Presentazione del bus USB
• l'architettura seriale permette di utilizzare una cadenza di orologio molto più elevata rispetto ad un'interfaccia parallela, dato che questa non supporta delle frequenze troppo elevate (in un'architettura ad alte capacità di banda, i bit circolanti su ogni filo arrivano con dei ritardi, provocando degli errori);
• i cavi seriali costano molto meno che i cavi paralleli.
Le norme USB
Così, dal 1995, lo standard USB è stato elaborato per la connessione di una grande varietà di periferiche.
Lo standard USB 1.0 propone due modalità di comunicazione :
• 12 Mb/s in modalità alta velocità,
• 1.5 Mb/a a bassa velocità.
Lo standard USB 1.1 apporta qualche chiarimento ai costruttori di periferiche USB ma non modifica niente rispetto alla banda. Le periferiche certificate USB 1.1 hanno il seguente logo :
In assenza di loghi il modo migliore per determinare se si tratta di periferiche USB a bassa o alta velocità è quello di consultare la documentazione del prodotto dato che i connettori sono gli stessi.
La compatibilità tra periferiche US 1.0, 1.1 e 2.0 è assicurata. Tuttavia l'utilizzazione di una periferica USB 2.0 su una porta USB a bassa velocità (es. 1.0 o 1.1) limiterà la capacità della banda a 12 Mbit/s massimo. Inoltre, il sistema operativo visualizzerà un messaggio indicante l'abbassamento della banda.
Tipi di connettori
Esistono due tipi di connettori USB :
• I connettori detti di tipo A, la cui forma è rettangolare e servono generalmente per delle periferiche che richiedono poca banda passante (tastiera, mouse, webcam, ecc.);
• I connettori detti di tipo B, la cui forma è quadrata e utilizzati principalmente per delle periferiche ad alta capacità di banda (dischi rigidi esterni, ecc.)
1. Alimentazione +5V (VBUS) 100mA massimo
2. Dati (D-)
3. Dati (D+)
4. Massa (GND)
Funzionamento del bus USB
L'architettura USB ha come caratteristica di fornire l'alimentazione elettrica alle periferiche che collega, limitato a 15 W massimo per periferica. Essa utilizza per questo un cavo composto da quattro fili (la massa GND, l'alimentazione VBUS e due fili di dati detti D- e D+).
La norma USB permette di concatenare delle periferiche, utilizzando una topologia in bus o a stella. Le periferiche possono allora essere sia connesse le une presso le altre, ossia ramificate.
La ramificazione si fa attraverso dei case detti « hub » (in italiano concentratori), con una sola entrata e più uscite. Alcuni sono attivi (fornendo energie elettrica) altri passivi (alimentati dal computer).
L'host (il computer) emette un segnale di inizio sequenza ogni millisecondo (ms), intervallo di tempo durante il quale darà simultaneamente la "parola" a ciascuno di essi. Quando l'host vuole comunicare con una periferica, emette un gettone (pacchetto di dati, contenente l'indirizzo della periferica, codificato a 7 bit) che designa una periferica, ed è quindi l'host che decide il "dialogo" con le periferiche.
Se la periferica riconosce il proprio indirizzo nel gettone, invia un pacchetto di dati (da 8 a 255 byte) in risposta, altrimenti fa passare il pacchetto alle altre periferiche connesse. I dati così scambiati sono codificati secondo la codifica NRZI.
Dato che l'indirizzo è codificato a 7 bit, a questo tipo di porta possono essere connesse simultaneamente 128 periferiche (2^7). In realtà bisogna portare questa cifra a 127 dato che l'indirizzo 0 è un indirizzo riservato. (cfr successivamente).
Se consideriamo una lughezza massima di 5 metri per un cavo fra due periferiche e al massimo 5 hub (alimentati), è possibile creare una catena lunga 25 metri!
Le porte USB supportano l' Hot plug and play, quindi le periferiche possono essere collegate senza spegnere il computer (collegamento a caldo, in inglese hot plug ).
Quando si connette la periferica all'host, quest'ultimo individua l'aggiunta di un nuovo elemento grazie al cambiamento della tensione tra i fili D+ e D-. In quel momento, il computer invia un segnale di inizializzazione alla perifericha per 10 ms, poi gli fornisce corrente mediante i fili GND e 'VBUS (fino a 100mA).
La periferica è quindi alimentata elettricamente e recupera temporaneamente l'indirizzo di default (l'indirizzo 0). La tappa successiva consiste nel fornirgli un suo indirizzo definitivo (procedura di numerazione). Per far questo, il computer interroga le periferiche già collegate per conoscere il loro e attribuirne uno nuovo, che viene così identificato. L'host, disponendo di tutte le caratteristiche necessarie è quindi capace di caricare il driver appropriato.
Il sistema USB è asimmetrico, consiste in un singolo gestore e molte periferiche collegate da una struttura ad albero attraverso dei dispositivi chiamati hub (concentratori). Supporta fino ad un massimo di 127 periferiche per gestore: nel computo vanno però 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 il cavo senza che il segnale diventi troppo debole è pari a 5 m; oltre questo limite è necessario ricorrere ad uno o più hub attivi che amplifichino il segnale. Le specifiche prevedono il collegamento consecutivo al massimo di 5 hub.
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 vanno 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 sconnessione in caso di sovraccarico.
Il disegno dell'USB 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 quindi se il sistema operativo lo consente supportano la rimozione a caldo e il reinserimento delle periferiche senza dover riavviare il computer (questo per i dispositivi a basso consumo: verificare sul manuale della periferica che si desidera collegare se è consentito l'hot swap).
USB può collegare periferiche quali mouse, tastiere, memoria di massa a stato solido e a disco rigido, scanner d'immagini, macchine fotografiche digitali, stampanti, casse acustiche, microfoni e altro ancora. Per i componenti multimediali ormai lo standard USB è il metodo di collegamento più utilizzato mentre nelle stampanti sopravvivono ancora molti modelli dotati anche di porta parallela per questioni di compatibilità.
All'interno del computer, l'USB non ha rimpiazzato gli standard ATA o SCSI per via della sua lentezza. Il nuovo standard serial ATA per esempio consente trasferimenti dell'ordine di 150 Mbyte per secondo, una velocità molto più elevata dello standard USB, che nella versione 2.0 raggiunge un massimo di 60 Mbyte per secondo (480 Mbits/s). L'USB viene molto usato negli hard disk esterni dove si preferisce privilegiare la praticità di poter collegare e scollegare a caldo il componente rispetto alla velocità di una connessione tipo ATA. La versione 3.0 raggiunge la velocità di 4800 Mbits/s.
USB non ha ancora totalmente rimpiazzato il connettore PS/2 della tastiera, molti costruttori preferiscono mantenerlo per consentire agli utenti di poter utilizzare le economiche tastiere PS/2.
Lo standard 1.0 dell'USB (gennaio 1996) supporta collegamenti a solo 1,5 Mbit/s, velocità adeguata per mouse, tastiere e dispositivi lenti.
La versione 1.1 (settembre 1998) aggiunge la modalità full speed, che innalza la velocità a 12 Mbit/s.
La maggior novità dello standard USB versione 2.0 (aprile 2000) è l'innalzamento della velocità di trasferimento a 480 Mbit/s. Questa velocità consente all'USB di essere, teoricamente, competitivo con lo standard Firewire 400 (IEEE 1394) che ha una velocità di trasferimento di 400 Mbits/s, benché agli effetti pratici quest'ultimo risulti più veloce del primo. Lo standard USB ha tuttavia delle limitazioni di carattere tecnico che ne sconsigliano l'utilizzo su telecamere e dispositivi che manipolano flussi video.
Le specifiche dell'USB stabiliscono due tipi di connettori per collegare i dispositivi, il connettore A e B. Negli ultimi anni alcuni produttori hanno introdotto delle varianti del connettore per i loro dispositivi miniaturizzati.
Molti produttori cercando di ridurre le dimensioni dei dispositivi hanno deciso di creare connettori più piccoli di quelli standard. Questi dispositivi rispettano lo standard di comunicazione USB a tutti gli effetti, l'unica differenza è il connettore che è fisicamente diverso, sono chiamati: micro-USB, mini USB di tipo A e B.
Una estensione del USB chiamata USB-On-The-Go consente ad una singola porta di fungere sia da dispositivo che da controllore. Ciò consente una più semplice connessione di dispositivi tipo i PDA che a volte devono fare da dispositivo ed a volte devono comandare dei dispositivi. 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 ad ignorare lo standard e cioè risparmiare spazio.
L'USB è una porta facilmente installabile anche nei computer di vecchia generazione che ne sono sprovvisti: una scheda USB 2.0 per slot PCI, da installare all'interno del case nella scheda madre, può costare dai 10 ai 30 €.
Tipi di connettori USB
Connettore maschio micro USB
• USB di tipo A
• USB di tipo B
• Mini USB di tipo A
• Mini USB di tipo B
• Micro USB di tipo A
• Micro USB di tipo B
In realtà esistono altre versioni di connettori non standard per il collegamento USB di dispositivi con presa "proprietaria" di vario tipo (ad esempio lettori mp3, modem UMTS, telefoni cellulari, macchine fotografiche digitali, videocamere ecc.).
Caricabatterie universale per cellulari
Il connettore micro USB è stato scelto da alcune delle maggiori aziende di telefonia cellulare del mondo (Nokia, LG, Motorola, Samsung, RIM, Sony Ericsson, NEC, Qualcomm, Texas Instruments) per diventare il connettore standard che dal 2011 sarà presente su tutti i telefoni cellulari del mondo. È stata l'Unione europea a chiederlo al fine di ridurre l'inquinamento elettronico (l'esistenza 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)[1][2], senza contare però che ogni caricabatteria dà tensioni ed amperaggi differenti in uscita. Apple inizialmente era restia all'introduzione del nuovo connettore, in quanto quello in uso con l'iPod e l'iPhone è protetto da brevetti e l'uso da parte di altre aziende comporta il pagamento ad Apple di salati costi di licenza.[3][4] Il telefono cellulare iPhone 4 e iPhone 4S di Apple (uscito sul mercato nel 2010 e 2011) lascia intendere che Apple, malgrado avesse dichiarato il contrario, abbia deciso per il momento di non introdurre sui suoi prodotti il connettore micro-usb (infatti l'iPhone 4 ne è privo e mantiene la classica presa "Apple" per la ricarica e la connessione al computer). Il cavo dato in dotazione al telefono ne permette comunque la ricarica tramite una qualsiasi presa USB, senza necessità di connettori ulteriori.
Piedinatura
Rappresentazione schematica dei connettori USB di tipo A e B
Pin Nome segnale Colore filo
1 VBUS ROSSO
2 D- BIANCO
3 D+ VERDE
4 GND NERO
• Pinout dei connettori mini USB:
Pin Nome segnale Colore filo Note
1 VBUS ROSSO + 5 V
2 D- BIANCO Data −
3 D+ VERDE Data +
4 ID FUCSIA Interconnessione Mini/Micro A e B (Tipo A connesso a GND, tipo B non connesso)
5 GND NERO GND
Il livello di tensione per il VBUS è di circa +5 V con una corrente massima di 500 mA. Con i segnali D+ e D- si intendono le due linee di comunicazione dati (pseudo) differenziali. Per tutti i connettori la protezione metallica esterna è connessa a terra.
USB 3.0
Connettore maschio di tipo B (3.0)
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 l'inserzione in una parte dei suoi piedini dei connettori USB 2.
Nella prima metà di ottobre 2008 Intel, una delle aziende che ha definito il protocollo USB, ha fornito le specifiche tecniche per la nuova interfaccia USB 3.0, retrocompatibile con l'USB 2.0.
Una nuova caratteristica è il bus "SuperSpeed", che fornisce una quarta modalità di trasferimento dati a 4,8 Gb/s.
La velocità teorica è di 4 Gb/s e la specifica ritiene ragionevole ottenere 3,2 Gb/s (ovvero 0,4 GB/s o 400 MB/s) o più al netto dell'overhead di protocollo.
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 (quindi un nuovo cavo può essere utilizzato per la connessione di un nuovo dispositivo a un vecchio host, ma non per collegare un nuovo host in un vecchio dispositivo, e sarà necessario un cavo standard legacy A-a-B). 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 dell'alimentazione 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 usando SuperSpeed.
Tipo Prestazioni
USB 1.0 1,5 Mbit/s (0,1875 MB/s)
USB 1.1 12 Mbit/s (1,5 MB/s)
USB 2.0 480 Mbit/s (60 MB/s)
USB 3.0 4,8 Gbit/s (600 MB/s)
USB 1.0 1,5 Mbit/s (0,1875 MB/s)
USB 1.1 12 Mbit/s (1,5 MB/s)
USB 2.0 480 Mbit/s (60 MB/s)
USB 3.0 4,8 Gbit/s (600 MB/s)
L'evoluzione 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 l'abbandono dei cavi per la comunicazione tramite onde radio. Una prima specifica wireless USB è già stata standardizzata e alcuni dispositivi sono in commercio. Attualmente, nel 2012, la versione principalmente in uso è la 2.0, ma i nuovi dispositivi in commercio sono dotati per la maggior parte della versione 3.0
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