Mikä on USB? (Universal Serial Bus) — selitys, käyttö ja ominaisuudet

Lyhyt historia

Ensimmäinen versio Universal Serial Bus -väylästä luotiin vuonna 1995. Tästä uudesta teknologiasta tuli välittömästi menestys. USB:n käyttöönotosta lähtien elektroniikkalaitteita valmistavat ihmiset miettivät, miten sitä voitaisiin käyttää tulevaisuudessa. Nykyään USB:n avulla tietokone tai muut laitteet, kuten kannettavat tietokoneet ja MP3-soittimet, liitetään oheislaitteisiin.

Bussin esitteli seitsemän yritystä, jotka edustavat tietotekniikka-alan johtavia yrityksiä: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom ja Digital Equipment Corporation (DEC).

Useita vuosia aiemmin USB:n käyttöönottajat ja kehittäjät pitivät Plugfest-nimisen kokouksen erityisessä hotellissa Kaliforniassa testatakseen laitteitaan. He valitsivat hotellin, jossa oli huoneita nukkumista ja testaamista varten. Kokous kesti kolme päivää. Kokouksen aikana noin 50 yrityksen edustajat liittivät USB-laitteensa yhteen yleiseen isäntäjärjestelmään.

Myös USB-laitteen logolla on oma historiansa. USB-logoa kehitettiin useita kuukausia.

• 1994 - Seitsemän yritystä yhdistää voimansa ja aloittaa USB:n kehittämisen.
• 1995 - 340 yritystä perusti USB Implementation Forumin.
• 1996 - Yli viisisataa USB-tuotetta oli jo kehitteillä eri puolilla maailmaa.
• 1997 - USB Implementation Forum rikastui 60 uudella yrityksellä.
• 1998 - USB:stä tulee elektroniikkamarkkinoiden suosituin tekniikka.
• 2000 - USB 2.0:n käyttöönotto. Nykyään se on yleisimmin käytetty USB-laite.
• 2005 - USB:stä tulee langaton.
• 2008 - USB 3.0 otetaan käyttöön. Se on yli 10 kertaa nopeampi kuin USB 2.0.
• 2013 - USB 3.1 otetaan käyttöön. Se on noin kaksi kertaa nopeampi kuin USB 3.0.
• 2015 - USB Type-C otetaan käyttöön. Kyseessä on käännettävä liitin, eli sen voi kytkeä molempiin suuntiin.
• 2019 - USB 4 otetaan käyttöön. Se on yli 8 kertaa nopeampi kuin USB 3.0.

Eri standardit

Tällä hetkellä käytössä on viisi eri USB-standardia: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 ja USB 3.1. USB 3.1 julkaistiin vuonna 2016, ja se kaksinkertaisti 3.0:n nopeuden. Se käyttää valinnaisesti eri liitintä nimeltä USB Type-C, joka on käännettävä (eli voit liittää sen molempiin suuntiin). USB 1.0:aa käytetään nykyään harvoin.

USB tarjoaa viisi eri siirtonopeutta: 1,5 MBit/s (kutsutaan alhaiseksi nopeudeksi), 12 MBit/s (täysi nopeus), 480 MBit/s (huippunopeus), 5 Gbit/s (kutsutaan supernopeudeksi) ja 10 Gbit/s ("supernopeus+"). Hi-nopeus on käytettävissä vain USB 2.0:ssa ja uudemmissa versioissa, ja supernopeus on käytettävissä vain USB 3.0:ssa. Nämä nopeudet ovat raakabittinopeuksia (miljoonina bitteinä sekunnissa). Todellinen tiedonsiirtonopeus on yleensä alhaisempi protokollan yleiskustannusten vuoksi.

Jotta huippunopeaa siirtonopeutta voidaan käyttää, sekä USB-ohjaimen että liitetyn laitteen on tuettava sitä. USB on taaksepäin yhteensopiva. Nopeammat ja hitaammat USB-laitteet ja -ohjaimet voidaan liittää yhteen, mutta ne toimivat hitaammalla nopeudella.

USB-keskittimet

Vuodesta 2022 lähtien lähes kaikissa nykyisin myytävissä tietokoneissa on USB-portit, ja useimmat niistä tukevat USB 3.0:aa tai uudempaa versiota ja niissä on vähintään yksi USB-C-portti. Applen Macbookeissa on vain USB-C-portit. Niiden porttien määrä on kuitenkin yleensä rajoitettu. Yleistä on kahdesta neljään porttia. USB mahdollistaa USB-hubien kytkemisen, jolloin USB-portteja voidaan lisätä.

Myös itse keskittimet ovat yhden USB-standardin mukaisia. USB 2.0 -keskittimeen liitetyt laitteet toimivat vain USB 2.0 -nopeudella. Myöhempään ohjaimeen liitetyt laitteet voivat käyttää eri standardeja.

USB-liittimet

USB on suunniteltu helppokäyttöiseksi. Insinöörit ottivat oppia muista liittimistä ennen kuin he suunnittelivat USB-liittimet. Liittimiä on kolme.

• Tyyppi A, käytetään yleisesti tietokoneen kaapelin päässä.
• Micro-A (harvinainen)
• Tyyppi B, oheispäässä, harvinainen tulostimia lukuun ottamatta.
• Micro-B, oheislaitteen päässä, useimpiin älypuhelimiin sopivaksi
• Tyyppi C, kummassakin päässä. Vuodesta 2022 alkaen monet tietokoneet, puhelimet ja oheislaitteet käyttävät sitä.

Käytettävyys

• USB A- tai B-liitintä ei voi kytkeä väärinpäin. Niitä ei voi laittaa väärinpäin, ja se on selvää ulkonäöstä ja kinesteettisestä tunteesta, kun se menee oikein. Joskus käyttäjä ei kuitenkaan ymmärrä tai näe, miten liitin menee, joten voi olla tarpeen kokeilla molempia tapoja.
• C-tyypin USB-liittimet voidaan kytkeä molempiin suuntiin. Ei ole väliä, kummalla tavalla liitin on kytketty.
• Sitä ei tarvitse työntää tai vetää kovin kovaa kytkeä tai irrottaa. Tämä oli eritelmässä. USB-kaapelit ja pienet USB-laitteet pysyvät paikoillaan pistorasian tartuntavoiman ansiosta. USB ei tarvitse ruuveja, klipsejä tai muita kiinnikkeitä. Yhteyden muodostamiseen tai katkaisemiseen tarvittava voima on pieni. Tämän ansiosta liitännät voidaan tehdä hankalissa asennoissa tai liikuntavammaisten henkilöiden toimesta.
• Ennen C-tyypin tuloa liittimet pakottivat USB-verkon suunnatun topologian. USB ei tue syklisiä verkkoja, joten epäyhteensopivien USB-laitteiden liittimet ovat itse epäyhteensopivia. Toisin kuin muissa viestintäjärjestelmissä (esim. RJ-45-kaapeloinnissa), sukupuolenvaihtimia ei juuri koskaan käytetty ennen USB-On-The-Go (OTG) -järjestelmän tuloa, mikä vaikeuttaa syklisen USB-verkon luomista.

Kestävyys

• Liittimet on suunniteltu kestäviksi. Varhaiset liitinmallit olivat hauraita, ja niissä oli nastoja tai muita herkkiä osia, jotka saattoivat helposti taipua tai rikkoutua, vaikka niitä olisi kohdeltu varovasti. USB-liittimen sähkökontakteja suojaa muovinen kieleke. Koko liitinkokoonpano on yleensä suojattu lisäksi metallisella vaipalla. Tämän ansiosta USB-liittimiä voi käsitellä, asettaa ja irrottaa turvallisesti jopa pieni lapsi.
• Liittimen rakenne varmistaa aina, että pistokkeen ulkovaippa koskettaa pistorasian vastakappalettaan ennen kuin sen sisällä olevat neljä liitintä kytketään yhteen. Tämä vaippa on yleensä kytketty järjestelmän maahan, jolloin muutoin vahingolliset staattiset varaukset voidaan purkaa turvallisesti tätä kautta (eikä herkkien elektronisten komponenttien kautta). Tämä kotelointitapa tarkoittaa myös sitä, että USB-signaali on (kohtalaisen) hyvin suojattu sähkömagneettisilta häiriöiltä, kun se kulkee liitetyn liitinparin läpi (tämä on ainoa kohta, jossa muuten kierretty datapari kulkee matkan verran rinnakkain). Myös virta- ja yhteiset liitännät tehdään järjestelmän maadoituksen jälkeen mutta ennen dataliitäntöjä. Tällainen vaiheittainen katkaisuajoitus mahdollistaa turvallisen kuumavaihdon, ja sitä on käytetty liittimissä ilmailu- ja avaruusteollisuudessa.
• Uudemmat USB-mikroliitännät on suunniteltu niin, että ne sallivat jopa 10 000 pistokkeen ja pistokkeen välistä työntö- ja puristussykliä, kun tavallisissa USB- ja Mini-USB-liitännöissä vastaava luku on 500. Tämä on toteutettu lisäämällä lukituslaite ja siirtämällä lehtijousiliitin pistorasiasta pistokkeeseen, jolloin eniten kuormitettu osa on liitännän kaapelin puolella. Tämä muutos tehtiin, jotta (suhteellisen edullisen) kaapelin liitin kärsisi eniten mikro-USB-laitteen sijaan.

Yhteensopivuus

• USB-standardi määrittelee suhteellisen suuret toleranssit yhteensopiville USB-liittimille. Tällä pyritään minimoimaan eri valmistajien valmistamien liittimien yhteensopimattomuus (tavoite, joka on saavutettu hyvin onnistuneesti). Toisin kuin useimmissa muissa liitinstandardeissa, USB-määrityksessä määritellään myös rajoitukset liitäntälaitteen koolle sen pistokkeen ympärillä olevalla alueella. Tällä pyrittiin estämään sitä, että laite ei kokonsa vuoksi tukkisi viereisiä portteja. Yhteensopivien laitteiden on joko oltava kokorajoitusten mukaisia tai tuettava yhteensopivaa jatkokaapelia, joka täyttää kokorajoitukset.
• Myös kaksisuuntainen viestintä on mahdollista. Yleensä kaapeleissa on vain pistokkeet ja isännissä ja laitteissa vain pistorasiat: isännissä on A-tyypin pistorasiat ja laitteissa B-tyypin pistorasiat. A-tyypin pistokkeet yhdistyvät vain A-tyypin pistorasioihin ja B-tyypin pistokkeet B-tyypin pistorasioihin. USB On-The-Go -niminen USB:n laajennus mahdollistaa kuitenkin sen, että yksi portti voi toimia joko isäntänä tai laitteena - sen mukaan, kumpi kaapelin pää kytketään laitteen pistorasiaan. Jopa sen jälkeen, kun kaapeli on kytketty ja yksiköt keskustelevat keskenään, yksiköt voivat "vaihtaa" päätään ohjelman ohjaamana. Tämä toiminto on tarkoitettu esimerkiksi kämmenmikrojen kaltaisille laitteille, joissa USB-linkki saattaa yhdessä tapauksessa liittyä PC:n isäntäporttiin laitteena ja toisessa tapauksessa isäntänä näppäimistö- ja hiirilaitteeseen.

Miten USB toimii

USB-järjestelmän rakenne on epäsymmetrinen. Se koostuu isännästä, useista USB-portista ja useista oheislaitteista, jotka on kytketty tähtitopologiaan. Tasoihin voidaan liittää lisää USB-keskittimiä, jolloin ne voivat haarautua puurakenteeksi, jossa on jopa viisi tasoa.

USB-isännällä voi olla useita isäntäohjaimia. Kukin isäntäohjain tarjoaa yhden tai useamman USB-portin. Yhteen isäntäohjaimeen voidaan kytkeä enintään 127 laitetta, keskittimen laitteet mukaan lukien.

USB-laitteet liitetään sarjaan keskittimien kautta. Yksi keskittimistä tunnetaan aina nimellä root-keskitin. Juurikeskitin on sisäänrakennettu isäntäohjaimeen. On olemassa erityisiä keskittimiä, joita kutsutaan "jakohubeiksi". Niiden avulla useat tietokoneet voivat käyttää samoja oheislaitteita. Ne toimivat vaihtamalla käyttöoikeuksia tietokoneiden välillä joko manuaalisesti tai automaattisesti. Ne ovat suosittuja pienissä toimistoympäristöissä. Verkon kannalta ne pikemminkin yhdistävät kuin erottavat haaroja.

Fyysisellä USB-laitteella voi olla useita loogisia alalaitteita, joita kutsutaan laitetoiminnoiksi. Yksittäinen laite voi tarjota useita toimintoja, esimerkiksi web-kameran (videolaitteen toiminto), jossa on sisäänrakennettu mikrofoni (äänilaitteen toiminto).

USB-laitteiden viestintä perustuu putkiin (loogisiin kanaviin). Putket ovat yhteyksiä isäntäohjaimesta laitteen loogiseen kokonaisuuteen, jota kutsutaan päätepisteeksi. Termiä päätepiste käytetään toisinaan virheellisesti viittaamaan putkeen. USB-laitteella voi olla enintään 32 aktiivista putkea, 16 isäntäohjaimeen ja 16 ohjaimesta ulos.

Kukin päätepiste voi siirtää dataa vain yhteen suuntaan, joko laitteeseen tai laitteesta ulos, joten jokainen putki on yksisuuntainen. Päätepisteet ryhmitellään liitännöiksi, ja kukin liitäntä liittyy yhteen laitetoimintoon. Poikkeuksena tästä on päätepiste nolla, jota käytetään laitteen konfigurointiin ja jota ei ole liitetty mihinkään liitäntään.

Kun USB-laite liitetään ensimmäisen kerran USB-isäntään, USB-laitteen luettelointiprosessi käynnistyy. Luettelointi aloitetaan lähettämällä USB-laitteelle nollaussignaali. USB-laitteen nopeus määritetään nollaussignaalin aikana. Nollauksen jälkeen isäntä lukee USB-laitteen tiedot, minkä jälkeen laitteelle annetaan yksilöllinen 7-bittinen osoite. Jos isäntä tukee laitetta, laitteen kanssa kommunikointiin tarvittavat laiteajurit ladataan ja laite asetetaan konfiguroituun tilaan. Jos USB-isäntä käynnistetään uudelleen, luettelointiprosessi toistetaan kaikkien liitettyjen laitteiden osalta.

Isäntäohjain kyselee väylän liikennettä yleensä vuorotellen, joten yksikään USB-laite ei voi siirtää väylällä tietoja ilman isäntäohjaimen nimenomaista pyyntöä.

Isäntäohjaimet

Tietokonelaitteistossa, joka sisältää isäntäohjaimen ja juurikeskittimen, on liitäntä ohjelmoijalle. Sen nimi on Host Controller Device (HCD), ja sen määrittelee laitteiston toteuttaja.

USB 1.0:ssa ja 1.1:ssä oli kaksi erilaista HCD-toteutusta, Open Host Controller Interface (OHCI) ja Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI:n kehittivät Compaq, Microsoft ja National Semiconductor, UHCI:n Intel.

VIA Technologies on lisensoinut UHCI-standardin Inteliltä; kaikki muut piirisarjatoteuttajat käyttävät OHCI-standardia. UHCI perustuu enemmän ohjelmistoihin. Tämä tarkoittaa, että UHCI on hieman prosessori-intensiivisempi kuin OHCI, mutta helpompi ja halvempi toteuttaa. Koska toteutuksia oli kaksi, käyttöjärjestelmien ja laitteistojen toimittajien oli kehitettävä ja testattava molempia. Tämä lisäsi kustannuksia.

USB-määrityksessä ei määritellä HCD-liitäntöjä eikä se koske niitä. Toisin sanoen USB määrittelee portin kautta tapahtuvan tiedonsiirron muodon, mutta ei järjestelmää, jolla USB-laitteisto kommunikoi tietokoneen kanssa, jossa se on.

USB 2.0:n suunnitteluvaiheessa USB-IF vaati, että on vain yksi toteutus. USB 2.0:n HCD-toteutus on nimeltään EHCI (Enhanced Host Controller Interface). Vain EHCI voi tukea huippunopeaa (480 Mbit/s) siirtoa. Useimmissa PCI-pohjaisissa EHCI-ohjaimissa on muita HCD-toteutuksia, joita kutsutaan "companion host controller" -nimellä ja jotka tukevat täysnopeutta (12 Mbit/s), ja niitä voidaan käyttää mihin tahansa laitteeseen, joka väittää kuuluvansa tiettyyn luokkaan. Käyttöjärjestelmän on tarkoitus toteuttaa kaikki laiteluokat, joten se voi tarjota yleisiä ajureita mille tahansa USB-laitteelle. Laiteluokista päättää USB Implementers Forumin laitetyöryhmä.

USB-laiteluokat

Laiteluokkiin kuuluvat:

Huomautus luokka 0: Käytä luokan tietoja rajapintakuvaajissa. Tämä perusluokka on määritelty käytettäväksi laitekuvauksissa osoittamaan, että luokkatiedot on määritettävä laitteen rajapintakuvaajista.

Aiheeseen liittyvät sivut

• FireWire