USB - uniwersalna magistrala szeregowa

Logo interfejsu USB

Port USB przede wszystkim jest używany do łączności komputerów z urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak klawiatury, myszki, urządzenia multimedialne czy dyski zewnętrzne. Jednak jest stosowany także w innych urządzeniach, w których konieczne jest podłączenie dodatkowego sprzętu. Przykładem może być rejestrator nagrywający obraz z kamer przemysłowych. Często urządzenie to posiada kilka złącz USB do podłączenia zewnętrznej pamięci masowej lub myszki, do łatwiejszego manipulowania w menu rejestratora. Podobnie routery Wi-Fi mają dodatkowo złącze USB pozwalające na podłączenie drukarki (która staje się wtedy drukarką sieciową).

Popularne wtyki USB: od lewej USB typu A, mini USB typu B oraz micro USB typu B

Podstawowym atutem portu USB poza jego uniwersalnym zastosowaniem jest gotowość urządzenia do jego użytkowania zaraz po podłączeniu. Funkcja Plug and Play (podłącz i używaj) sprawia, że urządzenie podłączone poprzez port USB jest od razu identyfikowane, bez konieczności ingerencji użytkownika w konfigurację sprzętową. Urządzenia peryferyjne można podłączać i odłączać bez konieczności wyłączania czy ponownego uruchamiania urządzenia głównego.

W komputerach port USB pełni rolę podstawowego interfejsu komunikacyjnego z innymi urządzeniami zewnętrznymi. Chociaż zazwyczaj w komputerach znajduje się kilka portów, wszystkimi zarządza jeden kontroler zwany hostem. W komunikacji za pomocą portu USB wymagany jest dokładnie jeden host, zatem nie możliwe jest bezpośrednie połączenie dwóch komputerów. Czasami okazuje się jednak, że ilość portów jest niewystarczająca. Można wówczas wykorzystać specjalny rozdzielacz – koncentrator (potocznie zwany hubem). Architektura interfejsu USB dzięki koncentratorom teoretycznie pozwala na podłączenie do 127 urządzeń, wliczając w to także same huby. W praktyce może okazać się, że ta liczba będzie mniejsza.

Warto też wspomnieć, że istnieją dwa rodzaje koncentratorów:

Interfejs USB przez lata był modyfikowany i ulepszany. Obecnie, ze względu na prędkość transmisji danych standard USB można podzielić na trzy kategorie:

USB 1.0 / 1.1

Pierwsza generacja interfejsu USB pozwalała na transfer zaledwie do 1,5 Mb/s (niecałe 0,2 megabajta na sekundę). Ponadto, miały one wiele wad i błędów. Nie można było używać przedłużaczy USB, a długość przewodu była mocno ograniczona. Dopiero wprowadzenie ulepszonego standardu 1.1 po części wyeliminowało niektóre problemy i zwiększyło prędkość transmisji danych do 12 Mb/s (1,5 megabajta na sekundę).

USB 2.0 (Hi-Speed)

Do dzisiaj bardzo popularny standard, którego prędkość transmisji danych wynosi do 480 Mb/s (czyli 60 megabajtów na sekundę). W praktyce jednak prędkość zapisu wynosi ok. 25–30 MB/s, a odczytu 30–42 MB/s, ponieważ transfer danych odbywa się w obie strony naprzemiennie (half-duplex). W odniesieniu do poprzedniego standardu było to prawdziwie rewolucyjne rozwiązanie. Jednak wciąż rosnąca popularność USB sprawiła, że opracowany został następny standard.

USB 3.0 / 3.1 (SuperSpeed)

Teoretyczna maksymalna prędkość transmisji danych to 5 Gb/s dla standardu 3.0 i aż 10 Gb/s dla standardu 3.1. Transmisja odbywa się w obie strony w tym samym czasie (full-duplex). Urządzenie może pobierać do 900 mA prądu. Ponadto, kabel w standardzie SuperSpeed posiada dwie dodatkowe ekranowane pary przewodów.

Jak widać, w ciągu 20 lat od wprowadzenia standardu USB jego charakterystyka została istotnie zmieniona. Jednak, co ważne, każdy standard jest kompatybilny (zgodny) z wszystkimi standardami wcześniejszymi. Dzięki temu stwierdzenie, że interfejs USB jest uniwersalny, jest stale aktualne.

Obecnie wykorzystuje się kilka rodzajów wtyków i gniazd, jednak z reguły przewód zakończony jest z jednej strony najpopularniejszym wtykiem USB-A (rys. 1).

Rys. 1. Najpopularniejszy wtyk – USB-A

Po drugiej stronie przewodu USB może znajdować się:

Wtyk USB-B – najczęściej stosowany do podłączenia drukarek, skanerów.

Wtyk mini USB-B – stosowany do podłączenia i ładownia mniejszych urządzeń elektronicznych, np. telefony, słuchawki Bluetooth, przenośne odtwarzacze multimedialne (w tej chwili coraz rzadziej spotykany).

Wtyk micro USB-B – obecnie najczęściej stosowany wtyk do łączności tabletów, smartfonów i innych urządzeń, w których stosowane było złącze mini USB.

Każdy z prezentowanych wyżej wtyków pasuje do gniazda tylko „swojego” typu. Ponadto, każdy wtyk ma swój odpowiednik w wersji A, jednak nie są one tak popularne i raczej rzadko się je stosuje. Oczywiście przewód USB z jednej strony może posiadać wtyk, a z drugiej gniazdo. Jest to wówczas zwykły przedłużacz USB o określonej długości, np. dostępny w ofercie firmy Delta: 1,5 m, 3 m lub 5 m (rys. 2).

Rys. 2. Przedłużacz USB

Jak już wspomniano, oprócz transmisji danych, porty USB są także źródłem zasilania. Jest ono potrzebne do zasilania każdego urządzenia podpiętego do portu. Większość współczesnych telefonów posiada gniazdo micro-USB, które służy zarówno do transmisji danych, jak i do ładowania akumulatora telefonu. Napięcie w porcie USB wynosi 5 V, choć specyfikacja określa zakres pomiędzy 4,75 a 5,25 V.

Poniżej zaprezentowano oznaczenia pinów na wtykach (rys. 3), a w tabelach podano szczegółowe opisy i kolory poszczególnych przewodów.

Rys. 3. Opis pinów na popularnych wtykach USB

USB 1.0 / 2.0:

USB 3.0:

Obecnie sporo drobnych urządzeń z kategorii elektroniki użytkowej przystosowanych jest do zasilania napięciem 5 V, czyli takim jak w porcie USB. W ofercie firmy Delta znajdują się wydajne ładowarki sieciowe z gniazdem USB lub wtykiem micro-USB o wydajności prądowej 1 A lub 2 A, czyli znacznie większej niż w komputerowym złączu USB.

Nowością w standardzie USB 3.1 jest wprowadzenie złącza typu C. O ile poprzednie wersje były wstecznie kompatybilne z poprzednimi standardami, o tyle nowa odsłona tego złącza wyłamuje się z tego schematu. Poza różnicami w wymiarach (typ C jest dużo mniejszy) zastosowano pewną innowację. Wtyczkę można włożyć do gniazda dowolną stroną, a nie tak jak w poprzednich wersjach – tylko jedną. Co więcej, za pośrednictwem tego interfejsu będzie można zasilać urządzenia pobierające moc nawet do 100 W. Ogromna przepustowość i szerokie spektrum zastosowań sprawia, że być może niebawem jednym kablem będzie można przesyłać w ogromnych rozdzielczościach sygnał do monitora i jednocześnie tym samym kablem go zasilać, co może się okazać poważną konkurencją dla standardu HDMI.