Universal Serial Bus | teknik som gör det möjligt för en person att ansluta en elektronisk enhet till en dator

Kort historik

Den första versionen av Universal Serial Bus skapades 1995. Den nya tekniken blev en omedelbar succé. Sedan USB introducerades har personer som tillverkar elektroniska apparater funderat på hur den skulle kunna användas i framtiden. I dag ansluter USB en dator eller andra enheter som bärbara datorer och MP3-spelare till kringutrustning.

Bussen introducerades av sju företag som representerar de ledande inom informationsteknologibranschen: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom och Digital Equipment Corporation (DEC).

Flera år tidigare höll de som tog emot och utvecklade USB ett möte kallat Plugfest på ett speciellt hotell i Kalifornien för att testa sina enheter. De valde ett hotell med rum för sömn och testning. Mötet pågick i tre dagar. Under mötet anslöt företrädarna för ett 50-tal företag sina USB-enheter till ett allmänt värdsystem.

USB-enhetens logotyp har också en egen historia. USB-logotypen var under utveckling i flera månader.

• 1994 - Sju företag gick samman för att börja utveckla USB.
• 1995 - 340 företag bildade USB Implementation Forum.
• 1996 - Mer än femhundra USB-produkter hade redan utvecklats runt om i världen.
• 1997 - USB Implementation Forum blev rikare med 60 nya företag.
• 1998 - USB blir den mest populära tekniken på elektronikmarknaden.
• 2000 - USB 2.0 introduceras. I dag är det den mest använda USB-enheten.
• 2005 - USB blir trådlöst.
• 2008 - USB 3.0 introduceras. Den är över 10 gånger snabbare än USB 2.0.
• 2013 - USB 3.1 introduceras. Den är ungefär dubbelt så snabb som USB 3.0.
• 2015 - USB Type-C introduceras. Det är en vändbar kontakt, vilket innebär att du kan koppla in den åt båda hållen.
• 2019 - USB 4 introduceras. Den är över 8 gånger snabbare än USB 3.0.

 
USB4 Gen3x2-kabel (40 Gbit/s) med 100W Power Delivery  


USB-B-kontakt i full storlek  

Olika standarder

För närvarande används fem olika USB-standarder: Det finns fem olika standarder: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 och USB 3.1. USB 3.1 släpptes 2016 och fördubblade hastigheten jämfört med 3.0. Den använder som tillval en annan kontakt som kallas USB Type-C, som är reversibel (vilket innebär att du kan koppla in den åt båda hållen). USB 1.0 används numera sällan.

USB har fem olika överföringshastigheter: 1,5 MBit per sekund (kallad låg hastighet), 12 MBit per sekund (Full Speed), 480 MBit/sekund (Hi Speed), 5 Gbit per sekund (kallad super speed) och 10 Gbit/s ("super speed+"). Hi speed finns endast i USB 2.0 och senare, och Super speed finns endast i USB 3.0. Dessa hastigheter är råa bithastigheter (i miljoner bitar per sekund). Den faktiska datahastigheten är vanligtvis lägre på grund av protokollöverskott.

För att kunna använda den höga överföringshastigheten måste både USB-kontrollenheten och den anslutna enheten ha stöd för den. USB är bakåtkompatibelt. Snabbare och långsammare USB-enheter och USB-kontroller kan anslutas tillsammans, men de kommer att köras med den långsammare hastigheten.

 

USB-hubbar

Från och med 2022 har nästan alla datorer som säljs idag USB-portar, och de flesta har stöd för USB 3.0 eller senare och minst en USB-C-port. Apples Macbook-datorer har endast USB-C-portar. Antalet portar de har är dock oftast begränsat. Mellan två och fyra portar är vanligt förekommande. USB gör det möjligt att ansluta USB-hubbar för att lägga till fler USB-portar.

Själva hubbarna uppfyller också en av USB-standarderna. Enheter som är anslutna till en USB 2.0-hubb går bara så snabbt som USB 2.0 tillåter. Enheter som är anslutna till en senare styrenhet kan använda andra standarder.

 
USB-hubbar som denna kan användas för att utöka USB-portarna på datorn.  

USB-kontakter

USB har utformats för att vara lätt att använda. Ingenjörerna lärde sig av andra kontakter innan de utformade USB-kontakterna. Det finns tre kontakter.

• Typ A, används vanligen i datorns ände av kabeln.
• Micro-A (sällsynt)
• Typ B, i den perifera änden, sällsynt utom för skrivare.
• Micro-B, i den perifera änden, för de flesta smartphones
• Typ C, i båda ändarna. Från och med 2022 används den i många datorer, telefoner och kringutrustning.

Användbarhet

• Det är inte möjligt att koppla in en USB A- eller B-kontakt på fel sätt. De kan inte sättas in upp och ner, och det är uppenbart från utseendet och den kinestetiska känslan, när den sätts in på rätt sätt. Ibland förstår eller ser användaren dock inte hur kontakten går, så det kan vara nödvändigt att prova på båda sätten.
• USB-kontakter av typ C kan anslutas på båda sätten. Det spelar ingen roll på vilket sätt kontakten är inkopplad.
• Du behöver inte trycka eller dra särskilt hårt för att koppla in eller ur den. Detta fanns med i specifikationen. USB-kablar och små USB-apparater hålls på plats av den kraft som tas upp av mottagaren. USB behöver inga skruvar, clips eller andra fästanordningar. Den kraft som behövs för att göra eller bryta en anslutning är liten. Detta gör att anslutningar kan göras i besvärliga lägen eller av personer med motoriska funktionshinder.
• Innan Typ C kom till stånd tvingade kontakterna fram den riktade topologin i ett USB-nätverk. USB stöder inte cykliska nätverk, så kontakterna från inkompatibla USB-enheter är i sig själva inkompatibla. Till skillnad från andra kommunikationssystem (t.ex. RJ-45-kablar) användes könsbytare nästan aldrig före USB-On-The-Go (OTG), vilket gör det svårt att skapa ett cykliskt USB-nätverk.

Hållbarhet

• Kontakterna är utformade för att vara tåliga. De tidiga kontaktkonstruktionerna var ömtåliga, med stift eller andra känsliga komponenter som lätt kunde böjas eller gå sönder, även om de behandlades försiktigt. De elektriska kontakterna i en USB-kontakt är skyddade av en plasttunga. Hela anslutningsenheten skyddas vanligtvis ytterligare av ett omslutande metallhölje. USB-kontakter kan därför hanteras, sättas in och tas ut på ett säkert sätt, även av ett litet barn.
• Kontaktens konstruktion säkerställer alltid att den yttre manteln på kontakten kommer i kontakt med sin motsvarighet i mottagaren innan de fyra kontakterna ansluts. Detta hölje är vanligtvis anslutet till systemjorden, vilket gör att annars skadliga statiska laddningar kan avledas på ett säkert sätt på detta sätt (snarare än via känsliga elektroniska komponenter). Detta sätt att innesluta innebär också att USB-signalen får ett (måttligt) skydd mot elektromagnetiska störningar medan den färdas genom det parade kontaktparet (detta är det enda stället där det annars tvinnade dataparet måste färdas en sträcka parallellt). Dessutom görs ström- och gemensamma anslutningar efter systemjorden men före dataanslutningarna. Denna typ av stegvis uppkoppling gör det möjligt att byta ut kontaktdon på ett säkert sätt och har använts för kontaktdon inom flygindustrin.
• De nyare USB-mikrokontakterna är utformade för att tillåta upp till 10 000 cykler av instickning och utdragning mellan kontakten och kontakten, jämfört med 500 för standard USB- och Mini-USB-kontakter. Detta görs genom att lägga till en låsanordning och genom att flytta bladfjäderkontakten från jack till stickpropp, så att den mest belastade delen finns på kabelsidan av anslutningen. Denna ändring gjordes för att kontakten på den (relativt billiga) kabeln skulle bära mest slitage i stället för mikro-USB-enheten.

Kompatibilitet

• USB-standarden anger relativt stora toleranser för USB-kontakter som uppfyller kraven. Detta görs för att minimera inkompatibilitet mellan kontakter som tillverkas av olika leverantörer (ett mål som har uppnåtts med stor framgång). Till skillnad från de flesta andra kontaktstandarder definierar USB-specifikationen också gränser för storleken på en anslutningsanordning i området runt kontakten. Detta gjordes för att förhindra att en enhet blockerar angränsande portar på grund av sin storlek. Enheter som uppfyller kraven måste antingen rymmas inom storleksbegränsningarna eller stödja en kompatibel förlängningskabel som gör det.
• Tvåvägskommunikation är också möjlig. Vanligtvis har kablar endast stickproppar, och värdar och enheter har endast uttag: värdar har typ-A-uttag och enheter typ-B-uttag. Typ-A-kontakter kan endast anslutas till typ-A-kontakter och typ-B till typ-B-kontakter. En förlängning av USB som kallas USB On-The-Go gör det dock möjligt för en enskild port att fungera som antingen värd eller enhet - beroende på vilken ände av kabeln som sätts in i uttaget på enheten. Även efter att kabeln är ansluten och enheterna pratar med varandra kan de två enheterna "byta" ändar under programkontroll. Denna möjlighet är avsedd för enheter som handdatorer där USB-länken kan anslutas till en PC:s värdport som en enhet i ett fall, men anslutas som värd till en tangentbords- och musenhet i ett annat fall.

 
USB-förlängningskabel  


En USB Type-C-kontakt.  


En kontakt och ett uttag i A-serien "A".  

Hur USB fungerar

Ett USB-system har en asymmetrisk utformning. Det består av en värd, flera nedströms USB-portar och flera perifera enheter som är anslutna i en stjärntopologi. Ytterligare USB-hubbar kan ingå i nivåerna, vilket gör det möjligt att skapa en trädstruktur med upp till fem nivåer.

En USB-värd kan ha flera värdkontrollanter. Varje värddator har en eller flera USB-portar. Upp till 127 enheter, inklusive hubb-enheterna, kan anslutas till en enda värddator.

USB-enheter kopplas samman i serie genom hubbar. Det finns alltid en hubb som kallas rotnav. Roothubben är inbyggd i värdkontrollen. Det finns särskilda hubbar som kallas "sharing hubbar". Dessa gör det möjligt för flera datorer att få tillgång till samma kringutrustning. De fungerar genom att växla tillgången mellan datorerna, antingen manuellt eller automatiskt. De är populära i små kontorsmiljöer. I nätverkstermer konvergerar de snarare än divergerar grenar.

En fysisk USB-enhet kan ha flera logiska underenheter som kallas enhetsfunktioner. En enskild enhet kan ha flera funktioner, t.ex. en webbkamera (videoenhetsfunktion) med inbyggd mikrofon (ljudenhetsfunktion).

Kommunikationen mellan USB-enheter baseras på pipes (logiska kanaler). Pipes är anslutningar från värddatorn till en logisk enhet på enheten som kallas för en slutpunkt. Begreppet slutpunkt används ibland för att felaktigt hänvisa till röret. En USB-enhet kan ha upp till 32 aktiva pipes, 16 in till värdkontrollenheten och 16 ut ur kontrollenheten.

Varje slutpunkt kan överföra data i endast en riktning, antingen in i eller ut ur enheten, så varje pipe är enkelriktad. Slutpunkterna grupperas i gränssnitt och varje gränssnitt är associerat med en enda enhetsfunktion. Ett undantag från detta är slutpunkt noll, som används för enhetens konfiguration och som inte är associerad med något gränssnitt.

När en USB-enhet först ansluts till en USB-värd startar processen för att räkna upp USB-enheter. Uppräkningen startar genom att skicka en återställningssignal till USB-enheten. USB-enhetens hastighet bestäms under återställningssignalen. Efter återställning läses USB-enhetens information av värden, varefter enheten tilldelas en unik 7-bitars adress. Om enheten stöds av värden laddas de enhetsdrivrutiner som behövs för att kommunicera med enheten och enheten ställs in i ett konfigurerat tillstånd. Om USB-värden startas om upprepas uppräkningsprocessen för alla anslutna enheter.

Värdkontrollanten frågar efter trafik på bussen, vanligtvis i en rundgång, så ingen USB-enhet kan överföra data på bussen utan en uttrycklig begäran från värdkontrollanten.

Värdstyrenheter

Datorhårdvaran som innehåller värdkontrollenheten och rotnavet har ett gränssnitt för programmeraren. Det kallas Host Controller Device (HCD) och definieras av maskinvarutillverkaren.

För USB 1.0 och 1.1 fanns det två olika HCD-implementationer, Open Host Controller Interface (OHCI) och Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI utvecklades av Compaq, Microsoft och National Semiconductor, UHCI av Intel.

VIA Technologies har licensierat UHCI-standarden från Intel; alla andra chipset-utvecklare använder OHCI. UHCI är mer beroende av programvara. Detta innebär att UHCI är något mer processorkrävande än OHCI, men lättare och billigare att göra. Eftersom det fanns två olika implementeringar måste operativsystem- och maskinvaruförsäljare utveckla och testa båda. Detta ökade kostnaderna.

USB-specifikationen specificerar inga HCD-gränssnitt och berörs inte av dem. Med andra ord definierar USB formatet för dataöverföring genom porten, men inte det system genom vilket USB-hårdvaran kommunicerar med datorn i den.

Under designfasen av USB 2.0 insisterade USB-IF på att det bara skulle finnas en implementering. USB 2.0 HCD-tillämpningen kallas Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Endast EHCI kan stödja höghastighetsöverföringar (480 Mbit/s). De flesta PCI-baserade EHCI-styrenheter har andra HCD-implementationer som kallas "companion host controller" för att stödja full hastighet (12 Mbit/s) och kan användas för alla enheter som säger sig tillhöra en viss klass. Ett operativsystem ska implementera alla enhetsklasser, så att det kan tillhandahålla generiska drivrutiner för alla USB-enheter. Enhetsklasserna bestäms av Device Working Group of the USB Implementers Forum.

USB-enhetsklasser

Enhetsklasserna omfattar:

Klass	Användning	Beskrivning	Exempel
00h	Enhet	Ospecificeradklass 0	(Enhetsklassen är ospecificerad. Gränssnittsbeskrivningar används för att fastställa vilka drivrutiner som krävs.)
01h	Gränssnitt	Ljud	Högtalare, mikrofon, ljudkort
02h	Båda	Kommunikation och CDC-kontroll	Ethernet-adapter, modem, adapter för seriell port
03h	Gränssnitt	Anordning för mänskligt gränssnitt (HID)	Tangentbord, mus, joystick
05h	Gränssnitt	Enhet för fysiskt gränssnitt (PID)	Joystick med kraftåterkoppling
06h	Gränssnitt	Bild	Digitalkamera (de flesta kameror fungerar som Mass Storage för direkt åtkomst till lagringsmedia).
07h	Gränssnitt	Skrivare	Laserskrivare, bläckstråleskrivare
08h	Gränssnitt	Masslagring	USB-flash-enhet, minneskortläsare, digital ljudspelare, externa enheter
09h	Enhet	USB-hubb	Nav med full hastighet, nav med hög hastighet
0Ah	Gränssnitt	CDC-data	(Denna klass används tillsammans med klass 02h - Kommunikation och CDC-kontroll.)
0Bh	Gränssnitt	Smartkort	USB-kortläsare för smartkort
0Dh	Gränssnitt	Säkerhet för innehåll	-
0Eh	Gränssnitt	Video	Webbkamera
0Fh	Gränssnitt	Personlig hälso- och sjukvård	-
DCh	Båda	Diagnostisk anordning	Testutrustning för USB-överensstämmelse
E0h	Gränssnitt	Trådlös styrenhet	Wi-Fi-adapter, Bluetooth-adapter
EFh	Båda	Diverse	ActiveSync- och Palm-synkroniseringsenhet
FEh	Gränssnitt	Tillämpningsspecifik	IrDA-bron
FFh	Båda	Leverantörsspecifik	(Denna klasskod anger att enheten behöver leverantörsspecifika drivrutiner.)

Anmärkning klass 0: Använd klassinformation i gränssnittsbeskrivningarna. Denna basklass definieras för att användas i enhetsbeskrivningar för att ange att klassinformation ska bestämmas från gränssnittsbeskrivningarna i enheten.

 
USB-slutpunkterna finns faktiskt på den anslutna enheten: kanalerna till värddatorn kallas pipes.  


En typisk USB-kontakt.  


En M.2 (2242) solid-state-drive (SSD) som är ansluten till USB 3.0-adaptern och ansluten till datorn.  

Relaterade sidor

• FireWire