USB ( англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике . Получил широчайшее распространение и стал основным интерфейсом подключения периферии к бытовой цифровой технике.

Интерфейс позволяет не только обмениваться данными, но и обеспечивать электропитание периферийного устройства. Сетевая архитектура позволяет подключать большое количество периферии даже к устройству с одним разъёмом USB.

Разработка спецификаций USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB. В процессе развития выработано несколько версий спецификаций . Тем не менее разработчикам удалось сохранить высокую степень совместимости оборудования разных поколений. Спецификация интерфейса охватывает беспрецедентно широкий круг вопросов подключения и взаимодействия периферийных устройств с вычислительной системой:

• унификацию разъёмов и кабелей
• нормирование энергопотребления
• протоколы обмена данными
• унификацию функциональности и драйверов устройств

История

В Intel днем рождения USB называют 15 ноября 1995 года . Первые спецификации для USB 1.0 были представлены в 1994—1995 годах. Разработка USB поддерживалась фирмами Intel , Microsoft , Philips , US Robotics . USB стал «общим знаменателем» под тремя не связанными друг с другом стремлениями разных компаний:

• Расширение функциональности компьютера. На тот момент для подключения внешних периферийных устройств к персональному компьютеру использовалось несколько «традиционных» ( англ. legacy) интерфейсов ( PS/2 , последовательный порт , параллельный порт , порт для подключения джойстика , SCSI ), и с появлением новых внешних устройств разрабатывали и новый разъём. Предполагалось, что USB заменит их все и заодно подхлестнёт разработку нетрадиционных устройств.
• Подключить к компьютеру мобильный телефон . В то время мобильные сети переходили на цифровую передачу голоса, и ни один из имеющихся интерфейсов не годился для передачи с телефона на компьютер как речи, так и данных.
• Простота для пользователя. Старые интерфейсы (например, последовательный (COM) и параллельный (LPT) порты) были крайне просты для разработчика, но не давали настоящего « подключи и работай ». Требовались новые механизмы взаимодействия компьютера с низко- и среднескоростными внешними устройствами — возможно, более сложные для конструкторов, но надёжные, дружественные и пригодные к «горячему» подключению .

Поддержка USB вышла в 1996 году в виде патча к Windows 95 OEM Service Release 2 , в дальнейшем она вошла в стандартную поставку Windows 98 . В первые годы (1996—1997) устройств было мало, поэтому шину в шутку называли «Useless Serial Bus» («неиспользуемая последовательная шина») . Впрочем, производители быстро осознали пользу USB, и уже к 2000 году большинство принтеров и сканеров работало с новым интерфейсом.

Hewlett-Packard , Intel , (ныне Alcatel-Lucent ), Microsoft , NEC и Philips совместно выступили с инициативой по разработке более скоростной версии USB. Спецификация USB 2.0 была опубликована в апреле 2000 года, и в конце 2001 года эта версия была стандартизирована USB Implementers Forum. USB 2.0 является обратно совместимой со всеми предыдущими версиями USB.

В некоторые из первых мобильных устройств встраивали громоздкий разъём USB-B . Но чаще разработчики шли на нарушение стандарта, встраивая туда несколько более компактный USB-A , или придумывали свой разъём. Со стандартом USB 2.0 специально для мобильных устройств появились разъёмы USB Mini-A и USB Mini-B, позднее появилась спецификация USB OTG. В 2007 году появились разъёмы USB Micro-A и USB Micro-B, вдвое тоньше USB Mini- и более надёжные . Ещё один недостаток USB Mini-USB — устройства фиксации были в периферии, а не в кабеле, и при поломке приходилось ремонтировать устройство, а не менять дешёвый кабель . В 2009 году в попытках уменьшить количество разъём USB Micro-B объявили основным стандартом зарядных устройств для мобильных телефонов, но меморандум так полностью и не был реализован — Apple просто сделала переходник с USB Micro-B на свой разъём.

В начале 2000-х годов корпорация Apple отдавала приоритет шине FireWire , в разработке которой она принимала активное участие. Ранние модели iPod были оснащены только интерфейсом FireWire , а USB отсутствовал. Впоследствии компания отказалась от FireWire в пользу USB, оставив в некоторых моделях FireWire только для подзарядки. Однако часть выпускавшихся клавиатур и мышей, начиная со второй половины 1990-х годов, имела интерфейс USB.

С начала 2000-х годов в BIOS компьютеров массового сегмента включена поддержка USB ^{[ источник не указан 3562 дня ]} (поддержка USB в корпоративном сегменте началась с середины 1990-х). Это позволило загружаться с флеш-дисков , например, для переустановки ОС; пропала надобность в PS/2-клавиатуре . Современные настольные материнские платы поддерживают свыше 10 USB-портов. В подавляющем большинстве современных ноутбуков и настольных компьютеров COM- и LPT -портов нет.

Пока происходило распространение USB-портов второй версии, производители внешних жёстких дисков уже «упёрлись» в ограничение USB 2.0 — и по току, и по скорости. Потребовался новый стандарт, который и вышел в 2008 году. Уложиться в старые четыре жилы не удалось, поэтому было добавлено пять новых. Первые материнские платы с поддержкой USB 3.0 вышли в 2010 году . К 2013 году USB 3.0 стал массовым. В продаже имеются платы расширения, добавляющие поддержку USB 3.0 в старых компьютерах.

Уже в первые годы обнаружился серьёзный конструктивный недостаток разъёма USB-A: он асимметричен, но не показывает, какой стороной его подключать. Кроме того, в мобильных телефонах стали расширять функциональность USB, чтобы подключать нетрадиционные устройства: Motorola RAZR V3 подключала через Mini-B гарнитуру, в смартфонах Samsung между пятью штырями Micro-B добавили шесть новых. Обе эти проблемы решил симметричный разъём USB-C, появившийся в 2014 году. Одни провода продублированы на обеих сторонах, о назначении других контроллеры «договариваются» при подключении. В дополнение USB-C имеет несколько резервных проводов, чтобы передавать, например, аналоговый звук или HDMI -видео.

Вышедший в 2019 году USB4 позволил менять направление сверхскоростных линий, что дало 40 Гбит/с в одну сторону. Он также сделал возможным так называемое « туннелирование протоколов», когда видео и PCIe «заворачиваются» в пакеты USB, давая больше места данным (старым устройствам, не умеющим разворачивать, нужны специальные преобразователи). Отказались от старых разъёмов, оставив только USB-C.

Основные сведения

Кабель USB (до 2.0 включительно) состоит из четырёх медных проводников: двух проводников питания и двух проводников данных в витой паре. Проводники заключены в заземлённую оплётку (экран).

Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB-устройства без кабеля со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство, как в мышь (стандарт запрещает это для устройств full и high speed, но производители его нарушают). Существуют, хотя и запрещены стандартом, и пассивные USB-удлинители, имеющие разъёмы «от хоста» и «к хосту».

С помощью кабелей формируется интерфейс между USB-устройствами и USB-хостом. В качестве хоста выступает программно-управляемый USB-контроллер , который обеспечивает функциональность всего интерфейса. Контроллер, как правило, интегрирован в микросхему южного моста , хотя может быть исполнен и в отдельном корпусе. Соединение контроллера с внешними устройствами происходит через . В силу того, что USB-шина имеет древовидную топологию , концентратор самого верхнего уровня называется корневым (root hub). Он встроен в USB-контроллер и является его неотъемлемой частью.

Для подключения внешних устройств к USB-концентратору в нём предусмотрены порты , заканчивающиеся разъёмами. К разъёмам с помощью кабельного хозяйства могут подключаться USB-устройства либо USB-концентраторы нижних уровней. Такие концентраторы — активные электронные устройства (пассивных не бывает), обслуживающие несколько собственных USB-портов. С помощью USB-концентраторов допускается до пяти уровней каскадирования, не считая корневого. Сам USB-интерфейс не позволяет соединять между собой два компьютера (хост-устройства), это возможно лишь при использовании специальной электроники, имеющей два USB-входа и специализированный мост, например, эмулирующей два соединённых Ethernet-адаптера по одному для каждой из сторон либо использующие специализированное ПО для обмена файлами .

Устройства могут быть запитаны от шины, но могут и требовать внешнего источника питания. По умолчанию устройствам гарантируется ток до 100 мА, а после согласования с хост-контроллером — до 500 мА. Поддерживается и дежурный режим для устройств и концентраторов по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств. Это достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приёма и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe).

Оконечные точки, а значит, и каналы, относятся к одному из четырёх классов — поточный (bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt). Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронных и поточных каналов.

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки — пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры, мыши, джойстики).

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 кГц для low и full speed, 8 кГц для high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.

Поточный канал даёт гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных при неготовности устройства (переполнение или опустошение буфера), но не даёт гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передаёт всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь — поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создаётся совместными усилиями аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют крайне сложный DMA со сложной DMA-программой, формируемой драйвером.

Размер пакета для оконечной точки — это константа, встроенная в таблицу оконечных точек устройства и изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.

Версии спецификации

Список спецификаций

Спецификация	Скорость	Стандарт USB
Low-Speed	до 1,5 Мбит/с	USB 1.0
Full-Speed	до 12 Мбит/с	USB 1.1
High-speed	до 480 Мбит/с	USB 2.0
SuperSpeed	до 5 Гбит/с	USB 3.0 / USB 3.1 Gen 1 / USB 3.2 Gen 1
SuperSpeed+ 10Gbps	до 10 Гбит/с	USB 3.1 Gen 2 / USB 3.2 Gen 2
SuperSpeed++ 20Gbps	до 20 Гбит/с	USB 3.2 Gen 2x2

Предварительные версии

• USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года.
• USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года.
• USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года.
• USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года.
• USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

USB 1.0

Спецификация выпущена 15 января 1996 года.

Технические характеристики:

• два режима работы:
  • режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с;
  • режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с;
• максимальная длина кабеля (без экрана) для режима Low-Speed — 3 м ;
• максимальная длина кабеля (в экране) для режима Full-Speed — 5 м ;
• максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127;
• возможно подключение «разноскоростных» периферийных устройств к одному контроллеру USB;
• напряжение питания для периферийных устройств — 5 В;
• максимальный ток, потребляемый периферийным устройством, — 500 мА.

USB 1.1

Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0.

USB 2.0

Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима High-Speed (пометка на логотипе — «Hi-speed» ).

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

• Low-Speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады);
• Full-Speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);
• High-Speed, 25—480 Мбит/с (аудио-, видеоустройства, устройства хранения информации).

Последующие модификации

Последующие модификации к спецификации USB публикуются в рамках «Извещений об инженерных изменениях» ( англ. Engineering Change Notices, ECN). Самые важные из модификаций ECN представлены в наборе спецификаций USB 2.0 ( англ. USB 2.0 specification package), доступном на сайте USB Implementers Forum.

• Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года.
• Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года.
• Pull-up/Pull-down Resistors ECN: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года. Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
• Rounded Chamfer ECN: извещение выпущено в октябре 2002 года.
• Unicode ECN: извещение выпущено в феврале 2005 года. Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE .
• Inter-Chip USB Supplement: извещение выпущено в марте 2006 года.
• On-The-Go Supplement 1.3: извещение выпущено в декабре 2006 года. USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

USB OTG

В USB одно устройство всегда хост, другое — периферия. Смартфонам, цифровым фотоаппаратам и прочим мобильным устройствам приходится быть то хостом, то периферией: при подключении к компьютеру фотоаппарат — периферия, а при подключении к фотопринтеру — хост.

USB OTG (от On-The-Go, рус. «на ходу») сделала удобной смену роли устройств: они сами определяют, кем им быть. OTG-устройства можно подключать к компьютеру, и к таким устройствам через тот же порт можно подключать USB-периферию: обычно флеш-накопители, цифровые фотоаппараты, клавиатуры, мыши и другие устройства, не требующие дополнительных драйверов .

Роль устройства определяется кабелем: в штекере на стороне хоста замыкаются контакты 4 (ID) и 5 (Ground); на стороне периферии ID никуда не подключается.

USB 3.x

USB 3.0

Окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel , Microsoft , Hewlett-Packard , Texas Instruments , NEC и NXP Semiconductors .

Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с, что на порядок больше скорости, которую может обеспечить USB 2.0. Также версия 3.0 отличается увеличенной с 500 мА до 900 мА силой тока. Таким образом, от одного порта можно запитывать большее количество устройств, а также отпадает необходимость использования внешнего питания для некоторых устройств . В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего цвета (у некоторых производителей — красного). Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии — пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания, разъём «A» имеет 4 контакта. Для передачи высокоскоростных SuperSpeed сигналов в USB 3.0 добавлено ещё четыре линии связи (две витые пары) и один контакт сигнальной земли (GND_DRAIN), в результате чего кабель стал гораздо толще. Новые контакты в разъёмах USB 3.0 расположены отдельно от старых в другом контактном ряду.

В октябре 2009 года появилась информация, что корпорация Intel решила отложить внедрение поддержки USB 3.0 в свои чипсеты до 2011 года. Это решение привело к тому, что до 2011 года данный стандарт не стал массовым, так как пользователю было недостаточно просто купить материнскую плату, был необходим дополнительный адаптер либо производитель материнских плат распаивал на них контроллер стороннего производителя .

обеспечивает аппаратную поддержку потоков для команд, статусов, входящих и исходящих данных, что позволяет более полно использовать пропускную способность USB-шины. Потоки были добавлены к протоколу USB 3.0 SuperSpeed для поддержки UASP .

Linux поддерживает USB 3.0 начиная с версии ядра 2.6.31 . В Windows 8 и 10 интерфейс USB 3.0 поддерживается без установки дополнительных драйверов.

После выхода спецификации USB 3.1 стандарт USB 3.0 был переименован в USB 3.1 Gen 1. По словам технического директора USB-IF, это было сделано для того чтобы облегчить работу разработчикам устройств, то есть, чтобы обеспечить поддержку всех версий USB, теперь достаточно двух спецификаций — USB 2 и USB 3.1 — вместо трёх . После выхода спецификации USB 3.2 переименован в USB 3.2 Gen 1.

USB 3.1

31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с . Компактный разъём USB Type-C , используемый с данной версией, является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной, как это ранее сделала Apple в разъёмах Lightning .

После выхода стандарта USB 3.1 организация USB-IF объявила, что режим передачи USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новый стандарт передачи USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed+) — как USB 3.1 Gen 2 .

В USB 3.1 входит два стандарта :

• SuperSpeed (USB 3.1 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с, такой же, как и у USB 3.0;
• SuperSpeed+ (USB 3.1 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с, удвоенная USB 3.0.

В USB 3.1 Gen 2, помимо увеличения скорости до 10 Гбит/с, были снижены издержки кодирования до 3 % переходом на .

Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.

На практике первая реализация USB 3.1 в виде IP-блока от Synopsys показала в декабре 2013 года эффективную скорость передачи 7,2 Гбит/с (900 МБ в секунду) .

USB 3.2

22 сентября 2017 некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию стандарта USB 3.2 , заключительная ревизия для USB 3.x. Новая спецификация предусматривает удвоение максимально возможной скорости передачи данных по сравнению с USB 3.1 Gen 2 — с 10 до 20 Гбит/с за счёт использования двух линий на 5 Гбит/с или 10 Гбит/с только для разъема USB Type-C по причине его двухсторонних контактов и использования дублирующих выводов как отдельный канал. Были внесены поправки в работу хост-адаптеров для плавного перехода между 2-канальным режимом дублирующих выводов к одноканальному режиму. Современные кабели USB Type-C , имеющиеся в наличии, уже поддерживают такой «двухлинейный» режим, так что покупать новые кабели не придётся . Появление первых коммерческих устройств с поддержкой стандарта USB 3.2 ожидается не ранее второй половины 2019 года .

Спецификации USB 3.2 заменяют стандарты USB 3.0 и USB 3.1; удовлетворяющие им устройства будут включать три стандарта скоростей :

• SuperSpeed USB (USB 3.2 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с и кодированием 8b/10b, как у USB 3.1 Gen 1 и USB 3.0;
• SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с и кодированием 128b/132b, как USB 3.1 Gen 2;
• SuperSpeed+ USB 20Gbps (USB 3.2 Gen 2x2) со скоростью до 20 Гбит/с и кодированием 128b/132b по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 2.

В спецификациях также прописан вариант с двумя линиями, каждая из которых работает по протоколу USB 3.0 ^{[ источник не указан 1177 дней ]} :

• SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 1x2) со скоростью до 10 Гбит/с и кодированием 8b/10b по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 1.

Новая схема именования

После выхода стандарта USB 3.2 организация USB-IF ввела новую схему именования . Чтобы помочь компаниям с брендингом различных режимов передачи, USB-IF рекомендует называть режимы передачи 5, 10, 20 Гбит/с как SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10Gbps, SuperSpeed USB 20Gbps, соответственно :

Спецификация	Старое название	Оригинальное название	Режим передачи	Маркетинговое название (USB-IF branding)	Скорость	Скорость передачи	Картинка
USB 3.2 Gen 1	USB 3.1 Gen 1	USB 3.0	Gen 1	SuperSpeed USB 5Gbps	5 Gbit/s	500 MB/s
USB 3.2 Gen 2	USB 3.1 Gen 2	USB 3.1	Gen 2	SuperSpeed USB 10Gbps	10 Gbit/s	1,21 GB/s
USB 3.2 Gen 2x2	---	USB 3.2	Gen 2 × 2	SuperSpeed USB 20Gbps	20 Gbit/s	2,42 GB/s

USB4

В отличие от предыдущих версий, название протокола пишется слитно, без пробела между словом «USB» и цифрой «4».

Спецификация четвёртой версии была опубликована 29 августа 2019 года . Новый базовый протокол повышает максимальную скорость до 40 Гбит/с (при использовании совместимых кабелей Type-C), сохраняя обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и, опционально, Thunderbolt 3 .

Скорость до 40 Гбит/с достижима только со специальными кабелями, имеющими соответствующую маркировку. Для обычных кабелей максимальная скорость ограничена 20 Гбит/с.

В ноябре 2022 года вышла обновленная спецификация USB4 Version 2.0 с пропускной способностью до 80 Гбит/с .

Inter-Chip USB

(англ.) ((IC-USB) и High Speed Inter-Chip USB (HSIC) — упрощённые версии USB 2.0 для некоммутируемого соединения микросхем в одном устройстве. Упрощение достигается за счёт замены физического уровня USB с асинхронного на синхронный, отказа от возможности смены скорости и определения подключения, отказа от электрической защиты драйверов и уменьшения их мощности. Логическая часть USB неизменна (в том числе логика состояний шины). IC-USB определяет соединение Full Speed (12 Мбит/с) устройств; HSIC определяет соединение High Speed (480 Мбит/с) устройств.

Первая версия стандарта IC-USB была принята в 2006 году. Первая версия стандарта HSIC была принята в 2007 году . HSIC использует две цифровых линии с логическими уровнями LVCMOS (1,2 вольта ): STROBE и DATA. Максимальная длина проводников 10 см. Синхронный интерфейс обеспечивает пропускную способность 480 Мбит/с при тактовой частоте 240 МГц. Драйвер физического уровня HSIC потребляет на 50 % меньше энергии и занимает на 75 % меньше места на кристалле, чем традиционный драйвер USB 2.0 .

В 2012 году была принята первая версия спецификаций Inter-Chip USB для USB 3.0 .

Wireless USB

Wireless USB — технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года ), позволяющая организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метров и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

23 июля 2007 года USB-IF объявила о сертификации шести первых потребительских продуктов с поддержкой Wireless USB .

В 2013 году была представлена спецификация MA-USB, позволяющая инкапсулировать USB-протокол в существующие каналы связи, включая WiFi и WiGig .

Кабели и разъёмы USB

Цветовое кодирование

Цвет	Назначение
Белый	USB 1.0
Чёрный	USB 2.0
Синий	USB 3.2 Gen 1x1 (ранее - USB 3.0)
Бирюзовый	USB 3.2 Gen 1x2
Красный/жёлтый/оранжевый	Отличается повышенной нагрузочной способностью и тем, что напряжение на них присутствует, даже если компьютер выключен или находится в режиме сна.

Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A — на стороне контроллера или концентратора USB и B — на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB-IF 4 января 2007 года.

	Обычный	Mini	Micro
Тип A	4×12 мм	3×7 мм	2×7 мм
Тип B	7×8 мм	3×7 мм	2×7 мм

Существуют также разъёмы типа Mini-AB и Micro-AB, с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

Производителями электроники используется разъём, совместимый с Mini-USB, содержащий 10 контактов, а не 5, как в оригинале (10-контактный штекер не войдёт в 5-контактный разъём). В частности, данное гнездо можно увидеть в телефонах под маркой Alcatel (TCL), Fly и Philips, где дополнительные контакты используются для возможности использования гарнитуры с микрофоном. Однако после перехода на Micro-USB + Mini-Jack в рамках Европейской программы по стандартизации зарядных устройств использование данного разъёма с 2012 года резко сократилось.

USB-A сочетает долговечность и механическую прочность, несмотря на отсутствие винтовой затяжки. Однако уменьшенные варианты разъёмов, имеющие тонкие пластмассовые выступы, высоко выступающие из подложки гнезда, плохо переносят частое смыкание-размыкание и требуют более бережного обращения.

Сигналы USB (версии до 2.x) передаются по двум проводам экранированного четырёхпроводного кабеля.

Распиновка Тип-A и -B

Номер контакта	Обозначение	Цвет провода		Описание
1	V BUS	Красный или	Оранжевый	+5 V
2	D−	Белый, или	Золотой	Данные−
3	D+	Зелёный		Данные+
4	GND	Чёрный или	Синий	Земля

Распиновка Mini/Micro-A и -B

Номер контакта	Обозначение	Цвет провода	Описание
1	V BUS	Красный	+5 V
2	D−	Белый	Данные−
3	D+	Зелёный	Данные+
4	ID	No wire	On-The-Go ID определяет конец кабеля: A (хост): подключён к земле B (устройство): не подключён
5	GND	Чёрный	Земля

Здесь GND — цепь « земли » для питания периферийных устройств, а VBus — это +5 вольт, также для цепей питания. Данные передаются дифференциально по проводам D− и D+. Состояния «0» и «1» определяются по разности потенциалов между линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий потенциал относительно GND выше 2,8 В . Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством ( англ. Full-Speed или англ. Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1,5 кОм (D− для режима Low-Speed и D+ для режимов Full-Speed и High-Speed) .

Для соблюдения достаточного уровня сигнала в кабеле и недопускания его затухания требуется коррелировать длину кабеля с сечением проводников. Принята практика указания толщины сечения провода в AWG , например «28 AWG/1P…».

Примерное соответствие: маркировка кабеля (указание толщины провода в AWG) и соответствующая ей длина кабеля:

AWG	Длина, не больше (см)
28	81
26	131
24	208
22	333
20	500

Ограничение длины кабеля также связано с задержкой сигнала в линии. В спецификациях USB 2.0 оговорена величина задержки: она должна быть менее 5,2 наносекунды на метр для кабеля длиной 5 м. Максимально допустимая задержка сигнала в линии — 1,5 микросекунды для низкоскоростного режима. Таким образом, для обеспечения режима Hi Speed линия должна гарантировать задержку менее 26 наносекунд, а Low Speed — 1,5 микросекунды.

Кабели и разъёмы USB 3.0 и их совместимость с USB 2.0

• Все разъёмы USB, которые можно соединять друг с другом, рассчитаны на совместную работу. Это достигается за счёт электрической совместимости всех контактов разъёма USB 2.0 с соответствующими контактами разъёма USB 3.0. При этом разъём USB 3.0 имеет дополнительные контакты, не имеющие соответствия в разъёме USB 2.0, и, следовательно, при соединении разъёмов разных версий «лишние» контакты не будут задействованы, обеспечивая нормальную работу соединения версии 2.0.
• Все гнёзда и штекеры между USB 3.0 Тип A и USB 2.0 Тип A рассчитаны на совместную работу.
• Размер гнезда USB 3.0 Тип B несколько больше, чем это могло бы потребоваться для штекера USB 2.0 Тип B и более ранних. При этом предусмотрено подключение в эти гнёзда и такого типа штекеров. Соответственно, для подключения к компьютеру периферийного устройства с разъёмом USB 3.0 Тип B можно использовать кабели обоих типов, но для устройства с разъёмом USB 2.0 Тип B — только кабель USB 2.0.
• Гнёзда , обозначенные как eSATA/USB Combo, то есть имеющие возможность подключения к ним штекера USB, имеют возможность подключения штекеров USB Тип A: USB 2.0 и USB 3.0, но в скоростном режиме USB 2.0.
• Штекер eSATA ни в какую версию простого гнезда USB войти не может.
• Штекер eSATA может подключаться к гнезду eSATA/USB Combo.

Изображения разъёмов USB 3.0

	Обычный	Mini	Micro
Тип A
Тип B
Тип C

Расположение выводов соединителей USB 3.0 типа A

№ контакта	A	B	micro B
1	VBUS (VCC)	VBUS (VCC)	VBUS (VCC)
2	D−	D−	D−
3	D+	D+	D+
4	GND	GND	ID
5	StdA_SSTX−	StdA_SSTX−	GND
6	StdA_SSTX+	StdA_SSTX+	StdA_SSTX−
7	GND_DRAIN	GND_DRAIN	StdA_SSTX+
8	StdA_SSRX−	StdA_SSRX−	GND_DRAIN
9	StdA_SSRX+	StdA_SSRX+	StdA_SSRX−
10			StdA_SSRX+
Экран	Экран	Экран	Экран

Также существуют разъёмы USB 3.0 Micro ещё двух типов: вилка USB 3.0 Micro-A и розетка USB 3.0 Micro-AB. Визуально отличаются от USB 3.0 Micro-B «прямоугольной» (не срезанной) частью разъёма с секцией USB 2.0, что позволяет избежать подключения вилки Micro-A в розетку Micro-B, а розетку Micro-AB делает совместимой с обеими вилками.

Розетка Micro-AB будет применяться в мобильных устройствах, имеющих бортовой USB 3.0 host контроллер. Для идентификации режима хост/клиент используется вывод 4 (ID) — в вилке Micro-A он замкнут на «землю».

Расположение выводов соединителей USB 3.0 Powered-B

Разъём USB 3.0 Powered-B спроектирован с использованием двух дополнительных контактов, что позволяет устройствам предоставлять до 1000 мА другому устройству, например адаптеру Wireless USB. Это позволяет избежать необходимости в источнике питания для устройства, подключаемого к Wireless USB адаптеру, делая ещё один шаг к идеальной системе беспроводной связи (без отдельного питания). При обычных проводных подключениях к хосту или хабу эти два дополнительных контакта не используются.

1	VBUS	+5V Питание
2	USB D−	USB 2.0 данные
3	USB D+
4	GND	Земля
8	StdA_SSRX−	SuperSpeed-приём
9	StdA_SSRX+	SuperSpeed-приём
7	GND_DRAIN	Земля
5	StdA_SSTX−	SuperSpeed-передача
6	StdA_SSTX+	SuperSpeed-передача
10	DPWR	Дополнительное питание на устройство
11	GND_D	Земля питания устройства

USB Type-C

Назначение контактов USB Type-C разъёма — гнезда и штекера

Контакт	Название	Описание	Контакт	Название	Описание
A1	GND	Земля	B12	GND	Земля
A2	TX1+	SuperSpeed дифференциальная пара #1 , передача+	B11	RX1+	SuperSpeed дифференциальная пара #2 , прием+
A3	TX1-	SuperSpeed дифференциальная пара #1 , передача-	B10	RX1-	SuperSpeed дифференциальная пара #2 , прием-
A4	V BUS	Плюс питания	B9	V BUS	Плюс питания
A5	CC1	Конфигурирующий канал (или согласующий)	B8	SBU2	Дополнительный канал (Sideband)
A6	D+	High-Speed дифференциальная пара , положение 1, данные+	B7	D-	High-Speed дифференциальная пара , положение 2 , данные-
A7	D-	High-Speed дифференциальная пара , положение 1, данные-	B6	D+	High-Speed дифференциальная пара , положение 2 , данные+
A8	SBU1	Дополнительный канал (Sideband)	B5	CC2	Конфигурационный канал
A9	V BUS	Плюс питания	B4	V BUS	Плюс питания
A10	RX2-	SuperSpeed дифференциальная пара #4 , прием-	B3	TX2-	SuperSpeed дифференциальная пара #3 , передача-
A11	RX2+	SuperSpeed дифференциальная пара #4 , прием+	B2	TX2+	SuperSpeed дифференциальная пара #3 , передача+
A12	GND	Земля	B1	GND	Земля
↑ Экранированная дифференциальная пара, может использоваться для реализации USB SuperSpeed (3.0), SuperSpeed+ (3.1), SuperSpeed++ (3.2) — до 20 Гбит/с ↑ Неэкранированная дифференциальная пара, может использоваться для реализации USB Low-Speed (1.0), Full-Speed (1.1), High-Speed (2.0) — до 480 Мбит/с ↑ В штекере дифференциальная пара подключается только в одном положении, во 2-ом положении контакты отсутствуют.

Назначение проводников в кабеле USB 3.1 Type-C

Разъём № 1 кабеля Type-C		Кабель Type-C			Разъём № 2 кабеля Type-C
Контакт	Название	Цвет оболочки проводника	Название	Описание	Контакт	Название
Оплётка	Экран	Оплётка кабеля	Экран	Внешняя оплётка кабеля	Оплётка	Экран
A1, B1, A12, B12	GND	Луженый	GND_PWRrt1 GND_PWRrt2	Общая земля	A1, B1, A12, B12	GND
A4, B4, A9, B9	V BUS	Красный	PWR_V BUS 1 PWR_V BUS 2	V BUS питание	A4, B4, A9, B9	V BUS
B5	V CONN	Жёлтый	PWR_V CONN	V CONN питание	B5	V CONN
A5	CC	Синий	CC	Канал конфигурирования	A5	CC
A6	Dp1	Белый	UTP_Dp	Неэкранированная дифференциальная пара , positive	A6	Dp1
A7	Dn1	Зелёный	UTP_Dn	Неэкранированная дифференциальная пара, negative	A7	Dn1
A8	SBU1	Красный	SBU_A	Полоса передачи данных A	B8	SBU2
B8	SBU2	Чёрный	SBU_B	Полоса передачи данных B	A8	SBU1
A2	SSTXp1	Жёлтый *	SDPp1	Экранированная дифференциальная пара #1, positive	B11	SSRXp1
A3	SSTXn1	Коричневый *	SDPn1	Экранированная дифференциальная пара #1, negative	B10	SSRXn1
B11	SSRXp1	Зелёный *	SDPp2	Экранированная дифференциальная пара #2, positive	A2	SSTXp1
B10	SSRXn1	Оранжевый *	SDPn2	Экранированная дифференциальная пара #2, negative	A3	SSTXn1
B2	SSTXp2	Белый *	SDPp3	Экранированная дифференциальная пара #3, positive	A11	SSRXp2
B3	SSTXn2	Чёрный *	SDPn3	Экранированная дифференциальная пара #3, negative	A10	SSRXn2
A11	SSRXp2	Красный *	SDPp4	Экранированная дифференциальная пара #4, positive	B2	SSTXp2
A10	SSRXn2	Синий *	SDPn4	Экранированная дифференциальная пара #4, negative	B3	SSTXn2
* Цвета для оболочки проводников не установлены стандартом.

«В ближайшем будущем интерфейс USB Type-C станет действительно универсальным. Версия 2.1 предусматривает электропитание через порт мощностью до 240 Вт. Это позволит использовать его для снабжения электроэнергией мониторов с разрешением 4К, принтеров и даже энергоёмких игровых ноутбуков.»

Оптические кабели USB 3.0

В 2013 году некоторыми компаниями были представлены оптические (оптоволоконные) кабели USB 3.0 и Thunderbolt, по которым сигнал USB может передаваться на расстояние до 100 метров против 3-5 метров (как правило) для стандартных «проводных» кабелей. Тонкие и гибкие кабели позволяют передавать данные на скоростях до 1 ГБ/с, но не обеспечивают передачу электропитания.

В начале пути сигнал из обычного электрического сигнала USB преобразуется в оптические сигналы. В конце пути сигнал подвергается обратному преобразованию.

Метод связи

Спецификация USB предлагает разработчику несколько вариантов устройств в зависимости от требуемой скорости обмена данными. Это Low Speed (физическая скорость 1,5 Мбит/с ± 1,5 %), Full Speed (12 Мбит/с ± 0,25 %), High Speed (480 Мбит/с ± 0,05 %), SuperSpeed (5 Гбит/с ± 0,06 %), SuperSpeed+ (10 Гбит/с). Low-, Full- и High-Speed-устройства используют одну дифференциальную полудуплексную линию связи для обмена данными, SuperSpeed — несколько. Протоколы обмена идентичны.

USB представляет собой сеть с одним мастером (хостом) и произвольным количеством подчинённых устройств (device). Топология сети — активное дерево . «Активное» означает, что в каждом узле дерева находится специальное устройство — концентратор (хаб). Хаб занимается электрическим согласованием кабелей, маршрутизацией пакетов, обнаружением подключения/отключения устройств и другими функциями. Все соединения в сети электрически и протокольно идентичны.

USB позволяет выполнять «горячее» подключение и отключение отдельных устройств или сегментов сети. «Горячее» означает, что работа сети при этом не нарушается, а мастер способен определять факт изменения конфигурации сети автоматически, в реальном времени. Поскольку вся сеть получает электропитание от мастера, то поддерживается возможность автоматического контроля энергоснабжения сети: устройство сообщает мастеру о своих потребностях, а мастер может запретить работу устройства, если энергетические возможности сети могут быть превышены.

Физический уровень

Когда к хосту никто не подключён, обе сигнальные линии D+ и D− подтянуты резисторами 15 кОм к минусу питания. При подключении устройства одна из линий подтягивается к +3,3 В через резистор 1,5 кОм. Устройства Low Speed подтягивают линию D−, а устройства Full Speed — D+. Таким образом хост определяет факт подключения и тип подключённого устройства. Устройства High Speed в момент подключения работают как Full Speed, переключаясь в высокоскоростной режим после обмена визитками.

Состояние дифпары , определённое резисторами подтяжки, в спецификации именуется Idle. То же состояние при включённом драйвере обозначается буквой J. Противоположное ему состояние — буквой K. Замыкание обеих линий на минус именуется Single Ended 0, сокращенно SE0; замыкание на плюс — SE1.

Данные кодируются по методу NRZI (Non-return-to-zero inverted). По этому методу каждому нулевому биту входных данных соответствует изменение состояния дифпары (J→K или K→J), а при единице изменения нет. Чтобы исключить потерю синхронизации на длительных единичных последовательностях, применяют битстаффинг , то есть принудительно вставляют в поток данных ноль на каждые 6 единиц подряд.

Состояние шины SE0 дольше 10 мс трактуется устройством как сброс (Reset) и требует от устройства реинициализации USB-стека. Состояние Idle дольше 3 мс подряд трактуется устройством как останов шины (Suspend) и формально требует от устройства самоограничения в потреблении электроэнергии от шины USB. Выход из Suspend происходит либо по возобновлению активности хоста, либо устройство может при необходимости подать специальный сигнал Resume. Сигнал Resume состоит из состояния K на несколько миллисекунд, завершаемое последовательностью SE0, SE0, J, где каждое состояние длится один битовый интервал согласно скоростному режиму устройства.

Структура пакетов

Обмен происходит короткими пакетами. Каждый пакет начинается с последовательности Start of Packet, для Low и Full Speed это KJKJKJKK. Далее всегда идёт специальный идентификатор пакета PID ( англ. Packet IDentifier), указывающий на тип пакета. Всего имеется 16 разных типов пакетов, поэтому PID имеет размерность 4 бита. Однако для надёжности значение этого поля дублируется в инверсном виде, поэтому длина поля PID в пакете 8 бит. Заканчивается пакет последовательностью End of Packet: SE0, SE0, J. Минимальный межпакетный интервал ~0,1 мкс (для Full Speed).

В зависимости от типа пакета, между PID и EoP может содержаться ряд других полей с параметрами пакета и/или данными. Все эти поля (включая PID) передаются младшим битом вперёд (LSB first).

Типы пакетов USB представлены в таблице:

Тип	Значение PID (старшим битом вперед)	Передаваемый байт (младшим битом вперед)	Имя	Описание
Зарезервировано	0000	0000 1111
Token	0001	1000 0111	OUT	Хост уведомляет устройство, что следующий пакет будет содержать данные от хоста к устройству
	1001	1001 0110	IN	Хост уведомляет устройство, что готов принять от устройства пакет с данными
	0101	1010 0101	SOF	Пакет, отмечающий начало временно́го фрейма или микрофрейма.
	1101	1011 0100	SETUP	Хост уведомляет устройство, что следующий пакет будет содержать конфигурационные данные от хоста к устройству
	1000	0001 1110	SPLIT	USB High Speed разделённая передача
	0100	0010 1101	PING	Проверка возможности приёма данных устройством (USB High Speed)
Special	1100	0011 1100	PRE	Уведомление хабу, что следующая транзакция будет осуществляться в режиме Low Speed
Handshake			ERR	Ошибка разделённой передачи (USB High Speed)
	0010	0100 1011	ACK	Подтверждение приёма пакета с данными
	1010	0101 1010	NACK	Неготовность обслужить предыдущий пакет, пакет игнорируется
	0110	0110 1001	NYET	Данные ещё не готовы (USB High Speed)
	1110	0111 1000	STALL	Предыдущий пакет обратился к несуществующему или выключенному функционалу
Data	0011	1100 0011	DATA0	Чётный пакет с данными
	1011	1101 0010	DATA1	Нечётный пакет с данными
	0111	1110 0001	DATA2	Пакет данных для высокоскоростной изохронной передачи (USB High Speed)
	1111	1111 0000	MDATA	Пакет данных для высокоскоростной изохронной передачи (USB High Speed)

Пакеты типа IN, OUT, SETUP являются заголовками многопакетной транзакции с обменом данными. Они содержат поля адреса устройства и номера конечной точки (Endpoint) в устройстве, с которым будет обмен данными в этой транзакции. Целостность пакетов удостоверяет поле CRC5.

Пакеты типа DATA содержат поле данных и поле контроля целостности данных CRC 16. Стандарт ограничивает максимальную разрешённую длину данных: 8 байт для несконфигурированных устройств, 64 байта для устройств Low Speed, 1023 байта для устройств Full Speed и 1024 байта для устройств High Speed. Устройство может установить свою максимальную длину данных, меньшую разрешённой. Хост обязан поддерживать максимальную разрешённую длину данных. При обычном обмене пакеты с данными чередуются как «чётный-нечётный».

Пакеты типа ACK, NACK, STALL завершают транзакцию, сообщая о (не)успешности текущей транзакции. Не содержат дополнительные поля.

Адрес

USB является сетью, то есть к одному хосту может подключаться несколько устройств. Каждому устройству в процессе начального конфигурирования в момент подключения назначается уникальный адрес. Размерность адреса 7 бит, нулевое значение зарезервировано — соответственно, к одному хосту может подключаться до 127 устройств. Поле адреса содержат только те пакеты, что начинают транзакцию (IN, OUT, SETUP).

Endpoint

Помимо адресации физически подключённых устройств, USB предлагает логическую адресацию внутри устройства. Логическая адресация позволяет разделить потоки данных по разному функционалу внутри одного устройства. Например, клавиатура с тачпадом может иметь один канал данных для нажатий клавиш, а другой — для данных тачпада. В стеке TCP/IP имеется прямая аналогия конечной точки — порты.

Поле «endpoint» имеет размерность 4 бита, то есть возможны до 16 точек. Каждая точка может независимо работать как приёмная и как передающая, поэтому иногда их насчитывают 32. Поле «endpoint» является частью адресации в сети USB и содержится только в тех же пакетах, где есть адрес (IN, OUT, SETUP). В момент подключения в рамках начального конфигурирования устройство обязано передать хосту информацию о задействованных точках и их назначении. Эта информация должна согласовываться с соответствующими каналами данных программного драйвера устройства у хоста. Обращение к незадействованной точке вызывает ответ STALL. Пакеты SETUP могут приходить только на нулевой endpoint.

Временны́е фреймы

Спецификация USB содержит понятия временны́х фреймов и микрофреймов. Для Low Speed устройств каждую миллисекунду хост передаёт сигнал Keep Alive, состоящий из последовательности End of Packet. Для Full Speed устройств каждую миллисекунду хост передаёт специальный пакет SOF (Start of Frame), отмечающий начало очередного фрейма. Для High Speed этот пакет передаётся каждые 125 мкс; такой период называется микрофрейм. Спецификация USB требует, чтобы поддерживалось такое планирование транзакций и пакетов, чтобы периодичность рассылки SOF не нарушалась.

Принципы обмена данными

Обмен данными происходит так называемыми транзакциями — неразрывными последовательностями из нескольких пакетов. Инициатором обмена всегда является хост. Он передаёт короткий пакет (token), уведомляющий о начале новой транзакции. В этом пакете-токене хост указывает направление транзакции (IN или OUT), адрес устройства и номер endpoint. Например, токен OUT означает, что немедленно за токеном последует пакет с данными от хоста к устройству (DATA0 или DATA1). Пакетов с данными может быть несколько в одной транзакции, если каждый из них имеет максимально допустимую для этого устройства длину данных. Окончание пересылки данных определяется по длине пакета, не равной максимальной. Как только приходит укороченный пакет, устройство немедленно передаёт ответный пакет-подтверждение (handshake), например ACK (всё успешно принято), NACK (не смог принять: например, переполнен входной буфер), STALL (данные адресованы отключённому endpoint). Все пакеты в транзакции передаются практически слитно, максимальная пауза между пакетами не должна превышать ~1 мкс (для Full Speed), иначе транзакция будет признана ошибочной.

Аналогично происходит передача данных от устройства к хосту. Хост инициирует передачу токеном IN. Если устройство не имеет готовых данных для передачи, то отвечает NACK и транзакция заканчивается. Если данные готовы, устройство начинает передавать пакеты DATA0/DATA1. Принцип окончания передачи аналогичен: неполная длина пакета с данными. Получив неполный пакет, хост отвечает устройству пакетом-подтверждением ACK.

Транзакция с токеном SETUP полностью аналогична транзакции OUT, отличия лишь в логике восприятия данных устройством: это параметры соединения, которые управляют работой USB стека устройства.

Control, Interrupt, Bulk, Isochronous

Спецификация USB предоставляет несколько методов обмена данными. Каждому включённому endpoint должен быть сопоставлен какой-либо из методов. Control, Interrupt и Bulk используют протокол обмена с подтверждениями, описанный чуть выше. Метод bulk позволяет хосту свободно обмениваться данными с устройством по своему усмотрению. Метод control аналогичен bulk, но обменивается с устройством только специальными данными, управляющими работой USB-протокола в соответствии со спецификацией (в рамках транзакций типа SETUP). Поскольку периферийные устройства не могут инициировать обмен, то для передачи внезапно возникающих у устройства данных придумали метод interrupt, который позволяет опрашивать устройство с заданным периодом. Метод interrupt широко применяется для опроса клавиатур и мышек. Особняком стоит метод isochronous, позволяющий зарезервировать часть полосы пропускания USB-шины для таких данных, как аудио или видео. Isochronous не поддерживает контроля целостности передачи (пакеты ACK и NACK не передаются), а значит, не предусмотрены повторы в случае ошибок: неверно принятые данные пропадают.

Инициализация устройств

В момент подключения хост запрашивает у устройства ряд стандартизованных сведений (дескрипторов), на основании которых принимает решение, как с этим устройством работать. Дескрипторы содержат сведения о производителе и типе устройства, на основании которых хост подбирает программный драйвер. Таблицы дескрипторов и назначение полей подробно описаны в главе 9 спецификации USB.

После этого хост производит смену скорости (если устройство High Speed) и назначает устройству адрес.

Отладка и сертификация

Для отладки протоколов и контроля соответствия стандарту разработчиками устройств могут использоваться различные инструменты, позволяющие наблюдать процессы обмена на шине . Эти инструменты могут быть чисто программными, извлекающими события шины из драйверов USB компьютера. Однако такие инструменты не показывают аппаратно обрабатываемые либо ошибочные сигналы в шине. Для всеобъемлющего независимого контроля используются специализированные аппаратные сканеры и анализаторы протоколов. Использование аппаратного анализатора рекомендуется USB консорциумом для прохождения сертификации и при подготовке выпуска приборов в серийное производство.

Формально для получения права на размещение логотипов USB на продукции необходима её сертификация на соответствие стандарту. Организация USB-IF предлагает услуги по сертификации USB-устройств, а также поддерживает перечень сторонних сертифицирующих лабораторий .

Plug and Play

Разработчики спецификации USB уделили внимание вопросу автоматического определения функциональности USB устройств, чтобы избавить пользователя от рутинных действий при подключении USB устройств. Для этого в стандарте предусмотрено два механизма:

• Устройство сообщает хосту свои атрибуты, куда входит идентификатор разработчика устройства (VID) и идентификатор изделия (PID). На основании этих идентификаторов хост (компьютер) ищет методы работы с этим устройством (обычно это выражается в требовании установить драйверы, поставляемые разработчиком устройства).
• Устройство сообщает хосту идентификатор стандартизованного класса устройств. В рамках концепции USB разработан ряд спецификаций стандартных классов устройств, в рамках которых унифицирована работа с устройствами определённой функциональности. Например, широко известны устройства класса Human Interface Device, HID (это мышки, клавиатуры, игровые манипуляторы и т. п.) и устройства Mass Storage («флешки», дисководы). Для популярных классов устройств в компьютерах имеются готовые драйверы, поэтому подключение таких устройств происходит незаметно для пользователя.

Помимо стандартных решений USB, некоторые компании и энтузиасты предлагают иные решения. Например, в среде Windows популярны предустановленные драйверы WinUSB с доступным стороннему разработчику API .

Стандартные классы устройств

Назначение USB-устройств может определяться кодами классов, которые сообщаются USB-хосту для загрузки необходимых драйверов. Коды классов позволяют унифицировать работу с однотипными устройствами разных производителей. Устройство может поддерживать один или несколько классов, максимальное количество которых определяется количеством доступных endpoints.

Описание кодов классов :

Код	Название	Примеры использования/примечание
00 h	N/A	Не задано
01h	Audio	Звуковая карта , MIDI
02h	Communication Device (CDC)	Модем , сетевая карта , COM-порт
03h	Human Interface Device (HID)	Клавиатура , мышь , джойстик
05h	Physical Interface Device (PID)	Джойстик с поддержкой Force feedback
06h	Image	Веб-камера , сканер
07h	Printer	Принтер
08h	Mass Storage Device (MSD)	USB-накопитель , карта памяти , кардридер , цифровая фотокамера
09h	USB hub	(англ.) (
0Ah	CDC Data	Используется совместно с классом CDC
0Bh	Smart Card Reader (CCID)	Считыватель смарт-карт
0Dh	Content security	Биометрический сканер
0Eh	Video Device Class	Веб-камера
0Fh	Personal Healthcare	Индикатор пульса, медицинское оборудование
DCh	Diagnostic Device	Используется для проверки совместимости с USB
E0h	Wireless Controller	Bluetooth -адаптер
EFh	Miscellaneous	ActiveSync -устройства
FEh	Application-specific	IrDA -устройства, режим обновления прошивки (DFU)
FFh	Vendor-specific	На усмотрение производителя

Электропитание

В стандарте USB предусмотрена возможность снабжения подключённых устройств небольшой электрической мощностью. Первоначально стандарт USB 2.0 допускал максимальный потребляемый устройством ток до 0,5 А при напряжении 5 В. USB 3.0 увеличил максимальный ток до 0,9 А при том же напряжении. Эти стандарты позволяют хосту контролировать потребление подключённых к шине устройств. Для этого в момент подключения и инициализации устройство сообщает хосту свои энергетические потребности. Хост оценивает энергетические возможности этого сегмента сети и разрешает или запрещает устройству работу.

В попытках стандартизировать запросы энергоемких устройств в 2007 году USB-IF принял спецификацию USB Battery Charging, которая в рамках кабельной инфраструктуры USB 2.0/3.0 позволяла увеличить потребляемый устройством ток до 5А . Позже была принята отдельная спецификация USB Power Delivery, которая предусматривает гораздо большую гибкость в управлении питанием.

Стандарты питания USB

Спецификация	Макс. ток	Макс. напряжение	Макс. мощность
USB 1.1/2.0	500 мА	5 В	2,5 Вт
USB 3.0	900 мА	5 В	4,5 Вт
USB 3.2 Gen x2	1,5 A	5 В	7,5 Вт
Battery Charging 1.2	1,5 A	5 В	7,5 Вт
Power Delivery 1.0/2.0/3.0	5 A	20 В	100 Вт
Power Delivery 3.1	5 A	48 В	240 Вт
↑ Для токов более 3 А нужны специальные кабели. Для напряжений свыше 20В нужны специальные кабели

USB Battery Charging

Первая попытка стандартизировать повышенное потребление мобильных устройств и источников питания с выходным разъёмом USB привела к появлению спецификации USB Battery Charging . Первая версия вышла в 2007 году. Актуальная версия USB BC 1.2 опубликована в 2010 году.

Спецификация разрешала существование специально обозначенных ^{[ как? ]} разъёмов USB-A с повышенной отдачей по току (до 1,5 А). Протокол начального конфигурирования USB дополнялся возможностью «договориться» о расширенном потреблении. Конечное устройство могло увеличить потребление только после «договорённости» с хостом.

Также разрешались разъёмы USB-A с не подключёнными линиями данных, например на зарядных устройствах. Такие зарядные устройства определялись мобильным устройством по замкнутым между собой контактам D+ и D−. Таким устройствам разрешалось отдавать ток до 5 А.

Для малогабаритных потребителей электроэнергии спецификация рекомендовала разъём MicroUSB-B.

USB Power Delivery

В новом стандарте USB Power Delivery концепция электропитания была значительно переработана . Теперь разработчики как хоста, так и устройства получили возможность гибко управлять питанием через шину USB. Решение о том, кто является источником, кто потребителем, о возможностях источника и кабеля принимаются в ходе диалога между устройствами по отдельному каналу связи. Предусматривается возможность, что в процессе диалога устройство может потребовать, а хост согласиться на повышение напряжения питания с целью передачи по USB-кабелю большей мощности. Повышенное напряжение выдаётся хостом на провод питания Vbus. Для совместимости со старыми устройствами хост возвращает напряжение к старым значениям 5 вольт, как только обнаруживает отсоединение устройства.

Технология USB Power Delivery обеспечивает передачу мощности до 100 Вт. Благодаря этому при помощи обычного USB-кабеля появилась возможность заряжать и подключать все электронные устройства от источника заряда, которым может выступить смартфон, ноутбук или внешний аккумулятор .

USB PD Rev.1

В 2012 году представлена первая ревизия USB PD. Использовались стандартные разъёмы и кабели стандартов USB 2.0 и 3.0. Управление питанием осуществлялось путём диалога между потребителем и источником по независимому каналу связи, организованному по проводу питания стандартного кабеля USB (V _bus ). Использовалась частотная модуляция с несущей 24 МГц.

Стандарт позволял повышать напряжение на контакте питания USB (Vbus) до 12 В или 20 В при максимальном токе до 5А.

USB PD 2.0

Вторая ревизия стандарта вышла в 2014 году вместе со спецификацией USB 3.1 и привязана к новому разъёму USB Type-C. Теперь для выделенного канала связи между источником мощности и потребителем используется отдельный провод в кабеле (Configuration Сhannel). Также поддерживается определение типа кабеля и его возможностей по передаче мощности, для чего в кабелях с увеличенным максимальным током должна устанавливаться микросхема, сообщающая о параметрах кабеля.

Стандарт позволял повышать напряжение на контакте питания USB (Vbus) до 9, 15 или 20 В при максимальном токе до 5А. Для токов свыше 3А требуется использование специальных кабелей с идентификационной микросхемой.

USB PD 3.0

В 2019 году вышла ревизия USB PD 3.0. Его существенное отличие от USB PD 2.0 — режим Programmable Power Supply, когда потребитель запрашивает не фиксированное напряжение из ряда 5, 9, 15 или 20 В, а может регулировать напряжение в диапазоне 3,3…21В с шагом 20мВ. Также потребитель может запросить у источника увеличение тока с шагом в 50 мА.

USB PD 3.1

Весной 2021 года вышла ревизия USB PD 3.1. Существенное отличие — разделение режимов на Standard Power Range (совместимо с USB PD 3.0) и Extended Power Range, в котором возможны напряжения 28, 36 и 48В. Режим Programmable Power Supply сохранен только для Standard Power Range и не поддерживается в Extended Power Range. Для получения высокого регулируемого напряжения введен режим Adjustable Voltage Supply, позволяющий установить напряжение от 15 до 48В с шагом 100 мВ.

Таким образом, максимальная передаваемая мощность достигла 240Вт. Для токов свыше 3А и напряжений свыше 20В требуется использование специальных кабелей с идентификационной микросхемой. Для маркировки кабелей высокой мощности разработаны специальные логотипы.

Нестандартные решения

Питание мобильных гаджетов

Существует множество устройств, потребляющих ток сверх возможностей согласно спецификации USB.

При этом требуемый устройством ток заряда может быть гораздо выше, чем разрешает отдавать стандарт USB. Чтобы обойти это ограничение, многие производители телефонов выработали свои правила определения специального блока питания — зарядного устройства . Теперь при подключении к оригинальному зарядному устройству телефон получает возможность заряжаться максимально быстро. В то же время при подключении к стандартному USB-хосту телефон выполняет рекомендации стандарта USB, заряжаясь пониженным током или не заряжаясь вовсе.

Например, устройства компании Apple определяют максимальный отдаваемый зарядным устройством ток по напряжению на контактах D− и D+. Если D+ = D− = 2,0 В, то макс. ток — 0,5 А. Если D+ = 2,0 В и D− = 2,8 V, то макс. ток — 1 А. Если D+ = 2,8 В и D− = 2,0 В, то макс. ток — 2 А .

В 2007 году USB-IF принимает спецификацию USB Battery Charging, чем запускает процесс стандартизации электропитания мобильных устройств. В 2007—2010 годах принимается ряд национальных и международных нормативов (например, (англ.) (, GSM Universal Charging Solution, китайский «Technical Requirements and Test Method of Charger and Interface for Mobile Telecommunication Terminal Equipment» ), согласно которым зарядные устройства мобильных гаджетов должны оснащаться однотипными разъёмами: розетка USB-A на корпусе зарядного устройства и Micro-USB-B на самом гаджете. Идентификация зарядного устройства происходит по замкнутым контактам D+ и D−.

Qualcomm Quick Charge

Определённую популярность приобрели технологии компании Qualcomm , похожие на стандарт USB Power Delivery, но более простые в реализации. Было выпущено четыре совместимых друг с другом версии спецификации :

Версия Qualcomm Quick Charge 1.0 (2013) предусматривала питание 5 В 2 А и мало отличалась от других нестандартных решений. Распространения не получила.

Версия Qualcomm Quick Charge 2.0 (2015), как и USB Power Delivery, предусматривала возможность повышения напряжения питания до 9, 12 или 20 В после согласования между зарядным устройством и гаджетом. Но в отличие от USB Power Delivery метод договора был гораздо проще и позволял использовать существующие кабели и разъёмы USB 2.0/3.0. По состоянию линий D+/D− гаджет определяет, что подключён к зарядному устройству, после чего выставляет на линии D+/D− определённое напряжение в соответствии с желаемым напряжением питания.

Версия Qualcomm Quick Charge 3.0 (2016) дополняет QC 2.0 возможностью плавной регулировки выходного напряжения в диапазоне 3,6—20 В по запросу гаджета.

Согласно спецификации USB некоторые кабели с разъёмами Type C могут содержать микросхему, идентифицирующую параметры кабеля. Поскольку эта микросхема питается от линий питания кабеля то повышение напряжения на них может оказаться фатальным как для кабеля, так и для подключенного оборудования. В связи с этим применение Quick Charge 2.0 и 3.0 на кабелях с разъёмами Type C оказалось рискованным. В 2015 году USB-IF опубликовал методику тестирования кабельной инфраструктуры с разъёмами Type C, где прямо запретил управление напряжением на линии питания нестандартными методами. Теперь зарядные устройства Quick Charge 2.0 и 3.0 с разъёмом USB Type C не смогут получить сертификат соответствия . Корпорация Google выпустила рекомендацию не поддерживать QC 2.0 и 3.0 в Android-устройствах . Проблема решена в спецификации Quick Charge 4.

Версия Qualcomm Quick Charge 4 представлена в ноябре 2016 года. Заявлена совместимость с кабелями с разъёмами Type C . Версия Qualcomm Quick Charge 4+ представлена летом 2017 года.

PoweredUSB

В 1999 году группа производителей торгового оборудования приняла корпоративный стандарт, по которому разъём USB оснащался дополнительными контактами с напряжениями 5 В, 12 В или 24 В и током до 6 А. Это решение не было поддержано USB-IF.

Критика

• Разъёмы mini- и особенно Micro-USB, вследствие конструктивных просчётов производителя, зачастую со временем разбалтываются, начинают терять контакт и не имеют достаточно надёжного крепления к печатной плате , из-за чего при интенсивной эксплуатации могут быть полностью или частично повреждены. В некоторых случаях гнёзда отрываются, что может привести к необходимости замены платы или даже приобретения нового устройства в связи с невозможностью нормального восстановления оторванных печатных дорожек.
• Протокол требует от конечного устройства поддержания достаточно сложного алгоритма как для непосредственно обмена по шине, так и для поддержания сопутствующих функций типа инициализации или ответов на служебные сообщения. Ввиду своей сложности и разнообразности устройства зачастую аппаратно выполняют лишь базовые уровни протокола, оставляя верхние на откуп программному коду. Это приводит к заметным непроизводительным затратам программной памяти и времени, а также содержит угрозу ошибок и попыток избыточно упростить программный код в ущерб соответствию стандарту.
• Код производителя (VID) выдаётся разработчику устройства лишь после бюрократической процедуры и оплаты порядка 5000 $. Дополнительно организация разработчиков стандарта USB-IF негативно относится к перепродаже владельцами кодов производителя кодов устройств (PID) . Всё это ограничивает доступность шины для мелких производителей и независимых разработчиков. Свободно доступных кодов для устройств, реализующих стандартные функциональности (например, порт обмена, устройство памяти или аудиоустройство), создатели стандарта не предоставляют.
• Список классов и подклассов устройств частями непоследователен, чрезмерно раздут, подклассы одного уровня зачастую неравноценны и содержат устаревшую функциональность. Как результат, поддержка определённого стандартного класса зачастую требует избыточного кода, не нужного для непосредственного функционирования, как со стороны устройства, так и хоста (компьютера). То же относится и к типам передаваемых пакетов, часть из которых имеет скорее историческое значение.
• Несмотря на заявленную универсальность, многие устройства, даже принадлежащие стандартным классам, большей частью требуют программной поддержки и отдельных драйверов на хосте. Так, современная операционная система Windows при подключении внешнего COM-порта или GPS-навигатора (которые относятся к одному стандартному классу коммуникационных устройств) требует для каждого из устройств отдельного драйвера. Это налагает на производителей отдельные обязанности по созданию и, возможно, подписыванию драйверов и содержит риск неработоспособности устройства на операционной системе другой версии.
• По сравнению с другими форматами передачи данных формат USB 1.0 имеет большие латентности (задержки) передачи информации. В формате USB 2.0 High Speed создатели предприняли попытку для уменьшения проблем латентности, но этот формат сам по себе требует наличия высокоскоростного приёмопередатчика и высокочастотного кабеля сопряжения, что во многих случаях является избыточным и дорогостоящим.
• Универсальность мешает работе с тайной, управлению критичными процессами: один и тот же порт годится и для клавиатуры, и для носителя данных.

Недостатки USB 2.0

• Хотя теоретическая максимальная пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 МБ/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся (макс. 45 МБ/с , чаще до 30 МБ/с). Это объясняется тем, что шина USB является полудуплексной — для передачи данных в обе стороны используется всего одна витая пара, поэтому за один такт данные могут быть переданы только в одну сторону, и, соответственно, для двунаправленного обмена данными требуется два такта. Для сравнения, шина FireWire хоть и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что формально на 80 Мбит/с (10 МБ/с) меньше, чем у USB 2.0, но, будучи дуплексной (для передачи данных используется две витые пары — каждая в свою сторону, и для двунаправленного обмена данными требуется 1 такт), она позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно «упираются» в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0.

Преимущества USB 3.0

• Возможности передачи данных на скорости до 5 Гбит/с.
• Контроллер способен одновременно принимать и отправлять данные (полнодуплексный режим), что увеличило скорость работы.
• USB 3.0 обеспечивает бо́льшую силу тока, что упрощает подключение таких устройств, как, например, жёсткие диски.
• USB 3.0 совместим со старыми стандартами. Имеется возможность подключать старые устройства в новые порты. Устройства USB 3.0 можно подключать к порту USB 2.0 (в случае достаточности электропитания), но скорость работы устройства будет ограничена скоростью работы порта.

Уязвимость

В августе 2014 года была продемонстрирована реализация уязвимости устройств USB, получившей название BadUSB . Некоторые USB устройства позволяют изменять микропрограмму микросхемы, отвечающую за взаимодействие с компьютером. Злоумышленник, проведя реверс-инжиниринг конкретного устройства, может создать и записать в него вредоносный код. Этот вредоносный код может, например, имитируя клавиатуру, произвести необходимые действия за пользователя на заражаемом компьютере или, имитируя сетевое устройство, изменить сетевые настройки таким образом, что пользователь будет просматривать сайты Интернета через подконтрольные злоумышленнику промежуточные серверы ( Фарминг ). Кроме того, имитируя USB-флеш-накопитель , вредоносный код может загрузить и запустить на компьютере с включённым автозапуском вирусную программу. Такой вирус может скопировать себя и на другие устройства USB, подключённые в данный момент к компьютеру, заражая всё новые USB-устройства (веб-камеры, клавиатуры, флеш-карты и др.) .

Зловредное устройство USB Kill и подобные могут эксплуатировать другую уязвимость: сразу после подключения к питанию USB-устройство формирует серию высоковольтных импульсов на контакты данных, уничтожая ценные микросхемы внутри компьютера . Уязвимость возникает благодаря доступности гнёзд USB, а также из-за того, что на все порты USB подаётся питание вне зависимости от того, какое устройство в них подключают, и из-за слабой защиты от высокого напряжения в высокоскоростных контактах, подключённых к микросхемам и выведенных на корпус.

USB и FireWire/1394

Протокол USB Mass Storage, представляющий собой метод передачи команд SCSI по шине USB, имеет бо́льшие накладные расходы, чем соответствующий ему протокол SBP-2 шины FireWire/1394. Поэтому при подключении внешнего диска или привода CD/DVD по FireWire удаётся достичь большей скорости передачи данных. Кроме того, USB Mass Storage не поддерживался в старых ОС (включая Windows 98 ) и требовал установки драйвера. SBP-2 же в них поддерживался изначально. Также в старых ОС (Windows 2000) протокол USB storage был реализован в урезанном виде, не позволявшем использовать функцию записи CD - и DVD -дисков на подключённом по USB дисководе; SBP-2 никогда не имел таких ограничений.

Шина USB строго ориентирована, поэтому соединение двух компьютеров требует дополнительного оборудования. Соединение оборудования без компьютера, например, принтера и сканера или фотоаппарата и принтера, было определено стандартом ; ранее же эти реализации были завязаны на конкретного производителя. Шина 1394/FireWire изначально не подвержена этому недостатку (например, можно соединить две видеокамеры).

Факты

Велдер Салданья (Welder Saldanha), лидер одного из евангельских культов в Бразилии , запретили своим последователям пользоваться USB-устройствами и портами — он усмотрел в эмблеме USB символ Сатаны — трезубец, которым пытают души грешников в аду , и заявил, что все, кто использует USB, поклоняются Сатане .

См. также

• HDMI
• DisplayPort
• Thunderbolt

Примечания

Литература

• Универсальная последовательная шина USB // Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs / Скотт Мюллер. — 17-е изд. — М. : , 2007. — Гл. 15 : Последовательный, параллельный и другие интерфейсы ввода-вывода. — С. 1016—1026. — ISBN 0-7897-3404-4 .

Ссылки

• — официальный сайт USB
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• / Владимир Яшкардин // www.SoftElectro.ru. — 2011.