USB (univerzális soros busz) – mi az, működése és használata

Az univerzális soros busz első verzióját 1995-ben hozták létre. Ez az új technológia azonnali sikert aratott. Az USB bevezetése óta az elektronikus eszközöket gyártó emberek azon gondolkodtak, hogyan lehetne használni a jövőben. Ma az USB a számítógépet vagy más eszközöket, például laptopokat és MP3-lejátszókat csatlakoztat a perifériás eszközökhöz.

A buszt hét olyan vállalat mutatta be, amelyek az informatikai ipar vezetőit képviselik: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom és Digital Equipment Corporation (DEC).

Néhány évvel korábban az USB alkalmazói és fejlesztői Plugfest néven találkozót tartottak egy speciális kaliforniai szállodában, hogy teszteljék eszközeiket. Olyan szállodát választottak, ahol voltak szobák alvásra és tesztelésre is. A találkozó három napig tartott. A találkozó során mintegy 50 vállalat képviselői csatlakoztatták USB-eszközeiket egy általános host-rendszerhez.

Az USB-eszköz logójának is megvan a maga története. Az USB logó több hónapig volt fejlesztés alatt.

• 1994 - Hét vállalat egyesül az USB kifejlesztésének megkezdésére.
• 1995 - 340 vállalat megalakította az USB Implementation Forumot.
• 1996 - Már több mint ötszáz USB-terméket fejlesztettek ki világszerte.
• 1997 - Az USB Implementációs Fórum további 60 vállalattal lett gazdagabb.
• 1998 - Az USB a legnépszerűbb technológiává válik az elektronikai piacon.
• 2000 - Az USB 2.0 bevezetése. Ma ez a legszélesebb körben használt USB-eszköz.
• 2005 - Az USB vezeték nélkülivé válik.
• 2008 - Bemutatkozik az USB 3.0. Több mint 10-szer gyorsabb, mint az USB 2.0.
• 2013 - Bemutatkozik az USB 3.1. Körülbelül kétszer olyan gyors, mint az USB 3.0.
• 2015 - Bemutatkozik az USB Type-C. Ez egy megfordítható csatlakozó, ami azt jelenti, hogy mindkét irányba csatlakoztatható.

Jelenleg öt különböző USB-szabványt használnak: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 és USB 3.1. Az USB 3.1 2016-ban jelent meg, és megduplázta a 3.0 sebességét. Opcionálisan egy másik, USB Type-C nevű csatlakozót használ, amely megfordítható (vagyis mindkét irányba csatlakoztatható). Az USB 1.0-t ma már ritkán használják.

Az USB öt különböző átviteli sebességet kínál: 1,5 MBit/másodperc (úgynevezett alacsony sebesség), 12 MBit/másodperc (Full Speed), 480 MBit/másodperc (Hi Speed), 5 Gbit/másodperc (úgynevezett szupersebesség) és 10 Gbit/s ("super speed+"). A Hi sebesség csak az USB 2.0 és újabb USB-készülékekben érhető el, a szupersebesség pedig csak az USB 3.0-ban. Ezek a sebességek nyers bitsebességek (millió bit/másodpercben). A tényleges adatátviteli sebesség általában alacsonyabb a protokollterhek miatt.

A nagysebességű átviteli sebesség használatához az USB-vezérlőnek és a csatlakoztatott eszköznek egyaránt támogatnia kell azt. Az USB visszafelé kompatibilis. Gyorsabb és lassabb USB-eszközök és vezérlők is csatlakoztathatók egymáshoz, de a lassabb sebességgel fognak működni.

Majdnem minden ma kapható számítógép rendelkezik USB-porttal, és a legtöbbjük támogatja az USB 2.0 vagy újabb USB-portot. A portok száma azonban általában korlátozott. Általában két és hat port között van. Az USB lehetővé teszi USB-hubok csatlakoztatását, hogy további USB-portokat adjon hozzá.

Maguk a hubok is megfelelnek az egyik USB-szabványnak. Az USB 1.1-es hubhoz csatlakoztatott eszközök csak az USB 1.1-es sebességnek megfelelő sebességgel működnek. A későbbi vezérlőhöz csatlakoztatott eszközök más szabványokat használhatnak.

Az USB-t úgy tervezték, hogy könnyen használható legyen. A mérnökök más csatlakozókból tanultak, mielőtt megtervezték az USB-csatlakozókat. 3 csatlakozó van.

• A típus, általában a számítógépes kábel végén használják
• Micro-A (ritka)
• B típus, a perifériás végén, ritka, kivéve a nyomtatókat.
• Micro-B, a periféria végén, a legtöbb okostelefonhoz
• C típus, mindkét végén. 2017-től számos új számítógép, telefon és periféria használja.

Használhatóság

• Nem lehetséges, hogy egy USB A vagy B csatlakozót rossz irányban csatlakoztasson. Fejjel lefelé nem mehetnek be, és a kinézetből és a kinesztetikus érzésből is látszik, hogy mikor megy be rendesen. Néha azonban előfordul, hogy a felhasználó nem érti vagy nem látja, hogyan megy a csatlakozó, ezért előfordulhat, hogy mindkét irányba próbálkozni kell.
• A C típusú USB-csatlakozókat mindkét irányba be lehet dugni. Nem számít, hogy a csatlakozó melyik irányba van bedugva.
• Nem kell nagyon erősen nyomni vagy húzni a csatlakoztatáshoz vagy kihúzáshoz. Ez szerepelt a specifikációban. Az USB-kábeleket és a kis USB-eszközöket a csatlakozóhely fogóereje tartja a helyén. Az USB-nek nincs szüksége csavarokra, klipszekre vagy más rögzítőelemekre. A csatlakozás létrehozásához vagy megszakításához szükséges erő kicsi. Ez lehetővé teszi, hogy a csatlakozásokat kényelmetlen helyzetekben vagy mozgássérültek is elvégezhessék.
• A C-típus megjelenése előtt a csatlakozók az USB-hálózat irányított topológiáját kényszerítették ki. Az USB nem támogatja a ciklikus hálózatokat, így az inkompatibilis USB-eszközök csatlakozói maguk is inkompatibilisek. Más kommunikációs rendszerekkel ellentétben (pl. RJ-45 kábelezés) az USB-On-The-Go (OTG) megjelenése előtt szinte soha nem használtak nemváltókat, ami megnehezítette a ciklikus USB-hálózat létrehozását.

Tartósság

• A csatlakozókat úgy tervezték, hogy strapabíróak legyenek. A korai csatlakozótervek törékenyek voltak, olyan csapokkal vagy más érzékeny alkatrészekkel, amelyek könnyen elhajlottak vagy eltörhettek, még akkor is, ha óvatosan bántak velük. Az USB-csatlakozók elektromos érintkezőit műanyag nyelv védi. Az egész csatlakozóegységet általában egy fém burkolat védi. Ennek eredményeképpen az USB-csatlakozókat még egy kisgyermek is biztonságosan kezelheti, behelyezheti és eltávolíthatja.
• A csatlakozó kialakítása mindig biztosítja, hogy a dugó külső burkolata érintkezzen a csatlakozóaljzatban lévő megfelelőjével, mielőtt a négy csatlakozót összekötnénk. Ez a köpeny általában a rendszer földeléséhez van csatlakoztatva, lehetővé téve az egyébként káros statikus töltések biztonságos levezetését ezen az úton (és nem a kényes elektronikus alkatrészeken keresztül). Ez a burkolat azt is jelenti, hogy az USB-jelnek (mérsékelt) mértékű védelmet nyújt az elektromágneses interferenciával szemben, amíg az a csatlakozópáron keresztül halad (ez az egyetlen hely, ahol az egyébként csavart adatpárnak párhuzamosan kell távolságot megtennie). A táp- és közös csatlakozások a rendszerföldelés után, de az adatkapcsolatok előtt készülnek. Ez a fajta lépcsőzetes gyártás-törés időzítés lehetővé teszi a biztonságos forró cserét, és a repülőgépiparban már alkalmazzák a csatlakozóknál.
• Az újabb USB-mikrocsatlakozókat úgy tervezték, hogy akár 10 000 behelyezési és kihúzási ciklust is lehetővé tegyenek a csatlakozó és a dugó között, szemben a szabványos USB- és Mini-USB-csatlakozók 500 ciklusával. Ezt egy reteszelő eszköz hozzáadásával és a laprugós csatlakozónak a csatlakozóból a dugóba történő áthelyezésével érik el, így a leginkább igénybevett rész a csatlakozás kábel felőli oldalán van. Ez a változtatás azért történt, hogy a (viszonylag olcsó) kábelen lévő csatlakozó viselje a legnagyobb igénybevételt a micro-USB eszköz helyett.

Kompatibilitás

• Az USB-szabvány viszonylag nagy tűréshatárokat ír elő a megfelelő USB-csatlakozókra. Ennek célja a különböző gyártók által gyártott csatlakozók közötti inkompatibilitás minimalizálása (ez a cél nagyon sikeresen megvalósult). A legtöbb más csatlakozószabvánnyal ellentétben az USB specifikáció korlátokat határoz meg a csatlakozó eszköz méretére vonatkozóan a csatlakozó dugó körüli területen. Ez azért történt, hogy megakadályozzák, hogy egy eszköz méretéből adódóan blokkolja a szomszédos portokat. A megfelelő eszközöknek vagy bele kell illeszkedniük a méretkorlátozásokba, vagy támogatniuk kell egy megfelelő hosszabbító kábelt, amely ezt megteszi.
• Kétirányú kommunikáció is lehetséges. A kábelek általában csak dugókkal, a hosztok és az eszközök pedig csak csatlakozóaljzatokkal rendelkeznek: a hosztok A típusú, az eszközök pedig B típusú csatlakozóaljzatokkal. Az A típusú dugók csak az A típusú csatlakozókkal, a B típusúak pedig a B típusúakkal csatlakoznak. Az USB On-The-Go nevű kiterjesztése azonban lehetővé teszi, hogy egyetlen port akár gazdaként, akár eszközként működjön - attól függően, hogy a kábel melyik vége csatlakozik a készülék aljzatába. A kábel csatlakoztatása és az egységek beszélgetése után a két egység programvezérléssel "cserélheti" a végeket. Ez a lehetőség olyan egységeket céloz meg, mint például a PDA-k, ahol az USB-kapcsolat egyik esetben eszközként csatlakozhat a PC gazdaportjához, másik esetben viszont maga is gazdaként csatlakozhat egy billentyűzethez és egérhez.

Az USB-rendszer aszimmetrikus kialakítású. A rendszer egy állomásból, több lefelé irányuló USB-portból és több perifériás eszközből áll, amelyek csillag topológiában vannak összekötve. A szintekbe további USB-hubok is bekerülhetnek, lehetővé téve az elágazást egy akár öt szintből álló fa struktúrába.

Egy USB-állomáshoz több állomásvezérlő is tartozhat. Minden egyes gazdavezérlő egy vagy több USB-portot biztosít. Egyetlen gazdavezérlőhöz akár 127 eszköz is csatlakoztatható, beleértve a hub-eszközöket is.

Az USB-eszközök sorba kapcsolása hubokon keresztül történik. Mindig van egy hub, amelyet root hubnak neveznek. A root hub a gazdavezérlőbe van beépítve. Vannak speciális hubok, úgynevezett "megosztó hubok". Ezek lehetővé teszik, hogy több számítógép hozzáférjen ugyanahhoz a perifériás eszközhöz. Úgy működnek, hogy manuálisan vagy automatikusan átkapcsolják a hozzáférést a számítógépek között. Kis irodai környezetben népszerűek. Hálózati értelemben inkább konvergálnak, mint divergálnak.

Egy fizikai USB-eszközhöz több logikai aleszköz is tartozhat, amelyeket eszközfunkcióknak nevezünk. Egyetlen eszköz több funkciót is biztosíthat, például egy webkamera (videóeszköz funkció) beépített mikrofonnal (audioeszköz funkció).

Az USB-eszközök kommunikációja csöveken (logikai csatornákon) alapul. A csövek a gazdavezérlő és az eszköz egy logikai egységének, a végpontnak nevezett végpontnak a kapcsolatai. A végpont kifejezést időnként helytelenül használják a csőre való helytelen utalásként. Egy USB-eszköznek legfeljebb 32 aktív csője lehet, 16 a gazdavezérlőbe és 16 a vezérlőből kifelé.

Minden végpont csak egy irányban tud adatokat továbbítani, vagy az eszközbe, vagy az eszközből, tehát minden cső egyirányú. A végpontok interfészekbe vannak csoportosítva, és minden interfész egyetlen eszközfunkcióhoz tartozik. Kivételt képez ez alól a nulladik végpont, amelyet az eszköz konfigurálására használnak, és amely nem kapcsolódik egyetlen interfészhez sem.

Amikor egy USB-eszközt először csatlakoztatunk egy USB-hosthoz, elindul az USB-eszköz felsorolási folyamata. A felsorolás egy reset jelnek az USB-eszközhöz való küldésével kezdődik. Az USB-eszköz sebessége a reset jelzés során kerül meghatározásra. Az alaphelyzetbe állítást követően az USB-eszköz információit a gazdahálózat beolvassa, majd az eszközhöz hozzárendel egy egyedi 7 bites címet. Ha az eszközt támogatja a gazdahálózat, akkor az eszközzel való kommunikációhoz szükséges eszközillesztőprogramok betöltődnek, és az eszköz konfigurált állapotba kerül. Ha az USB-gazdagot újraindítjuk, a felsorolási folyamat megismétlődik az összes csatlakoztatott eszköz esetében.

A gazdavezérlő általában körkörös rendszerben lekérdezi a busz forgalmát, így egyetlen USB-eszköz sem tud adatot továbbítani a buszon a gazdavezérlő kifejezett kérése nélkül.

Host vezérlők

A számítógépes hardver, amely a gazdavezérlőt és a gyökér hubot tartalmazza, rendelkezik egy interfésszel a programozó számára. Ezt hívják Host Controller Device-nek (HCD), és a hardver megvalósítója határozza meg.

Az USB 1.0 és 1.1 esetében két különböző HCD implementáció létezett, az Open Host Controller Interface (OHCI) és az Universal Host Controller Interface (UHCI). Az OHCI-t a Compaq, a Microsoft és a National Semiconductor, az UHCI-t az Intel fejlesztette ki.

A VIA Technologies az UHCI szabványt az Inteltől licencelte; az összes többi chipkészlet megvalósítója az OHCI-t használja. Az UHCI jobban támaszkodik a szoftverre. Ez azt jelenti, hogy az UHCI valamivel processzorigényesebb, mint az OHCI, de könnyebb és olcsóbb elkészíteni. Mivel két különböző megvalósítás létezett, az operációs rendszer- és hardvergyártóknak mindkettőre fejleszteniük és tesztelniük kellett. Ez növelte a költségeket.

Az USB-specifikáció nem határoz meg HCD-interfészeket, és nem foglalkozik velük. Más szóval, az USB meghatározza a porton keresztül történő adatátvitel formátumát, de nem azt a rendszert, amellyel az USB hardver kommunikál a számítógéppel, amelyben az USB hardver található.

Az USB 2.0 tervezési fázisában az USB-IF ragaszkodott ahhoz, hogy csak egy megvalósítás legyen. Az USB 2.0 HCD implementációjának neve Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Csak az EHCI képes támogatni a nagy sebességű (480 Mbit/s) átvitelt. A legtöbb PCI-alapú EHCI-vezérlő rendelkezik más HCD-megvalósítással, amelyet "companion host controller"-nek neveznek, hogy támogassa a teljes sebességet (12 Mbit/s), és bármely olyan eszközhöz használható, amely azt állítja magáról, hogy egy bizonyos osztály tagja. Az operációs rendszernek az összes eszközosztályt meg kell valósítania, így általános illesztőprogramokat biztosíthat bármely USB-eszközhöz. Az eszközosztályokról az USB Implementers Forum eszköz munkacsoportja dönt.

USB eszközosztályok

A készülékosztályok közé tartoznak:

Megjegyzés 0. osztály: Használja az interfészleírókban szereplő osztályinformációkat. Ez az alaposztály az eszközleírókban való használatra van definiálva annak jelzésére, hogy az osztályinformációkat az eszköz interfészleírókból kell meghatározni.

• FireWire