USB

Эта статья о стандарте компьютерной шины. Чтобы узнать о других значениях, см. USB (значения) .

USB
Универсальный последовательный автобус

Текущий разъем для USB, Thunderbolt и других протоколов USB-C (показаны вилка и розетка)
Тип	Автобус
История производства
Дизайнер	Компак Декабрь ИБМ Интел Майкрософт НЭК Нортел
Разработанный	январь 1996 г ( 1996-01 )
Произведено	С мая 1996 года
Заменено	Последовательный порт , параллельный порт , игровой порт , шина Apple Desktop Bus , порт PS/2 и FireWire (IEEE 1394)

Универсальная последовательная шина ( USB ) — это отраслевой стандарт , который обеспечивает обмен данными и передачу энергии между многими типами электроники. Он определяет его архитектуру, в частности его физический интерфейс , а также протоколы связи для передачи данных и подачи питания к хостам , таким как персональные компьютеры , и от них к периферийным устройствам , например дисплеям, клавиатурам и устройствам хранения данных, а также к и от них. промежуточные хабы , которые умножают количество портов хоста.

Изначально USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств к компьютерам, заменяя различные интерфейсы, такие как последовательные порты , параллельные порты , игровые порты и порты ADB . Предыдущие версии USB стали обычным явлением на широком спектре устройств, таких как клавиатуры, мыши, камеры, принтеры, сканеры, флэш-накопители, смартфоны, игровые консоли и блоки питания. Он превратился в стандарт, заменяющий практически все распространенные порты на компьютерах, мобильных устройствах, периферийных устройствах, источниках питания и множестве другой мелкой электроники.

В текущем стандарте разъем USB-C заменяет множество различных разъемов для питания (до 240 Вт), дисплеев (например, DisplayPort, HDMI) и многих других целей, а также все предыдущие разъемы USB.

По состоянию на 2024 год USB состоит из четырех поколений спецификаций: USB 1.x , USB 2.0 , USB 3.x и USB4 . USB4 расширяет возможности передачи данных и подачи питания за счет

... туннельная архитектура, ориентированная на соединение, предназначенная для объединения нескольких протоколов в одном физическом интерфейсе, чтобы можно было динамически распределять общую скорость и производительность USB4 Fabric.

USB4, в частности, поддерживает туннелирование протоколов Thunderbolt 3 , а именно PCI Express (PCIe, интерфейс загрузки/сохранения) и DisplayPort (интерфейс дисплея). USB4 также добавляет интерфейсы между хостами.

Каждая подверсия спецификации поддерживает разные скорости передачи сигналов от 1,5 и 12 Мбит/с в сумме в USB 1.0 до 80 Гбит/с (в каждом направлении) в USB4. USB также обеспечивает питание периферийных устройств; последние версии стандарта расширяют пределы подачи мощности для зарядки аккумуляторов и устройств, требующих мощность до 240 Вт ( USB Power Delivery (USB-PD) ). За прошедшие годы USB(-PD) стал стандартным форматом питания и зарядки для многих мобильных устройств, таких как мобильные телефоны, что уменьшило потребность в фирменных зарядных устройствах.

Обзор

USB был разработан для стандартизации подключения периферийных устройств к персональным компьютерам как для обмена данными, так и для подачи электроэнергии. Он в значительной степени заменил такие интерфейсы, как последовательные порты и параллельные порты , и стал обычным явлением для широкого спектра устройств. Примеры периферийных устройств, подключаемых через USB, включают компьютерные клавиатуры и мыши, видеокамеры, принтеры, портативные медиаплееры, мобильные (портативные) цифровые телефоны, дисководы и сетевые адаптеры.

USB-разъемы все чаще заменяют другие типы зарядных кабелей для портативных устройств.

Интерфейсы разъемов USB делятся на три типа: множество различных устаревших разъемов типа A (восходящий поток) и типа B (нисходящий поток), которые можно найти на хостах , концентраторах и периферийных устройствах ; и современный разъем Type-C ( USB-C ) (который с 2014 года начинает заменять все многие устаревшие разъемы и является единственным применимым разъемом для USB4).

Разъемы Type-A и Type-B выпускались в размерах Standard, Mini и Micro. Стандартный формат был самым большим и в основном использовался для настольных компьютеров и более крупного периферийного оборудования. Разъемы Mini-USB (Mini-A, Mini-B, Mini-AB) были представлены для мобильных устройств, но их быстро заменили более тонкие разъемы Micro-USB (Micro-A, Micro-B, Micro-AB). Разъем Type-C, также известный как USB-C , не является эксклюзивным для USB, является единственным действующим стандартом для USB, требуется для USB4, а также требуется для других стандартов, включая современные DisplayPort и Thunderbolt. Он двусторонний и может поддерживать различные функции и протоколы , включая USB; некоторые из них являются обязательными, многие — необязательными, в зависимости от типа оборудования: хост, периферийное устройство или концентратор.

Спецификации USB обеспечивают обратную совместимость, но это обычно приводит к снижению скорости передачи сигналов, максимальной предлагаемой мощности и других предоставляемых возможностей. Спецификация USB 1.1 заменяет USB 1.0. Спецификация USB 2.0 обратно совместима с USB 1.0/1.1. Спецификация USB 3.2 заменяет USB 3.1 (и USB 3.0), а также включает спецификацию USB 2.0. USB4 «функционально заменяет» USB 3.2, сохраняя при этом шину USB 2.0, работающую параллельно.

Спецификация USB 3.0 определила новую архитектуру и протокол под названием SuperSpeed ​​(также известный как SuperSpeed ​​USB , продаваемый как SS ), который включал новую линию для новой схемы кодирования сигнала (символы 8b/10b, 5 Гбит/с; позже также известный как Gen 1 ). обеспечивая полнодуплексную передачу данных, для которой физически требовалось пять дополнительных проводов и контактов, при этом сохраняя архитектуру и протоколы USB 2.0 и, следовательно, сохраняя исходные 4 контакта/провода для обратной совместимости USB 2.0, в результате чего получается 9 проводов (с 9 или 10 контактами на интерфейсы разъема; ID-пин не распаян) всего.

Спецификация USB 3.1 представила улучшенную систему SuperSpeed ​​— при сохранении SuperSpeed архитектуры и протокола ​​( SuperSpeed ​​USB ) — с дополнительной архитектурой и протоколом SuperSpeedPlus (также известной как SuperSpeedPlus USB ), добавляющей новую схему кодирования (символы 128b/132b, 10 Гбит/с; также известная как поколение 2 ); в течение некоторого периода времени продавался как SuperSpeed+ ( SS+ ).

Спецификация USB 3.2 добавлена ​​вторая полоса Помимо других усовершенствований, в Enhanced SuperSpeed ​​System , так что системная часть SuperSpeedPlus USB реализует режимы работы Gen 1x2 , Gen 2x1 и Gen 2x2 . Однако часть системы SuperSpeed ​​USB по-прежнему реализует однополосный режим работы Gen 1x1 . Таким образом, двухполосные операции, а именно USB 3.2 Gen 1x 2 (10 Гбит/с) и Gen 2x 2 (20 Гбит/с), возможны только с полнофункциональным USB-C. По состоянию на 2023 год они реализуются довольно редко; Intel, однако, начинает включать их в свои модели процессоров SoC 11-го поколения, но Apple их так и не предоставила. С другой стороны, USB 3.2 Gen 1(x1) (5 Гбит/с) и Gen 2(x1) (10 Гбит/с) довольно распространен в течение нескольких лет.

Краткий справочник по типам разъемов

Основная статья: USB-оборудование § Разъемы

Каждое USB-соединение осуществляется с помощью двух разъемов: розетки и вилки . На фотографиях показаны только розетки:

Доступные разъемы по стандарту USB

Стандартный		USB 1.0 1996	USB 1.1 1998	USB 2.0 2000	USB 2.0 Пересмотренный	USB 3.0 2008	USB 3.1 2013	USB 3.2 2017	USB4 2019	USB4 2.0 2022
Максимальная скорость	Текущее маркетинговое название	Базовая скорость		Высокоскоростной		USB 5 Гбит/с	USB 10 Гбит/с	USB 20 Гбит/с	USB 40 Гбит/с	USB 80 Гбит/с
	Оригинальная этикетка	Низкоскоростной и полноскоростной				СуперСпид или СС	СуперСпид+ или СС+	Суперскоростной USB 20 Гбит/с
	Режим работы					USB 3.2 поколения 1x1	USB 3.2 поколения 2x1	USB 3.2 поколения 2x2	USB4 поколения 3x2	USB4 поколения 4x2
	Скорость передачи сигналов	1,5 Мбит/с и 12 Мбит/с		480 Мбит/с		5 Гбит/с	10 Гбит/с	20 Гбит/с	40 Гбит/с	80 Гбит/с
Разъем	Стандарт-А								—
	Стандарт-Б
	Мини-А					—
	Мини АБ
	Мини-Б
	Микро-А								—
	Микро-АБ
	Микро-Б
	Тип-C (USB-C)				(Увеличено, чтобы показать детали)
Примечания:

Цели

Универсальная последовательная шина была разработана для упрощения и улучшения интерфейса между персональными компьютерами и периферийными устройствами, такими как сотовые телефоны, компьютерные аксессуары и мониторы, по сравнению с ранее существовавшими стандартными или специальными проприетарными интерфейсами.

С точки зрения пользователя компьютера интерфейс USB упрощает использование несколькими способами:

• Интерфейс USB является самоконфигурируемым, что избавляет пользователя от необходимости настраивать параметры устройства по скорости или формату данных, а также настраивать прерывания , адреса ввода/вывода или каналы прямого доступа к памяти.
• Разъемы USB стандартизированы на хосте, поэтому любое периферийное устройство может использовать большинство доступных разъемов.
• USB в полной мере использует дополнительную вычислительную мощность, которую можно экономично вложить в периферийные устройства, чтобы они могли управлять собой самостоятельно. Таким образом, USB-устройства часто не имеют настраиваемых пользователем настроек интерфейса.
• Интерфейс USB поддерживает горячую замену (замену устройств можно производить без выключения главного компьютера).
• Небольшие устройства могут питаться напрямую от интерфейса USB, что устраняет необходимость в дополнительных кабелях питания.
• Поскольку использование логотипа USB разрешено только после тестирования на соответствие , пользователь может быть уверен, что USB-устройство будет работать должным образом без необходимости тщательного вмешательства в настройки и конфигурацию.
• Интерфейс USB определяет протоколы восстановления после распространенных ошибок, повышая надежность по сравнению с предыдущими интерфейсами.
• Установка устройства, использующего стандарт USB, требует минимальных действий оператора. Когда пользователь подключает устройство к порту работающего компьютера, оно либо полностью автоматически настраивается с использованием существующих драйверов устройств , либо система предлагает пользователю найти драйвер, который затем автоматически устанавливается и настраивается.

Стандарт USB также предоставляет множество преимуществ производителям оборудования и разработчикам программного обеспечения, в частности, в относительной простоте реализации:

• Стандарт USB устраняет необходимость разработки собственных интерфейсов для новых периферийных устройств.
• Широкий диапазон скоростей передачи данных, доступный через интерфейс USB, подходит для различных устройств: от клавиатур и мышей до интерфейсов потокового видео.
• Интерфейс USB может быть спроектирован так, чтобы обеспечить минимальную задержку для критичных ко времени функций, или может быть настроен для фоновой передачи больших объемов данных с минимальным воздействием на системные ресурсы.
• Интерфейс USB является обобщенным, без сигнальных линий, предназначенных только для одной функции одного устройства.

Ограничения

Как и все стандарты, USB имеет множество ограничений в своей конструкции:

• Кабели USB ограничены по длине, поскольку стандарт предназначен для периферийных устройств на одном столе, а не между комнатами или зданиями. Однако порт USB можно подключить к шлюзу , обеспечивающему доступ к удаленным устройствам.
• Скорость передачи данных USB ниже, чем у других межсоединений, таких как 100 Gigabit Ethernet .
• USB имеет строгую древовидную топологию сети и протокол «главный/подчиненный» для адресации периферийных устройств; эти устройства не могут взаимодействовать друг с другом, кроме как через хост, а два хоста не могут напрямую взаимодействовать через свои порты USB. Некоторое расширение этого ограничения возможно с помощью USB-входа On-The-Go и устройств с двойной ролью. и протокольный мост .
• Хост не может транслировать сигналы на все периферийные устройства одновременно; каждый должен решаться индивидуально.
• Хотя между некоторыми устаревшими интерфейсами и USB существуют преобразователи, они могут не обеспечивать полную реализацию устаревшего оборудования. Например, преобразователь USB в параллельный порт может хорошо работать с принтером, но не со сканером, который требует двунаправленного использования выводов данных.

Для разработчика продукта использование USB требует реализации сложного протокола и подразумевает наличие «интеллектуального» контроллера в периферийном устройстве. Разработчики USB-устройств, предназначенных для публичной продажи, обычно должны получить USB-идентификатор, для чего им необходимо заплатить взнос Форуму разработчиков USB (USB-IF). Разработчики продуктов, использующих спецификацию USB, должны подписать соглашение с USB-IF. Использование логотипов USB на продукте требует ежегодной оплаты и членства в организации.

История

Базовый USB- трезубца логотип

Группа из семи компаний начала разработку USB в 1995 году: Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC и Nortel . Цель заключалась в том, чтобы существенно упростить подключение внешних устройств к ПК за счет замены множества разъемов на задней панели ПК, решения проблем с удобством использования существующих интерфейсов и упрощения настройки программного обеспечения всех устройств, подключенных к USB, а также предоставления более широких возможностей. скорость передачи данных для внешних устройств и функции Plug and Play . Аджай Бхатт и его команда работали над стандартом в Intel; первые интегральные схемы с поддержкой USB были произведены Intel в 1995 году.

USB 1. х

Логотип USB базовой скорости

Выпущенный в январе 1996 года, USB 1.0 указал скорость передачи сигналов 1,5 Мбит/с ( низкая полоса пропускания или низкая скорость ) и 12 Мбит/с ( полная скорость ). Использование удлинительных кабелей не допускалось из-за ограничений по времени и мощности. Лишь немногие USB-устройства появились на рынке до тех пор, пока в августе 1998 года не был выпущен USB 1.1. USB 1.1 был самой ранней версией, которая получила широкое распространение и привела к тому, что Microsoft назвала « ПК без устаревших версий ».

Ни в USB 1.0, ни в 1.1 не указана конструкция любого разъема меньше стандартного типа A или типа B. Хотя многие конструкции миниатюрного разъема типа B появлялись на многих периферийных устройствах, соответствие стандарту USB 1. x было затруднено из-за обращения с периферийными устройствами, которые имели миниатюрные разъемы, как если бы они имели привязанное соединение (то есть: на периферийном конце нет вилки или розетки). Не было известного миниатюрного разъема типа A до тех пор, пока он не появился в USB 2.0 (версия 1.01).

USB 2.0

Логотип высокоскоростного USB

USB 2.0 был выпущен в апреле 2000 года, добавив более высокую максимальную скорость передачи данных - 480 Мбит/с (максимальная теоретическая пропускная способность данных 53 МБ/с). ) под названием High Speed ​​или High Bandwidth в дополнение к скорости передачи данных USB 1. x Full Speed ​​12 Мбит/с (максимальная теоретическая пропускная способность данных 1,2 МБ/с).

Изменения в спецификации USB были внесены посредством уведомлений о технических изменениях (ECN). Наиболее важные из этих ECN включены в пакет спецификаций USB 2.0, доступный на USB.org:

• Разъем Mini-A и Mini-B
• Кабели и разъемы Micro-USB, спецификация 1.01
• InterChip USB- дополнение
• Приложение On-The-Go 1.3 USB On-The-Go позволяет двум USB-устройствам взаимодействовать друг с другом без необходимости использования отдельного USB-хоста.
• зарядки аккумулятора Спецификация 1.1 Добавлена ​​поддержка специальных зарядных устройств, поведение хост-зарядных устройств для устройств с разряженными батареями.
• Спецификация зарядки аккумулятора 1.2 : с увеличенным током 1,5 А на портах зарядки для ненастроенных устройств, позволяющим осуществлять высокоскоростную связь при силе тока до 1,5 А
• Дополнение к управлению питанием каналов ECN , которое добавляет режим спящего режима.

USB 3. х

Основная статья: USB 3.0

Устаревший логотип SuperSpeed ​​USB.

Спецификация USB 3.0 была выпущена 12 ноября 2008 года, управление ею перешло от группы промоутеров USB 3.0 к Форуму разработчиков USB (USB-IF) и было объявлено 17 ноября 2008 года на конференции разработчиков SuperSpeed ​​USB.

USB 3.0 добавляет новую архитектуру и протокол под названием SuperSpeed ​​с соответствующими обратно совместимыми вилками, розетками и кабелями. Вилки и розетки SuperSpeed ​​обозначены отчетливым логотипом и синими вставками в розетках стандартного формата.

Архитектура SuperSpeed ​​предусматривает режим работы на скорости 5,0 Гбит/с в дополнение к трем существующим режимам работы. Его эффективность зависит от ряда факторов, включая физическое кодирование символов и накладные расходы на канальном уровне. При скорости передачи сигналов 5 Гбит/с с кодировкой 8b/10b для передачи каждого байта требуется 10 бит, поэтому необработанная пропускная способность составляет 500 МБ/с. Если принять во внимание управление потоком, формирование пакетов и накладные расходы протокола, то вполне реально передать приложению около двух третей исходной пропускной способности, или 330 МБ/с. Архитектура SuperSpeed ​​является полнодуплексной ; все более ранние реализации, USB 1.0–2.0, являются полудуплексными и управляются хостом.

Устройства малой и высокой мощности продолжают работать с этим стандартом, но устройства, реализующие SuperSpeed, могут обеспечивать увеличенный ток от 150 мА до 900 мА с дискретными шагами по 150 мА.

USB 3.0 также представил протокол USB Attached SCSI (UASP) , который обычно обеспечивает более высокую скорость передачи, чем протокол BOT (Bulk-Only-Transfer).

USB 3.1 , выпущенный в июле 2013 года, имеет два варианта. Первый из них сохраняет архитектуру и протокол SuperSpeed ​​USB 3.0 , а его режим работы получил новое название USB 3.1 Gen 1 . а вторая версия представляет совершенно новую архитектуру и протокол SuperSpeedPlus со вторым режимом работы, названным USB 3.1 Gen 2 (продаваемым как SuperSpeed+ USB ). SuperSpeed+ удваивает максимальную скорость передачи сигналов до 10 Гбит/с (позже продаваемую как SuperSpeed ​​USB 10 Гбит/с в соответствии со спецификацией USB 3.2), одновременно сокращая накладные расходы на кодирование строк всего до 3% за счет изменения схемы кодирования на 128b/132b .

USB 3.2 , выпущенный в сентябре 2017 г., сохраняет существующие архитектуры и протоколы USB 3.1 SuperSpeed ​​и SuperSpeedPlus , а также соответствующие им режимы работы, но вводит два дополнительных режима работы SuperSpeedPlus ( USB 3.2 Gen 1x2 и USB 3.2 Gen 2x2 ) с новой структурой USB-C со скоростью передачи сигналов 10 и 20 Гбит/с. с (скорость передачи исходных данных 1212 и 2424 МБ/с). Увеличение пропускной способности является результатом двухполосной работы по существующим проводам, которые изначально предназначались для триггерных возможностей разъема USB-C.

Схема именования

Начиная со спецификации USB 3.2, USB-IF представил новую схему именования. Чтобы помочь компаниям в брендинге различных режимов работы, USB-IF рекомендовал маркировать возможности 5, 10 и 20 Гбит/с как SuperSpeed ​​USB 5 Гбит/с , SuperSpeed ​​USB 10 Гбит/с и SuperSpeed ​​USB 20 Гбит/с соответственно.

В 2023 году их снова заменили, удаление «SuperSpeed» с USB 5 Гбит/с , USB 10 Гбит/с и USB 20 Гбит/с . С новыми упаковки и порта . логотипами

USB4

Основная статья: USB4

Устаревший логотип сертифицированного USB4.

Спецификация USB4 была опубликована 29 августа 2019 года Форумом разработчиков USB.

Спецификация USB4 2.0 была выпущена 1 сентября 2022 года Форумом разработчиков USB.

USB4 основан на протоколе Thunderbolt 3 . Он поддерживает пропускную способность 40 Гбит/с, совместим с Thunderbolt 3 и обратно совместим с USB 3.2 и USB 2.0. Архитектура определяет метод динамического совместного использования одного высокоскоростного канала с несколькими типами конечных устройств, который наилучшим образом обеспечивает передачу данных по типу и приложению.

Во время выставки CES 2020 USB-IF и Intel заявили о своем намерении разрешить продукты USB4, поддерживающие все дополнительные функции, как продукты Thunderbolt 4 .

В спецификации USB4 указано, что USB4 должен поддерживать следующие технологии:

Связь	Обязательно для			Примечания
	хозяин	центр	устройство
USB 2.0 (480 Мбит/с)	Да	Да	Да	В отличие от других функций, использующих мультиплексирование высокоскоростных каналов, USB 2.0 через USB-C использует собственную дифференциальную пару проводов.
Туннельный USB 3.2 Gen 2x1 (10 Гбит/с)	Да	Да	Нет
Туннельный USB 3.2 Gen 2x2 (20 Гбит/с)	Нет	Нет	Нет
Туннельный USB3 Gen T (5–80 Гбит/с)	Нет	Нет	Нет	Тип архитектуры туннелирования USB3, в которой расширенная система SuperSpeed ​​расширена для обеспечения работы с максимальной пропускной способностью, доступной по каналу USB4.
USB4 Gen 2 (10 или 20 Гбит/с)	Да	Да	Да	Либо одна, либо две полосы
USB4 Gen 3 (20 или 40 Гбит/с)	Нет	Да	Нет
Туннельный порт DisplayPort 1.4a	Да	Да	Нет	Спецификация требует, чтобы хосты и концентраторы поддерживали альтернативный режим DisplayPort.
Туннельный PCI Express 3.0	Нет	Да	Нет	Функция PCI Express USB4 повторяет функциональность предыдущих версий спецификации Thunderbolt .
Связь между хостами	Да	Да	—	Соединение типа LAN между двумя узлами.
Альтернативный режим Thunderbolt 3	Нет	Да	Нет	Thunderbolt 3 использует кабели USB-C; Спецификация USB4 позволяет хостам и устройствам и требует, чтобы концентраторы поддерживали совместимость со стандартом с использованием альтернативного режима Thunderbolt 3 (а именно DisplayPort и PCIe).
Другие альтернативные режимы	Нет	Нет	Нет	Продукты USB4 могут дополнительно обеспечивать совместимость с альтернативными режимами HDMI , MHL и VirtualLink .

Схема наименования сентября 2022 г.

Обзор схемы именования USB, введенной в действие в сентябре 2022 г.
(Отображается сочетание спецификаций USB и их маркетинговых названий.
потому что спецификации иногда ошибочно используются в качестве маркетинговых названий.)

Из-за предыдущих запутанных схем именования USB-IF решил еще раз изменить их. По состоянию на 2 сентября 2022 года маркетинговые названия имеют синтаксис «USB x Гбит/с», где x — скорость передачи данных в Гбит/с. Обзор обновленных названий и логотипов можно увидеть в соседней таблице.

Режимы работы USB 3.2 Gen 2x2 и USB4 Gen 2x2 – или: USB 3.2 Gen 2x1 и USB4 Gen 2x1 – не являются взаимозаменяемыми или совместимыми; все участвующие контроллеры должны работать в одном и том же режиме.

История версий

Версии выпуска

Имя	Дата выпуска	Максимальная скорость передачи сигналов	Примечание
USB 0,7	ноябрь 1994 г.	?	Предварительный выпуск.
USB 0,8	декабрь 1994 г.	?
USB 0,9	апрель 1995 г.	12 Мбит/с: полная скорость (FS)
USB 0,99	август 1995 г.	?
USB 1.0-RC	ноябрь 1995 г.	?	Кандидат на выпуск.
USB 1.0	Январь 1996 г.	1,5 Мбит/с: низкая скорость (LS) 12 Мбит/с: полная скорость (FS)	Переименован в Basic-Speed .
USB 1.1	сентябрь 1998 г.
USB 2.0	апрель 2000 г.	480 Мбит/с: высокая скорость (HS)
USB 3.0	ноябрь 2008 г.	5 Гбит/с: SuperSpeed ​​(SS)	Переименован в USB 3.1 Gen 1 . и позже на USB 3.2 Gen 1x1 .
USB 3.1	июль 2013 г.	10 Гбит/с: SuperSpeed+ (SS+)	Переименован в USB 3.1 Gen 2 . и позже на USB 3.2 Gen 2x1 .
USB 3.2	август 2017 г.	20 Гбит/с: SuperSpeed+, двухполосный	Включает новые USB 3.2 Gen 1x2 и Gen 2x2 . двухканальные режимы Требуется полнофункциональный USB-C .
USB4	август 2019 г.	40 Гбит/с: двухполосная	Включает новые режимы USB4 Gen 2x2 (кодирование 64b/66b) и Gen 3x2 (кодирование 128b/132b), а также обеспечивает маршрутизацию USB4 для туннелирования трафика USB 3.2, DisplayPort 1.4a и PCI Express и передачи данных между хостами на основе Thunderbolt. 3 протокол; требуется USB4 Fabric.
USB4 2.0	сентябрь 2022 г.	120 ⇄ 40 Гбит/с: асимметричный	Включает новый режим USB4 Gen 4x2 (кодирование PAM-3), обеспечивающий скорость 80 и 120 Гбит/с через разъем Type-C. Требуется USB4 Fabric.

Стандарты, связанные с питанием

Название выпуска	Дата выпуска	Макс. власть	Примечание
Зарядка аккумулятора через USB, версия 1.0	2007-03-08	7,5 Вт (5 В, 1,5 А)
Зарядка аккумулятора через USB, версия 1.1	2009-04-15	7,5 Вт (5 В, 1,5 А)	Стр. 28, таблица 5–2, но с ограничением по пункту 3.5. В обычном порте стандарта A USB 2.0 только 1,5 А.
Зарядка аккумулятора через USB, версия 1.2	2010-12-07	7,5 Вт (5 В, 1,5 А)
USB Power Delivery, версия 1.0 (В. 1.0)	2012-07-05	100 Вт (20 В, 5 А)	Использование протокола FSK через питание шины (V BUS )
USB Power Delivery, версия 1.0 (версия 1.3)	2014-03-11	100 Вт (20 В, 5 А)
USB-тип C, версия 1.0	2014-08-11	15 Вт (5 В, 3 А)	Новая спецификация разъема и кабеля.
USB Power Delivery, версия 2.0 (версия 1.0)	2014-08-11	100 Вт (20 В, 5 А)	Использование протокола BMC по каналу связи (CC) на кабелях USB-C.
USB-тип C, версия 1.1	2015-04-03	15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery, версия 2.0 (версия 1.1)	2015-05-07	100 Вт (20 В, 5 А)
USB-тип C, версия 1.2	2016-03-25	15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery, версия 2.0 (версия 1.2)	2016-03-25	100 Вт (20 В, 5 А)
USB Power Delivery, версия 2.0 (версия 1.3)	2017-01-12	100 Вт (20 В, 5 А)
USB Power Delivery, версия 3.0 (версия 1.1)	2017-01-12	100 Вт (20 В, 5 А)
USB-тип C, версия 1.3	2017-07-14	15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery, версия 3.0 (версия 1.2)	2018-06-21	100 Вт (20 В, 5 А)
USB-тип C, версия 1.4	2019-03-29	15 Вт (5 В, 3 А)
USB Type-C версии 2.0	2019-08-29	15 Вт (5 В, 3 А)	Включение USB4 через разъемы и кабели USB Type-C.
USB Power Delivery Версия 3.0 (Версия 2.0)	2019-08-29	100 Вт (20 В, 5 А)
USB Power Delivery, версия 3.1 (версия 1.0)	2021-05-24	240 Вт (48 В, 5 А)
USB Type-C версии 2.1	2021-05-25	15 Вт (5 В, 3 А)
USB Power Delivery, версия 3.1 (версия 1.1)	2021-07-06	240 Вт (48 В, 5 А)
USB Power Delivery, версия 3.1 (версия 1.2)	2021-10-26	240 Вт (48 В, 5 А)	Включая исправления до октября 2021 г. Эта версия включает следующие ECN: Разъясните использование повторов Возможности аккумулятора Проблема с синхронизацией ФРС Разъяснения правил полномочий PPS Пиковая текущая поддержка EPR AVS APDO

Проектирование системы

Система USB состоит из хоста с одним или несколькими нисходящими портами (DFP), и множество периферийных устройств, образующих многоуровневую звездообразную топологию . Могут быть включены дополнительные USB-концентраторы , что позволяет использовать до пяти уровней. USB-хост может иметь несколько контроллеров, каждый из которых имеет один или несколько портов. К одному хост-контроллеру можно подключить до 127 устройств. USB-устройства подключаются последовательно через концентраторы. Концентратор, встроенный в хост-контроллер, называется корневым концентратором .

USB-устройство может состоять из нескольких логических подустройств, которые называются функциями устройства . Составное устройство может выполнять несколько функций, например веб-камера (функция видеоустройства) со встроенным микрофоном (функция аудиоустройства). Альтернативой этому является составное устройство , в котором хост назначает каждому логическому устройству отдельный адрес, и все логические устройства подключаются к встроенному концентратору, который подключается к физическому кабелю USB.

Конечные точки USB находятся на подключенном устройстве: каналы к хосту называются каналами.

Связь с USB-устройствами основана на каналах (логических каналах). Канал — это соединение хост-контроллера с логическим объектом внутри устройства, называемым конечной точкой . Поскольку каналы соответствуют конечным точкам, эти термины иногда используются как синонимы. Каждое USB-устройство может иметь до 32 конечных точек (16 входов и 16 выходов ), хотя такое количество встречается редко. Конечные точки определяются и нумеруются устройством во время инициализации (период после физического соединения, называемый «перечислением») и поэтому являются относительно постоянными, тогда как каналы можно открывать и закрывать.

Существует два типа каналов: поток и сообщение.

• Канал сообщений является двунаправленным и используется для передачи управления . Каналы сообщений обычно используются для коротких простых команд устройству и для ответов о состоянии устройства, используемых, например, каналом управления шиной номер 0.
• Потоковый использованием канал — это однонаправленный канал, подключенный к однонаправленной конечной точке, который передает данные с изохронного , прерывание или массовая передача:

  Изохронные передачи

  С некоторой гарантированной скоростью передачи данных (для потоковых данных с фиксированной полосой пропускания), но с возможной потерей данных (например, аудио или видео в реальном времени)

  Прерывание передачи

  Устройства, которым требуется гарантированно быстрый отклик (ограниченная задержка), например указывающие устройства, мыши и клавиатуры.

  Массовые переводы

  Крупные спорадические передачи с использованием всей оставшейся доступной полосы пропускания, но без гарантий пропускной способности или задержки (например, передача файлов)

Когда хост начинает передачу данных, он отправляет пакет TOKEN, содержащий конечную точку, указанную кортежем device_address ( , endpoint_number) . Если передача осуществляется от хоста к конечной точке, хост отправляет пакет OUT (специализация пакета TOKEN) с нужным адресом устройства и номером конечной точки. Если передача данных осуществляется от устройства к хосту, хост вместо этого отправляет IN-пакет. Если конечная точка назначения является однонаправленной конечной точкой, направление, назначенное производителем, не соответствует пакету TOKEN (например, назначенное производителем направление IN, а пакет TOKEN является пакетом OUT), пакет TOKEN игнорируется. В противном случае он будет принят, и транзакция данных может начаться. С другой стороны, двунаправленная конечная точка принимает пакеты IN и OUT.

Две розетки USB 3.0 Standard-A (слева) и две розетки USB 2.0 Standard-A (справа) на передней панели компьютера

Конечные точки сгруппированы в интерфейсы , и каждый интерфейс связан с одной функцией устройства. Исключением является нулевая конечная точка, которая используется для настройки устройства и не связана ни с каким интерфейсом. Единая функция устройства, состоящая из независимо управляемых интерфейсов, называется составным устройством . Составное устройство имеет только один адрес устройства, поскольку хост назначает функции только адрес устройства.

Когда USB-устройство впервые подключается к USB-хосту, запускается процесс перечисления USB-устройств. Перечисление начинается с отправки сигнала сброса на USB-устройство. Скорость передачи сигналов USB-устройства определяется во время сигнализации сброса. После сброса информация об устройстве USB считывается хостом, и устройству присваивается уникальный 7-битный адрес. Если устройство поддерживается хостом, драйверы устройств, загружаются необходимые для связи с устройством, и устройство переводится в настроенное состояние. Если USB-хост перезапускается, процесс перечисления повторяется для всех подключенных устройств.

Хост-контроллер направляет поток трафика на устройства, поэтому ни одно USB-устройство не может передавать какие-либо данные по шине без явного запроса от хост-контроллера. В USB 2.0 хост-контроллер опрашивает шину на наличие трафика, обычно в циклическом режиме. Пропускная способность каждого USB-порта определяется более низкой скоростью либо USB-порта, либо USB-устройства, подключенного к порту.

Высокоскоростные концентраторы USB 2.0 содержат устройства, называемые трансляторами транзакций, которые преобразуют высокоскоростные шины USB 2.0 в полноскоростные и низкоскоростные шины. На каждый концентратор или порт может быть один транслятор.

Поскольку на каждом хосте USB 3.0 имеется два отдельных контроллера, устройства USB 3.0 передают и принимают со скоростью сигнала USB 3.0 независимо от того, какие устройства USB 2.0 или более ранних версий подключены к этому хосту. Скорости передачи рабочих сигналов для более ранних устройств устанавливаются традиционным способом.

Классы устройств

Функциональность USB-устройства определяется кодом класса, отправленным на USB-хост. Это позволяет хосту загружать программные модули для устройства и поддерживать новые устройства от разных производителей.

Классы устройств включают в себя:

Сорт ( шестнадцатеричный )	Использование	Описание	Примеры или исключения
00	Устройство	Не указано	Класс устройства не указан, дескрипторы интерфейса используются для определения необходимых драйверов.
01	Интерфейс	Аудио	Динамик , микрофон , звуковая карта , MIDI
02	Оба	Связь и контроль CDC	UART и RS-232 Последовательный адаптер , модем , адаптер Wi-Fi , адаптер Ethernet . Используется вместе с классом 0Ah (CDC-Data ) ниже.
03	Интерфейс	Устройство пользовательского интерфейса (HID)	Клавиатура , мышь , джойстик
05	Интерфейс	Устройство физического интерфейса (PID)	Джойстик с обратной связью по усилию
06	Интерфейс	Медиа ( PTP / MTP )	Сканер , Камера
07	Интерфейс	Принтер	Лазерный принтер , струйный принтер , станок с ЧПУ
08	Интерфейс	USB-накопитель большой емкости , USB-подключение SCSI	USB-накопитель , устройство чтения карт памяти , цифровой аудиоплеер , цифровая камера , внешний диск
09	Устройство	USB-концентратор	Высокоскоростной USB-концентратор
0А	Интерфейс	CDC-данные	Используется вместе с классом 02h (Связь и управление CDC ) выше.
0Б	Интерфейс	Смарт-карта	USB-считыватель смарт-карт
0D	Интерфейс	Безопасность контента	Считыватель отпечатков пальцев
0Е	Интерфейс	Видео	Веб-камера
0Ф	Интерфейс	Класс персональных медицинских устройств (PHDC)	Пульсометр (часы)
10	Интерфейс	Аудио/Видео (AV)	Веб-камера , ТВ
11	Устройство	Рекламный щит	Описывает альтернативные режимы USB-C, поддерживаемые устройством.
округ Колумбия	Оба	Диагностическое устройство	Устройство проверки соответствия USB
E0	Интерфейс	Беспроводной контроллер	Bluetooth- адаптер
ЕСЛИ	Оба	Разнообразный	ActiveSync Устройство
ИП	Интерфейс	Для конкретного приложения	IrDA Мост , RNDIS , класс испытаний и измерений (USBTMC), USB DFU (обновление прошивки устройства)
ФФч	Оба	Зависит от поставщика	Указывает, что устройству необходимы драйверы конкретного поставщика.

USB-накопитель/USB-накопитель

См. также: Класс запоминающего устройства USB , Дисковый корпус и Внешний жесткий диск.

Флэш -накопитель , типичное запоминающее устройство USB.

подключенный к Твердотельный накопитель M.2 (2242) , адаптеру USB 3.0 и подключенный к компьютеру.

Класс запоминающих устройств USB (MSC или UMS) стандартизирует подключения к устройствам хранения данных. Первоначально предназначенный для магнитных и оптических приводов, он был расширен для поддержки флэш-накопителей и устройств чтения SD-карт . Возможность загрузки SD-карты с блокировкой записи с помощью USB-адаптера особенно выгодна для поддержания целостности и неповрежденного, первозданного состояния загрузочного носителя.

Хотя большинство персональных компьютеров, выпущенных с начала 2005 года, могут загружаться с запоминающих устройств USB, USB не предназначен в качестве основной шины для внутренней памяти компьютера. Однако преимущество USB заключается в возможности горячей замены , что делает его полезным для мобильных периферийных устройств, включая накопители различных типов.

Некоторые производители предлагают внешние портативные жесткие диски USB или пустые корпуса для дисков. Они обеспечивают производительность, сравнимую с внутренними накопителями, но ограничены количеством и типами подключенных USB-устройств, а также верхним пределом интерфейса USB. Другие конкурирующие стандарты подключения внешних накопителей включают eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) и, совсем недавно, Thunderbolt .

Еще одним применением USB-накопителей является портативное выполнение программных приложений (таких как веб-браузеры и клиенты VoIP) без необходимости их установки на главный компьютер.

Протокол передачи мультимедиа

См. также: Протокол передачи изображений.

Протокол передачи мультимедиа (MTP) был разработан Microsoft для предоставления доступа к файловой системе устройства более высокого уровня, чем USB-накопитель, на уровне файлов, а не дисковых блоков. Он также имеет дополнительные функции DRM . MTP был разработан для использования с портативными медиаплеерами , но с тех пор он был принят в качестве основного протокола доступа к хранилищу операционной системы Android начиная с версии 4.1 Jelly Bean, а также Windows Phone 8 (устройства Windows Phone 7 использовали протокол Zune — эволюция MTP). Основная причина этого заключается в том, что MTP не требует монопольного доступа к устройству хранения, как это делает UMS, что устраняет потенциальные проблемы, если программа Android запросит хранилище, когда оно подключено к компьютеру. Основным недостатком является то, что MTP не так хорошо поддерживается за пределами операционных систем Windows.

Устройства пользовательского интерфейса

Основная статья: Класс устройства USB-интерфейса человека

USB-мышь или клавиатуру обычно можно использовать со старыми компьютерами, имеющими порты PS/2 , с помощью небольшого адаптера USB-PS/2. пассивный адаптер, не содержащий логических схем Для мышей и клавиатур с поддержкой двух протоколов можно использовать : аппаратное обеспечение USB в клавиатуре или мыши предназначено для определения того, подключено ли оно к порту USB или PS/2, и обменивается данными с помощью соответствующий протокол. Также существуют активные преобразователи, которые подключают USB-клавиатуры и мыши (обычно по одной) к портам PS/2.

Механизм обновления прошивки устройства

Обновление прошивки устройства (DFU) — это универсальный механизм обновления прошивки USB-устройств улучшенными версиями, предоставляемыми их производителями, предлагающий (например) способ развертывания исправлений ошибок прошивки. Во время обновления прошивки USB-устройства меняют свой режим работы, фактически становясь программатором PROM . Любой класс USB-устройств может реализовать эту возможность, следуя официальным спецификациям DFU. Это позволит использовать DFU-совместимые хост-инструменты для обновления устройства.

DFU иногда используется в качестве протокола программирования флэш-памяти в микроконтроллерах со встроенной функцией загрузчика USB.

Потоковое аудио

Рабочая группа по USB-устройствам разработала спецификации для потоковой передачи звука, а также разработала и внедрила конкретные стандарты для использования аудиоклассов, таких как микрофоны, динамики, гарнитуры, телефоны, музыкальные инструменты и т. д. Рабочая группа опубликовала три версии аудио характеристики устройства: USB Audio 1.0, 2.0 и 3.0, называемый «UAC». или «АЦП».

UAC 3.0 в первую очередь вводит улучшения для портативных устройств, такие как снижение энергопотребления за счет пакетной передачи данных и более частого пребывания в режиме низкого энергопотребления, а также домены питания для различных компонентов устройства, позволяющие выключать их, когда они не используются.

В UAC 2.0 появилась поддержка высокоскоростного USB (в дополнение к Full Speed), обеспечивающая большую пропускную способность для многоканальных интерфейсов, более высокие частоты дискретизации, более низкая собственная задержка, и 8-кратное улучшение временного разрешения в синхронном и адаптивном режимах. UAC2 также представил концепцию доменов тактовой частоты, которая предоставляет хосту информацию о том, какие входные и выходные терминалы получают свои тактовые сигналы из одного и того же источника, а также улучшенную поддержку аудиокодировок, таких как DSD , аудиоэффектов, кластеризации каналов, пользовательских элементов управления и описания устройств.

Однако устройства UAC 1.0 по-прежнему распространены из-за их кроссплатформенной совместимости без драйверов. а также отчасти из-за того, что Microsoft не смогла внедрить UAC 2.0 в течение более десяти лет после его публикации, наконец добавив поддержку в Windows 10 через Creators Update 20 марта 2017 года. UAC 2.0 также поддерживается macOS , iOS и Linux . однако Android реализует только часть спецификации UAC 1.0.

USB обеспечивает три типа синхронизации (с фиксированной полосой пропускания): все из которых используются аудиоустройствами:

• Асинхронный — АЦП или ЦАП вообще не синхронизируются с часами главного компьютера, работая за счет автономных часов, локальных для устройства.
• Синхронный — часы устройства синхронизируются с сигналами начала кадра USB (SOF) или интервала шины. Например, для этого может потребоваться синхронизация тактового сигнала частотой 11,2896 МГц с сигналом SOF частотой 1 кГц, что является большим умножением частоты.
• Адаптивный — часы устройства синхронизируются с объемом данных, отправляемых хостом за кадр.

Хотя в спецификации USB изначально описывался асинхронный режим, используемый в «недорогих колонках», а адаптивный режим — в «цифровых колонках высокого класса», Противоположное мнение существует в мире Hi-Fi , где асинхронный режим рекламируется как функция, а адаптивные/синхронные режимы имеют плохую репутацию. В действительности все типы могут быть качественными или некачественными, в зависимости от качества их разработки и применения. Преимущество асинхронного режима заключается в том, что он не привязан к часам компьютера, но у него есть недостаток: требуется преобразование частоты дискретизации при объединении нескольких источников.

Разъемы

Основная статья: USB-оборудование § Разъемы

Разъемы, которые определяет комитет USB, соответствуют ряду основных целей USB и отражают уроки, извлеченные из многих разъемов, используемых в компьютерной промышленности. Гнездовой разъем, установленный на хосте или устройстве, называется розеткой , а вилочный разъем, прикрепленный к кабелю, называется вилкой . В официальных документах по спецификациям USB также периодически определяется термин «папа» для обозначения вилки и «мама» для обозначения розетки.

Устаревший разъем USB Type-A. Это один из многих устаревших типов разъема USB .

Конструкция предназначена для того, чтобы затруднить неправильную вставку USB-штекера в розетку. Спецификация USB требует, чтобы вилка и розетка кабеля были помечены, чтобы пользователь мог определить правильную ориентацию. Однако разъем USB-C является двусторонним. Кабели USB и небольшие USB-устройства удерживаются на месте за счет силы захвата со стороны розетки без использования винтов, зажимов или поворотов большого пальца, как в некоторых разъемах.

Различные вилки A и B предотвращают случайное подключение двух источников питания. Однако некоторая часть этой направленной топологии теряется с появлением многоцелевых USB-соединений (таких как USB On-The-Go в смартфонах и Wi-Fi-маршрутизаторах с питанием от USB), для которых требуются соединения A-A, B- to-B, а иногда и Y/разветвитель.

Типы USB-разъемов увеличивались по мере развития спецификации. В исходной спецификации USB подробно описаны вилки и розетки стандартов A и B. Разъемы были разными, поэтому пользователи не могли подключить одну компьютерную розетку к другой. Контакты для передачи данных в стандартных разъемах утоплены по сравнению с контактами питания, поэтому устройство может включиться перед установкой соединения для передачи данных. Некоторые устройства работают в разных режимах в зависимости от того, установлено ли соединение для передачи данных. Зарядные док-станции обеспечивают питание и не включают в себя хост-устройство или контакты для передачи данных, что позволяет любому совместимому USB-устройству заряжаться или работать от стандартного USB-кабеля. Зарядные кабели обеспечивают подключение к сети, но не к передаче данных. В кабеле только для зарядки провода передачи данных закорочены на конце устройства; в противном случае устройство может забраковать зарядное устройство как непригодное.

Кабели

Основная статья: USB-оборудование § Кабели

Разнообразие USB-кабелей на продажу в Гонконге

Стандарт USB 1.1 определяет, что стандартный кабель может иметь максимальную длину 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на полной скорости (12 Мбит/с), и максимальную длину 3 метра (9 футов 10 дюймов) для устройства, работающие на низкой скорости (1,5 Мбит/с).

USB 2.0 обеспечивает максимальную длину кабеля 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на высокой скорости (480 Мбит/с).

Стандарт USB 3.0 напрямую не определяет максимальную длину кабеля, требуя только, чтобы все кабели соответствовали электрическим характеристикам: для медных кабелей с проводами AWG 26 максимальная практическая длина составляет 3 метра (9 футов 10 дюймов).

USB-мостовые кабели

На рынке можно найти USB-мосты или кабели для передачи данных, обеспечивающие прямое соединение ПК с ПК. Мостовой кабель представляет собой специальный кабель с чипом и активной электроникой в ​​середине кабеля. Чип в середине кабеля действует как периферийное устройство для обоих компьютеров и обеспечивает одноранговую связь между компьютерами. Кабели USB-моста используются для передачи файлов между двумя компьютерами через их порты USB.

Популяризированная Microsoft как Windows Easy Transfer , утилита Microsoft использовала специальный USB-кабель-переходник для передачи личных файлов и настроек с компьютера под управлением более ранней версии Windows на компьютер под управлением более новой версии. В контексте использования программного обеспечения Windows Easy Transfer мостовой кабель иногда можно назвать кабелем Easy Transfer .

Многие USB-мосты/кабели для передачи данных по-прежнему относятся к USB 2.0, но существует также ряд кабелей для передачи данных USB 3.0. Несмотря на то, что USB 3.0 в 10 раз быстрее, чем USB 2.0, кабели передачи USB 3.0 работают всего в 2–3 раза быстрее, учитывая их конструкцию.

Спецификация USB 3.0 представила перекрестный кабель A-to-A без питания для соединения двух компьютеров. Они не предназначены для передачи данных, а предназначены для диагностических целей.

Двойные USB-соединения

Кабели-мосты USB стали менее важными с появлением возможностей USB-устройств двойной роли, представленных в спецификации USB 3.1. Согласно последним спецификациям, USB поддерживает большинство сценариев подключения систем напрямую с помощью кабеля Type-C. Однако для того, чтобы эта возможность работала, подключенные системы должны поддерживать переключение ролей. Возможности двойной роли требуют наличия двух в системе контроллеров, а также контроллера ролей . Хотя этого можно ожидать от мобильной платформы, такой как планшет или телефон, настольные ПК и ноутбуки часто не поддерживают двойную роль.

Власть

Основная статья: USB-оборудование § Питание

Восходящие USB-разъемы подают питание с номинальным напряжением 5 В постоянного тока через контакт V_BUS на нижестоящие USB-устройства.

Маломощные и высокомощные устройства.

В этом разделе описывается модель распределения питания USB, существовавшая до Power-Delivery (USB-PD). На устройствах, не использующих PD, USB обеспечивает мощность до 7,5 Вт через разъемы Type-A и Type-B и до 15 Вт через USB-C. Все питание USB до PD обеспечивается при напряжении 5 В.

Для хоста, обеспечивающего питание устройств, USB имеет концепцию единичной нагрузки . Любое устройство может потреблять мощность одного устройства, а устройства могут запрашивать дополнительную мощность на этих дискретных этапах. Не требуется, чтобы хост предоставлял запрошенную мощность, и устройство не может потреблять больше энергии, чем оговорено.

Устройства, потребляющие не более одной единицы, называются устройствами с низким энергопотреблением . Все устройства должны работать как устройства с низким энергопотреблением при запуске в ненастроенном состоянии. Для устройств USB до USB 2.0 единичная нагрузка составляет 100 мА (или 500 мВт), а для USB 3.0 единичная нагрузка определяется как 150 мА (750 мВт). Полнофункциональный USB-C может поддерживать маломощные устройства с единичной нагрузкой 250 мА (или 1250 мВт).

Устройства, потребляющие более одного блока, являются устройствами высокой мощности (например, типичные 2,5-дюймовые жесткие диски). USB до 2.0 позволяет хосту или концентратору подавать до 2,5 Вт на каждое устройство за пять дискретных шагов по 100 мА, а устройства SuperSpeed ​​(USB 3.0 и выше) позволяют хосту или концентратору обеспечивать до 4,5 Вт за шесть шаг 150 мА. USB-C поддерживает устройства высокой мощности мощностью до 7,5 Вт с шестью шагами по 250 мА. Полнофункциональный USB-C может поддерживать мощность до 15 Вт.

Стандарты питания USB

Спецификация	Текущий	Напряжение	Мощность (макс.)
Маломощное устройство	100 мА	5 V	0,50 Вт
Устройство SuperSpeed ​​(USB 3.0) с низким энергопотреблением	150 мА	5 V	0,75 Вт
Устройство высокой мощности	500 мА	5 V	2,5 Вт
Мощное устройство SuperSpeed ​​(USB 3.0)	900 мА	5 V	4,5 Вт
Устройство USB 3.2 поколения 2x1	1,5 А	5 V	7,5 Вт
Зарядка аккумулятора (BC) 1.1	1,5 А	5 V	7,5 Вт
Зарядка аккумулятора (BC) 1.2	1,5 А	5 V	7,5 Вт
USB-C (однополосный)	1,5 А	5 V	7,5 Вт
USB-C (многоканальный)	3 А	5 V	15 Вт
Подача питания 1.0/2.0/3.0 Тип-C	5 А	20 V	100 Вт
Подача питания 3.1 Тип-C	5 А	48 V	240 Вт

Чтобы распознать режим зарядки аккумулятора, специальный порт зарядки устанавливает сопротивление, не превышающее 200 Ом, между клеммами D+ и D-. Закороченные или почти закороченные линии передачи данных с сопротивлением менее 200 Ом на клеммах D+ и D- обозначают выделенный порт зарядки (DCP) с неопределенной скоростью зарядки.

Помимо стандартного USB, существует запатентованная высокопроизводительная система, известная как PoweredUSB , разработанная в 1990-х годах и в основном используемая в торговых терминалах, таких как кассовые аппараты.

Сигнализация

Основная статья: USB (коммуникации) § Сигнализация (USB PHY)

Сигналы USB передаются с использованием дифференциальной передачи данных по витой паре с 90 Ом ± 15 % характеристическим сопротивлением . Спецификации USB 2.0 и более ранних версий определяют одну пару в полудуплексном режиме (HDx). Спецификации USB 3.0 и более поздних версий определяют одну выделенную пару для совместимости с USB 2.0 и две или четыре пары для передачи данных: две пары в полнодуплексном режиме (FDx) для однополосных вариантов требуют как минимум разъемов SuperSpeed ​​(SS); четыре пары в полнодуплексном режиме для двухполосных вариантов (x2) требуют разъемов USB-C. USB4 Gen 4 требует использования всех четырех пар, но допускает асимметричную конфигурацию пар. В этом случае одна полоса используется для восходящих данных, а три других — для нисходящих данных или наоборот. USB4 Gen 4 использует импульсно-амплитудную модуляцию на 3 уровнях, обеспечивая в каждую передаваемую информацию бод , частота передачи 12,8 ГГц соответствует скорости передачи 25,6 ГБд. а преобразование с 11 бит на 7 рит обеспечивает теоретическую максимальную скорость передачи чуть более 40,2 Гбит/с.

Название режима работы		Представлен в	Кодирование	Пары проводов передачи данных	Номинальная скорость передачи сигналов	Оригинальная этикетка	USB-IF ток
текущий	старый						маркетинговое название	логотип
Низкоскоростной	Не появляется	USB 1.0	НРЗИ	1 HDx	1,5 Мбит/с полудуплекс	Низкоскоростной USB (LS)	Базовая скорость USB
Полноскоростной					12 Мбит/с полудуплекс	Полноскоростной USB (FS)
Высокоскоростной		USB 2.0			480 Мбит/с полудуплекс	Высокоскоростной USB (HS)
USB 3.2 1-го поколения, 1 шт.	USB 3.0, USB 3.1 1-го поколения	USB 3.0	8б/10б	2 FDx (+ 1 HDx)	5 Гбит/с симметричный	Суперскоростной USB (СС)	USB 5 Гбит/с
USB 3.2 2-го поколения — 1 шт.	USB 3.1, USB 3.1 2-го поколения	USB 3.1	128б/132б	2 FDx (+ 1 HDx)	10 Гбит/с симметричный	СуперСпид+ (СС+)	USB 10 Гбит/с
USB 3.2 1-го поколения, 2 шт.	Не появляется	USB 3.2	8б/10б	4 FDx (+ 1 HDx)	10 Гбит/с симметричный	—
USB 3.2 2-го поколения, 2 шт.			128б/132б	4 FDx (+ 1 HDx)	20 Гбит/с симметричный	Суперскоростной USB 20 Гбит/с	USB 20 Гбит/с
USB4 2-го поколения x1		USB4	64б/66б	2 FDx (+ 1 HDx)	10 Гбит/с симметричный	USB 10 Гбит/с
USB4 2-го поколения, 2 шт.			64б/66б	4 FDx (+ 1 HDx)	20 Гбит/с симметричный	USB 20 Гбит/с
USB4 3-го поколения x1			128б/132б	2 FDx (+ 1 HDx)	20 Гбит/с симметричный
USB4 3-го поколения, 2 шт.			128б/132б	4 FDx (+ 1 HDx)	40 Гбит/с симметричный	USB 40 Гбит/с
USB4 поколения 4 x2		USB4 2.0	ПАМ-3 11б/7 т	4 FDx (+ 1 HDx)	80 Гбит/с симметричный	USB 80 Гбит/с
					40 Гбит/с выше 120 Гбит/с вниз	—
					Скорость выше 120 Гбит/с 40 Гбит/с вниз

• В низкоскоростном (LS) и полноскоростном (FS) режимах используется одна пара проводов передачи данных, обозначенная D+ и D-, в полудуплексном режиме . Уровни передаваемого сигнала составляют 0,0–0,3 В для логического низкого уровня и 2,8–3,6 В для логического высокого уровня. Сигнальные линии не оконцованы .
• Высокоскоростной (HS) использует ту же пару проводов, но с другими электрическими соглашениями. Более низкое напряжение сигнала от -10 до 10 мВ для низкого уровня и от 360 до 440 мВ для логического высокого уровня, а также оконечная нагрузка 45 Ом на землю или дифференциальное сопротивление 90 Ом для соответствия импедансу кабеля передачи данных.
• SuperSpeed ​​(SS) добавляет две дополнительные пары экранированных витых проводов передачи данных (и новые, в основном совместимые расширенные разъемы), помимо еще одного заземляющего провода. Они предназначены для полнодуплексной работы SuperSpeed. Соединение SuperSpeed ​​работает независимо от канала USB 2.0 и имеет приоритет при подключении. Конфигурация линии связи выполняется с использованием LFPS (низкочастотной периодической сигнализации, примерно на частоте 20 МГц), а электрические характеристики включают в себя снижение напряжения на стороне передатчика и адаптивную линейную коррекцию на стороне приемника для борьбы с электрическими потерями в линиях передачи и, следовательно, в линии связи. знакомит с концепцией обучения ссылок .
• SuperSpeed+ (SS+) использует новую схему кодирования с повышенной скоростью передачи сигналов (режим Gen 2x1) и/или дополнительную полосу USB-C (режимы Gen 1x2 и Gen 2x2).

USB-соединение всегда осуществляется между концом A ( хостом или нисходящим портом концентратора) и концом B ( периферийным устройством или восходящим портом концентратора). Исторически это было ясно из того факта, что хосты имели только порты типа A, а периферийные устройства имели только порты типа B, и каждый (действительный) кабель имел одну вилку типа A и одну вилку типа B. USB-C (Type-C) — это единый разъем, который заменяет все разъемы типа A и типа B ( устаревшие разъемы), поэтому, когда обе стороны представляют собой современное оборудование с портами USB-C, они согласовывают, какой из них является хостом (A) и что это за устройство (B).

Уровень протокола

Основная статья: USB (коммуникации) § Уровень протокола

Во время USB-соединения данные передаются в виде пакетов . Первоначально все пакеты отправляются с хоста через корневой концентратор и, возможно, через несколько концентраторов на устройства. Некоторые из этих пакетов предписывают устройству отправить несколько пакетов в ответ.

Транзакции

Основная статья: USB (Связь) § Транзакция

Основные транзакции USB:

• ВЫХОДНАЯ транзакция
• IN транзакция
• НАСТРОЙКА транзакций
• Обмен контрольными трансферами

Сопутствующие стандарты

Логотип беспроводного USB-устройства

Независимый от медиа USB

29 июля 2015 года на форуме USB Implementers Forum был представлен стандарт беспроводной связи Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0, основанный на протоколе USB. Wireless USB представляет собой технологию замены кабеля и использует сверхширокополосную беспроводную технологию для скорости передачи данных до 480 Мбит/с.

USB-IF использовал спецификацию WiGig Serial Extension v1.2 в качестве исходной основы для спецификации MA-USB и совместим со SuperSpeed ​​USB (3.0 и 3.1) и Hi-Speed ​​USB (USB 2.0). Устройства, использующие MA-USB, будут иметь маркировку «Powered by MA-USB» при условии, что продукт соответствует требованиям программы сертификации.

ИнтерЧип USB

Основная статья: InterChip USB

InterChip USB — это вариант «чип-чип», который исключает использование традиционных приемопередатчиков, присутствующих в обычном USB. HSIC Физический уровень потребляет примерно на 50 % меньше энергии и на 75 % меньше площади платы по сравнению с USB 2.0. Это альтернативный стандарт SPI и I2C .

USB-C

Основная статья: USB-C

USB-C (официально USB Type-C ) — это стандарт, определяющий новый разъем и несколько новых функций подключения. Среди них он поддерживает альтернативный режим , который позволяет передавать другие протоколы через разъем USB-C и кабель. Обычно он используется для поддержки протоколов DisplayPort или HDMI , что позволяет подключать дисплей, например компьютерный монитор или телевизор , через USB-C.

Все остальные разъемы не поддерживают двухполосную работу (Gen 1x2 и Gen 2x2) в USB 3.2, но могут использоваться для однополосной работы (Gen1x1 и Gen2x1).

Дисплейссылка

Основная статья: DisplayLink

DisplayLink — это технология, позволяющая подключать несколько дисплеев к компьютеру через USB. Он был представлен примерно в 2006 году и до появления альтернативного режима через USB-C это был единственный способ подключения дисплеев через USB. Это запатентованная технология, не стандартизированная Форумом разработчиков USB, и обычно для нее требуется отдельный драйвер устройства на компьютере.

Сравнение с другими способами подключения

FireWire (IEEE 1394)

Сначала USB считался дополнением к технологии FireWire ( IEEE 1394 ), которая была разработана как последовательная шина с высокой пропускной способностью, которая эффективно соединяет периферийные устройства, такие как дисководы, аудиоинтерфейсы и видеооборудование. В первоначальной конструкции USB работал с гораздо более низкой скоростью передачи данных и использовал менее сложное оборудование. Он подходил для небольших периферийных устройств, таких как клавиатуры и указывающие устройства.

Наиболее существенные технические различия между FireWire и USB включают в себя:

• В сетях USB используется многоуровневая топология «звезда», а в сетях IEEE 1394 — древовидная топология.
• USB 1.0, 1.1 и 2.0 используют протокол «говорить при разговоре», что означает, что каждое периферийное устройство связывается с хостом, когда хост специально запрашивает связь. USB 3.0 позволяет осуществлять связь с хостом, инициируемую устройством. Устройство FireWire может взаимодействовать с любым другим узлом в любое время в зависимости от условий сети.
• Сеть USB полагается на один хост в верхней части дерева для управления сетью. Все коммуникации осуществляются между хостом и одним периферийным устройством. В сети FireWire любой способный узел может управлять сетью.
• USB работает от линии питания 5 В , а FireWire подает 12 В и теоретически может подавать до 30 В.
• Стандартные порты USB-концентратора могут обеспечить типичный ток 500 мА/2,5 Вт и только 100 мА от портов, не являющихся концентраторами. USB 3.0 и USB On-The-Go обеспечивают мощность 1,8 А/9,0 Вт (для специальной зарядки аккумулятора, полную полосу пропускания 1,5 А/7,5 Вт или широкую полосу пропускания 900 мА/4,5 Вт), а FireWire теоретически может обеспечивать мощность до 60 Вт. , хотя более типична мощность от 10 до 20 Вт.

Эти и другие различия отражают разные цели проектирования двух шин: USB был разработан для простоты и низкой стоимости, а FireWire был разработан для высокой производительности, особенно в чувствительных ко времени приложениях, таких как аудио и видео. Хотя теоретическая максимальная скорость передачи сигналов аналогична, FireWire 400 в реальном использовании быстрее, чем USB 2.0 с высокой пропускной способностью. особенно при использовании с высокой пропускной способностью, например, при использовании внешних жестких дисков. Новый стандарт FireWire 800 в два раза быстрее FireWire 400 и быстрее высокоскоростного USB 2.0 как теоретически, так и практически. Однако преимущества FireWire в скорости основаны на низкоуровневых методах, таких как прямой доступ к памяти (DMA), которые, в свою очередь, создали возможности для эксплойтов безопасности, таких как атака DMA .

Чипсет и драйверы, используемые для реализации USB и FireWire, оказывают решающее влияние на то, какая часть пропускной способности, предписанная спецификацией, достигается в реальном мире, а также на совместимость с периферийными устройствами.

Ethernet

Стандарты IEEE 802.3af , 802.3at и 802.3bt Power over Ethernet (PoE) определяют более сложные схемы согласования мощности, чем USB с питанием. Они работают при напряжении 48 В постоянного тока и могут подавать большую мощность (до 12,95 Вт для 802.3af , 25,5 Вт для 802.3at , он же PoE+ , 71 Вт для 802.3bt , он же 4PPoE ) по кабелю длиной до 100 метров по сравнению с USB 2.0. который обеспечивает мощность 2,5 Вт при максимальной длине кабеля 5 метров. Это сделало PoE популярным для телефонов Voice over IP , камер видеонаблюдения , точек беспроводного доступа и других сетевых устройств внутри зданий. Однако USB дешевле, чем PoE, при условии небольшого расстояния и низкого энергопотребления.

Стандарты Ethernet требуют электрической изоляции между сетевым устройством (компьютером, телефоном и т. д.) и сетевым кабелем до 1500 В переменного тока или 2250 В постоянного тока в течение 60 секунд. USB не имеет такого требования, поскольку он был разработан для периферийных устройств, тесно связанных с главным компьютером, и фактически соединяет заземления периферийного устройства и хоста. Это дает Ethernet значительное преимущество в безопасности перед USB с периферийными устройствами, такими как кабельные и DSL-модемы, подключенными к внешней проводке, которая может находиться под опасным напряжением при определенных условиях неисправности.

МИДИ

Определение класса USB-устройства для MIDI-устройств передает музыкальные данные цифрового интерфейса музыкального инструмента ( MIDI ) через USB. Возможности MIDI расширены и позволяют одновременно использовать до шестнадцати виртуальных MIDI-кабелей , каждый из которых может передавать шестнадцать обычных MIDI-каналов и тактовую частоту.

USB является конкурентоспособным среди недорогих и физически соседних устройств. Однако Power over Ethernet и стандарт MIDI- штекера имеют преимущество в устройствах высокого класса, которые могут иметь длинные кабели. USB может вызвать проблемы с контуром заземления между оборудованием, поскольку он соединяет опорные точки заземления на обоих трансиверах. Напротив, стандарт MIDI-штекера и Ethernet имеют встроенную изоляцию до 500 В и более.

eSATA/eSATAp

Разъем eSATA — более надежный разъем SATA , предназначенный для подключения внешних жестких дисков и твердотельных накопителей. Скорость передачи данных eSATA (до 6 Гбит/с) аналогична скорости передачи данных USB 3.0 (до 5 Гбит/с) и USB 3.1 (до 10 Гбит/с). Устройство, подключенное через eSATA, выглядит как обычное устройство SATA, обеспечивая полную производительность и полную совместимость с внутренними дисками.

eSATA не подает питание на внешние устройства. Это растущий недостаток по сравнению с USB. Несмотря на то, что мощности USB 3.0 4,5 Вт иногда недостаточно для питания внешних жестких дисков, технологии развиваются, и внешним дискам постепенно требуется меньше энергии, что уменьшает преимущество eSATA. eSATAp (питание через eSATA, также известное как ESATA/USB) — это разъем, представленный в 2009 году, который подает питание на подключенные устройства с помощью нового, обратно совместимого разъема. На ноутбуке eSATAp обычно подает только 5 В для питания 2,5-дюймового жесткого диска или твердотельного накопителя; на настольной рабочей станции он может дополнительно подавать напряжение 12 В для питания более крупных устройств, включая 3,5-дюймовые жесткие диски/твердотельные накопители и 5,25-дюймовые оптические приводы.

Поддержка eSATAp может быть добавлена ​​к настольному компьютеру в виде кронштейна, соединяющего ресурсы SATA материнской платы, питание и USB.

eSATA, как и USB, поддерживает горячее подключение , хотя это может быть ограничено драйверами ОС и прошивкой устройства.

Удар молнии

Thunderbolt объединяет PCI Express и Mini DisplayPort в новый интерфейс последовательной передачи данных. Исходные реализации Thunderbolt имеют два канала, каждый со скоростью передачи 10 Гбит/с, в результате чего совокупная однонаправленная пропускная способность составляет 20 Гбит/с.

Thunderbolt 2 использует агрегацию каналов для объединения двух каналов 10 Гбит/с в один двунаправленный канал 20 Гбит/с.

Thunderbolt 3 и Thunderbolt 4 используют USB-C . Thunderbolt 3 имеет два физических двунаправленных канала 20 Гбит/с, объединенных в один логический двунаправленный канал 40 Гбит/с. Контроллеры Thunderbolt 3 могут включать контроллер USB 3.1 Gen 2 для обеспечения совместимости с USB-устройствами. Они также способны обеспечивать альтернативный режим DisplayPort, а также DisplayPort через USB4 Fabric, что делает функцию порта Thunderbolt 3 расширенной функцией порта USB 3.1 Gen 2.

Альтернативный режим DisplayPort 2.0: USB4 (требуется USB-C) требует, чтобы концентраторы поддерживали DisplayPort 2.0 через альтернативный режим USB-C. DisplayPort 2.0 может поддерживать разрешение 8K при частоте 60 Гц и цвете HDR10. DisplayPort 2.0 может использовать скорость до 80 Гбит/с, что вдвое превышает объем, доступный для данных USB, поскольку он отправляет все данные в одном направлении (на монитор) и, таким образом, может использовать все восемь каналов передачи данных одновременно.

После того, как спецификация стала бесплатной, а ответственность за протокол Thunderbolt была передана от Intel Форуму разработчиков USB, Thunderbolt 3 был эффективно реализован в спецификации USB4 – с совместимостью с Thunderbolt 3, которая не является обязательной, но рекомендуется для продуктов USB4.

Совместимость

Основная статья: Адаптер USB-последовательный порт

различные преобразователи протоколов Доступны , которые преобразуют сигналы данных USB в другие стандарты связи и обратно.

Угрозы безопасности

Из-за распространенности стандарта USB существует множество эксплойтов, использующих стандарт USB. Один из самых ярких примеров этого сегодня известен как USB killer — устройство, которое повреждает USB-устройства, посылая импульсы высокого напряжения по линиям передачи данных.

В версиях Microsoft Windows до Windows XP Windows автоматически запускала сценарий (если он присутствует) на определенных устройствах посредством автозапуска , одним из которых является запоминающее устройство USB, которое может содержать вредоносное программное обеспечение.

См. также

USB

• USB-оборудование
• USB-протокол
• USB-C
• USB-концентратор
• Расширяемый интерфейс хост-контроллера (XHCI)
• Список скоростей передачи данных интерфейса § Периферийные устройства
• ВебUSB

Производные и родственные стандарты

• ДокПорт
• ЛИО Цель
• Протокол передачи мультимедиа
• Мобильная ссылка высокой четкости
• Thunderbolt (интерфейс)
• Легкий перенос Windows

Дальнейшее чтение

• Аксельсон, Январь (1 сентября 2006 г.). USB Mass Storage: проектирование и программирование устройств и встроенных хостов (1-е изд.). Исследования Лейквью . ISBN  978-1-931-44804-8 .
• ——— (1 декабря 2007 г.). Последовательный порт завершен: COM-порты, виртуальные COM-порты USB и порты для встраиваемых систем (2-е изд.). Исследования Лейквью. ISBN  978-1-931-44806-2 .
• ——— (2015). USB Complete: Руководство разработчика (5-е изд.). Исследования Лейквью. ISBN  978-1-931448-28-4 .
• Хайд, Джон (февраль 2001 г.). Проектирование USB на примере: практическое руководство по созданию устройств ввода-вывода (2-е изд.). Интел Пресс . ISBN  978-0-970-28465-5 .
• «Отладка USB 2.0 на соответствие требованиям: это не просто цифровой мир» (PDF) . Кейсайт Технологии . Рекомендации по применению технологий (1382–3). Ключевой взгляд.

Внешние ссылки

Общий обзор

• Джоэл Джонсон (29 мая 2019 г.). «Невероятное происхождение USB, порта, который изменил все» . Компания Фаст .
• Ли, Питер (24 мая 2020 г.). Почему USB продолжает меняться? (видео).
• Парих, Биджал. «USB (универсальная последовательная шина): обзор» . Инженерный гараж . ВТВХ Медиа . Проверено 7 мая 2022 г.
• Барнатт, Кристофер (25 сентября 2022 г.). Объяснение USB: от 1.0 до USB4 V2.0 (ExplainingComputers) (видео).

Техническая документация

• «Форум разработчиков USB (USB-IF)» . USB.org .
• «Библиотека документов USB (USB 3.2, USB 2.0, беспроводной USB, USB-C, USB Power Delivery)» . USB.org .
• «Универсальный интерфейс хост-контроллера (UHCI)» (PDF) . Intel – через mit.edu.
• «Разъемы USB 3.0 Standard-A, Standard-B, Powered-B» . Руководство по распиновке . Архивировано из оригинала 14 мая 2016 года.
• Мюллер, Хенк (июль 2012 г.). «Как создавать и программировать USB-устройства» . Электронный дизайн .
• Гарни, Джон (июнь 1996 г.). «Анализ пропускных характеристик универсальной последовательной шины» (PDF) .
• Хершенхорен, Рази; Резник, Омер (октябрь 2010 г.). «Обработчик протокола USB 2.0» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 августа 2020 года . Проверено 30 января 2019 г.
• IEC 62680 (Интерфейсы универсальной последовательной шины для данных и питания):
  • IEC 62680-1.1:2015. Часть 1-1. Общие компоненты. Спецификация зарядки аккумулятора через USB, редакция 1.2.
  • IEC 62680-1-2:2018. Часть 1-2. Общие компоненты. Спецификация USB Power Delivery.
  • IEC 62680-1-3:2018. Часть 1-3. Общие компоненты. Спецификация кабеля и разъема USB Type-C.
  • IEC 62680-1-4:2018. Часть 1-4. Общие компоненты. Спецификация аутентификации USB Type-C.
  • МЭК 62680-2-1:2015 - Часть 2-1: Спецификация универсальной последовательной шины, версия 2.0
  • IEC 62680-2-2:2015 - Часть 2-2: Спецификация кабелей и разъемов Micro-USB, редакция 1.01
  • IEC 62680-2-3:2015 - Часть 2-3: Кабели и разъемы универсальной последовательной шины, класс документа, версия 2.0
  • IEC 62680-3-1:2017. Часть 3-1. Спецификация универсальной последовательной шины 3.1.