Universal Serial Bus, meglio noto come USB, è un bus di comunicazione seriale molto semplice e oramai tanto diffuso da essere presente praticamente in qualsiasi apparato elettronico che necessita di una connettività cablata ed anche di veicolare l’alimentazione necessaria al funzionamento e alla ricarica delle eventuali batterie.
Come Funziona una Porta USB?
Prima di tracciare la cronistoria dell’USB è opportuno un rapido richiamo all’aspetto puramente elettronico del bus, il quale è composto da due linee, chiamate D+ e D-, che costituiscono il canale dati bidirezionale; la connessione riporta anche l’alimentazione a 5Vcc, che serve per alimentare i Device con il dispositivo Host, secondo le specifiche del protocollo.
Il connettore di base ha dunque 4 poli (questo vale per l’USB A e il B) ma nell’evoluzione USB 3 ne conta 8, giacché trasporta due canali dati invece di uno (allo scopo di accrescere la velocità di comunicazione) e il doppio della corrente.
Per inciso, Host e Device sono le due modalità previste dall’USB, cioè i due modi in cui un dispositivo USB può funzionare: Host è l’unità master, ossia quella che governa la comunicazione, mentre Device è il dispositivo puro e semplice, ossia una periferica, che viene gestita dall’Host, il quale avvia la comunicazione con essa.
Evoluzione dello Standard USB
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: ci riferiamo alla versione 1.0, che peraltro non fu mai utilizzata realmente, perché rimase in laboratorio fino allo sviluppo della USB 1.1, prima implementazione su apparati reali, capace di un data-rate di 60 Mbps, corrispondenti a circa 8 MB/s, che possono spingersi fino a 12 Mbps.
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Altra caratteristica dell’USB 2.x è che nelle connessioni con connettore microUSB e relativo cablaggio supporta la modalità OTG, ossia USB On The Go: questo significa che portando a massa un pin del connettore microUSB, che ha 5 poli invece dei classici quattro, il dispositivo mobile che dispone della porta (tipicamente un tablet o uno smartphone) può comportarsi come Host invece che da Device, quindi gestire dei dispositivi di memoria di massa come le Pen Drive USB.
Venne poi l’USB 3, capace, 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 C è stato introdotto il nuovo connettore Tipo C che, oltre ad essere reversibile (come quelli della Apple, per intendersi….) 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.
Il nuovo connettore tipo C 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 (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.
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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.
Microchip fornisce due famiglie di controller, ossia la USB port upstream UFP - USB58xx (che include la USB5807) e la USB-C UFP - USB59xx.
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Una soluzione sia per USB2.0 che USB3.1 è quella proposta da Microchip e consente di realizzare hub USB a 5+1 porte standard USB3.1 Gen 1.
Il controllore UPD 350 è un 32 bit e supporta le centralized uC enable system feature features (PB).
Cavi USB di Ricarica e Trasferimento Dati
Uno degli ultimi cavi “usciti” negli ultimi anni, utilizzato sia per la ricarica, sia per il trasferimento dati è il cavo USB-C. Questo cavo è il primo tentativo a livello mondiale di unificazione dei connettori di smartphone e tablet.
Un cavo USB-C è un tipo di cavo di trasmissione dati che utilizza la connettività USB-C (Universal Serial Bus Type-C) per collegare dispositivi elettronici.
I cavi USB-C possono essere utilizzati per trasferire dati, ricaricare dispositivi e anche per trasferire video e audio.
La qualità del cavo USB-C o HDMI può influire sulla qualità dell’immagine e del suono trasmessi attraverso di esso.
Un cavo di qualità inferiore può causare problemi come immagini sfocate o audio disturbato.
Una scelta forse ecologica, spesso economica, dei produttori a cui spesso poniamo riparo acquistando il primo cavo che ci capita o riciclando un vecchio cavo.
L’aspetto più innovativo e caratterizzante delle prese USB tipo C è sicuramente determinato dall’incredibile capacità di trasferire dati a velocità molto rapide.
I modelli conformi alle specifiche USB 3.1 Gen 2 sono in grado di trasferire dati fino a 10 gigabit al secondo, garantendo una velocità di trasferimento estremamente elevata.
I vantaggi in termini di flessibilità e dimensioni sono davvero incredibili: piccolo e compatto, il sistema USB C, consente di collegare dispositivi di ultimissima generazione in modo pratico e sicuro.
Il termine USB è l’abbreviazione di Universal Serial Bus.
Come rapido promemoria, un “bus” è una disposizione di circuito o un sistema di comunicazione che viene utilizzato per trasferire dati tra i componenti di un sistema.
Un bus “seriale”, in questo caso, trasmette i dati un bit alla volta su un singolo cavo.
Un connettore USB, tuttavia, può trasportare non solo dati da e verso i componenti, ma anche l’alimentazione elettrica, e può servire molti dispositivi hardware diversi, che vanno dalle stampanti e tastiere ai telefoni cellulari e unità flash.
Prima dello sviluppo del protocollo USB, i computer utilizzavano porte seriali e parallele per eseguire il trasferimento dei dati, con singoli dispositivi che utilizzavano varie spine, connettori, cavi, schede di espansione proprietari e i driver necessari.
Le velocità di trasferimento dei dati erano basse, con porte parallele funzionanti a circa 100 kilobyte (kB) al secondo e seriali da 115 a 450 kilobit (kb) al secondo.
Al suo debutto all’inizio del 1996, dopo molto lavoro da parte di un consorzio di aziende, la specifica USB 1.0 era inizialmente in grado di trasferire dati a 1,5 megabit (Mbit) al secondo a bassa velocità e 12 Mbit al secondo a piena velocità.
La velocità di trasferimento è stata ulteriormente aumentata con il rilascio della versione USB 2.0 nel 2000 a 480 Mbit al secondo e USB 3.0 nel 2008 a 4,8 gigabit al secondo (Gbps).
USB 3.2 ha migliorato gli standard 3.1 e 3.0 e copre velocità fino a 20 Gbps ed è attualmente il più comunemente disponibile.
L’ultima versione è USB4, rilasciata nel 2019 con velocità di trasferimento fino a 40 Gbps ed è in fase di lenta introduzione nell’uso comune.
Il lavoro dell’USB-IF ha portato nel corso degli anni ad una serie di nuove versioni diverse dello standard con specifiche sempre più veloci.
Tipi di Connettori USB
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, chiamato anche USB Standard A. Viene utilizzato per collegare le 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. Il tipo C supporta anche USB4 e Thunderbolt, un’interfaccia hardware che consente il collegamento di periferiche a un computer con velocità di trasferimento dati fino a 40 Gbps.
- 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.
I singoli tipi di connettori USB possono accoppiarsi solo con i connettori maschio o femmina associati.
Non c’è compatibilità incrociata.
Ma mentre i connettori stessi sono standard, gli involucri in cui vengono utilizzati possono essere modificati in modo significativo per diverse applicazioni.
Ciò ha portato allo sviluppo di connettori USB IP rated (Ingress Protection) che consentono una robusta protezione contro l’intrusione di solidi o liquidi nei dispositivi utilizzati in ambienti ostili.
La maggior parte dei gruppi di cavi USB hanno anche un tipo di connettore su un’estremità e un tipo diverso sull’altra estremità, da tipo A a tipo B o tipo C è molto comune.
Poiché il tipo C è progettato specificamente per essere intercambiabile, è più comune che il tipo C si trovi su entrambe le estremità di un cavo.
Questa tipologia crescerà nell’uso, poiché le porte di tipo C sono più ampiamente adottate.
I connettori micro B USB 3.0, che hanno una connessione più ampia per accogliere la maggiore velocità di trasferimento dati, non possono essere utilizzati con una presa micro B USB 2.0.
Tuttavia, i dispositivi con porte micro B USB 3.0 possono essere accoppiati con connettori maschio micro B USB 2.0 meno recenti.
Standard di Comunicazione USB
Come è stato notato, lo standard di comunicazione USB definisce la velocità di trasmissione dei dati, i protocolli di handshake e le specifiche di alimentazione tra i dispositivi utilizzati.
Nel corso degli anni si sono registrati miglioramenti significativi dello standard, con velocità di trasferimento dati che vanno da USB 1.0 a 1,5 Mbit al secondo a USB 3.2 con velocità fino a 20 Gbps.
Gli standard di comunicazione USB sono notoriamente confusi con frequenti modifiche retroattive dei nomi, ma attualmente USB 3.2 è lo standard USB più facilmente disponibile ed è compatibile sia con i connettori di tipo A che di tipo C, sebbene possa variare da 5 Gbps fino a 20 Gbps.
Lo standard a 20 Gbps può anche essere noto come “SuperSpeed USB 20 Gbps” o “USB 3.2 Gen 2×2”, mentre lo standard a 10 Gbps può anche essere noto come “SuperSpeed USB 10 Gbps” o “USB 3.2 Gen 2”.
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