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ⓘ USB, in elettronica, è uninterfaccia normalizzata di tipo hot swap, nonché standard industriale di comunicazione seriale sviluppata negli anni 1990. Esso defini ..




USB
                                     

ⓘ USB

USB, in elettronica, è uninterfaccia normalizzata di tipo hot swap, nonché standard industriale di comunicazione seriale sviluppata negli anni 1990.

Esso definisce le specifiche per cavi, connettori e protocolli per la connessione, la comunicazione e lalimentazione tra dispositivi le loro periferiche. Vari dispositivi e periferiche supportano tale standard, dalle fotocamere digitali ai joystick, la maggiormente diffusa ed utilizzata è la chiave USB.

                                     

1. Storia

Un gruppo di sette società iniziò lo sviluppo di USB nel 1994: Compaq, Hewlett-Packard, IBM, Microsoft, NEC e Nortel. Lobiettivo era rendere fondamentalmente più semplice il collegamento di dispositivi esterni ai PC sostituendo la moltitudine di connettori sul retro dei PC, affrontando i problemi di usabilità delle interfacce esistenti e semplificando la configurazione software di tutti i dispositivi collegati a USB, oltre a consentire una maggiore velocità dati per dispositivi esterni. Ajay Bhatt e il suo team hanno lavorato allo standard alla Intel; i primi circuiti integrati che supportano USB sono stati prodotti nel 1995.

La specifica USB 1.0 originale, introdotta nel gennaio 1996; Microsoft Windows 95 nella versione OSR 2.1 ha fornito il supporto OEM per i dispositivi. LiMac di Apple Inc. è stato il primo prodotto mainstream con USB, che reso popolare lo standard. In seguito alla decisione di Apple di rimuovere tutte le legacy port dalliMac, molti produttori di PC hanno iniziato a costruire PC senza le predette, il che ha portato ad una maggiore diffusione dellUSB.

La specifica USB 2.0 è stata rilasciata nellaprile 2000 ed è stata ratificata dal USB Implementers Forum USB-IF alla fine del 2001. Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies, NEC e Philips hanno guidato congiuntamente liniziativa per sviluppare una velocità di trasferimento dati più elevata. La specifica USB 3.0 è stata pubblicata il 12 novembre 2008. La specifica USB 3.1 è stata invece pubblicata nel luglio 2013.

Nel dicembre 2014, USB-IF ha presentato le specifiche USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 e USB-C a IEC TC 100 - Sistemi e apparecchiature audio, video e multimediali per linclusione nello standard internazionale IEC 62680 interfacce Universal Serial Bus per dati e alimentazione, basato su USB 2.0. Le specifiche USB 3.2 sono state pubblicate a settembre 2017.

                                     

2. Descrizione generale

La tensione di alimentazione prevista dallo standard di base è 5 volt; ma opzionalmente, i dispositivi che seguono lo standard USB Power Delivery UPD, implementano uno schema di alimentazione flessibile che attraverso un canale di comunicazione dati con lalimentatore, permette loro di richiedere un certo livello di tensione di alimentazione che può essere 5V, 9V, 15V, o 20V, o anche 50V. Oltre a migliorare la funzionalità Plug and Play, consentendo così di collegare e scollegare periferiche senza dover riavviare il computer hot swap, USB ha definitivamente rimpiazzato tutte quelle interfacce precedenti che non sarebbero mai riuscite a competere con le tecnologie allora disponibili porte seriali e porte parallele sono un valido esempio.

Il sistema USB è asimmetrico: consiste in un singolo gestore e molte periferiche collegate ad albero, attraverso dei dispositivi chiamati hub concentratori. Supporta fino a un massimo di 127 periferiche per gestore, ma nel computo vanno inclusi anche gli hub e il gestore stesso, quindi, in realtà, il numero totale di dispositivi collegabili è sensibilmente inferiore. La lunghezza massima che può avere un cavo USB senza che il segnale diventi troppo debole è pari a 5 m; oltre questo limite, è necessario ricorrere a uno o più hub attivi che amplifichino il segnale. Le specifiche prevedono il collegamento consecutivo di un massimo di 5 hub ; nonostante ciò dispositivi come mouse e similari non hanno problemi.

Lo standard prevede che il connettore porti anche un cavo chiamato VBUS per alimentare le periferiche a basso consumo. Le periferiche che hanno richieste energetiche elevate devono essere alimentate a parte. I limiti energetici dello standard vanno seguiti scrupolosamente, pena il probabile danneggiamento del gestore, dato che lo standard USB non prevede nelle specifiche minime la disconnessione in caso di sovraccarico.

Il disegno dellUSB è stato pensato per consentire un semplice inserimento e rimozione. Lo standard è stato progettato in modo da consentire un semplice aggiornamento dei sistemi sprovvisti di USB attraverso una scheda PCI ISA o PC Card. Le porte USB sono dotate del supporto del Plug and play e supportano i dispositivi hot swap: se il sistema operativo lo consente, supportano la rimozione "a caldo" delle periferiche e il reinserimento senza dover riavviare il computer.

LUSB di tipo A e B può collegare periferiche che richiedono trasferimento dati, ma non può trasportare segnali video, tale limite è stato comunque superato con il nuovo formato USB 3.1 Type-C. Per i componenti multimediali, ormai, lo standard USB è il metodo di collegamento più utilizzato, mentre nelle stampanti sopravvivono ancora pochi modelli dotati anche di porta parallela per questioni di compatibilità.

A partire dagli anni 2000 anche gli autoveicoli in primis le automobili sono stati dotati connessioni USB per limpianto stereo o per quello di navigazione GPS o, per i modelli di lusso, gli impianti video/TV. In alcune situazioni, tramite chiavetta USB si può aggiornare il firmware di alcuni moduli dellautomobile, ad esempio il bluetooth. In questo modo la compatibilità dei driver tra dispositivi interconnessi è costantemente assicurata.

In aggiunta al tradizionale settore elettronico-informatico-telematico, appare costantemente sul mercato tutta una serie di dispositivi o accessori alimentati tramite presa USB e qualsiasi elencazione correrebbe il rischio di essere obsoleta quanto prima.

Le specifiche dellUSB stabiliscono due tipi di connettori per collegare i dispositivi: il connettore A e il connettore B. Alcuni produttori hanno introdotto delle varianti del connettore per i loro dispositivi miniaturizzati. Questi dispositivi rispettano comunque lo standard di comunicazione USB a tutti gli effetti, con lunica differenza che il connettore è fisicamente diverso. Essi sono chiamati micro-USB o mini-USB di tipo A e B. Con lUSB 3.1 è stato introdotto il connettore USB-C, il primo connettore USB reversibile.

Unestensione dellUSB, chiamata USB-On-The-Go OTG, consente a una singola porta di fungere sia da dispositivo sia da controllore. Ciò consente una più semplice connessione di alcuni dispositivi, come i PDA, che a volte devono fungere da dispositivo e a volte devono comandarne. Per evitare una proliferazione dei connettori proprietari, USB-On-The-Go ha definito anche due connettori chiamati mini-A e mini-B, che sono connettori molto più piccoli dei connettori precedenti; questo rimuove la principale motivazione dei produttori a ignorare lo standard, cioè risparmiare spazio.

                                     

3. Specifiche tecniche

Piedinatura

Di seguito viene illustrato uno schema che esemplifica la disposizione dei pin di contatto, e la loro funzione, dei connettori USB.

  • Piedinatura del connettore USB
  • Piedinatura del connettore micro/mini USB
  • Pin aggiuntivi introdotti dallUSB 3.0
  • Pin aggiuntivi introdotti nel connettore tipo C

Latenza

La latenza dellUSB 1.x è di circa 1ms, la latenza dellUSB 2.0 è di circa 125 µs, invece con lUSB 3.0, solo però con i pin SSTX e SSRX è di circa 950 ns.

                                     

4. I connettori

Le prime tipologie sono state lUSB-A e lUSB-B, successive evoluzione venne rappresentata dallUSB On-The-Go.

Mini-USB

Linterfaccia di tipo Mini-USB è di dimensione intermedia e si distingue in due tipologie: Mini-A e Mini-B.

                                     

4.1. I connettori Micro-USB

Dal 2011 il connettore micro-USB tipo B è il connettore standard dei telefoni cellulari delle principali aziende del settore, Sony Mobile Communications, NEC, Qualcomm, Texas Instruments). È stata lUnione europea a chiederlo al fine di ridurre linquinamento elettronico lesistenza di decine di caricatori diversi obbliga chi intende cambiare cellulare a buttare via anche il relativo caricabatterie, essendo nella maggior parte dei casi incompatibile con il nuovo telefono, senza contare poi che ogni caricabatteria dà tensioni e correnti differenti in uscita.

Apple, inizialmente restia allintroduzione del nuovo connettore, ha in seguito acconsentito allintroduzione dello standard Micro-USB anche sui suoi terminali. Ma luscita sul mercato dei telefoni cellulari iPhone 4 2010 e iPhone 4S 2011 ha dimostrato che Apple, malgrado avesse dichiarato il contrario, ha deciso di non introdurre sui suoi prodotti il connettore micro-USB. Negli anni successivi 2012 e 2013 la presa proprietaria di Apple cambia e diventa più sottile prende il nome di connettore Lightning, ma rimane uno standard proprietario montato solo sui dispositivi Apple.



                                     

4.2. I connettori Mini-USB

Linterfaccia di tipo Mini-USB è di dimensione intermedia e si distingue in due tipologie: Mini-A e Mini-B.

                                     

4.3. I connettori USB-C

Con lUSB 3.1 è stato introdotto il nuovo connettore tipo C che introduce alcune novità tra cui la possibilità di ricaricare dispositivi che richiedono più di 25 W tramite due nuovi pin. Diventerà il nuovo standard per ricaricare i dispositivi cellulari, tablet e portatili. Essendo lunico connettore con i due nuovi pin non sarà possibile realizzare alimentatori da incasso con prese USB.

                                     

5. Gli adattatori

Data lesistenza di connettori e porte di formato diverso, in commercio esistono appositi adattatori per passare da uno specifico formato USB ad un altro, così da poter impiegare un unico cavetto. Una variante delladattatore è quello comprensivo di cavo tra i due connettori. Inoltre, sono disponibili adattatori per passare dallinterfaccia USB ad altre.

                                     

6.1. Cronologia delle versioni USB 1.0 Low-Speed

Questa interfaccia supporta una velocità di trasmissione di solo 1.5 Mbit/s, una velocità adeguata solo per mouse, tastiere e altri dispositivi lenti e una lunghezza massima di 3 metri nonostante ciò un cavo di 1.5 metri rendeva quasi inutilizzabile un semplice mouse USB 1.0, in caso di lunghezze superiori è necessario usare degli Hub USB. USB nella prima release è dotato solamente dei due connettori standard: Type-A e Type-B

                                     

6.2. Cronologia delle versioni USB 1.1 Full-Speed

Nellagosto del 1998 per risolvere alcuni problemi dellUSB 1.0 venne pubblicata lUSB 1.1. USB 1.1 è la prima versione che è stata ampiamente adottata. Vennero risolti i problemi di lunghezza dellUSB 1.0. LUSB 1.1 supporta una velocità di 12 Mbit/s.

                                     

6.3. Cronologia delle versioni USB 2.0 Hi-Speed

La successiva versione dellUSB risale al gennaio del 2000 chiamato USB "hi-speed". La principale caratteristica è linnalzamento della velocità teorica di trasferimento a 480 Mbit/s. Essa consente allUSB di essere competitivo con lo standard Firewire 400 IEEE 1394, che ha una velocità di trasferimento di 400 Mbit/s, benché agli effetti pratici questultimo risulti più veloce e stabile del primo, soprattutto con dispositivi che manipolano flussi video.

LUSB 2.0 ricevette tanti piccoli aggiornamenti realizzati tramite lECN che introducono funzionalità tra cui i connettori mini e micro, lUSB OTG, il supporto alla ricarica per i dispositivi e altro:

  • Collegamento Power Management Addendum ECN: pubblicato nel luglio 2007 questo aggiunge lo stato di alimentazione "sleep", intermedio tra gli stati attivo enabled e sospeso suspended. Il dispositivo in questo stato non è tenuto a ridurre il consumo energetico. Il passaggio tra attivo e sleep è molto più veloce del passaggio tra attivo e sospeso, il che consente ai dispositivi di "dormire" restando attivati).
  • On-The-Go Supplemento 1.3: pubblicato nel dicembre 2006 lUSB On-The-Go consente a due dispositivi USB di comunicare tra loro senza la necessità di un host USB separato. In pratica, ognuno dei dispositivi USB può fungere da host per laltro dispositivo.
  • Mini-A e mini-B connettori ECN: pubblicato nellottobre del 2000 anche i connettori mini sono compatibili con lUSB On-The-Go. Questo non deve essere confuso con connettore Micro-B.
  • Interface Associations ECN: pubblicato nel maggio 2003 è stato aggiunto un nuovo descrittore di standard che consente di associare più interfacce con una funzione di unico dispositivo.
  • Specifiche di ricarica della batteria 1.2: pubblicato nel dicembre 2010. Diversi cambiamenti e incrementi dei limiti massimi compresa una corrente di 1.5 A su porte di ricarica per dispositivi non configurati, permettono la comunicazione ad alta velocità con corrente fino a 1.5 A oltre che una corrente massima di 5 A.
  • Connettori Micro-USB e Specifica 1.01: pubblicato nellaprile 2007 aggiunge due nuovi connettori: micro-USB A e B.
  • Errata del dicembre 2000: pubblicato nel dicembre 2000.
  • Specifiche di ricarica della batteria 1.1: pubblicato nel marzo 2007 Aggiornato 15 aprile 2009.
  • Rounded Chamfer ECN: pubblicato nellottobre 2003.
  • Pull-up / pull-down Resistenze ECN: pubblicato nel maggio 2002.
  • Errata del maggio 2002: pubblicato nel maggio 2002.
  • Unicode ECN: pubblicato nel febbraio 2005 Questa ECN specifica che le stringhe sono codificati utilizzando UTF-16LE. USB 2.0 specifica luso di Unicode, ma non la codifica.
  • Inter-Chip supplemento USB: pubblicato nel marzo 2006


                                     

6.4. Cronologia delle versioni USB 3.0 Super-Speed

Il 18 settembre 2007 la nuova versione viene presentata al pubblico e ai media da Pat Gelsinger, CEO della Intel, che effettua una prima dimostrazione di funzionamento di USB 3.0 allIntel Developer Forum.

Le specifiche USB 3.0 sono state rese note il 13 agosto 2008 mentre i primi prodotti commerciali sono usciti a cavallo tra il 2009 e il 2010. Come avvenuto in precedenza, la versione 3.0 ha mantenuto la retrocompatibilità con USB 2.0 e 1.0. Infatti i nuovi connettori con un maggior numero di piedini permettono linserzione in una parte dei suoi piedini dei connettori USB 2.0.

Nella prima metà di ottobre 2008 Intel, una delle aziende che hanno definito il protocollo USB, ha fornito le specifiche tecniche per la nuova interfaccia USB 3.0, retrocompatibile con lUSB 2.0.

Una nuova caratteristica è il bus "SuperSpeed", che fornisce una quarta modalità di trasferimento dati a 4.8 Gbit/s, corrispondenti a 600 MB/s, fino a dieci volte più veloce della versione USB 2.0 utilizzando due coppie intrecciate ad alta velocità per il bus sopra citato e il supporto di connessioni ottiche, con la quale la specifica ritiene ragionevole ottenere almeno 3.2 Gbit/s al netto delloverhead di protocollo corrispondenti a 400 MB/s. Per ospitare i piedini supplementari per la modalità SuperSpeed, i fattori di forma fisica per USB 3.0 spine e i contenitori sono stati modificati. Il contatto femmina standard-A è più profondo per accettare questi nuovi connettori. Un cavo standard legacy di A-a-B lavorerà come progettato e non entrerà mai in contatto con i connettori SuperSpeed, garantendo la compatibilità con le versioni precedenti. La spina SuperSpeed standard A si adatterà correttamente alle prese, ma il SuperSpeed standard B non è adatto alle prese B standard vecchio stile.

USB 3.0 estende il tipo di trasferimento di massa in SuperSpeed. Questa estensione consente a un host e a un dispositivo di creare e trasferire più flussi di dati attraverso un singolo supporto. Nuove funzioni di gestione dellalimentazione includono il supporto di inattività, stand by e sospensione dello stato. USB 3.0 non definisce le lunghezze dei cavi, in teoria può essere usata qualsiasi lunghezza, purché soddisfi tutti i requisiti definiti nella specifica. Tuttavia alcune stime indicano una limitazione di 3 m / 5 m usando SuperSpeed.

Le porte e i connettori USB 3.0 si riconoscono subito in quanto hanno il supporto interno dei contatti interfaccia di colore blu. I piedini in più nel tipo A sono nascosti, ma ad un occhio esperto visibili. In altri casi, nelle porte non cè la colorazione blu ma a sinistra del simbolo universale di USB cè attaccata la dicitura "SS" iniziali di SuperSpeed.

Le specifiche dellUSB 3.0 prevedono 4 connettori USB ufficiali, 3 retro-compatibili dalle versioni precedenti, uno nuovo, a differenza delle versioni precedenti la plastica allinterno del connettore deve essere blu del colore Pantone 300C; sono previsti 5 nuovi piedini.

LUSB 3.0 non prevede una versione aggiornata dei connettori Mini-USB e Micro-A in quanto vengono dichiarati obsoleti dalla data di rilascio di tale specifica.

Esistono tuttavia sul commercio connettori e porte Mini-B 3.0 con 10 piedini, non conformi allo standard; contrariamente alle porte Micro-B 3.0, questi non sono meccanicamente compatibili con i loro predecessori.



                                     

6.5. Cronologia delle versioni USB 3.1 Super-Speed+

Nel 2013 sono state pubblicate le specifiche della nuova versione 3.1. Successivamente è stato anche predisposto un nuovo connettore USB-C capace di 10 Gbit/s 1250 MB/s nominali. La nuova versione supporta 5 profili:

  • Profilo 2: 5 V a 2.0 A 10 W, 12 V a 1.5 A 18 W;
  • Profilo 1: 5 V a 2.0 A 10 W;
  • Profilo 5: 5 V a 2.0 A 10 W, 12 V, 20 V a 5 A 60 W, 100 W.
  • Profilo 3: 5 V a 2.0 A 10 W, 12 V a 3 A 36 W;
  • Profilo 4: 5 V a 2.0 A 10 W, 12 V, 20 V a 3 A 36 W, 60 W;

È stato annunciato anche il nuovo connettore Tipo C che, oltre ad essere reversibile, è il primo a supportare i profili a 12 V e 20 V, ma nonostante ciò rimane polarizzato, tramite due serie di Pin A e B. Il connettore tipo C introduce due nuovi pin VBUS a 12 V e 20 V. I connettori di tipo A, B e mini B non saranno aggiornati con i pin VBUS 12 e 20 V, ma il connettore tipo A supporterà i 10 Gbit/s. Nei nuovi dispositivi i connettori di tipo A e C saranno di colore Blu/Acqua se utilizzabili sia per lalimentazione che per la trasmissione dati, mentre il connettore C sarà di colore nero se utilizzabile soltanto per alimentazione.

                                     

6.6. Cronologia delle versioni Il wireless USB

Levoluzione dello standard USB si concentra su due strade: la prima prevede un innalzamento della velocità massima di trasferimento, mentre la seconda strada, chiamata wireless USB, prevede labbandono dei cavi per la comunicazione tramite onde radio. Una prima specifica wireless USB è già stata standardizzata e alcuni dispositivi sono in commercio.