L'Universal Serial Bus (USB) è un bus di comunicazione seriale ampiamente diffuso, presente in quasi tutti i dispositivi elettronici che richiedono connettività cablata e alimentazione per il funzionamento o la ricarica delle batterie. Prima di esaminare la storia dell'USB, è utile richiamare l'aspetto elettronico del bus. Quest'ultimo è composto da due linee, D+ e D-, che formano il canale dati bidirezionale. La connessione include anche l'alimentazione a 5Vcc, che serve per alimentare i dispositivi dal dispositivo host, secondo le specifiche del protocollo.
Componenti e Struttura di Base
Il connettore di base ha 4 poli (USB A e B), ma l'USB 3 ne ha 8, poiché trasporta due canali dati invece di uno, aumentando la velocità di comunicazione, e il doppio della corrente.
Host e Device sono le due modalità operative dell'USB. Host è l'unità master che governa la comunicazione, mentre Device è la periferica gestita dall'Host, che avvia la comunicazione.
Evoluzione delle Versioni USB
USB 1.x
Quando nacque, l’USB aveva la connessione standard a quattro linee rimasta fino alla revisione 2 e forniva una velocità di comunicazione relativamente bassa, che non superava i 40 Mbps. La versione 1.0 non fu mai utilizzata realmente, mentre la USB 1.1, prima implementazione su apparati reali, era capace di un data-rate di 60 Mbps, corrispondenti a circa 8 MB/s, che possono spingersi fino a 12 Mbps.
USB 2.0
Quattro anni dopo il lancio sul mercato della USB (versione 1.0) si giunge alla creazione di una nuova versione, arrivano così, nei primi mesi del 2000 le USB 2.0, chiamate USB high speed. Un'altra caratteristica dell'USB 2.x è che nelle connessioni con connettore microUSB supporta la modalità OTG (USB On The Go). Questo significa che, portando a massa un pin del connettore microUSB, il dispositivo mobile può comportarsi come Host invece che da Device e gestire dispositivi di memoria di massa come le Pen Drive USB.
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USB 3.x
Vennero poi le USB 3, capaci, anche grazie al raddoppio dei canali dati, di raggiungere velocità di comunicazione decuplicate, ossia 4,8 Gbps (corrispondenti a 600 MB/s) utilizzando due coppie intrecciate ad alta velocità; con questa tecnica e il data-rate teorico, la specifica ritiene ragionevole ottenere almeno 3,2 Gbit/s al netto dell’overhead di protocollo (corrispondenti a 400 MB/s). Con lo standard USB 3.0 estende il tipo di trasferimento di massa in SuperSpeed, simile estensione ha permesso ad un host e a un dispositivo di creare e trasferire più flussi di dati su un singolo supporto. Con la nuova tecnologia è venuto meno anche il limite relativo alla lunghezza dei cavi che ora, in teoria, possono essere di qualsiasi lunghezza, a patto di soddisfare tutti i requisiti definiti nella specifica. Alcune stime tuttavia indicano una limitazione intorno ai 3m/5m quando si usa superspeed.
USB 3.1 è - come suggerisce il nome - l’evoluzione del 3.0 da cui le specifiche prendono origine per arrivare a miglioramenti come la velocità di trasferimento fino a 10 Gbps, quasi il doppio della tecnologia 3.0. Interessanti sono i campi di applicazione dell’USB 3.1 che in sostanza permette di avere periferiche ancora più veloci.
USB 4
Guardando al futuro invece, la tecnologia USB sta per fare un ulteriore passo in avanti con l’uscita della sua versione 4. Le specifiche tecniche del nuovo standard sono già state comunicate: si prevede una velocità di trasferimento superiore a 40 Gbps, dunque ci sarà un raddoppiamento della velocità prevista per l’eventuale uscita della tecnologia 3.2 (20 Gbps) non ancora sul mercato.
USB 4 è progettato per trasferire fino a 100 Watt di potenza ai dispositivi collegati, permettendo di usare anche schede grafiche esterne, di alimentare 2 monitor 4k o un singolo 5k. Il vantaggio di USB 4 rispetto a tecnologie simili, come la Thunderbolt, sarà che i suoi costi risulteranno molto minori e che si potranno utilizzare su molti più tipi di dispositivi. USB 4 non presenterà grandi stravolgimenti tecnici, ma innegabile sarà il miglioramento della velocità. Da un punto di vista della versatilità, i dispositivi USB 4 saranno retrocompatibili con quelli USB fino alla versione 2.0. Inoltre l’introduzione del formato USB 4 come standard faciliterà l’arrivo di molte periferiche più economiche rispetto a quelle disponibili come ad esempio quelle con connettività Thunderbolt.
Standard USB: Comparativa
La seguente tabella riassume le caratteristiche principali delle diverse versioni dello standard USB:
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| Tipologia USB | Compatibilità | Video | Alimentazione | Velocità trasferimento dati |
|---|---|---|---|---|
| USB 1.1 (Full Speed) | No | No | 12 Mbps | |
| USB 2.0 (Hi-Speed) | USB 1.1 | No | Host alla periferica | 480 Mbps |
| USB 3.0 (SuperSpeed) | USB 1.1, USB 2.0 | Si | Host alla periferica | 5 Gbps |
| USB 3.1 (SuperSpeed) | USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 | Si | Bidirezionale | 10 Gbps |
Connettore Tipo C
Con lo standard USB C è stato introdotto 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). Quindi sul lato dell’alimentazione il connettore tipo C introduce due nuovi pin VBUS a 12 V e 20 V.
Oltre a questo prevede i pin dell’USB 2.0 e il supporto all’OTG (On The Go USB) ed MHL; la connettività MHL consente l’interfacciamento alle porte HDMI mediante i due fili MHL+ e MHL- che si attestano ai contatti 2 (D-) e 3 (D+), utilizzando il pin 4 come CBUS collegato all’omonimo della presa HDMI.
Come mostra la Fig. 6, oltre ai classici D+ (Dp) e D- (Dn) sdoppiati e disposti in modo che qualunque sia il verso d’inserzione del connettore combacino con la presa sul dispositivo, troviamo due linee ad altissima velocità (SuperSpeed Lane 1 e 2), due contatti per l’utilizzo di altri protocolli (SBU 1 e 2), due linee di alimentazione a 5 volt, che servono una per l’alimentazione di piccoli device o “cavi attivi” contenenti, cioè, dell’elettronica, e l’altra per erogare corrente a dispositivi che richiedono potenze più elevate di quanto le USB standard non consentano.
Negli “Alternate Modes” la comunicazione è negoziata utilizzando l’USB PD one-wire serial protocol ed è abilitata mediante l’handshake di protocollo tramite messaggi strutturati definiti dal fornitore (VDM). Ciò si ottiene con un protocollo seriale “Power Delivery” 1-wire (non su USB). Chiaramente il device dev’essere un USB C e deve poter essere in grado di accettare tali tensioni e convertirle internamente mediante un DC/DC; ciò viene stabilito, appunto, durante la negoziazione.
Tipologie di Connettori USB
L’USB è una tecnologia creata appositamente allo scopo di creare connessioni per molti tipi di dispositivi sfruttando un unico tipo di porta e un unico tipo di cavo. Se originariamente i cavi erano creati principalmente per trasportare informazioni, oggi, come abbiamo visto, sono sempre più usati anche per erogare energia.
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Il cavo USB è tipicamente usato per la connessione di molte interfacce audio, laptop, smartphone e tablet. I moderni cavi oltre a trasferire dati e informazioni, sono anche in grado di funzionare da caricabatterie ed erogare a un dispositivo fino a 100W di potenza.
Esistono diversi tipi o fattori di forma fisica dei connettori USB disponibili per l’uso in una varietà di applicazioni.
- Tipo A: Questo è il connettore USB originale più comune, utilizzato per collegare periferiche a valle a un dispositivo host. La forma piatta e rettangolare è mantenuta in posizione dall’attrito che ne facilita l’inserimento e la rimozione.
- Tipo B: Il connettore di tipo B è più spesso associato a periferiche di computer USB. Questo connettore è di forma quadrata, con angoli leggermente smussati sulla parte superiore. Come il Tipo A, è mantenuto in posizione per attrito. È stato sviluppato per consentire alle periferiche di essere connesse senza il rischio di connettere due computer host l’uno all’altro.
- Tipo C: Questa è l’interfaccia USB più recente, con un design simmetrico reversibile che può essere inserito con ciascuno dei lati verso l’alto e può essere collegato a qualsiasi dispositivo USB-C utilizzando ambo le estremità del cavo Può trasportare segnali USB 3.2 (precedentemente 3.1 e 3.0), 2.0 e 1.1 e può trasmettere dati fino a 20 Gbps con erogazione di potenza fino a 100 W in entrambe le direzioni (espansa a 240 W con USB PD 3.1) e può supportare video DisplayPort e audio a quattro canali.
- Micro e Mini A e B: Come suggerisce il nome, si tratta di versioni più piccole dei connettori di tipo A e B che offrono una connessione fisicamente più piccola mantenendo velocità di trasferimento elevate di 480 Mbps e funzionalità On-The-Go (OTG), consentendo ai dispositivi mobili e alle altre periferiche di agire come host USB.
Cavi USB: Come sono fatti
I cavi USB, essenziali per la ricarica e il trasferimento dati, presentano differenze interne che influenzano le loro prestazioni. Esistono cavi USB-A, micro USB e USB-C, ognuno con specifiche e utilizzi particolari.
Cavo USB-A
Il cavo USB-A è il connettore USB più comune, usato per collegare dispositivi come mouse, tastiere e hard disk esterni ai computer. All'interno di un cavo USB-A si trovano quattro cavi che si collegano al supporto in plastica colorata, il cui colore indica la velocità di trasferimento:
- Bianco: USB-A 1.0 (12 Mbps)
- Nero: USB-A 2.0 (480 Mbps)
- Azzurro: USB-A 3.0 (5 Gbps)
- Blu scuro: USB-A 3.1 (10 Gbps)
- Rosso/giallo: USB-A 3.2 (20 Gbps)
La schermatura metallica esterna protegge il cavo da interferenze esterne.
Cavo Micro USB
Il cavo micro USB, ormai in disuso, era utilizzato per alimentare dispositivi come smartphone. Esistono diversi tipi di connettori micro USB, tra cui il Micro-B (480 Mbps, fino a 5 Gbps con USB 3.0 o 3.1) e il Micro-A. Similmente al cavo USB-A, il micro USB ha cinque pin nella parte plastica interna, con quattro collegati per l'alimentazione e il trasferimento dati e un quinto pin per la trasmissione di video e audio.
Cavo USB-C
Il cavo USB-C è l'ultimo standard USB, destinato a diventare obbligatorio per molti dispositivi elettronici dal 2024. Con 24 pin, l'USB-C può supportare diverse generazioni (3.1, 3.2, 4) e può essere utilizzato per diverse funzioni, come DisplayPort, trasferimento dati, Thunderbolt e alimentazione.
Materiali Costruttivi
I materiali costruttivi dei cavi USB influenzano la loro durata e resistenza. I cavi con guaina in nylon intrecciato e protezioni in gomma alle estremità sono generalmente più robusti e duraturi. La guaina esterna è un elemento da non sottovalutare per una lunga durata.
USB Power Delivery (USB PD)
È stato fatto uno sforzo concertato per standardizzare la trasmissione di potenza e aumentare la funzionalità impostata sotto forma di standard USB Power Delivery (USB PD). Usando il Tipo C, USB PD può fornire una tensione variabile fino a 20 V e una corrente massima fino a 5 A, con un limite complessivo fino a 100 W di trasferimento di potenza. Lo standard USB PD 3.1, rilasciato nel 2021, ha ampliato la capacità di trasferimento di potenza fino a 240 W.
Inoltre, la direzione della potenza non è più fissa, con l’host o la periferica che forniscono l’alimentazione. L’USB PD richiede un handshake del dispositivo digitale per ottenere queste performance più elevate. Se i chip necessari non sono disponibili e l’handshake non si verifica, il sistema torna allo standard 5 V/1 A. Ciò è indipendente dalla versione e dal tipo di USB, ma richiede che il tipo supporti gli standard USB PD.
PD può funzionare anche con dispositivi che non trasferiscono dati, utilizzando USB esclusivamente per l’alimentazione. Richiede linee di comunicazione separate per la negoziazione dell’energia e quindi è leggermente più complicato da progettare e produrre rispetto a molti formati non USB.
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