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Panoramica[modifica | modifica wikitesto]

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 d'un massimo di 5 hub; nonostante ciò dispositivi comemouse 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 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: se il sistema operativo lo consente, supportano la rimozione "a caldo" delle periferiche e il reinserimento senza dover riavviare il computer.

L'USB si può collegare periferiche che richiedono trasferimento dati, ma non può trasportare segnali video, (infatti per quello c'è HDMI e laDisplayPort). Questa barriera del segnale video è stata comunque abbattuta 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.

Da alcuni anni, anche i veicoli (in primis le automobili) hanno connessioni USB per l'impianto 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 dell'automobile, ad esempio ilbluetooth. In questo modo la compatibilità dei driver tra dispositivi interconnessi è costantemente assicurata.

In aggiunta al tradizionale settore elettronico-informatico-telematico, appaiono costantemente sul mercato tutta una serie di dispositivi o accessori alimentati tramite presa USB^[1] e qualsiasi elencazione correrebbe il rischio di essere obsoleta quanto prima.

NomeVersioneVelocità teoricaVelocità realeData di pubblicazioneLow-SpeedUSB 1.01,5 Mbps
(187,5 KB/sec)1 Mbps
(125 KB/sec)Gennaio 1996Full-SpeedUSB 1.112 Mbps
(1,5 MB/sec)7 Mbps
(875 KB/sec)Agosto 1998Hi-SpeedUSB 2.0480 Mbps
(60 MB/sec)280 Mbps
(35 MB/sec)Aprile 2000Super-SpeedUSB 3.04,8 Gbps
(600 MB/sec)3,2 Gbps
(400 MB/sec)Settembre 2008Super-Speed+USB 3.110 Gbps
(1,25 GB/sec)7,2 Gbps
(900 MB/sec)Gennaio 2013

Le specifiche dell'USB 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 l'unica differenza che il connettore è fisicamente diverso. Essi sono chiamati micro-USB o mini-USB di tipo A e B. Con l'USB 3.1 è stato introdotto il connettore tipo C, il primo connettore USB reversibile.

Un'estensione dell'USB, 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.

USB 1.0 (Low-Speed)[modifica | modifica wikitesto]

La prima versione dell'USB è stato sviluppata da un consorzio di aziende quali Compaq, Hewlett-Packard, IBM, Microsoft, NEC, tra l'altro, sviluppata e introdotta nel mercato a partire da gennaio 1996. Un importante contributo a questo sviluppo è stato dato dal team di Intel (guidato da Ajay Bhatt). Questa interfaccia supporta una velocità di trasmissione di solo 1,5 Mbps, 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

ConnettoreDimensioneDescrizioneIl connettore tipo A è un connettore rettangolare e normalmente viene utilizzato per collegare un dispositivo a una porta USB tipo A di un computer o di un hub. Il connettore può essere chiamato anche downstream, poiché i dati escono dal computer o dal dispositivo.^[2]Il connettore tipo B è un connettore quadrato con gli angoli superiori smussati e viene utilizzato per collegare un cavo USB a un dispositivo USB. Il connettore può essere chiamato anche upstream, poiché i dati escono dal dispositivo e fluiscono nel computer o nell'hub USB.

USB 1.1 (Full-Speed)[modifica | modifica wikitesto]

Nell'agosto del 1998 per risolvere alcuni problemi dell'USB 1.0 venne pubblicata l'USB 1.1. USB 1.1 è la prima versione che è stata ampiamente adottata. Vennero risolti i problemi di lunghezza dell'USB 1.0. L'USB 1.1 supporta una velocità di 12 Mbps.

USB 2.0 (Hi-Speed)[modifica | modifica wikitesto]

La successiva versione dell'USB risale all'aprile del 2000 (chiamato USB "hi-speed"). La principale caratteristica è l'innalzamento della velocità teorica di trasferimento a 480 Mbit/s. Essa consente all'USB di essere competitivo con lo standard Firewire 400 (IEEE 1394), che ha una velocità di trasferimento di 400 Mbit/s, benché agli effetti pratici quest'ultimo risulti più veloce e stabile del primo, soprattutto con dispositivi che manipolano flussi video.

L'USB 2.0 ricevette tanti piccoli aggiornamenti realizzati tramite l'ECN che introducono funzionalità tra cui i connettori mini e micro, l'USB OTG, il supporto alla ricarica per i dispositivi e altro:

ConnettoreDimensioneDescrizioneIl connettore tipo A è un connettore rettangolare e normalmente viene utilizzato per collegare un dispositivo a una porta USB tipo A di un computer o di un hub. Il connettore può essere chiamato anche downstream, poiché i dati escono dal computer o dal dispositivo.^[2]Il connettore tipo B è un connettore quadrato con gli angoli superiori smussati e viene utilizzato per collegare un cavo USB a un dispositivo USB. Il connettore può essere chiamato anche upstream, poiché i dati escono dal dispositivo e fluiscono nel computer o nell'hub USB.Sono i connettori di dimensione intermedia previsti dallo standard USB. Il connettore tipo A è utilizzato per l'uscita dei dati ed il tipo B per l'ingresso. Sono stati progettati per dispositivi di medie dimensioni come navigatori satellitari, dischi esterni, tablet, lettori multimediali, telecamere, ecc.

Lo stesso argomento in dettaglio: Mini-USB.Sono i più piccoli connettori previsti dallo standard USB. Sono stati progettati per dispositivi di piccole dimensioni come cellulari, smartphone e lettori multimediali portatili.^[4] Anche in questo caso il connettore tipo A è utilizzato per l'uscita dei dati ed il tipo B per l'ingresso, come per i connettori Mini-USB; ha 5 pin per supportare la specifiche OTG, utilizzato anche dalla specifica MHL. Il connettore Micro-B riceve il nuovo connettore per supportare l'USB 3.0, il tipo A no.^[5]

Lo stesso argomento in dettaglio: Micro-USB.

USB 3.0 (Super-Speed)[modifica | modifica wikitesto]

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 all'Intel Developer Forum.

Le specifiche USB 3.0 sono state rese note il 13 agosto 2008^[6] mentre i primi prodotti commerciali sono usciti a cavallo tra il 2009 e il 2010.^[7] 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 2.0.

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 l'USB 2.0.

Una nuova caratteristica è il bus "SuperSpeed", che fornisce una quarta modalità di trasferimento dati a 4,8 Gbit/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 Gbps al netto dell'overhead di protocollo (corrispondenti a 320 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 (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 a 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/5 m usando SuperSpeed.^[8]

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.

Le specifiche dell'USB 3.0 prevedono 4 connettori USB ufficiali, 3 retro-compatibili dalle versioni precedenti, uno nuovo^[9], a differenza delle versioni precedenti la plastica all'interno del connettore deve essere blu del colore Pantone 300C; sono previsti 5 nuovi piedini.^[10]

ConnettoreDimensioneDescrizioneIl connettore tipo A, esternamente è identico alla versione precedente, solo che sono stati predisposti 5 nuovi pin per il trasferimento dei segnali tramite lo standard USB 3.0, sia la presa che la spina sono retro-compatibili con la versione precedente (naturalmente la velocità è limitata a quella dell'USB 2.0).Il connettore tipo B, ha un'altezza aggiuntiva per permettere la connessione dei nuovi PIN, solo la presa supporta l'inserimento di una spina USB 2.0, non il reciproco.Il connettore Micro-USB di tipo B prevede un'appendice per la connessione dei nuovi pin, solo la presa supporta l'inserimento di una spina USB 2.0, non il reciproco.

L'USB 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.

USB 3.1 (Super-Speed+)[modifica | modifica wikitesto]

A gennaio 2013 è stata annunciata la nuova versione dell'USB e le specifiche pubblicate il 31 luglio 2013^[11]. Si sa che arriverà un nuovo connettore Tipo C, la cui velocità sarà di 10 Gbps (900 MB/s). La nuova versione supporta 5 profili:

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)^[12]. 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 l'alimentazione che per la trasmissione dati, mentre il connettore C sarà di colore nero se utilizzabile soltanto per alimentazione.

ConnettoreDescrizioneIl nuovo connettore tipo C, presentato nel 2014^[9], prevede due gruppi di 12 pin (12 sopra, 12 sotto) per permettere la reversibilità ma rimanere polarizzato. Oltre a questo prevede i PIN dell'USB 2.0 e il supporto all'OTG e MHL.^[12]

I due nuovi pin aggiunti il VBUS a 12V e 24V devono essere alimentati tramite un alimentatore esterno perché gli altri connettori USB non prevedono questi PIN. Quindi, attualmente non è possibile realizzare alimentatori da incasso come con l'USB 2.0, sempre se non si realizza un'appendice per i nuovi pin, in stile PoweredUSB^[13]

Lo stesso argomento in dettaglio: USB Tipo-C.

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.).

Evoluzioni future[modifica | modifica wikitesto]

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.

Nel 2015 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, ed alcuni, ma pochi, della versione 3.1.

L'USB come connettore per caricare i dispositivi[modifica | modifica wikitesto]

Lo stesso argomento in dettaglio: Micro-USB.

Il connettore micro-USB tipo B è stato scelto da alcune delle maggiori aziende di telefonia cellulare del mondo (Nokia, LG, Motorola, Samsung,BlackBerry (ex RIM), Sony Mobile Communications, 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)^[14], senza contare però che ogni caricabatteria dà tensioni e correnti differenti in uscita.

Apple, inizialmente restia all'introduzione del nuovo connettore, ha in seguito acconsentito all'introduzione dello standard Micro-USB anche sui suoi terminali. Ma l'uscita sul mercato dei telefoni cellulari iPhone 4 (2010) e iPhone 4S (2011) hanno dimostrato che Apple, malgrado avesse dichiarato il contrario, abbia 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 (iPhone 5 e successivi, iPod, iPad, iPad Mini, iPad Air).

Lo stesso argomento in dettaglio: USB Tipo-C.

Con l'USB 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.^[15] Ma essendo l'unico connettore con i due nuovi pin non sarà possibile realizzare alimentatori da incasso con prese USB.^[13]

Specifiche tecniche[modifica | modifica wikitesto]

Piedinatura[modifica | modifica wikitesto]

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

PinNome segnaleColore filoDescrizione1VBUS+ 5 V2D-Data −3D+Data +4GNDGND

PinNome segnaleColore filoDescrizione1VBUS+ 5V2D-Data −3D+Data +4IDInterconnessione Mini/Micro A e B

• Tipo A connesso a GND
• Tipo B non connesso
• OTG connesso a GND

5GNDGND

PinNome segnaleDescrizione6SSTX+Il trasferimento dei dati dall'host al dispositivo7SSTX−SSTX+ ritorno8GNDGND9SSRX+Il trasferimento dei dati dal dispositivo all'host10SSRX−SSRX+ ritorno

Nome segnaleDescrizione11VBUS+ 12V12VBUS+ 20V

Latenza[modifica | modifica wikitesto]

La latenza dell'USB 1.x è di circa 1ms,^[16] la latenza dell'USB 2.0 è di circa 125 us, invece con l'USB 3.0, solo però con i pin SSTX e SSRX è di circa 950 ns.^[17]