USB (Universal Serial Bus): definitie, werking en toepassingen

De eerste versie van de Universal Serial Bus ontstond in 1995. Deze nieuwe technologie werd onmiddellijk een succes. Sinds de introductie van USB hebben mensen die elektronische apparaten maken nagedacht over het gebruik ervan in de toekomst. Vandaag de dag verbindt USB een computer of andere apparaten zoals laptops en MP3-spelers met randapparatuur.

De bus werd geïntroduceerd door zeven bedrijven die de leiders in de informatietechnologie vertegenwoordigen: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom en Digital Equipment Corporation (DEC).

Enkele jaren eerder hielden adoptanten en ontwikkelaars van USB een bijeenkomst genaamd Plugfest in een speciaal hotel in Californië om hun apparaten te testen. Ze kozen een hotel met kamers om te slapen en te testen. De bijeenkomst duurde drie dagen. Tijdens de bijeenkomst sloten de vertegenwoordigers van ongeveer 50 bedrijven hun USB-apparaten aan op één algemeen hostsysteem.

Het logo van het USB-apparaat heeft ook zijn eigen geschiedenis. Het USB-logo was enkele maanden in ontwikkeling.

• 1994 - Zeven bedrijven verenigen zich om te beginnen met de ontwikkeling van USB.
• 1995 - 340 bedrijven vormen het USB Implementation Forum.
• 1996 - Wereldwijd werden al meer dan vijfhonderd USB-producten ontwikkeld.
• 1997 - USB Implementation Forum werd rijker met 60 extra bedrijven.
• 1998 - USB wordt de populairste technologie op de elektronicamarkt.
• 2000 - De introductie van USB 2.0. Tegenwoordig is dit het meest gebruikte USB-apparaat.
• 2005 - USB wordt draadloos.
• 2008 - USB 3.0 wordt geïntroduceerd. Het is meer dan 10 keer sneller dan USB 2.0.
• 2013 - USB 3.1 wordt geïntroduceerd. Het is ongeveer twee keer zo snel als USB 3.0.
• 2015 - USB Type-C wordt geïntroduceerd. Het is een omkeerbare connector, wat betekent dat u hem op beide manieren kunt aansluiten.
• 2019 - USB 4 wordt geïntroduceerd. Het is meer dan 8 keer sneller dan USB 3.0.

Momenteel worden vijf verschillende USB-standaarden gebruikt: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 en USB 3.1. USB 3.1 werd in 2016 uitgebracht en verdubbelde de snelheid van 3.0. Het maakt optioneel gebruik van een andere connector genaamd USB Type-C, die omkeerbaar is (wat betekent dat u het op beide manieren kunt aansluiten). USB 1.0 wordt nu nog maar zelden gebruikt.

USB biedt vijf verschillende overdrachtsnelheden: 1,5 MBit per seconde (lage snelheid genoemd), 12 MBit per seconde (Full Speed), 480 MBit per seconde (Hi Speed), 5 Gbit per seconde (supersnelheid genoemd), en 10 Gbit/s ("super speed+"). Hi speed is alleen beschikbaar in USB 2.0 en later, en Super speed is alleen beschikbaar in USB 3.0. Deze snelheden zijn ruwe bitsnelheden (in miljoenen bits per seconde). De werkelijke datasnelheid is meestal lager door de protocoloverhead.

Om de hoge overdrachtssnelheid te kunnen gebruiken, moeten zowel de USB-controller als het aangesloten apparaat deze snelheid ondersteunen. USB is achterwaarts compatibel. Snellere en langzamere USB-apparaten en -controllers kunnen samen worden aangesloten, maar zij zullen op de langzamere snelheid werken.

Vanaf 2022 hebben bijna alle computers die tegenwoordig worden verkocht USB-poorten, en de meeste daarvan ondersteunen USB 3.0 of hoger en hebben ten minste één USB-C-poort. Apple Macbooks hebben alleen USB-C-poorten. Het aantal poorten is echter meestal beperkt. Twee tot vier poorten zijn gebruikelijk. Via USB kunnen USB-hubs worden aangesloten om meer USB-poorten toe te voegen.

De hubs zelf voldoen ook aan een van de USB-standaarden. Apparaten die zijn aangesloten op een USB 2.0-hub gaan slechts zo snel als de USB 2.0-snelheden. Apparaten die zijn aangesloten op een latere controller kunnen andere standaarden gebruiken.

USB is ontworpen om gemakkelijk te gebruiken te zijn. De ingenieurs leerden van andere connectoren voordat zij USB-connectoren ontwierpen. Er zijn 3 connectoren.

• Type A, gewoonlijk gebruikt aan de computerzijde van de kabel
• Micro-A (zeldzaam)
• Type B, aan perifere zijde, zeldzaam, behalve voor printers
• Micro-B, aan de rand, voor de meeste smartphones
• Type C, aan beide uiteinden. Vanaf 2022 maken veel computers, telefoons en randapparatuur er gebruik van.

Bruikbaarheid

• Het is niet mogelijk om een USB A of B connector op de verkeerde manier aan te sluiten. Ze kunnen er niet ondersteboven in, en het is duidelijk aan het uiterlijk en het kinesthetische gevoel te zien wanneer hij er goed in gaat. Soms begrijpt of ziet een gebruiker echter niet hoe de connector moet, zodat het nodig kan zijn beide manieren te proberen.
• Type C USB-connectoren kunnen op beide manieren worden aangesloten. Het maakt niet uit op welke manier de connector wordt aangesloten.
• U hoeft niet hard te duwen of te trekken om hem aan te sluiten of los te koppelen. Dit stond in de specificaties. USB-kabels en kleine USB-apparaten worden op hun plaats gehouden door de grijpkracht van de aansluiting. USB heeft geen schroeven, klemmen of andere bevestigingsmiddelen nodig. De kracht die nodig is om een verbinding te maken of te verbreken is klein. Hierdoor kunnen verbindingen worden gemaakt in lastige posities of door mensen met een motorische handicap.
• Vóór de komst van Type C dwongen de connectoren de gerichte topologie van een USB-netwerk af. USB ondersteunt geen cyclische netwerken, dus de connectoren van incompatibele USB-apparaten zijn zelf incompatibel. In tegenstelling tot andere communicatiesystemen (bijv. RJ-45-bekabeling) werden gender-changers bijna nooit gebruikt vóór de komst van USB-On-The-Go (OTG), waardoor het moeilijk was een cyclisch USB-netwerk te creëren.

Duurzaamheid

• De connectoren zijn ontworpen om sterk te zijn. Vroege connectorontwerpen waren fragiel, met pinnen of andere delicate onderdelen die gemakkelijk konden buigen of breken, zelfs als ze voorzichtig werden behandeld. De elektrische contacten in een USB-connector worden beschermd door een plastic lipje. Het geheel wordt meestal verder beschermd door een metalen omhulsel. Daardoor kunnen USB-connectoren veilig worden gehanteerd, geplaatst en verwijderd, zelfs door een klein kind.
• De connectorconstructie zorgt er altijd voor dat de externe mantel op de stekker contact maakt met zijn tegenhanger in de houder voordat de vier connectors binnenin worden aangesloten. Deze mantel is doorgaans verbonden met de systeemaarde, zodat anders schadelijke statische ladingen langs deze weg veilig kunnen worden afgevoerd (in plaats van via kwetsbare elektronische componenten). Deze manier van omhullen betekent ook dat er een (bescheiden) mate van bescherming tegen elektromagnetische interferentie wordt geboden aan het USB-signaal tijdens de reis door het gekoppelde connectorpaar (dit is de enige locatie waar het anders getwiste datapaar een afstand parallel moet afleggen). Ook worden de voedings- en gemeenschappelijke verbindingen gemaakt na de systeemaarde, maar vóór de gegevensverbindingen. Dit type gefaseerde make-break timing maakt veilige hot-swapping mogelijk en wordt gebruikt voor connectoren in de luchtvaartindustrie.
• De nieuwere USB micro-aansluitingen zijn ontworpen om tot 10.000 cycli van inbrengen en uitbrengen tussen de aansluiting en de stekker mogelijk te maken, vergeleken met 500 voor de standaard USB- en mini-USB-aansluitingen. Dit wordt bereikt door een vergrendeling toe te voegen en door de bladveerconnector te verplaatsen van de aansluiting naar de stekker, zodat het meest belaste deel zich aan de kabelzijde van de verbinding bevindt. Deze wijziging is doorgevoerd zodat de connector op de (relatief goedkope) kabel het meest belast wordt in plaats van het micro-USB-apparaat.

Compatibiliteit

• De USB-standaard specificeert relatief grote toleranties voor compatibele USB-connectoren. Dit is gedaan om incompatibiliteit in connectoren van verschillende leveranciers te minimaliseren (een doel dat met succes is bereikt). In tegenstelling tot de meeste andere connectornormen stelt de USB-specificatie ook beperkingen aan de grootte van een aansluitapparaat in het gebied rond de stekker. Dit is gedaan om te voorkomen dat een apparaat door zijn omvang aangrenzende poorten blokkeert. Apparaten die aan de eisen voldoen, moeten ofwel binnen de beperkingen van de afmetingen passen, ofwel een verlengkabel ondersteunen die aan de eisen voldoet.
• Communicatie in twee richtingen is ook mogelijk. Gewoonlijk hebben kabels alleen stekkers, en hosts en apparaten alleen aansluitingen: hosts hebben aansluitingen van type A en apparaten van type B. Type-A-stekkers kunnen alleen worden aangesloten op type-A-aansluitingen, en type-B op type-B. Een uitbreiding van USB, USB On-The-Go genaamd, maakt het echter mogelijk om één enkele poort als host of als apparaat te gebruiken - afhankelijk van welk uiteinde van de kabel in de aansluiting op het apparaat wordt gestoken. Zelfs nadat de kabel is aangesloten en de apparaten met elkaar in gesprek zijn, kunnen de twee apparaten onder programmabesturing de uiteinden "verwisselen". Deze voorziening is bedoeld voor apparaten zoals PDA's, waarbij de USB-koppeling in één geval als apparaat kan worden aangesloten op de hostpoort van een pc, maar in een ander geval zelf als host kan worden aangesloten op een toetsenbord en muis.

Een USB-systeem heeft een asymmetrisch ontwerp. Het bestaat uit een host, meerdere downstream USB-poorten en meerdere randapparaten die in een stertopologie zijn aangesloten. Extra USB-hubs kunnen worden opgenomen in de niveaus, waardoor vertakkingen mogelijk zijn in een boomstructuur met maximaal vijf niveaus.

Een USB-host kan meerdere hostcontrollers hebben. Elke hostcontroller biedt één of meer USB-poorten. Er kunnen maximaal 127 apparaten, inclusief de hub-apparaten, worden aangesloten op één hostcontroller.

USB-apparaten worden in serie geschakeld via hubs. Er is altijd één hub die de root hub wordt genoemd. De root-hub is ingebouwd in de host-controller. Er zijn speciale hubs, die "sharing hubs" worden genoemd. Deze geven meerdere computers toegang tot dezelfde randapparatuur. Ze werken door de toegang tussen PC's te schakelen, handmatig of automatisch. Ze zijn populair in kleine kantooromgevingen. In netwerktermen convergeren ze eerder dan dat ze takken divergeren.

Een fysiek USB-apparaat kan verschillende logische subapparaten hebben die apparaatfuncties worden genoemd. Een enkel apparaat kan verschillende functies hebben, bijvoorbeeld een webcam (videoapparaatfunctie) met een ingebouwde microfoon (audioapparaatfunctie).

USB-apparaatcommunicatie is gebaseerd op pijpen (logische kanalen). Pijpen zijn verbindingen van de hostcontroller naar een logische entiteit op het apparaat, een eindpunt genaamd. De term eindpunt wordt soms ten onrechte gebruikt om naar de pijp te verwijzen. Een USB-apparaat kan maximaal 32 actieve pijpen hebben, 16 naar de hostcontroller en 16 uit de controller.

Elk eindpunt kan slechts in één richting gegevens verzenden, naar of vanuit het apparaat, dus elke pijp is eenrichtingsverkeer. Eindpunten zijn gegroepeerd in interfaces en elke interface is geassocieerd met een enkele apparaatfunctie. Een uitzondering hierop is eindpunt nul, dat wordt gebruikt voor apparaatconfiguratie en dat aan geen enkele interface is gekoppeld.

Wanneer een USB-apparaat voor het eerst wordt aangesloten op een USB-host, wordt de opsomming van het USB-apparaat gestart. De opsomming begint met het verzenden van een resetsignaal naar het USB-apparaat. De snelheid van het USB-apparaat wordt bepaald tijdens het resetsignaal. Na het resetten wordt de informatie van het USB-apparaat gelezen door de host, waarna het apparaat een uniek 7-bits adres krijgt toegewezen. Als het apparaat door de host wordt ondersteund, worden de stuurprogramma's voor de communicatie met het apparaat geladen en wordt het apparaat in een geconfigureerde toestand gebracht. Als de USB-host opnieuw wordt opgestart, wordt het opsommingsproces herhaald voor alle aangesloten apparaten.

De host controller vraagt de bus om verkeer, meestal in een round-robin mode, zodat geen enkel USB-apparaat gegevens op de bus kan overbrengen zonder een expliciet verzoek van de host controller.

Host-controllers

De computerhardware die de host controller en de root hub bevat, heeft een interface voor de programmeur. Deze wordt Host Controller Device (HCD) genoemd en wordt gedefinieerd door de hardware-implementator.

Voor USB 1.0 en 1.1 waren er twee verschillende HCD-implementaties, Open Host Controller Interface (OHCI) en Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI werd ontwikkeld door Compaq, Microsoft en National Semiconductor, UHCI door Intel.

VIA Technologies heeft de UHCI-standaard gelicentieerd van Intel; alle andere chipsetimplementeerders gebruiken OHCI. UHCI steunt meer op software. Dit betekent dat UHCI iets meer processorintensief is dan OHCI, maar gemakkelijker en goedkoper te maken. Omdat er twee verschillende implementaties waren, moesten verkopers van besturingssystemen en hardware beide ontwikkelen en testen. Dit verhoogde de kosten.

De USB-specificatie specificeert geen HCD-interfaces en houdt zich er niet mee bezig. Met andere woorden, USB definieert het formaat van gegevensoverdracht via de poort, maar niet het systeem waarmee de USB-hardware communiceert met de computer waarin hij zit.

Tijdens de ontwerpfase van USB 2.0 stond de USB-IF erop dat er slechts één implementatie was. De USB 2.0 HCD-implementatie heet de Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Alleen EHCI kan hi-speed (480 Mbit/s) overdrachten ondersteunen. De meeste PCI-gebaseerde EHCI-controllers hebben andere HCD-implementaties die "companion host controller" worden genoemd om Full Speed (12 Mbit/s) te ondersteunen. Een besturingssysteem wordt geacht alle apparaatklassen te implementeren, zodat het generieke stuurprogramma's kan leveren voor elk USB-apparaat. Apparaatklassen worden vastgesteld door de Device Working Group van het USB Implementers Forum.

USB-apparaatklassen

De apparaatklassen omvatten:

Opmerking klasse 0: Gebruik klasse-informatie in de interfacebeschrijvingen. Deze basisklasse is gedefinieerd om te worden gebruikt in apparaatbeschrijvingen om aan te geven dat klasse-informatie moet worden bepaald uit de interfacebeschrijvingen in het apparaat.

• FireWire