Стандарты USB 1.0, 2.0, 3.0 и 3.1 — чем отличатся и совместимы ли?

Стандарты USB 1.0, 2.0, 3.0 и 3.1 - чем отличатся и совместимы ли? Расшифровка
На чтение 30 мин. Просмотров 12 Опубликовано
Содержание
  1. Основные сведения
  2. Inter-chip usb
  3. Qualcomm quick charge
  4. Usb 3.0
  5. Usb 3.2
  6. Usb type-c
  7. Виды разъемов
  8. Кабели и разъёмы usb 1.x и 2.0
  9. Критика
  10. Питание мобильных гаджетов
  11. Примечания
  12. Стандартные классы устройств
  13. Уязвимость
  14. Физический уровень

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».

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 USB-концентратор[en].

Для подключения внешних устройств к USB-концентратору в нём предусмотрены порты, заканчивающиеся разъёмами. К разъёмам с помощью кабельного хозяйства могут подключаться USB-устройства либо USB-концентраторы нижних уровней. Такие концентраторы — активные электронные устройства (пассивных не бывает), обслуживающие несколько собственных USB-портов.

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[8][9].

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. Поддерживается и дежурный режим для устройств и концентраторов по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.

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.

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. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры, мыши, джойстики).

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.

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.

Inter-chip usb

Inter-Chip USB  (англ.) (рус. (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.

Первая версия стандарта IC-USB была принята в 2006 году. Первая версия стандарта HSIC была принята в 2007 году[37]. 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[38].

В 2022 году была принята первая версия спецификаций Inter-Chip USB для USB 3.0[39].

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[40].

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[60][61]:

Версия Qualcomm Quick Charge 1.0 (2022) предусматривала питание 5 В 2 А и мало отличалась от других нестандартных решений. Распространения не получила.

Версия Qualcomm Quick Charge 2.0 (2022), 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.

Версия Qualcomm Quick Charge 3.0 (2022) дополняет QC 2.0 возможностью плавной регулировки выходного напряжения в диапазоне 3,6—20 В по запросу гаджета.

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 2022 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[62]. Корпорация Google выпустила рекомендацию не поддерживать QC 2.0 и 3.0 в Android-устройствах[63]. Проблема решена в спецификации Quick Charge 4.

Версия Qualcomm Quick Charge 4 представлена в ноябре 2022 года. Заявлена совместимость с кабелями с разъёмами Type C[64]. Версия Qualcomm Quick Charge 4 представлена летом 2022 года.

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. Таким образом, от одного порта можно запитывать большее количество устройств, а также отпадает необходимость использования внешнего питания для некоторых устройств[13].

Другие сокращения:  Единицы измерения мощности кВт и кВА

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.

В октябре 2009 года появилась информация, что корпорация Intel решила отложить внедрение поддержки USB 3.0 в свои чипсеты до 2022 года. Это решение привело к тому, что до 2022 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[14][15].

Хост-контроллер USB 3.0 (xHCI)[en] 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.

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.

Usb 3.2

22 сентября 2022 некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию стандарта USB 3.2[23], 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[24]. Появление первых коммерческих устройств с поддержкой стандарта USB 3.2 ожидается не ранее второй половины 2022 года[25].

Спецификации USB 3.2 заменяют стандарты USB 3.0 и USB 3.1; удовлетворяющие им устройства будут включать три стандарта скоростей[26]:

В спецификациях так же прописан вариант с двумя линиями, каждая из которых работает по протоколу USB 3.0[источник не указан 599 дней]:

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[28]:

Usb type-c

Назначение контактов USB Type-C разъёма — гнезда и штекера
КонтактНазваниеОписаниеКонтактНазваниеОписание
A1GNDЗемляB12GNDЗемля
A2TX1SuperSpeed дифференциальнаяпара #1[a], передачаB11RX1SuperSpeed дифференциальная пара #2[a], прием
A3TX1-SuperSpeed дифференциальная пара #1[a], передача-B10RX1-SuperSpeed дифференциальная пара #2[a], прием-
A4VBUSПлюс питанияB9VBUSПлюс питания
A5CC1Конфигурирующий канал (или согласующий)B8SBU2Дополнительный канал (Sideband)
A6DHigh-Speed дифференциальная пара[b], положение 1, данныеB7D-High-Speed дифференциальная пара[b], положение 2[c], данные-
A7D-High-Speed дифференциальная пара[b], положение 1, данные-B6DHigh-Speed дифференциальная пара[b], положение 2[c], данные
A8SBU1Дополнительный канал (Sideband)B5CC2Конфигурационный канал
A9VBUSПлюс питанияB4VBUSПлюс питания
A10RX2-SuperSpeed дифференциальная пара #4[a], прием-B3TX2-SuperSpeed дифференциальная пара #3[a], передача-
A11RX2SuperSpeed дифференциальная пара #4[a], приемB2TX2SuperSpeed дифференциальная пара #3[a], передача
A12GNDЗемляB1GNDЗемля
Назначение проводников в кабеле USB 3.1 Type-C
Разъём № 1 кабеля Type-CКабель Type-CРазъём № 2 кабеля Type-C
КонтактНазваниеЦвет оболочки проводникаНазваниеОписаниеКонтактНазвание
ОплёткаЭкранОплётка кабеляЭкранВнешняя оплётка кабеляОплёткаЭкран
A1, B1, A12, B12GNDЛуженыйGND_PWRrt1
GND_PWRrt2		Общая земляA1, B1, A12, B12GND
A4, B4, A9, B9VBUSКрасныйPWR_VBUS1
PWR_VBUS2		VBUS питаниеA4, B4, A9, B9VBUS
B5VCONNЖёлтыйPWR_VCONNVCONN питаниеB5VCONN
A5CCСинийCCКанал конфигурированияA5CC
A6Dp1БелыйUTP_DpНеэкранированная дифференциальная пара, positiveA6Dp1
A7Dn1ЗелёныйUTP_DnНеэкранированная дифференциальная пара, negativeA7Dn1
A8SBU1КрасныйSBU_AПолоса передачи данных AB8SBU2
B8SBU2ЧёрныйSBU_BПолоса передачи данных BA8SBU1
A2SSTXp1Жёлтый *SDPp1Экранированная дифференциальная пара #1, positiveB11SSRXp1
A3SSTXn1Коричневый *SDPn1Экранированная дифференциальная пара #1, negativeB10SSRXn1
B11SSRXp1Зелёный *SDPp2Экранированная дифференциальная пара #2, positiveA2SSTXp1
B10SSRXn1Оранжевый *SDPn2Экранированная дифференциальная пара #2, negativeA3SSTXn1
B2SSTXp2Белый *SDPp3Экранированная дифференциальная пара #3, positiveA11SSRXp2
B3SSTXn2Чёрный *SDPn3Экранированная дифференциальная пара #3, negativeA10SSRXn2
A11SSRXp2Красный *SDPp4Экранированная дифференциальная пара #4, positiveB2SSTXp2
A10SSRXn2Синий *SDPn4Экранированная дифференциальная пара #4, negativeB3SSTXn2
* Цвета для оболочки проводников не установлены стандартом.

Виды разъемов

Виды USB-разъемов зависят от выполняемой функции и скорости с который передаются данные. Благодаря существованию нескольких типов ЮСБ-разъемов охватывается расширенный функционал, который позволяет пользователю упрощать связь компьютера с устройством (мышка, клавиатура, iPad, МФУ, сканер и другие).

По назначению любой USB-порт можно отнести к одному из трех типов:

  • Стандартному или обычному, который обеспечивает питание и информационный обмен между девайсами. Такими портами оборудованы компьютеры, ноутбуки, смартфоны, телевизоры и т. д.
  • Зарядному. Они встречаются на зарядных устройствах, power-банках и некоторых системных блоках, предназначены только для питания периферии.
  • Выделенному зарядному. Эти гнезда служат для зарядки USB-гаджетов от бытовой электросети. Их встраивают в электрические розетки. Пример такого решения показан на фото ниже.

Первый тип может быть любой версии, второй и третий чаще относится к версиям 2.0 или 3.0. Последние различаются между собой цветами.

Конфигурация разъемов тоже «завязана» на поколение интерфейса. USB-штекеры и гнезда версий 1.1 и 2.0 бывают следующих типоразмеров и форм:

  • Типа А (стандартные). Такие порты устанавливают на хостовые и зарядные устройства. Они бывают трех размеров: обычного (самый распространенный – 12×4 мм, 4 контакта), среднего (miniUSB 7×3 мм, 5 контактов) и маленького (microUSB 7×2 мм, 5 контактов).
  • Типа B (узкие). Гнездами этого вида оснащают периферийное оборудование. Они также могут быть обычными (7×8 мм, 4 контакта), мини (3×7 мм, 5 контактов) и микро (2×7 мм, 5 контактов).

Разъемы микро обоих типов визуально очень похожи. Отличие лишь в том, что А имеет форму прямоугольника, а у B скошены верхние углы.

Редко, но встречаются USB-кабели, которые оборудованы комбинированными разъемами: mini-AB и micro-AB. Их можно подключать к гнездам того и другого вида.

Разъемы USB третьего поколения имеют следующие типоразмеры:

  • A – стандартный. Он отличается от предшественника цветом и количеством контактов, здесь их 9. Разъем микро-A имеет 10 контактов и разделен на 2 части. Половина идентична microUSB 2.0 (для совместимости), остальные 5 контактов расположены в другой части. Так сделано потому, что компактный размер не позволил уместить все выводы в одном месте. Разъемов типа мини-A 3.0 не существует.
  • В – его стандартный и мини-разъемы идентичны по конфигурации USB-B версии 2.0, но также имеют по 9 контактов. Micro-В отличится от micro-А формой совмещаемой половины. Она, как и microUSB-B 2.0, имеет срезанные углы.

Интерфейсы microUSB третьего поколения распространены мало, поскольку крайне неудобны в использовании. Кроме того, гнезда этого типа зачастую не выдерживают многократных рывков туда-сюда и отламываются от носителя. Таким же недостатком страдают и их предшественники, но здесь проблема возникает чаще.

Однако это не значит, что от миниатюрных разъемов USB-3 придется отказаться. Замена неудачному решению уже найдена – новый и кардинально непохожий на прототип интерфейс USB Type C.

Type-C или просто USB-C – это компактный разъем USB третьего поколения (8,4 x 2,6 мм, 24 контакта), который предназначен для тех же задач, что и его предшественники. В отличие от всех прочих интерфейсов этого типа, он симметричный или двусторонний, то есть поддерживает подключения кабеля и верхней, и нижней сторонами, как разъемы Lightning на устройствах Apple.

Другие сокращения:  ГРМ и его детали: цепь, ремень, распредвал, ролик

Отсутствие нужды ориентировать кабель в нужном положении уменьшает риск поломки гнезда, продлевает срок его службы и упрощает жизнь людям с ослабленным зрением и нарушенной координацией движений, которые в силу этих причин не могут пользоваться устройствами с разъемами microUSB-B.

Спецификация Type-C соответствует USB 3.1 и обеспечивает полную совместимость с ранними версиями этого интерфейса, как того требует стандарт. Поэтому мобильные гаджеты, оснащенные такими гнездами, не всегда поддерживают скорости третьего поколения: новомодный разъем вполне способен уживаться с USB-контроллером версии 2.0.

Другая особенность USB-C – это поддержка альтернативных режимов работы в качестве интерфейсов HDMI и MHL (гибрид HDMI и microUSB ), DisplayPort, VGA и Thunderbolt. Благодаря этой фишке смартфон с Type-C можно подключать, например, к HDMI-порту телевизора или DisplayPort-входу компьютерного монитора.

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.

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 2022 года резко сократилось.

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.

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[41].

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)[42].

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:

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.

Критика

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[источник не указан 3555 дней].

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. Ввиду своей сложности и разнообразности устройства зачастую аппаратно выполняют лишь базовые уровни протокола, оставляя верхние на откуп программному коду.

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)[65].

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.

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.

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.

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[55][56].

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[57].

В 2007 году USB-IF принимает спецификацию USB Battery Charging, чем запускает процесс стандартизации электропитания мобильных устройств. В 2007—2022 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»[58][59]), согласно которым зарядные устройства мобильных гаджетов должны оснащаться однотипными разъёмами:

Примечания

  1. ↑82371FB (PIIX) and 82371SB (PIIX3) PCI ISA IDE Xcelerator (неопр.). Intel (май 1996). Дата обращения: 12 марта 2022.Архивировано 13 марта 2022 года.
  2. ↑ 12USB ‘A’ Plug Form Factor Revision 1.0 (неопр.) (PDF). USB Implementers Forum (23 марта 2005). — «Body length is fully 12 mm in width by 4.5 mm in height with no deviations». Дата обращения: 4 июня 2022.Архивировано 19 мая 2022 года.
  3. ↑USB исполнилось двадцать лет изобретатель порта объяснил, почему коннектор изначально не сделали «перевертышем»
  4. ↑Happy birthday USB: The standard turns 20, and proud inventor Ajay Bhatt tells all
  5. ↑Useless Serial Bus. USB stands for Useless Serial Bus. 1 USB Acronym/Abbreviation Meaning — What Does USB Stand For?
  6. ↑ 1234Why Does USB Keep Changing? | Nostalgia Nerd — YouTube
  7. ↑USB 4: Everything We Know, Including Apple Support | Tom’s Hardware
  8. ↑Как соединить компьютеры через USB (неопр.) (23 августа 2003). Дата обращения: 27 сентября 2022.
  9. ↑Connecting Two PCs Using a USB-USB Cable — Hardware Secrets
  10. ↑ 12Спецификация USB 1.0 (разделы 7.1.1.1 и 7.1.1.2) (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 28 октября 2022.Архивировано 28 октября 2022 года.
  11. ↑USB.org - USB Naming and Packaging Recommendations (неопр.). Дата обращения: 7 января 2022.Архивировано 14 января 2022 года.
  12. ↑К планшетам на свободных ОС можно подключать любую периферию, но это требует сборки собственного ядра
  13. ↑https://www.wdc.com/ru-ru/products/wd-recertified/my-passport-ultra.html
  14. ↑USB 3.0 под угрозой
  15. ↑Узнайте больше о ревизии B3 (англ.)
  16. ↑Архивированная копия (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 11 июня 2009.Архивировано 12 июня 2009 года. Блог разработчика Linux USB subsystem Sarah Sharp
  17. ↑The USB-IF doesn’t want you to be confused about USB Type-C
  18. ↑Разъём USB Type-C: плюсы, минусы и особенности | AndroidLime (неопр.). androidlime.ru. Дата обращения: 24 марта 2022.
  19. ↑USB Platform Interoperability Lab (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 19 августа 2022.Архивировано 20 августа 2022 года.
  20. ↑USB 3.1 GEN 1 & GEN 2 EXPLAINED
  21. ↑USB.org — SuperSpeed USB (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 19 августа 2022.Архивировано 14 мая 2009 года.
  22. ↑Synopsys (2022-12-10).Synopsys Demonstrates Industry’s First SuperSpeed USB 10 Gbps Platform-to-Platform Host-Device IP Data Transfer. Пресс-релиз. Проверено 2022-12-23. “As measured by the Ellisys USB Explorer Protocol Analyzer, the IP realized 10 Gbps USB 3.1 effective data rates of more than 900 MBps between two Synopsys HAPS-70 FPGA-based prototyping systems while using backward compatible USB connectors, cables and software.”
  23. ↑USB 3.2 Specification (англ.). USB Implementers Forum, Inc.. Дата обращения: 29 мая 2022.
  24. ↑Сергей Карасёв.Опубликована спецификация стандарта USB 3.2 (неопр.). 3DNews (28 сентября 2022). Дата обращения: 29 мая 2022.
  25. ↑Сергей Карасёв.Проведена первая в мире демонстрация возможностей интерфейса USB 3.2 (неопр.). 3DNews (28 мая 2022). Дата обращения: 29 мая 2022.
  26. ↑Забудьте о USB 3.0 и USB 3.1, стандарт USB 3.2 останется единственным «третьим»
  27. ↑USB 3.2 Specification Language Usage Guidelines from USB-IF
  28. ↑USB DevDays 2022 — Branding Session
  29. ↑USB4™ Specification | USB-IF (англ.). USB Implementers Forum (29 августа 2022). Дата обращения: 4 сентября 2022.
  30. ↑USB4 | USB-IF (неопр.). www.usb.org. Дата обращения: 3 сентября 2022.
  31. ↑Thunderbolt is optional in USB4, USB4 spec says (англ.). PCWorld (3 сентября 2022). Дата обращения: 4 сентября 2022.
  32. ↑USB4 увеличит скорость передачи данных по кабелям USB Type-C до 40 Гбит/с (рус.). 3DNews (4 марта 2022). Дата обращения: 4 сентября 2022.
  33. ↑Morten Christensen.Upgrade Your SoC Design to USB4
  34. ↑Представлены новые логотипы кабелей USB Type-C, сертифицированных по номинальной мощности
  35. ↑На кабелях и устройствах с USB Type-C теперь будет указываться не только скорость передачи данных, но мощность зарядки
  36. ↑USB-IF Announces New Certified USB Type-C® Cable Power Rating Logos
  37. ↑High-Speed Inter-Chip USB Electrical Specification
  38. ↑What is HSIC?
  39. ↑Inter-Chip Supplement to the USB Revision 3.0 Specification
  40. ↑terralab.ru Wireless USB: первые шаги (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 1 ноября 2007.Архивировано 10 ноября 2007 года.
  41. ↑Гук М. Аппаратные средства IBM PC.-СПб: Питер,2000.-С.-708-723.-ISBN 5-88782-290-2
  42. ↑Агуров П. В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования. — СПб: БХВ-Петербург, 2004. — 576 с. — ISBN 5-94157-202-6.
  43. ↑Corning Incorporated. CES 2022 (неопр.) (недоступная ссылка).Optical Cables by Corning.Дата обращения: 13 января 2022.Архивировано 18 января 2022 года.
  44. ↑USB Development Tools
  45. ↑USB Software and Hardware Tools
  46. ↑Independent Test Labs
  47. ↑USB Class Codes (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 22 марта 2022.Архивировано 2 апреля 2007 года.
  48. ↑Типы зарядных портов
  49. ↑The Basics of USB Battery Charging: A Survival Guide
  50. ↑USB Battery Charging v1.2 (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 8 ноября 2022.Архивировано 28 марта 2022 года.
  51. ↑Как работает Power Delivery // Хабр. — 22.01.2022.
  52. ↑Революция интерфейсов. USB 3.1 Type-C в деталях. Взгляд электронщика // Хабр. — 18.05.2022.
  53. ↑USB Power Delivery — что это и как работает? | AndroidLime (рус.). androidlime.ru. Дата обращения: 6 мая 2022.
  54. ↑USB-C Power Delivery Hits 240W with Extended Power Range
  55. ↑Зарядка гаджетов через USB
  56. ↑Зарядка гаджетов через USB
  57. ↑Modify a cheap USB charger to feed an iPod, iPhone or Samsung Galaxy
  58. ↑«Technical Requirements and Test Method of Charger and Interface for Mobile Telecommunication Terminal Equipment» (CCSA YD/T 1591—2006, later updated to YD/T 1591—2009)
  59. ↑How to conform to China’s new mobile phone interface standards
  60. ↑Qualcomm Quick Charge — что это и как работает технология быстрой зарядки // galagram.com. — 05.05.2022.
  61. ↑Технология Qualcomm Quick Charge 4  ускорит зарядку на 15 % // 3dnews.ru. — 02.06.2022.
  62. ↑«Quick Charge technology and USB-C. Specifically, it’s not possible to support both standards in the same device».
    — Google engineer warns USB-C, Qualcomm Quick Charge are incompatible // www.extremetech.com. — 25.04.2022.
  63. ↑Google to OEMs: Don’t use Qualcomm Quick Charge; USB-PD is the future : There are two competing quick charge standards. Google wants to kill one of them // Ars Technica. — 11.10.2022.
  64. ↑Представлена технология Qualcomm Quick Charge 4 : Технология Qualcomm Quick Charge 4 стала на 20% быстрее // iXBT.com. — 17.11.2022.
  65. ↑MCS Electronics.USB Product ID note (неопр.).
  66. ↑Manuel Masiero, Achim Roos.Adata DashDrive Air AE400 Review: Wi-Fi, Charger, And Card Reader. File Access And Streaming (неопр.). www.tomshardware.com (10 июля 2022).
  67. ↑3DNews.В стандарте USB обнаружена критическая уязвимость
  68. ↑Флешка-разрушитель сжигает компьютер разрядом в 200 вольт, computerworld.ru, 12.09.2022
  69. ↑Легендарная «флешка-убийца» поступила в продажу — Российская газета, 2022-09-14
  70. ↑Накопитель USB Kill 2.0 за секунду может уничтожить практически любой ПК — securitylab.ru
  71. ↑USB-брелок, за секунду выводящий ПК из строя, стоит всего €50 — 3dnews.ru
  72. ↑Acidez Bucal.BOMBA: Em SP, culto evangélico proibe uso de tecnologias USB (порт.). Bobolhando (29 июня 2022). Дата обращения: 17 апреля 2022.
  73. ↑Staff Writer.Brazilian cult bans USB (англ.). ITProPortal.com (17 ноября 2022). Дата обращения: 17 апреля 2022.
  74. ↑Бразильские евангелисты усмотрели в эмблеме USB символ сатаны (неопр.) (недоступная ссылка). Руформатор (17 ноября 2022). Дата обращения: 17 апреля 2022.Архивировано 19 апреля 2022 года.
  75. ↑Глава религиозной общины назвал компьютерный порт USB творением сатаны
Другие сокращения:  Ион — Карта знаний

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.

Описание кодов классов[47]:

КодНазваниеПримеры использования/примечание
00hN/AНе задано
01hAudioЗвуковая карта, MIDI
02hCommunication Device (CDC)Модем, сетевая карта, COM-порт
03hHuman Interface Device (HID)Клавиатура, мышь, джойстик
05hPhysical Interface Device (PID)Джойстик с поддержкой Force feedback
06hImageВеб-камера, сканер
07hPrinterПринтер
08hMass Storage Device (MSD)USB-накопитель, карта памяти, кардридер, цифровая фотокамера
09hUSB hubUSB-хаб
0AhCDC DataИспользуется совместно с классом CDC
0BhSmart Card Reader (CCID)Считыватель смарт-карт
0DhContent securityБиометрический сканер
0EhVideo Device ClassВеб-камера
0FhPersonal HealthcareИндикатор пульса, медицинское оборудование
DChDiagnostic DeviceИспользуется для проверки совместимости с USB
E0hWireless ControllerBluetooth-адаптер
EFhMiscellaneousActiveSync-устройства
FEhApplication-specificIrDA-устройства, режим обновления прошивки (DFU)
FFhVendor-specificНа усмотрение производителя

Уязвимость

В августе 2022 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.)[67].

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[68][69][70][71].

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.

Протокол USB Mass Storage, представляющий собой метод передачи команд SCSI по шине USB, имеет бо́льшие накладные расходы, чем соответствующий ему протокол SBP-2 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).

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.

Состояние дифпары, определённое резисторами подтяжки, в спецификации именуется Idle. То же состояние при включённом драйвере обозначается буквой J. Противоположное ему состояние — буквой K. Замыкание обеих линий на минус именуется Single Ended 0, сокращенно SE0; замыкание на плюс — SE1.

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.

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.

usb
Оцените статью
Расшифруй.Ру
© 2023 Расшифруй.Ру