USB

1.

USB
Выполнила Командой А

2.

Оглавление
USB слайд 3-4
История usb слайд 5-11
Основные сведения слайд 12-16
Версии слайд 17-34
USB 1.0
USB 1.1
USB 2.0
USB OTG
USB 3.x
USB4
Inter-Chip USB
Wireless USB
Media Agnostic USB
Кабели разъёмы слайд 35-48
метод связи слайд 49-64
plug and play слайд 65-65
Электропитание слайд 67 - 76
Достоинства и недостатки слайд 77-85
Факты слайд 86

3.

USB
Universal Serial Bus
USB - «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.

4.

USB
Universal Serial Bus
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.

5.

История USB
Usb был разработан в 1996г. и был выпушен в производство в мае 1996г.
Разработка спецификаций USB производится в рамках международной
некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей
разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.
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
Подключить к компьютеру мобильный телефон.
Простота для пользователя

6.

История USB
Поддержка USB вышла в виде патча к Windows 95 OEM Service Release 2, в дальнейшем
она вошла в стандартную поставку Windows 98. В первые годы устройств было мало,
поэтому шину в шутку называли «Useless serial bus» («бесполезная последовательная
шина»)[5]. Впрочем, производители быстро осознали пользу USB, и уже к 2000 году
большинство принтеров и сканеров работало с новым интерфейсом.
Hewlett-Packard, Intel, Lucent (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.

7.

История 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 Mini-A и Mini-B, позднее появилась
спецификация USB OTG. В 2007 году появились разъёмы Micro-A и Micro-B, вдвое тоньше
Mini- и более надёжные.
Ещё один недостаток MiniUSB — 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 электронного мусора объявили
основным стандартом зарядных устройств для мобильных телефонов Micro-B, но
меморандум так полностью и не был реализован — Apple просто сделала переходник
с Micro-B на свой разъём.

8.

История USB
В начале 2000-х годов корпорация Apple отдавала приоритет шине FireWire, в
разработке которой она принимала активное участие. 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 (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.

9.

История USB
Пока происходило распространение USB-портов второй версии, производители
внешних жёстких дисков уже «упёрлись» в ограничение USB 2.0. 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.

10.

История USB
Пока происходило распространение USB-портов второй версии, производители
внешних жёстких дисков уже «упёрлись» в ограничение USB 2.0. 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. 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.

11.

История USB
Вышедший в 2019 году USB4 позволил менять направление сверхскоростных линий, что
дало 40 Гбит/с в одну сторону. Он также позволил 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.c

12.

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».
№ контакта
Маркировка
Описание
1
VBUS
+5V
2
Data ─
Данные ─
3
Data ┼
Данные ┼
4
Ground
Земля
Экран
Оплетка

13.

Основные сведения
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 USBконцентратор. 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.
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.

14.

Основные сведения
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 четырех классов — поточный
(bulk), управляющий (control), изохронный (isoch) и прерывание (interrupt).
Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронных и поточных
каналов.

15.

Основные сведения
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.
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.

16.

Основные сведения
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.

17.

Версии спецификации
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.
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

18.

Предварительные версии
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

19.

Предварительные версии
USB 1.1
Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и
ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое
распространение

20.

Предварительные версии
USB 2.0
Спецификация выпущена в апреле 2000 года.
USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима High-Speed (пометка на логотипе — «Hispeed»).
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 (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.

21.

Предварительные версии
USB 2.0
(Последующие модификации)
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.

22.

Предварительные версии
USB OTG
(USB On-The-Go)
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 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.

23.

Предварительные версии
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.
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.

24.

Предварительные версии
USB 3.x
USB 3.0
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.
Хост-контроллер USB 3.0 (xHCI) 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 спецификации USB 2 и USB 3.1, вместо трёх. После выхода спецификации
USB 3.2 переименован в USB 3.2 Gen 1.

25.

Предварительные версии
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.

26.

Предварительные версии
USB 3.1
В USB 3.1 Gen 2, помимо увеличения скорости до 10 Гбит/с, были снижены издержки
кодирования до 3 % переходом на схему кодирования 128b/132b.
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).

27.

Предварительные версии
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.

28.

Предварительные версии
USB 3.2
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 так же прописан вариант с двумя линиями, каждая из которых
работает по протоколу USB 3.0:
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.

29.

Предварительные версии
USB 3.2
Новая схема именования
После выхода стандарта USB 3.2 организация USB-IF ввела новую схему именования[27].
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
USB 3.2 Gen 1
USB 3.1
Gen 1
USB 3.2 Gen 2
USB 3.1
Gen 2
USB 3.2 Gen 2x2
---
Маркетинговое
Режим
название (USB-IF Скорость
передачи
branding)
Скорость
передачи
Gen 1
SuperSpeed USB
5Gbps
5Gbps
500 MB/s
USB 3.1
Gen 2
SuperSpeed USB
10Gbps
10Gbps
1.21 GB/s
USB 3.2
Gen 2 × 2
SuperSpeed USB
20Gbps
20Gbps
2.42 GB/s
Оригинальное
название
USB 3.0
Карти
нка

30.

Предварительные версии
USB4
В отличие от предыдущих версий, название протокола пишется слитно, без пробела
между словом «USB» и цифрой «4».
Спецификация четвертой 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.
30 сентября 2021 года были представлены новые логотипы кабелей USB Type-C, которые
помимо скорости передачи данных показывают ещё и мощность зарядки: 60 Вт или 240
Вт

31.

Предварительные версии
Inter-Chip USB
Inter-Chip USB (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.

32.

Предварительные версии
Inter-Chip USB
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

33.

Предварительные версии
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.

34.

Предварительные версии
Media Agnostic USB
В 2013 году была представлена спецификация MA-USB, позволяющая инкапсуляцию USB
протокола в существующие каналы связи, включая WiFi и WiGig.

35.

Кабели и разъёмы USB
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
4х12 мм
3х7 мм
7х8 мм
3х7 мм
Тип A
Тип B
Micro
2
х
7
м
м
2х7 мм

36.

Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0
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.

37.

Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0
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-А и -В
Номер контакта
Обозначение
Цвет провода
1
Vbus
Красный или
Оранжевый
+ 5V
2
D-
Белый или
Золотой
Данные -
3
D+
4
GND
Зелёный
Чёрный или
описание
Данные +
Синий
Земля

38.

Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0
Распиновка Mini/Micro-A и -B
Номер контакта
Обозначение
Цвет провода
описание
1
Vbus
Красный
+ 5V
2
D-
Белый
Данные -
3
D+
Зелёный
4
ID
No wire
5
GND
Чёрный
Данные +
On-The-Go ID
определяет конец
кабеля:
A (хост): подключён к
земле
B (устройство): не
подключён
Земля

39.

Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0
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).

40.

Кабели и разъёмы USB 1.x и 2.0
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
Ограничения длины кабеля также связаны 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.

41.

Кабели и разъёмы USB
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. Также 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.

42.

Кабели и разъёмы USB 3.0 и их
совместимость с USB 2.0
Гнёзда eSATAp, 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.

43.

Кабели и разъёмы USB 3.0 и их
совместимость с USB 2.0
Изображения разъёмов USB 3.0
Обычный
Тип А
Тип В
Тип С
Mini
Micro

44.

Кабели и разъёмы USB 3.0 и их
совместимость с USB 2.0
Расположение выводов соединителей USB 3.0 типа A
№ контакта
А
В
Micro B
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VBUS (VCC)
DD+
GND
StdA_SSTX−
StdA_SSTX+
GND_DRAIN
StdA_SSRX−
StdA_SSRX+
VBUS (VCC)
DD+
GND
StdA_SSTX−
StdA_SSTX+
GND_DRAIN
StdA_SSRX−
StdA_SSRX+
VBUS (VCC)
DD+
ID
GND
StdA_SSTX−
StdA_SSTX+
GND_DRAIN
StdA_SSRX−
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».

45.

Кабели и разъёмы USB
Расположение выводов соединителей USB 3.0 Powered-B
1
VBUS
2
USB D-
3
USB D+
4
GND
5
StdA_SSRX−
6
StdA_SSRX+
7
GND_DRAIN
8
StdA_SSTX−
9
StdA_SSTX+
10
DPWR
11
GND_D
+5V Питание
USB 2.0 данные
Земля
SuperSpeed-приём
Земля
SuperSpeed-передача
Дополнительное питание на устройство
Земля питания устройства
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.

46.

Кабели и разъёмы USB
USB Type-C
Назначение контактов USB Type-C разъёма — гнезда и штекера
Контакт
Название Описание
A1
A2
GND
TX1+
Земля
A3
TX1-
A4
A5
A6
Vbus
CC1
D+
A7
D-
A8
A9
SBU1
Vbus
A10
RX2-
A11
RX2+
A12
GND
Контакт
Название
Описание
B1
B2
GND
RX2+
SuperSpeed дифференциальная пара #1,
передача-
B3
RX2-
Плюс питания
B4
B5
B6
Vbus
SBU2
D-
B7
D+
B8
B9
CC2
Vbus
B10
TX1-
B11
TX1+
SuperSpeed дифференциальная пара #1,
передача+
B12
GND
Земля
SuperSpeed дифференциальная пара #1,
передача+
Конфигурирующий канал (или согласующий)
High-Speed дифференциальная пара,
положение 1, данные+
High-Speed дифференциальная пара,
положение 1, данныеДополнительный канал (Sideband)
Плюс питания
SuperSpeed дифференциальная пара
#4, приемSuperSpeed дифференциальная пара
#4, прием+
Земля
Земля
SuperSpeed дифференциальная
пара #2, прием+
SuperSpeed дифференциальная
пара #2, приемПлюс питания
Дополнительный канал(Sideband)
High-Speed дифференциальная
пара, положение 1, данныеHigh-Speed дифференциальная
пара, положение 1, данные+
Конфигурирующий канал
Плюс питания
SuperSpeed дифференциальная пара #1,
передача-

47.

Кабели и разъёмы USB
USB Type-C
Назначение контактов USB Type-C
разъёма — гнезда и штекера

48.

Кабели и разъёмы USB
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.

49.

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.
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.

50.

Метод связи
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.

51.

Метод связи
Физический уровень
Упрощённая электрическая схема USB-соединения показана на рисунке. 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.
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.

52.

Физический уровень
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.

53.

Метод связи
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).

54.

Структура пакетов
Типы пакетов USB представлены в таблице:
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 CRC16. 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».

55.

Структура пакетов
Пакеты типа ACK, NACK, STALL завершают транзакцию,
сообщая о (не)успешности текущей транзакции. Не
содержат дополнительные поля.
Дифференциальная линия связи в виде витой пары проводов с
импедансом 90 Ом
Схемотехника портов USB
Full и High Speed.
Устройство Low Speed
отличается подключением
резистора 1,5к к D−
вместо D+
Осциллограмма пакета NACK
для Full Speed устройства

56.

Метод связи
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).

57.

Метод связи
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).

58.

Метод связи
Endpoint
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.

59.

Метод связи
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.

60.

Метод связи
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 пакетподтверждение (handshake), например ACK (всё успешно принято), NACK (не смог
принять: например, переполнен входной буфер), STALL (данные адресованы
отключённому endpoint)

61.

Метод связи
Принципы обмена данными
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 пакетомподтверждением 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.

62.

Метод связи
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.

63.

Метод связи
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.

64.

Метод связи
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.

65.

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.

66.

Plug and Play
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.

67.

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.

68.

Электропитание
USB Battery Charging
Первая попытка стандартизировать повышенное потребление гаджетов и источники
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 идентифицировались гаджетом 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.

69.

Электропитание
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 существующей кабельной инфраструктуре больших мощностей. Повышенное
напряжение выдаётся хостом на провод питания Vusb.
Для совместимости со старыми устройствами хост возвращает напряжение к старым
значениям 5 вольт, как только обнаруживает отсоединение устройства.
Технология USB Power Delivery обеспечивает передачу энергии 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.

70.

USB Power Delivery
USB PD Rev.1
Профили источника USB PD rev. 1
Профиль
0
1
2
3
4
5
+5 В
+12 В
+20 В
Reserved
2 A (10 Вт)
Нет
при включении 1,5A(18 Вт)
3 A(36 Вт)
5 A(60 Вт)
Нет
3 A(60 Вт)
5 A(100 Вт)
В 2012 году представлена первая
ревизия USB PD. Использовалась
стандартная разъёмная и кабельная
инфраструктура 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
(Vbus). Использовалась частотная
модуляция с несущей 24 МГц.

71.

USB Power Delivery
USB PD Rev.2
Профили источника USB PD rev. 2
Мощность источника, Вт
0,5—15
Ток, А
+5 В
+9 В
0,1—3
Нет
15-27
27—45
45—60
60—100
1,7-3
3 (15 Вт)
+15 В
Нет
+20 В
Нет
1,8—3
3 (27 Вт)
3 (45 Вт)
2,25-3
3—5
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. Источник менее жёстко
ограничен требованиями профилей
первой ревизии и гибче подходит к выбору
максимального тока нагрузки в
зависимости от располагаемой
мощности.

72.

Электропитание
Нестандартные решения
Питание мобильных гаджетов
Производители мобильных гаджетов не могли пройти мимо доступности
электричества из USB-розетки. Появилось множество устройств, отбирающих
ток без соблюдения требований спецификации USB.
При этом требуемый устройством ток заряда мог быть гораздо выше, чем
разрешал 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

73.

Нестандартные решения
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, Common
external power supply (англ.)рус., 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−.

74.

Электропитание
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.

75.

Qualcomm Quick Charge
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[63]. Корпорация Google выпустила
рекомендацию не поддерживать QC 2.0 и 3.0 в Android-устройствах[64]. 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.

76.

Электропитание
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.

77.

Достоинства и недостатки
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. Данный недостаток
наиболее проявляется в малогабаритных устройствах, например, в мобильных
телефонах, планшетных компьютерах, электронных устройствах для чтения и карманных
цифровых проигрывателях.
Протокол требует от конечного устройства поддержания достаточно сложного
алгоритмического стека как для непосредственно обмена по шине, так и для
поддержания сопутствующих функций типа инициализации или ответов на служебные
сообщения.

78.

Достоинства и недостатки
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 денежных затрат 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.

79.

Достоинства и недостатки
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.

80.

Достоинства и недостатки
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.

81.

Достоинства и недостатки
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.

82.

Достоинства и недостатки
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.

83.

Достоинства и недостатки
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.).

84.

Уязвимость
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.

85.

Достоинства и недостатки
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 SBP2 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 USB OTG; ранее же эти реализации были завязаны на конкретного
производителя. Шина 1394/FireWire изначально не подвержена этому недостатку
(например, можно соединить две видеокамеры).

86.

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.