB 3.0. Je více než desetkrát rychlejší než USB 2.0.
• 2013 - Představení USB 3.1. Je přibližně dvakrát rychlejší než USB 3.0.
• 2015 - představení USB typu C. Jedná se o oboustranný konektor, což znamená, že jej můžete zapojit oběma směry.

V současné době se používá pět různých standardů USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 a USB 3.1. USB 3.1 bylo vydáno v roce 2016 a zdvojnásobilo rychlost standardu 3.0. Volitelně používá jiný konektor nazvaný USB typu C, který je oboustranný (což znamená, že jej můžete zapojit oběma směry). USB 1.0 se nyní používá jen zřídka.

USB nabízí pět různých přenosových rychlostí: 1,5 MBit/s (tzv. nízká rychlost), 12 MBit/s (plná rychlost), 480 MBit/s (vysoká rychlost), 5 Gbit/s (tzv. superrychlost) a 10 Gbit/s ("superrychlost+"). Hi speed je k dispozici pouze v rozhraní USB 2.0 a novějším a super speed je k dispozici pouze v rozhraní USB 3.0. Tyto rychlosti jsou hrubé přenosové rychlosti (v milionech bitů za sekundu). Skutečná rychlost přenosu dat je obvykle nižší kvůli režii protokolu.

Aby bylo možné používat vysokorychlostní přenosovou rychlost, musí ji podporovat jak řadič USB, tak připojené zařízení. USB je zpětně kompatibilní. Rychlejší a pomalejší zařízení a řadiče USB lze připojit společně, ale budou pracovat pomalejší rychlostí.

Téměř všechny dnes prodávané počítače mají porty USB a většina z nich podporuje rozhraní USB 2.0 nebo novější. Počet portů je však obvykle omezený. Běžně se používají dva až šest portů. USB umožňuje připojit USB rozbočovače a přidat tak další porty USB.

Samotné rozbočovače jsou také v souladu s jedním ze standardů USB. Zařízení připojená k rozbočovači USB 1.1 pojedou pouze tak rychle, jak je rychlost USB 1.1. Zařízení připojená k pozdějšímu řadiči mohou používat jiné standardy.

USB bylo navrženo tak, aby se snadno používalo. Než inženýři navrhli konektory USB, poučili se z jiných konektorů. Existují 3 konektory.

• Typ A, běžně používaný na konci kabelu počítače
• Micro-A (vzácné)
• Typ B, na periferním konci, vzácný s výjimkou tiskáren
• Micro-B, na periferním konci, pro většinu smartphonů
• Typ C, na obou koncích. Od roku 2017 jej používá mnoho nových počítačů, telefonů a periferií.

Použitelnost

• Není možné zapojit konektor USB A nebo B špatně. Nelze je zasunout obráceně a je to zřejmé na pohled a kinestetický pocit, když se zasune správně. Někdy se však stává, že uživatel nechápe nebo nevidí, jak se konektor zasouvá, takže může být nutné vyzkoušet oba způsoby.
• Konektory USB typu C lze zapojit oběma způsoby. Nezáleží na tom, jakým způsobem je konektor zapojen.
• Při zapojování a odpojování není třeba silně tlačit ani tahat. To bylo ve specifikaci. Kabely USB a malá zařízení USB jsou drženy na místě silou sevření zásuvky. USB nepotřebuje šrouby, svorky ani jiné upevňovací prvky. Síla potřebná k vytvoření nebo přerušení spojení je malá. To umožňuje připojení v nepříjemných polohách nebo osobám s pohybovým postižením.
• Před příchodem typu C konektory prosazovaly směrovanou topologii sítě USB. USB nepodporuje cyklické sítě, takže konektory nekompatibilních zařízení USB jsou samy o sobě nekompatibilní. Na rozdíl od jiných komunikačních systémů (např. kabeláže RJ-45) se před nástupem rozhraní USB-On-The-Go (OTG) téměř nepoužívaly přepínače pohlaví, což ztěžovalo vytváření cyklické sítě USB.

Odolnost

• Konektory jsou navrženy tak, aby byly odolné. Dřívější konstrukce konektorů byly křehké, s kolíky nebo jinými jemnými součástkami, které se mohly snadno ohnout nebo zlomit, i když se s nimi zacházelo šetrně. Elektrické kontakty v konektoru USB jsou chráněny plastovým jazýčkem. Celá propojovací sestava je obvykle dále chráněna kovovým pláštěm. Díky tomu může s konektory USB bezpečně manipulovat, zasouvat je a vytahovat i malé dítě.
• Konstrukce konektoru vždy zajišťuje, aby se vnější plášť zástrčky dotýkal svého protějšku v zásuvce ještě předtím, než se spojí čtyři konektory uvnitř. Tento plášť je obvykle spojen se systémovou zemí, což umožňuje bezpečné odvedení jinak škodlivého statického náboje touto cestou (a nikoli přes choulostivé elektronické součástky). Tento způsob krytí také znamená (mírný) stupeň ochrany před elektromagnetickým rušením, který je signálu USB poskytován při jeho cestě přes spárovanou dvojici konektorů (to je jediné místo, kdy jinak kroucený datový pár musí cestovat na vzdálenost paralelně). Napájecí a společné připojení je provedeno za systémovou zemí, ale před datovými připojeními. Tento typ postupného časování make-break umožňuje bezpečnou výměnu za provozu a byl použit pro konektory v leteckém průmyslu.
• Novější zásuvky USB micro jsou navrženy tak, aby umožnily až 10 000 cyklů zasunutí a vytažení zásuvky a konektoru, zatímco u standardních zásuvek USB a Mini-USB je to 500 cyklů. Toho je dosaženo přidáním blokovacího zařízení a přesunutím konektoru s listovou pružinou z konektoru do zástrčky, takže nejvíce namáhaná část je na straně kabelu. Tato změna byla provedena proto, aby se místo zařízení micro-USB nejvíce opotřebovával konektor na (relativně levném) kabelu.

Kompatibilita

• Standard USB stanovuje poměrně velké tolerance pro kompatibilní konektory USB. Důvodem je snaha minimalizovat nekompatibilitu konektorů vyráběných různými výrobci (tohoto cíle bylo velmi úspěšně dosaženo). Na rozdíl od většiny ostatních konektorových standardů definuje specifikace USB také omezení velikosti připojovaného zařízení v oblasti kolem jeho konektoru. To bylo provedeno proto, aby zařízení neblokovalo sousední porty kvůli své velikosti. Kompatibilní zařízení se musí buď vejít do omezení velikosti, nebo musí podporovat kompatibilní prodlužovací kabel, který to splňuje.
• Je možná i obousměrná komunikace. Kabely mají obvykle pouze zástrčky a hostitelé a zařízení mají pouze zásuvky: hostitelé mají zásuvky typu A a zařízení typu B. Zástrčky typu A se spojují pouze se zásuvkami typu A a typ B se zásuvkami typu B. Rozšíření USB nazvané USB On-The-Go však umožňuje, aby jeden port fungoval buď jako hostitel, nebo jako zařízení - podle toho, který konec kabelu se zapojí do zásuvky na jednotce. I po zapojení kabelu a komunikaci mezi jednotkami si mohou obě jednotky "vyměnit" konce pod kontrolou programu. Toto zařízení je určeno pro jednotky, jako jsou PDA, kde se propojení USB může v jednom případě připojit k hostitelskému portu počítače jako zařízení, ale v jiném případě se připojí jako hostitel k zařízení s klávesnicí a myší.

Systém USB má asymetrickou konstrukci. Skládá se z hostitele, několika navazujících portů USB a několika periferních zařízení zapojených do hvězdicové topologie. Do úrovní mohou být zahrnuty další rozbočovače USB, což umožňuje větvení do stromové struktury s až pěti úrovněmi úrovní.

Hostitel USB může mít více hostitelských řadičů. Každý hostitelský řadič poskytuje jeden nebo více portů USB. K jednomu hostitelskému řadiči může být připojeno až 127 zařízení, včetně zařízení rozbočovače.

Zařízení USB jsou propojena do série prostřednictvím rozbočovačů. Vždy existuje jeden rozbočovač známý jako kořenový rozbočovač. Kořenový rozbočovač je zabudován v hostitelském řadiči. Existují speciální rozbočovače, kterým se říká "sdílené rozbočovače". Ty umožňují přístup více počítačů ke stejným periferním zařízením. Fungují tak, že přepínají přístup mezi počítači, a to buď ručně, nebo automaticky. Jsou oblíbené v prostředí malých kanceláří. Z hlediska sítě spíše konvergují než rozvádějí větve.

Fyzické zařízení USB může mít několik logických dílčích zařízení, která se označují jako funkce zařízení. Jedno zařízení může poskytovat několik funkcí, například webovou kameru (funkce video zařízení) s vestavěným mikrofonem (funkce audio zařízení).

Komunikace zařízení USB je založena na rourách (logických kanálech). Trubky jsou spojení z hostitelského řadiče k logické entitě v zařízení, která se nazývá koncový bod. Termín koncový bod se občas používá jako nesprávné označení roury. Zařízení USB může mít až 32 aktivních kanálů, 16 do hostitelského řadiče a 16 z řadiče.

Každý koncový bod může přenášet data pouze jedním směrem, buď do zařízení, nebo ze zařízení, takže každá trubka je jednosměrná. Koncové body jsou seskupeny do rozhraní a každé rozhraní je přiřazeno jedné funkci zařízení. Výjimkou je koncový bod nula, který se používá pro konfiguraci zařízení a který není přiřazen k žádnému rozhraní.

Při prvním připojení zařízení USB k hostiteli USB se spustí proces výčtu zařízení USB. Vyčíslování začíná odesláním signálu reset do zařízení USB. Během signalizace resetování se určí rychlost zařízení USB. Po resetu jsou informace o zařízení USB přečteny hostitelem a poté je zařízení přiřazena jedinečná 7bitová adresa. Pokud je zařízení podporováno hostitelem, jsou načteny ovladače zařízení potřebné pro komunikaci se zařízením a zařízení je uvedeno do nakonfigurovaného stavu. Pokud je hostitel USB restartován, proces výčtu se opakuje pro všechna připojená zařízení.

Řadič hostitelské sběrnice se dotazuje na přenosy na sběrnici, obvykle v režimu "round-robin", takže žádné zařízení USB nemůže přenášet data na sběrnici bez výslovného požadavku řadiče hostitelské sběrnice.

Hostitelské řadiče

Hardware počítače, který obsahuje hostitelský řadič a kořenový rozbočovač, má rozhraní pro programátor. Nazývá se Host Controller Device (HCD) a je definováno implementátorem hardwaru.

Pro rozhraní USB 1.0 a 1.1 existovaly dvě různé implementace HCD: Open Host Controller Interface (OHCI) a Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI vyvinuly společnosti Compaq, Microsoft a National Semiconductor, UHCI vyvinula společnost Intel.

Společnost VIA Technologies si od Intelu licencovala standard UHCI; všichni ostatní implementátoři čipových sad používají OHCI. UHCI se více spoléhá na software. To znamená, že UHCI je o něco náročnější na procesor než OHCI, ale je jednodušší a levnější. Protože existovaly dvě různé implementace, museli výrobci operačních systémů a hardwaru vyvíjet a testovat na obou z nich. To zvýšilo náklady.

Specifikace USB nespecifikuje žádná rozhraní HCD a nezabývá se jimi. Jinými slovy, USB definuje formát přenosu dat přes port, ale nikoli systém, kterým hardware USB komunikuje s počítačem, v němž je umístěn.

Ve fázi návrhu rozhraní USB 2.0 trvala organizace USB-IF na tom, aby existovala pouze jedna implementace. Implementace USB 2.0 HCD se nazývá Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Pouze rozhraní EHCI podporuje vysokorychlostní přenosy (480 Mbit/s). Většina řadičů EHCI založených na rozhraní PCI má další implementace HCD nazvané "doprovodný hostitelský řadič", které podporují plnou rychlost (12 Mbit/s) a mohou být použity pro jakékoli zařízení, které o sobě tvrdí, že patří do určité třídy. Operační systém má implementovat všechny třídy zařízení, takže může poskytovat obecné ovladače pro jakékoli zařízení USB. O třídách zařízení rozhoduje pracovní skupina Device Working Group sdružení USB Implementers Forum.

Třídy zařízení USB

Třídy zařízení zahrnují:

Poznámka třída 0: Použijte informace o třídě v Deskriptorech rozhraní. Tato základní třída je definována pro použití v Deskriptorech zařízení k označení, že informace o třídě by měly být určeny z Deskriptorů rozhraní v zařízení.

• FireWire