Как работает USB

USB кабель

Фото: Adam Birkett

Большинство компьютеров сегодня комплектуется хотя бы одним портом USB (Universal Serial Bus – «универсальная последовательная шина»). С помощью этих разъемов мы можем быстро и легко подключать мыши, принтеры и другие аксессуары к компьютеру. Поскольку все операционные системы поддерживают USB, то установка дополнительных драйверов не требуется. По сравнению с другими способами подключения устройств к вашему компьютеру (параллельные или последовательные порты и т.п.), взаимодействие с USB невероятно удобно.

Любой, кто давно знаком с компьютерами, в курсе проблемы, которую пытается решить универсальная последовательная шина. До появления USB подключение любых дополнительных устройств к компьютерам было настоящей головной болью.

Принтеры использовали параллельные порты, а на большинстве компьютеров имелся только один. Различные внешние носители данных, нуждающиеся в высокоскоростном подключении к компьютеру, также использовали параллельный порт, часто с ограниченным успехом и небольшой скоростью. Сходные проблемы были и с последовательными портами.

Таким образом, основной целью при разработке стандарта USB ставилось прекращение всех этих головных болей. Так что же такое USB?

USB — это единый, стандартизированный и простой в использовании разъем, способный подключить до 127 внешних устройств к хосту (компьютеру).

В этой статье мы рассмотрим USB-порты как с точки зрения пользователя, так и с технической точки зрения.

Типы USB разъемов и кабелей

Работать с USB просто – вы подключаете устройство в соответствующий разъем, и дело с концом.

Если устройство новое, то операционная система ищет соответствующий драйвер. Если устройство ранее уже устанавливалось, то компьютер начинает с ним взаимодействовать мгновенно. Вы можете подключать и отключать USB-устройства в любое время.

Все разъемы USB делятся на три типа:

  • Тип A;
  • Тип B (есть отдельные версии – Mini USB и Micro USB);
  • Тип C;

Разъем USB типа A наиболее распространен и является самым узнаваемым. Компьютерные мышки, клавиатуры, внешние жесткие диски оснащены именно этим коннектором. Разработка этого форм-фактора USB была закончена в 90-х годах прошлого столетия, релиз состоялся вместе с первой версией стандарта. Основным преимуществом является прочность и надежность, позволяющие выдержать большое количество подключений без каких-либо проблем. Несмотря на прямоугольную форму разъема, его нельзя воткнуть неправильно, благодаря специальной защите. Однако из-за больших габаритов, не подходивших для портативных устройств, были разработаны USB разъемы меньших размеров.

Типы USB разъемов

Коннекторы USB типа B обычно используются для подключения периферийных устройств к компьютеру на стороне устройства. Сейчас этот тип разъема не распространен. Также существуют портативные разъемы типа B – Mini USB и Micro USB.

Появление Mini USB было обусловлено широким распространением миниатюрных устройств, размер которых не позволял использовать полноценные разъемы. Однако вскоре стало понятно, что этот разъем не отличается надежностью. Поэтому ему на смену пришла спецификация Micro USB. Измененная форма позволяла крепко держаться в устройстве, к тому же коннектор был еще меньше, нежели Mini USB. Использование Micro USB фактически стало стандартом для всех компактных устройств. Но уже сейчас ему на смену приходит USB типа C.

USB Type-C или USB-C – это последний из представленных стандартов разъемов USB. Релиз спецификации состоялся в 2014 году. Данная версия обеспечивает высокую скорость передачи данных, а также возможность двустороннего подключения.

Стандарты USB

15 января 1996 года была представлена первая спецификация стандарта универсальной последовательной шины — USB 1.0. Скорость передачи данных не превышала 12 Мбит/c, а максимальная сила тока, подаваемая на подключенные устройства, составляла 500 мА.

Версия USB 1.1 лишь исправляла ошибки, допущенные при проектировании первой спецификации, однако именно 1.1 впервые была широко распространена. Стандарт USB 2.0 был анонсирован уже в апреле 2000 года и служил обновлением для USB 1.1.

USB 2.0 предоставил дополнительную пропускную способность для приложений, мультимедиа и хранения данных. Скорость передачи данных возросла в 40(!) раз. Для обеспечения плавного перехода на новый стандарт как для потребителей, так и для производителей, USB 2.0 имел полную совместимость с оригинальными USB-устройствами.

Данный стандарт поддерживает три режима скорости (1.5, 12 и 480 мегабит в секунду):

  • Low Speed (не более 1.5 Мбит/с) – клавиатуры, мыши, джойстики;
  • Full Speed (не более 12 Мбит/с) – аудио- и видеоустройства;
  • High Speed (не более 480 Мбит/с) – высокопроизводительные периферийные устройства;

Внедрение USB 2.0 позволило сильно продвинуться в развитии периферийных «девайсов» для персональных компьютеров. Этот стандарт позволил подключать несколько энергоемких устройств к хосту одновременно.

Стандарт USB 3.0 (SuperSpeed ​​USB) стал официальным 17 ноября 2008 года. Новая спецификация поддерживала скорость передачи в 10 раз большую (до 4.8 гигабит в секунду), нежели USB 2.0. Максимальная сила тока, подаваемая на периферийные устройства, возросла с 500 до 900 мА. Это позволило не использовать дополнительные источники питания для некоторых гаджетов, а также увеличить количество устройств, питающихся от одного порта.

Переход на USB 3.0 был очень медленным. Корпорация Intel отложила внедрение стандарта в свои чипсеты до 2011 года. Отсутствовала поддержка новой спецификации и со стороны софта: ни Windows, ни Linux на тот момент не могли работать с версией 3.0.

Летом 2013 года был разработан обновленный стандарт — USB 3.1. Скорость передачи данных возросла до 10 Гбит/с. Стандарт 3.1 обратно совместим с версиями 2.0 и 3.0. Именно с этой версией стали появляться новые разъемы USB Type-C.

Версия USB 3.2 обещает снова увеличить скорость обмена данными вдвое – уже до 20 Гбит/с.

USB-хабы (USB-концентраторы, USB-разветвители)

Компьютеры, как минимум, имеют один или два USB-разъема. Но с таким количеством USB-устройств на рынке, вы быстро исчерпаете лимит доступных портов. У вас могут быть одновременно подключены клавиатура, мышь, принтер, микрофон и веб-камера, работающие через USB. Возникает очевидный вопрос: «Как подключить все устройства?»

Легкое решение проблемы — купить недорогой USB-концентратор (хаб). Что же такое USB-хаб?

USB-хаб – это устройство, выполняющее роль «переходника» от одного разъема USB до большего количества.

Стандарт USB поддерживает подключение до 127 устройств к одному порту, а USB-хабы являются частью стандарта. К тому же, с помощью USB-хабов можно увеличить длину USB провода с максимально возможных для одного кабеля 5 метров до 30.

Вы подключаете разветвитель к компьютеру, а затем подключаете свои устройства (или другие разветвители) непосредственно к нему. Соединяя концентраторы вместе, вы можете создавать десятки доступных USB-портов на одном компьютере.

Концентраторы могут питать или не питать подключенные устройства. У энергоемких устройств (принтеров, сканеров и т.д.) есть свой собственный источник питания, но устройства с низким энергопотреблением (мыши, клавиатуры и т.д.) получают питание от компьютера. Это сильно упрощает работу с ними. Мощность (до 500 миллиампер с напряжением 5 вольт для USB 2.0 и 900 миллиампер для USB 3.0) поступает с шины компьютера. Если у вас много устройств с автономным питанием (например, принтеры и сканеры), то ваш концентратор не нуждается в питании. Если же у вас много устройств без питания, таких как мыши и клавиатуры, вам, вероятно, нужен мощный концентратор с собственным блоком питания.

Как работает USB?

Как мы уже говорили, к одному USB хосту можно подключить одновременно несколько устройств. Каждому устройству ставится в соответствие уникальный адрес – 7-битное двоичное число (отсюда и следует ограничение в 127 устройств). В момент подключения к хосту устройство высылает данные, содержащие информацию о типе прибора, производителе и т.д. На основе этих данных хост принимает решение, в каком режиме работать с данным аппаратом.

Обмен данными между устройствами осуществляется с помощью транзакций – последовательностей, состоящих из нескольких пакетов (блоков) информации. Обмен всегда начинается с отправки небольшого пакета (токена) с хоста, в котором содержится информация об адресе устройства, направлении передачи и так далее. Чтобы сильно не углубляться мы приведем пример наиболее часто используемых токенов:

  • IN (хост готов принимать данные с устройства);
  • OUT (хост готов передавать данные на устройство);
  • SETUP (хост сообщает устройству о последующей передаче конфигурационной информации);

Одна транзакция может передавать сразу несколько пакетов при условии, что длина данных в пакете будет максимально допустимой. Передача данных заканчивается при получении неполного пакета данных. После этого устройство отправляет обратно пакет-подтверждение об удачном или неудачном завершении операции. Пакеты в транзакции передаются постоянно и без пауз, задержка не должна превышать 1 микросекунду. Если пауза растянется, то транзакция будет признана ложной.

Использование USB-портов и разъемов стало повсеместным. Они применяются и на компьютерах, и на мобильных устройствах, и на устройствах хранения данных. USB-коннекторы сильно облегчили процесс питания устройств и передачи данных в современном мире.

Последние статьи

Стекло

Как работает пулестойкое стекло

Бейсджампинг

Что такое бейсджампинг?

Логотип Wi-Fi

Как работает Wi-Fi

Океан

Какой океан самый маленький?

Чипсы

Как появились чипсы?

Доллар

Как работает венчурный фонд