USB (Universel seriel bus): Definition og anvendelser

Den første version af Universal Serial Bus blev udviklet i 1995. Denne nye teknologi blev en øjeblikkelig succes. Siden introduktionen af USB har folk, der fremstiller elektroniske enheder, tænkt over, hvordan den kunne bruges i fremtiden. I dag forbinder USB en computer eller andre enheder som f.eks. bærbare computere og MP3-afspillere med perifere enheder.

Bussen blev introduceret af syv virksomheder, som repræsenterer de førende inden for informationsteknologi: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom og Digital Equipment Corporation (DEC).

Flere år tidligere holdt de, der havde indført og udviklet USB, et møde kaldet Plugfest på et særligt hotel i Californien for at teste deres enheder. De valgte et hotel med værelser til at sove på og til testning. Mødet varede tre dage. Under mødet tilsluttede repræsentanterne for ca. 50 virksomheder deres USB-enheder til ét generelt værtssystem.

USB-enhedens logo har også sin egen historie. USB-logoet var under udvikling i flere måneder.

• 1994 - Syv virksomheder gik sammen om at påbegynde udviklingen af USB.
• 1995 - 340 virksomheder dannede USB Implementation Forum.
• 1996 - Mere end fem hundrede USB-produkter var allerede ved at blive udviklet rundt om i verden.
• 1997 - USB Implementation Forum blev udvidet med 60 nye virksomheder.
• 1998 - USB bliver den mest populære teknologi på markedet for elektronik.
• 2000 - Introduktion af USB 2.0. I dag er det den mest udbredte USB-enhed.
• 2005 - USB bliver trådløs.
• 2008 - USB 3.0 introduceres. Den er over 10 gange hurtigere end USB 2.0.
• 2013 - USB 3.1 introduceres. Den er ca. dobbelt så hurtig som USB 3.0.
• 2015 - USB Type-C bliver introduceret. Det er et vendbart stik, hvilket betyder, at du kan tilslutte det begge veje.
• 2019 - USB 4 bliver introduceret. Den er over 8 gange hurtigere end USB 3.0.

Der anvendes i øjeblikket fem forskellige USB-standarder: Der findes fem forskellige standarder: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 og USB 3.1. USB 3.1 blev frigivet i 2016 og fordoblede hastigheden i forhold til 3.0. Den bruger valgfrit et andet stik kaldet USB Type-C, som er vendbart (hvilket betyder at du kan sætte det i begge veje). USB 1.0 bruges nu sjældent.

USB tilbyder fem forskellige overførselshastigheder: Der findes fem forskellige overførselsmuligheder: 1,5 MBit pr. sekund (kaldet low speed), 12 MBit pr. sekund (Full Speed), 480 MBit pr. sekund (Hi Speed), 5 Gbit pr. sekund (kaldet super speed) og 10 Gbit/s ("super speed+"). Hi speed er kun tilgængelig i USB 2.0 og senere, og Super speed er kun tilgængelig i USB 3.0. Disse hastigheder er rå bithastigheder (i millioner bits pr. sekund). Den faktiske datahastighed er normalt lavere på grund af protokoloverhead.

For at kunne bruge den høje overførselshastighed skal både USB-controlleren og den tilsluttede enhed understøtte den. USB er bagudkompatibel. Hurtigere og langsommere USB-enheder og -controllere kan tilsluttes sammen, men de vil køre med den langsommere hastighed.

Fra 2022 har næsten alle computere, der sælges i dag, USB-porte, og de fleste af dem understøtter USB 3.0 eller nyere og har mindst én USB-C-port. Apple Macbooks har kun USB-C-porte. Antallet af porte, de har, er dog normalt begrænset. Mellem to og fire porte er almindeligt. USB gør det muligt at tilslutte USB-hubs for at tilføje flere USB-porte.

Selve hubsene er også i overensstemmelse med en af USB-standarderne. Enheder, der er tilsluttet en USB 2.0-hub, kan kun køre så hurtigt som USB 2.0-hastigheden. Enheder, der er tilsluttet en senere controller, kan bruge andre standarder.

USB er designet til at være let at bruge. Ingeniørerne lærte af andre stik, før de udviklede USB-stik. Der er 3 stik.

• Type A, almindeligvis anvendt i computerens ende af kablet
• Micro-A (sjælden)
• Type B, i den perifere ende, sjældent, undtagen for printere
• Micro-B, i periferienden, til de fleste smartphones
• Type C, i begge ender. Fra 2022 bruger mange computere, telefoner og periferiudstyr den.

Brugervenlighed

• Det er ikke muligt at tilslutte et USB A- eller B-stik forkert. De kan ikke gå i på hovedet, og det er tydeligt ved udseendet og den kinæstetiske følelse, når det går rigtigt i. Nogle gange forstår eller ser en bruger dog ikke, hvordan stikket går, og det kan derfor være nødvendigt at prøve begge veje.
• Type C-USB-stik kan tilsluttes på begge måder. Det er ligegyldigt, hvilken vej stikket er sat i.
• Det er ikke nødvendigt at skubbe eller trække meget hårdt for at sætte den i eller tage den ud af stikket. Dette stod i specifikationen. USB-kabler og små USB-enheder holdes på plads af den kraft, der kommer fra stikkontakten. USB har ikke brug for skruer, clips eller andre fastgørelsesanordninger. Den kraft, der er nødvendig for at skabe eller bryde en forbindelse, er lille. Dette gør det muligt for personer med motoriske handicap at foretage tilslutninger i vanskelige stillinger eller i forbindelse med personer med motoriske handicap.
• Før Type C blev indført, håndhævede stikkene den retningsbestemte topologi i et USB-netværk. USB understøtter ikke cykliske netværk, så stikkene fra inkompatible USB-enheder er selv inkompatible. I modsætning til andre kommunikationssystemer (f.eks. RJ-45-kabler) blev kønsskifter næsten aldrig brugt før fremkomsten af USB-On-The-Go (OTG), hvilket gør det vanskeligt at skabe et cyklisk USB-netværk.

Holdbarhed

• Stikkene er designet til at være robuste. Tidlige stikdesigns var skrøbelige med stifter eller andre sarte komponenter, som let kunne bøjes eller gå i stykker, selv hvis de blev behandlet forsigtigt. De elektriske kontakter i et USB-stik er beskyttet af en plasttunge. Hele forbindelsesenheden er normalt yderligere beskyttet af en omsluttende metalkappe. Derfor kan USB-stik sikkert håndteres, indsættes og fjernes, selv af et lille barn.
• Stikkonstruktionen sikrer altid, at den ydre kappe på stikket kommer i kontakt med sin modpart i beholderen, før de fire stik i stikket forbindes. Denne kappe er typisk forbundet med systemets jord, så ellers skadelige statiske ladninger kan afledes sikkert ad denne vej (i stedet for via sarte elektroniske komponenter). Denne form for indkapsling betyder også, at der er en (moderat) grad af beskyttelse mod elektromagnetisk interferens for USB-signalet, mens det bevæger sig gennem det sammenkoblede stikpar (dette er det eneste sted, hvor det ellers snoede datapar skal bevæge sig parallelt over en vis afstand). Desuden er strøm- og fællesforbindelserne lavet efter systemjorden, men før dataforbindelserne. Denne form for trinvis make-break timing giver mulighed for sikker hot-swapping og er blevet anvendt til konnektorer i luftfartsindustrien.
• De nyere USB-mikrobeholdere er designet til at tillade op til 10.000 cyklusser af indsættelse og udtagning mellem beholder og stik, sammenlignet med 500 for standard USB- og Mini-USB-beholdere. Dette gøres ved at tilføje en låsning og ved at flytte bladfjederkontakten fra stikket til stikket, så den mest belastede del er på kabelsiden af forbindelsen. Denne ændring blev foretaget, så stikket på det (relativt billige) kabel ville bære det største slid i stedet for micro-USB-enheden.

Kompatibilitet

• USB-standarden angiver relativt store tolerancer for USB-stik, der opfylder kravene. Dette gøres for at minimere inkompatibiliteter i stik, der produceres af forskellige leverandører (et mål, der er blevet nået med stor succes). I modsætning til de fleste andre standarder for stik definerer USB-specifikationen også grænser for størrelsen af en tilslutningsenhed i området omkring stikket. Dette blev gjort for at forhindre, at en enhed blokerer tilstødende porte på grund af sin størrelse. Enheder, der opfylder kravene, skal enten passe inden for størrelsesbegrænsningerne eller understøtte et kompatibelt forlængerkabel, der gør det.
• Der er også mulighed for tovejskommunikation. Normalt har kabler kun stik, og værter og enheder har kun stikdåser: værter har type A-stikdåser og enheder type B-stikdåser. Type-A-stik kan kun forbindes med type-A-bøsninger og type-B med type-B-bøsninger. En udvidelse af USB kaldet USB On-The-Go gør det imidlertid muligt for en enkelt port at fungere som enten vært eller enhed - alt efter hvilken ende af kablet der sættes i stikkontakten på enheden. Selv efter at kablet er tilsluttet, og enhederne taler sammen, kan de to enheder "bytte" ender under programkontrol. Denne facilitet er beregnet til enheder som f.eks. PDA'er, hvor USB-forbindelsen kan tilsluttes en pc's værtsport som en enhed i et tilfælde, men tilsluttes som vært selv til et tastatur og en mus i et andet tilfælde.

Et USB-system har et asymmetrisk design. Det består af en vært, flere downstream USB-porte og flere perifere enheder, der er forbundet i en stjernetopologi. Yderligere USB-hubs kan indgå i niveauerne, hvilket giver mulighed for at forgrene sig til en træstruktur med op til fem niveauniveauer.

En USB-vært kan have flere værtskontrolenheder. Hver værtscontroller har en eller flere USB-porte. Op til 127 enheder, inklusive hub-enhederne, kan tilsluttes en enkelt værtscontroller.

USB-enheder er forbundet i serie gennem hubs. Der er altid én hub, der kaldes root-hubben. Root-hubben er indbygget i værtscontrolleren. Der findes særlige hubs, der kaldes "sharing hubs". Disse gør det muligt for flere computere at få adgang til de samme perifere enheder. De fungerer ved at skifte adgangen mellem pc'er, enten manuelt eller automatisk. De er populære i små kontormiljøer. I netværkstermer konvergerer de snarere end divergerer grenene.

En fysisk USB-enhed kan have flere logiske underenheder, der kaldes enhedsfunktioner. En enkelt enhed kan have flere funktioner, f.eks. et webcam (videoenhedsfunktion) med indbygget mikrofon (lydenhedsfunktion).

USB-enhedskommunikation er baseret på pipes (logiske kanaler). Pipes er forbindelser fra værtscontrolleren til en logisk enhed på enheden, der kaldes et slutpunkt. Udtrykket endpoint bruges lejlighedsvis som en forkert henvisning til pipe. En USB-enhed kan have op til 32 aktive pipes, 16 ind til værtscontrolleren og 16 ud fra controlleren.

Hvert slutpunkt kan kun overføre data i én retning, enten ind i eller ud af enheden, så hvert rør er ensrettet. Slutpunkterne er grupperet i grænseflader, og hver grænseflade er forbundet med en enkelt enhedsfunktion. En undtagelse herfra er slutpunkt nul, som bruges til enhedens konfiguration, og som ikke er tilknyttet nogen grænseflade.

Når en USB-enhed tilsluttes til en USB-vært for første gang, startes processen til optælling af USB-enheder. Optællingen starter ved at sende et nulstillingssignal til USB-enheden. USB-enhedens hastighed bestemmes i forbindelse med nulstillingssignalet. Efter nulstilling læses USB-enhedens oplysninger af værten, hvorefter enheden tildeles en unik 7-bit adresse. Hvis enheden understøttes af værten, indlæses de enhedsdrivere, der er nødvendige for at kommunikere med enheden, og enheden sættes til en konfigureret tilstand. Hvis USB-værten genstartes, gentages opregningsprocessen for alle tilsluttede enheder.

Værtscontrolleren spørger om trafik på bussen, normalt på en round-robin-måde, så ingen USB-enhed kan overføre data på bussen uden en udtrykkelig anmodning fra værtscontrolleren.

Værtscontrollere

Computerhardwaren, der indeholder værtscontrolleren og rodnavnet, har en grænseflade til programmøren. Den kaldes Host Controller Device (HCD) og defineres af hardwareimplementatoren.

For USB 1.0 og 1.1 var der to forskellige HCD-implementeringer, Open Host Controller Interface (OHCI) og Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI blev udviklet af Compaq, Microsoft og National Semiconductor, mens UHCI blev udviklet af Intel.

VIA Technologies har licenseret UHCI-standarden fra Intel; alle andre chipset-implementatorer bruger OHCI. UHCI er mere afhængig af software. Det betyder, at UHCI er lidt mere processorkrævende end OHCI, men nemmere og billigere at lave. Fordi der var to forskellige implementeringer, skulle operativsystem- og hardwareleverandører udvikle og teste dem begge. Dette øgede omkostningerne.

USB-specifikationen specificerer ingen HCD-grænseflader og beskæftiger sig ikke med dem. Med andre ord definerer USB formatet for dataoverførsel gennem porten, men ikke det system, hvormed USB-hardwaren kommunikerer med den computer, den sidder i.

I designfasen af USB 2.0 insisterede USB-IF på, at der kun var én implementering. USB 2.0 HCD-implementeringen kaldes Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Kun EHCI kan understøtte højhastighedsoverførsler (480 Mbit/s). De fleste PCI-baserede EHCI-controllere har andre HCD-implementeringer kaldet "companion host controller" til understøttelse af Full Speed (12 Mbit/s) og kan anvendes til enhver enhed, der hævder at være medlem af en bestemt klasse. Det er meningen, at et operativsystem skal implementere alle enhedsklasser, så det kan levere generiske drivere til enhver USB-enhed. Enhedsklasserne fastlægges af Device Working Group under USB Implementers Forum.

USB-enhedsklasser

Enhedsklasserne omfatter:

Bemærk klasse 0: Brug klasseoplysningerne i grænsefladebeskrivelserne. Denne basisklasse er defineret til brug i enhedsbeskrivelser for at angive, at klasseoplysningerne skal bestemmes ud fra grænsefladebeskrivelserne i enheden.

• FireWire