USB распиновка

USB используется для подключения периферии к головному устройству, обычно это компьютер. Название расшифровывается как Universal Serial Bus, переводится как универсальная последовательная шина.

Общая информация

USB интерфейс был разработан на замену уже имеющихся разъемов компьютерной и оргтехники. В то время популярны были порты, которые разрабатывались под каждый вид устройств отдельно. Отсутствие универсальности было большим недостатком. Происходило это в 90-е годы.

Старые порты не устраивали пользователей по размеру и быстродействию. Основными портами тогда были параллельный LPT — для печатающих устройств, и последовательный COM-порты (RS-232). Интерфейс RS-232 может и сейчас встречаться в технике, работающей с микроконтроллерами.

Эти старые порты имели недостатки, которые со временем привели к появлению новых интерфейсов передачи данных. Первым из таких новых портов и был USB, популярность получил в начале 2000-х.

Основными требованиями к новым методам передачи данных были:

• увеличенная скорость передачи данных;
• в разъеме должно быть питание для внешнего устройства;
• поддержка разных устройств;
• высокая защита от помех;
• надежная конструкция разъема;
• возможность горячего подключения, без выключения питания (Hot-Plug);
• автораспознавание подключенных устройств, функция Plug-n-Play.

Как видно, нужен был новый протокол передачи данных и плюс к этому и физический разъем с новой конструкцией.

Особенности соединения устройств

Одной из важных особенностей стандарта является то, что он не предусматривает соединение двух равноправных устройств. Например, два компьютера соединить с помощью юсб не получиться.

При USB подключении всегда есть Master и Slave (главный и подчиненный). Слово Master могут заменять на Host.

Стандарт не предусматривает подключение устройств в параллель. Для такого подключения используют специальные активные разветвители, называемые “USB хабы”.

Роль “главного” в Universal Serial Bus соединении выполняет компьютер. А подчиненными могут быть самые разные устройства: принтер, флешка, мышка, сканер, клавиатура и т.д.

Конструкция разъема

Такая идея взаимодействия была положена в основу стандарта USB изначально, и она отразилась на физической конструкции соединителя. Разъем кабеля, который подключается к компьютеру называется “USB A”, а разъем подключаемый к устройству называется “USB B”.

Сами разъемы сконструированы таким образом, что при подключении первым замыкается общий провод в виде корпуса, а затем уже все остальные.

Эта особенность дает возможность “горячего” подключения (без снятия питания).

Когда интерфейс Universal Serial Bus стали использовать и на мобильных устройствах, возникла необходимость в разработке более компактного разъема. Тогда и появился Mini-USB. Сегодня он встречается редко, в основном в видеорегистраторах, навигаторах.

Когда устройства стали еще компактнее, тогда появился разъем Micro-USB.

Mini-USB и Micro-USB являются разновидностями разъема USB-B. И тогда правильное их название будет USB Mini-B и USB Micro-B. Все они полностью совместимы друг с другом по сигналам, а отличаются только формой и габаритами.

Версии Universal Serial Bus

На данный момент существует 4 версии протокола:

• 1.1 — скорость до 12 Мбит/с, питание 5в, максимальный ток 500 мА;
• 2.0 — скорость до 480 Мбит/с;
• 3.0 (он же USB 3.1 Gen 1) — скорость до 5 Гбит/с, максимальный ток до 900 мА;
• 3.1 Gen 2 — скорость до 10 Гбит/с;
• 3.2 — скорость до 20 Гбит/с;
• 4 — скорость до 40 Гбит/с.

Все они имеют обратную совместимость друг с другом. То есть в гнездо более поздней версии можно вставить устройство более ранней версии.

Наиболее распространенной на сегодня является версия 2.0 — ее поддерживает абсолютное большинство юсб устройств.

Совместимость устройств обеспечивается не только на физическом, но и на логическом уровне. Это означает, что устройство корректно запитается и установит соединение с компьютером.

Устройство кабеля

Такая совместимость происходит, потому что соединение работает на четырех базовых линиях, которые есть в любом USB порту.

Выше вы видите схему стандартного USB кабеля. Минусовая, общая шина питания имеет обозначение “GND”. В кабеле ей соответствует черный провод. Вторая линия питания “Vbus” — это +5В, цвет провода красный. Две другие линии обозначаются D+ и D− и они отвечают за передачу данных. По цвету это зеленый и белый провод выполнены в виде витой пары.

У юсб кабеля еще есть оплетка — “экран”, предназначенный для защиты от помех. Этот экран подключается к металлическому корпусу разъема, со стороны компьютера он заземляется.

Так как производителей кабеля очень много, то доверять цветам проводов нельзя. Бывает, что цвета проводов в кабеле путают местами.

Universal Serial Bus — это интерфейс с одной информационной линией. А это означает, что прием и передача информации может происходить только поочередно.

Два сигнальных провода, физически выполненные в виде витой пары, передают один и тот же информационный сигнал. Они представляют собой так называемое симметричное или балансное подключение.

При несимметричном подключении минусовая линия соединена с оплеткой и заземлена. То есть одной из линий является не только D− но и оплетка.

В симметричном варианте подключения оплетка тоже заземлена, но она не соединена ни с одним из сигнальных проводов. И тогда сигнальные линии равнозначны между собой.

При появлении внешней помехи в линиях передачи данных сигнал искажается. Но в несимметричной линии помеха воздействует только на линию D+, ведь D− подключена к оплетке и заземлена. А в симметричной линии помеха воздействует на две линии сразу.

Есть еще много теории по фазам сигнала, о помехе в противофазе, про вычитание сигналов и другое. Но вывод один: полезный сигнал на выходе информационной линии плюсуется с D+ и D−, а помеха вычитается.

Для того чтобы это все эффективно работало, провода должны быть симметричны внутри кабеля. Самый простой способ обеспечить симметрию — это сплести их. Поэтому используется сплетение проводов, витая пара.

Основной смысл витой пары в эффективной защите от помех. Но логическая линия обмена данными в юсб кабеле всего одна. Все данные представлены в виде логических “0” и “1”. Название интерфейса «Universal Serial Bus» (USB), что означает последовательную передачу данных. И вот этот поток нулей и единичек идет по одной шине, при этом в двух направлениях, по очереди.

Одновременная работа на прием и передачу называется Full-Duplex (режим полного дуплекса). В реальности эти режимы работают по очереди, для USB переключение режима приема и передачи происходит с периодом в 1 мс.

Для нормальной работы такой системы в протоколе Universal Serial Bus есть несколько служебных сигналов, с помощью которых организуется работа по безошибочной передаче информации.

Такая организация передачи данных очень экономит средства при производстве, упрощает схемотехнику. Этот принцип работы сегодня используют много интерфейсов передачи данных.

По теории к хосту можно подключить через хабы до 127 устройств. Хост присваивает каждому устройству свой уникальный адрес, пока оно на связи. При подключении происходит инициализация, проверка драйвера, если его нет, то операционная система установит. Управление переходит драйверу, и он устанавливает конфигурацию и теперь устройство считается готовым к работе.

Распиновка разъема USB

Запомнить распиновку разъема USB-A просто. Если вы повернете разъем к себе и контакты будут с нижней стороны, то слева будет шина GND, далее D+, затем D−, и +5в. Нужно помнить, что в USB устройствах металлическая рамка может быть подключена к линии GND, что следует учесть при прозвонке.

Для передачи данных служат линии D+ и D−.

USB-B распиновка

Изначально разъем USB-B выглядел так:

В таком виде он остался и сейчас. Встретить его можно в звуковых картах, принтерах, MIDI клавиатурах, внешних жестких дисках.

USB OTG

Стандарт USB-2.0 включал функцию OTG (On-the-Go), что предусматривает использование некоторых устройств в качестве хоста. Например, смартфона, который при подключении к компу является ведомым, а при использовании OTG может выступать как ведущий.

Для этого используют переходник OTG и через него можно подключить к смарту мышку, флешку, клавиатуру или принтер.

Роль устройства определяется кабелем: в штекере на стороне хоста замыкаются контакты 4 (ID) и 5 (Ground), на стороне периферии ID никуда не подключается. На рисунке ниже контакт ID называется «Sense».

USB 3

На смену версии 2.0 пришла версия USB 3. Порты, кабели и устройства третьей версии можно опознать по синему цвету разъема. Физически они со стороны А, казалось бы, не изменились. Но это не так.

Главное отличие версии 3.0 в более высокой скорости передачи данных (до 4,8 Гбит/с), что достигается добавлением в кабель двух дополнительных симметричных витых пар. Одна из которых отвечает за передачу, а другая — за прием данных.

Принцип работы интерфейса этим нововведением не нарушен. Разработчики физически разделили принимающую и передающую линии.

В 3.0 за получение и передачу информации отвечают отдельные линии данных.

Для сохранения обратной совместимости в новой схеме есть и обычная линия данных — бело-зеленая пара D+ и D−.

При этом новые контакты расположены отдельно от старых в одном разъеме.

Теперь рассмотрим разъем со стороны В. Он был доработан и теперь имеет такой вид:

А вот гнезда В могут работать и с разъемами прежних версий.

После выхода спецификации 3.1, стандарт 3.0 был переименован в “USB 3.1 Gen 1”. А новая спецификация 3.1 со скоростью передачи до 10 Гбит/с теперь называется “USB 3.1 Gen 2”.

Type-C

Ключевым моментом обновления 3.1 стало появление разъема USB Type-C. Именно Type-C должен был заменить USB-Mini и USB-Micro, при этом обеспечивая скорость протокола USB 3.

Это самый прогрессивный разъем на сегодня, который может выполнять роль и USB A, такой разъем используется на материнских платах компьютеров.

Type-C может вставляться в устройство любой стороной. Достигается это благодаря зеркальному дублированию всех сигнальных линий, поэтому количество контактов достигает 24-х.

При этом все устройства, поддерживающие такое соединение, также обязаны иметь двойной набор сигналов, потому что заранее неизвестно, какой стороной пользователь подключит разъем.

Стандарт USB 3 также предусматривает повышение зарядного напряжения выше 5 вольт, но по согласованию с устройством.

USB4

Позже, в 2019 году, был анонсирован USB4, имеющий еще больше нововведений. Помимо поддержки USB-C и Power Delivery, 4-я версия протокола будет поддерживать туннелирование Displayport и PCI Express. Это указывает на огромную скорость порта и к нему можно будет подключать монитор, а через райзеры — платы расширения.

Заявленная скорость обмена составляет 40 Гбит/с.

С таким быстродействием USB сможет конкурировать с Ethernet.