Nella vita di tutti i giorni usiamo sempre i cavi USB, vuoi per ricaricare il telefono, per trasferire dati tra dispositivi, per collegare una stampante o per qualunque altro utilizzo che non sia completamente wireless, ovvero senza cavi. Infatti sono una di quelle cose che “diamo per scontata”, ovvero ci limitiamo a usarla passivamente senza mai comprenderla.
La trasmissione dei dati attraverso il sistema Universal Serial Bus (USB) è uno standard “de facto” ed è presente in tantissimi dispositivi embedded per il collegamento ad un computer. Il primo grande pregio dell’USB è stato dal primo momento la funzione plug&play. Questa funzione riconfigura automaticamente il bus USB ogni volta che connettiamo o togliamo una periferica.
Protocollo Seriale e Trasmissione Dati
L’USB utilizza la trasmissione seriale dei dati, un bit alla volta. Il Protocollo Seriale è una modalità di comunicazione tra dispositivi digitali nella quale i bit sono trasferiti uno di seguito all’altro arrivando in sequenza al dispositivo ricevente nello stesso ordine in cui sono stati trasmessi. I dispositivi che utilizzano questo protocollo sono progettati per commutare e riconoscere pacchetti di bit e dal punto di vista hardware sono sicuramente più complessi rispetto al protocollo di comunicazione parallela.
La linea di trasmissione, ovvero il cavo utilizzato per le connessioni su bus USB è un cavo schermato con quattro fili. Al bus si possono facilmente collegare un certo numero di dispositivi e, entro certe condizioni, le periferiche USB possono essere alimentate direttamente dal bus. Osserviamo che periferiche con diverse velocità di trasmissione condividono senza problemi lo stesso bus. La massima distanza per una connessione USB è di 5m anche se è possibile arrivare fino a trenta metri inserendo 5 hub tra il computer e la periferica. È il gestore della comunicazione sul bus (master). Possono essere connessi in cascata (fino a 5 livelli) e gestire i device collegati alle loro porte. Se abbiamo l’hub high speed a cui è collegato un device low speed la comunicazione tra host e hub avviene in modalità high speed.
Il processo inizia dal momento in cui una periferica USB viene inserita nel connettore dell hub del PC. Il driver dell’Hub in uscita ha due resistenze di pull-down da 15Kohm. Per segnalare all’Hub che si tratta di una periferica high speed il device commuta la linea nella condizione K durante la fase di reset. Al termine di questo riconoscimento hardware il device si trova nello stato default e attiva la pipe sull’endpoint 0. A questo punto host e device sono in grado di comunicare. l’Host acquisisce il device descriptor che contiene le informazioni principali sul device. La prassi prevede la ricerca di un driver personalizzato utilizzando vendorID e productID. Al termine di questa fase l’host comunica al device l’identificativo della configurazione da utilizzare.
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A questo punto ci chiediamo: come mai un collegamento seriale come l’USB possa raggiungere velocità maggiori rispetto a un collegamento parallelo come l’IEEE 488, la vecchia interfaccia parallela per le stampanti? Questo non è necessariamente vero poiché nella trasmissione parallela c’è il problema del rumore dovuto all’interferenza reciproca fra i dati trasmessi sulle singole linee. In teoria la trasmissione dei dati in parallelo consentirebbe velocità maggiori rispetto alla trasmissione seriale.
Tipologie di Cavi USB
Esistono diverse tipologie di cavi USB, ognuna con caratteristiche specifiche in termini di forma, velocità di trasferimento dati e funzionalità. Vediamo nel dettaglio i principali tipi di cavi USB:
Cavo USB-A
USB-A è il termine specifico per indicare il connettore USB che viene inteso normalmente nel gergo comune quando parliamo, appunto, di cavo USB. Quando colleghi il mouse, l'hard disk esterno, la tastiera o qualunque altro device esterno alla porta USB, generalmente è l'USB-A, ovvero quella grossa e piatta con una linguetta di plastica colorata in centro.
Proprio questa linguetta di plastica colorata, non ha un colore a caso, ma indica la velocità di trasferimento di quella porta o di quel cavo stesso. Infatti, siccome siamo ormai giusti alla generazione 3.2 da 20 Gbps, ogni novità è stata accolta con un cambio di colore per facilitare l'utente. Nella fattispecie i colori sono questi.
- Bianco - USB-A 1.0 che trasferiva a 12 Mbps, uno standard ormai completamente abbandonato che non troverai in giro a meno di non recuperare qualche pezzo da museo.
- Nero - colore della porta USB-A 2.0, la quale ha una velocità di trasferimento a 480 Mbps in una sola direzione alla volta. Può essere usata su qualche PC di fascia estremamente bassa o sull'usato di qualche anno fa.
- Azzurro - arriviamo alla USB-A 3.0 con velocità di trasferimento di 5 Gbps, una delle più diffuse oggi sul mercato dei PC di fascia medio/bassa che sta venendo soppiantata dalle nuove generazioni.
- Blu scuro - USB-A 3.1, un aggiornamento che raddoppia la velocità della porta/cavo e lo porta a 10 Gbps.
- Rosso/giallo - USB-A 3.2 che porta la velocità massima a 20 Gbps.
I cavi e le porte seguono le stesse colorazioni, quindi idealmente dovresti collegare un dispositivo con cavo dello stesso colore della porta per il massimo delle prestazioni. Ricorda però che, specialmente per prodotti da quattro soldi e prodotti scadenti comprati chissà dove, il colore potrebbe non essere indicativo della reale velocità di quell'USB-A.
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Se aprissi un USB-A, vedresti solo 4 cavi che viaggiano all'interno del medesimo, i quali vanno poi a essere inseriti in quel supporto in plastica colorata del quale ho appena parlato. Lo schema colori che potresti trovare varia a seconda se si parla di un cavo americano o europeo/cinese, con il primo che sarebbe composto da un cavo nero che è il neutro dell'alimentazione (-5V), uno verde (il positivo del trasferimento dati), uno bianco (negativo trasferimento dati) e un rosso che funge da alimentazione positiva (+5V). Se invece fosse una versione europea o cinese troveresti in ordine i colori blu, rosso, verde e bianco.
Il grosso coso di metallo che sta attorno non serve a nulla? In realtà serve, poiché lì ci si collega la schermatura, la quale è solitamente una specie di maglia metallica o “carta stagnola” (almeno all'apparenza) che avvolge il cavo sotto la guaina e serve per proteggerlo da eventuali disturbi esterni. Seguendo questo schema, puoi benissimo creare il tuo cavo USB-A a casa.
Cavo Micro USB
Il cavo micro USB è quel cavo che ormai è caduto in disuso, soppiantato dall'USB-C. Si tratta del vecchio cavo/connettore di alimentazione dei dispositivi elettronici di qualche anno fa, come gli smartphone. Ovviamente si trova ancora in giro, ma solo perché ci sono ancora vecchi modelli che lo usano mentre, su quelli nuovi, non dovrebbe più esistere.
Lo puoi facilmente riconoscere in quanto ha una forma trapezoidale, con la parte sopra piatta e corta mentre quella sotto più lunga e con due “uncini” che servono per agganciare il cavo una volta connesso. Qui però occorre fare una precisazione, cioè che questo è solo un tipo di cavo micro USB, sebbene il più conosciuto. Ce ne sono altri usati per trasmissione dati per gli hard disk, SSD fotocamere e altro ancora.
Questa è la tipologia micro USB Micro-B con velocità di trasferimento di 480 Mbps (ma capaci di arrivare fino a 5 Gbps se supportano la tecnologia 3.0 o 3.1), ma ce ne sono altre 3. La micro USB Micro-A che è più squadrata ma mantiene all'incirca le stesse caratteristiche (compresa la velocità di trasferimento), la micro USB Micro-A SuperSpeed che è la versione ultra-veloce e appare come se fossero 2 Micro-A vicine una a fianco all'altra con una un po' più grossa dell'altra che supporta lo standard USB-A 3.0 (5 Gbps) e la micro USB Micro-B SuperSpeed simile alla precedente ma con uno dei due elementi di forma trapezoidale e che supporta lo standard USB-A 3.0.
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Se aprissi un cavo/connettore micro USB cosa vedresti? Praticamente lo stesso di un USB-A, poiché i cavi all'interno sono gli stessi, altrimenti sarebbe impossibile creare cavi USB-A/micro USB, ma il connettore è diverso, quindi qualcosa dovrà pur cambiare, giusto? Semplicemente il connettore micro USB ha 5 pin disposti nella parte plastica interna, ma solo 4 vengono collegati in linea di massima.
Seguendo lo schema di colori americano (citato nel precedente capitolo), andresti a trovare il rosso nel primo pin, poi bianco e verde nei pin 2 e 3, infine il nero nel pin numero 5. Il pin numero 4 serve per i cavi che vengono utilizzati per trasmettere video e audio a un altro dispositivo come, per esempio, un televisore. Se volessi fare un cavo micro USB/HDMI, nel pin numero 4 andrebbe il cavo CBUS, per la trasmissione delle immagini e video per l'appunto.
Cavo USB-C
Il cavo USB-C è l'ultimo arrivato nella famiglia USB, portando con sé tantissime possibilità in più e diventando quindi lo standard obbligatorio imposto dall'Unione Europea dal 2024 in avanti per tutti i dispositivi elettronici rientranti entro certe specifiche, come gli smartphone, macchine fotografiche, mouse, tastiere, monitor ecc. Insomma, questo cavo punta a essere universale almeno fino a certi livelli di potenza. Anche qui sono presenti varie generazioni, come 3.1, 3.2 o 4, con la 3.2 Gen 1 che supporta velocità di trasferimento massime di 10 Gbps, la 3.2 Gen 2 di 20 Gbps e la 4 con 40 Gbps.
Questo perché, come connettore, è incredibilmente superiore a quanto descritto in precedenza, ma anche molto più complesso. Se l'USB-A abbiamo visto avere 4 pin e la micro USB averne 5, l'USB-C ne ha addirittura 24!
Si trovano disposti ai due lati della lamella che trovi in centro al buco del connettore, 12 nella parte superiore e 12 in quella inferiore del connettore maschio, disposte ai lati esterni superiore e inferiore nella femmina. Lo si riconosce facilmente per la sua forma piatta e simmetrica, con le due estremità laterali arrotondate.
Perché così tanti connettori? Perché è un cavo che può fare moltissime cose, a seconda di come viene cablato. Può fungere come DisplayPort, può trasferire dati, supportare lo standard Thunderbolt, può fungere da alimentatore per potenze anche molto elevate (in termini di dispositivi elettronici) e molto altro ancora.
Cosa vedresti se aprissi un cavo USB-C cosa vedresti? La risposta è che dipende. Ci sono i cavi USB-C che supportano lo standard USB-A 2.0 con 4 cavi collegati all'interno, ci sono quelli per l'USB-A 3.0 o superiore con 9 cavi collegati e si potrebbe andare avanti un bel po' con gli esempi.
Come fare a sapere quale fa cosa? Semplicemente controllando la compatibilità descritta da produttore prima di acquistarlo, in modo da essere certo che supporti la velocità di trasferimento dati richiesta, la potenza di ricarica, la qualità del video o qualunque altra caratteristica di tuo interesse.
Materiali Costruttivi dei Cavi USB
Non tutti i cavi USB sono uguali. Ci sono quelli che danno una certa sensazione di robustezza e durano nel tempo, altri che sembrano baracche e che smettono ben presto di funzionare.
Per distinguerne uno buono da uno meno buono devi, in primis, verificare la guaina esterna. Ci sono quelli con una guaina in plastica/gomma che vedi fin da subito che non è di qualità, altri con guaine molto robuste in nylon intrecciato che non riusciresti a romperli neanche volendo. Ecco, se non puoi toccare prima di comprare, prediligi quelli con la guaina in nylon.
Oltre a questo, verifica che alle estremità dei cavi ci siano quelle parti in gomma che proteggono il cavo dalle pieghe a ridosso del connettore. Questo porterebbe i cavi interni a tirarsi e probabilmente le connessioni coi pin salterebbero, quindi è bene che ci siano e anche belli robusti.
Infine è bene sottolineare che, sebbene tu possa vedere come sono fatti da fuori, nessuno garantisce per gli interni. Se le connessioni sono state fatte male, se i cavetti sono sottili come capelli o se ci sono altre criticità nascoste alla vista (generalmente dove vanno a risparmiare i cavi economici ma di buona apparenza), probabilmente non durerà comunque il tempo sperato quel cavo.
Standard USB
Le prese USB sono anche conosciute come “standard” e sono usate per connettere il computer a una miriade di periferiche. USB è acronimo di Universal Serial Bus ed è una delle componenti hardware più utilizzate nell’universo informatico.
Nel corso del tempo, lo standard USB si è evoluto, portando a diverse versioni con velocità e funzionalità differenti. Ecco una tabella riassuntiva degli standard USB:
| 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 |
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. La USB 2.0 nel tempo ha ricevuto molti aggiornamenti che ne hanno migliorato la funzionalità tramite l’ECN (Engeenering Change Notice, documenti che autorizzano e registrano i cambiamenti fatti a un prodotto o a un progetto in fase di sviluppo). Sono stati così introdotti nuovi connettori, l’USB OTG (On-the-go), il supporto alla ricarica di dispositivi e molto altro ancora.
Alla fine, nel 2007, arriva USB 3.0, novità introdotta da Intel che ne fece una prima dimostrazione all’interno dell’Intel Developer Forum. I primi prodotti commerciali basati su USB 3.0 sono arrivati sul mercato soltanto a partire dal 2009 - 2010. La versione 3.0 ha mantenuto la compatibilità con le vecchie periferiche. Infatti, nonostante i nuovi connettori siano dotati di più piedini, buona parte degli stessi combacia con i connettori USB 2.0.
La nuova tipologia di USB viene da subito definita come SuperSpeed, ovvero un bus che fornisce una quarta modalità di trasferimento a 4,8 Gbit al secondo che corrispondono a circa 600 MB/s, quindi fino a 10 volte superiore rispetto alle USB 2.0. Per aggiungere i piedini supplementari dovuti alla modalità SuperSpeed, tutti i supporti di forma fisica per USB 3.0, le spine e i connettori sono stati modificati.
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.
Una USB 3.0 è facilmente riconoscibile in quanto ha il supporto interno dei contatti (detto interfaccia) di colore blu. A volte può essere assente la colorazione blu e al suo posto può essere presente la sigla SS (SuperSpeed) vicino al simbolo universale dell’USB. USB 3.0 prevede 3 tipi di connettori: A - B e Micro.
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. Una velocità che arriva fino a 10 Gbps è in grado di dar vita a sincronizzazioni di dispositivi esterni e interfacce desktop molto, ma molto più performanti.
La differenza si nota palesemente sulle memorie esterne, le quali ormai fanno le veci di quella che è l’archiviazione dati. Con lo standard 3.0 si ottengono ottimi risultati per trasferire dati, ad esempio, su hard disk esterni, ma risultati ancora migliori si ottengono con 3.1 con velocità di livello considerevole. Chiaro che poi la velocità di trasferimento è influenzata anche dalla qualità e velocità di un HD.
Con il SuperSpeed USB 3.1 a 10 Gbps è possibile sviluppare hardware di nuova generazione in grado di operare a qualità superiore e con una riduzione della latenza consistente. Subito infatti, le schede madri sono state dotate di USB 3.1 e moltissimi altri dispositivi sono stati presto aggiornati.
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. Sono in fabbricazione cavi appositi, ma la tecnologia è già esistente e non dovrebbe tardare a giungere nelle mani dei consumatori.
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 (sempre di tipo C) 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.
Prolungare un Cavo USB
Il modo più semplice per estendere un cavo USB è usare una prolunga. Chiaramente prima di comprare una prolunga USB è bene saper riconoscere il tipo di USB che si necessita di prolungare. In base alle tipologie sopra descritte bisogna riconoscere se l’attacco necessario è di tipo A - B - C e tenere conto che il limite massimo della lunghezza consigliata per una prolunga è di 5 metri, soprattutto per le connessioni a bassa velocità.
Per USB 3.0 si possono superare tranquillamente i 3 metri, ma in caso vi fosse la necessità di collegare dispositivi più distanti allora sarà necessario ricorrere a un HUB o ripetitori di segnale USB da posizionare a ogni 3 - 5 metri di collegamento, in ogni caso allungare un cavo USB oltre i 25 metri non consigliabile.
Smaltimento dei Cavi USB
Lo smaltimento dei rifiuti è sempre questione delicata. In particolare, il cavo USB può essere considerato un cavo elettrico come gli altri e quindi si tratta di un rifiuto di natura elettronica. In Italia i rifiuti elettronici rientrano in una categoria specifica, la RAEE (rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche).
La normativa che in Italia regola lo smaltimento di questo tipo di rifiuti e in particolare anche dei cavi elettrici come gli USB, è stata recepita dalla comunità europea ed è la direttiva 2011/65/CE (RoHS 2). Detta normativa riguarda le restrizioni all’uso di sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche al fine di contribuire alla salute umana e a uno smaltimento ecologicamente corretto.
In Italia ci sono 2 modi per disfarsi correttamente di questa tipologia di rifiuti:
- Recarsi nell’isola ecologica comunale (ne sono presenti 3600 in tutta Italia).
- Consegnare cavi o altri rifiuti elettrici e/o dispositivi usati presso i negozianti i quali sono obbligati a ritirarli in base al decreto ministeriale 65/2010.
Dunque, è necessario rispettare questa forma di raccolta differenziata, ma come noto non c’è una regola generale fissa che vada bene per tutti i luoghi (molte variazioni dipendono anche dalla legge regionale specifica). Quindi, il consiglio è quello di andare a informarsi presso la propria sede comunale o sul sito della regione per sapere se vi sono norme specifiche per lo smaltimento di cavi elettrici, qualora questo non sia già stato specificato nella brochure fornita dalle autorità con le indicazioni sulla raccolta differenziata.
Ecco i comportamenti da evitare:
- Disfarsi dei RAEE nei sacchi neri dell’indifferenziata
- Ammassare RAEE in qualche luogo della casa e abbandonarli
- Mischiare i cavi con altri rifiuti
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