USB-Liitin

Normi_atyypin_liitin.jpg
Yleisin USB-liitin, A-tyyppi

Johdanto

USB (Universal Serial Bus) on sarjaväyläliitinarkkitehtuuri pc-koneisiin, joka julkaistiin ensimmäisen kerran 1995 usean tietokonealan yrityksen yhteistyön tuloksena. USB-IF:n (USB Implementers Forum) kuuluu mm. I ntel, Microsoft, Hewlett-Packard ja NEC[1] . Tänä päivänä USB-liitin löytyy yli kuudesta miljardista kotitietokoneesta, kuluttajaelektroniikka- tai kannettavasta laitteesta ja kasvuvauhti jatkuu näillä näkymin tulevaisuudessakin huimana. USB on tänä päivänä hyvin yleinen tapa kytkeä oheislaitteita (mm. digitaalikamerat, tulostimet, usb-muistitikku) tietokoneeseen.[2]

USB:n eri versiot

USB 1.0 ja 1.1[3]

Vuonna 1996 julkaistu USB 1.0 tuki 1.5Megabittiä/sekunti (Low speed, matala nopeus) ja 12Megabittiä/sekunti (High speed, korkea nopeus) datanopeuksia. 1998 julkaistu USB 1.1 korjasi monia 1.0:n virheitä.

USB 2.0

USB 2.0 tuli vuonna 2000 päivityksenä USB 1.1:lle. Versio 2.0 toi mukanaan Hi-Speed-siirtonopeuden 480 Megabittiä/sekunti[4] . USB 2.0:ssa on täysi tuki aiemmille versioille ja se toimii samoilla johdoilla ja liittimillä kuin aiemmatkin standardit. Nopeamman tiedonsiirron myötä tuki ulkoisilla multimedia- ja tiedonvarastointiratkaisuille kuin myös lukuisille muille uusille sovelluksille parani. [5]
USB-On-The-Go on vuonna 2002 USB 2.0-standardiin tehty lisäys, jonka myötä yksittäinen usb-kytketty laite voi toimia sekä isäntänä(host) että isäntälaitteeseen kytkettynä laitteena(device). Tämä teknologia mahdollistaa, että kukin laite voi syöttää usb-väylälle virtaa[6] ja täten laitteet voivat toimia ketjussa keskenään ilman varsinaista tietokonetta välissä, esimerkiksi tiedostojen siirto mp3-soittimesta toiseen tai kuvien siirtäminen printterille suoraan digitaalikamerasta.[7]

Wireless USB[8]

WUSB eli langaton USB on uudehko langattoman tiedonsiiron standardi joka perustuu USB:hen. Langattoman USB nopeus on 480 Megabittiä/sekunti alle 3 metrin etäisyyksillä ja laskee etäisyyden mukana 110 Megabittiin/sekunti kun ollaan alle 10 metrin etäisyydellä. Langaton USB on tarkoitettu tulevaisuudessa otettavaksi käyttöön niille laitteille jotka nykyisin käyttävät tavallista johdollista USB-liitäntää. WUSB perustuu Ultra Wideband (UWB) modulointimenetelmään, jossa signaali kulkee nopeina pulsseina käyttäen laajaa nopeasti vaihtelevaa taajuusaluetta, jolloin vältetään aiheuttamasta häiriötä esimerkiksi WLAN- tai Bluetooth-järjestelmille. WUSBin lähetysteho on vain noin 300mW, joten WUSB ei ole virtasyöppö.

Tulevaisuuden näkymät (USB 3.0)

Hiljattain julkaistu USB 3.0-standardi, joka tunnetaan nimellä SuperSpeed USB[9] kasvattaa siirtonopeudet jopa 4.8 Gigabittiin/sekunti. Edeltäjiensä tavoin USB 3.0 on taaksepäin yhteensopiva vanhojen versioiden kanssa.[10] Enemmän lisää 3.0-standardin ominaisuuksista Liittimen toiminta-kohdassa.
Atyypin_vastot.jpg
A-tyypin naarasliitin

Liitintyypit[11]

USB A-tyypin liitin

A-tyypin USB-liitin on se käytetyin liitintyyppi, jonka käyttäjät yleensä USB:ksi tunnistavat. Matala, suorakulmion muotoinen liitin on suunniteltu liitettäväksi isäntälaitteeseen, eli se tarjoaa käyttöjännitteen (5V DC) johdon toisessa päässä olevalle laitteelle. Tästä suunnitteluseikasta johtuen A-A-tyyppiset johdot ovat harvinaisia, isäntälaitteeseen kytkettävän laitteen päässä on yleensä toisen tyyppinen liitin.
btyypin_liitin.jpg
B-tyypin USB-liitin

USB B-tyypin liitin

B-tyypin liitin on neliöimäinen, isäntään kytkettävien laitteiden päähän suunniteltu liitin. Se vastaanottaa käyttöjännitteen, ei tarjoa sitä. Isoin osa USB-johdoista on A-B-tyyppisiä, A tulee isäntälaitteeseen, joka tarjoaa käyttöjännitteen, B tulee käyttölaitteeseen.



minib_liitin.JPG
Mini-b-liitin

Mini- ja Mikroliittimet

USB-On-The-Go-standardia varten luotiin mini-liittimet A- ja B-tyyppiä, käytettäväksi pienissä käyttölaitteissa kuten kännyköissä tai digitaalikameroissa. Mini-A ja Mini-B-liittimiä varten on vain yksi vastaanottava liitin, joka on tyyppi Mini-AB. USB-OTG-standardin myötä laitteet voivat toimia joko isäntinä tai siihen kytkettävinä laitteina, tämä tapahtuu käytännössä valitsemalla kumman pään laitteeseen laittaa. A-liittimessä on liittimen sisällä vaalea eristysmuovi, kun taas B-liittimessä se on standardin mukaan musta, AB-liittimelle eristemuovi on harmaa. A-liittimellä kytketty laite toimii isäntänä ja B-liittimellä kytketty laite käyttölaitteena.[12]

Mikro-A ja -B-liittimet ovat uudempia USB-OTG-standardia tukevia liittimiä, jotka ovat pienempiä kuin miniliittimet, mutta tukevat silti 480Megabittiä/sekunti-siirtonopeutta. Mikroliitinten värikoodaus on sama kuin Mini-liittimillä, A-tyypin liittimessä on valkoinen eristemuovi, AB-tyypin vastaanottimessa harmaa, B-tyypillä musta.

On olemassa myös epävirallisia eri valmistajien liittimiä, mutta ne eivät ole standardin tukemia ja niitä ei tässä siksi käsitellä.

USB-liittiminen johdotus

USB 2.0-standardissa on asetettu maksimijohdon pituudeksi 5.0 metriä. Suurin syy tähän rajoitukseen on laitteelle asetettu maksimivastausaika 1500ns, joka saa kestää signaaliin vastaamisessa tai isäntälaite olettaa komennon kadonneen. [13]

A-tyypin liittimen johdotus[14]

atyypin_liitin_avattu.jpg
Liitin sisältä, johdot ylhäältä alas Maa(musta), Data+(vihreä), Data-(valkoinen), Käyttöjännite(punainen)
Kuvassa on A-tyyppisen liittimen sisältä löytyneet standardiväriset johdot.
Pinnin numero
Kaapelin väri
Toiminto
1
Punainen
Käyttöjännite (5 volttia DC)
2
Valkoinen
Data-
3
Vihreä
Data+
4
Musta
Maa

5-Pinnisten Mini-/Mikroliitinten johdotus[15]

USB-On-The-Go-standardin myötä tulleissa 5-pinnisissä mini- ja mikroliittimissä on yksi uusi johdin normaaleihin liittimiin verrattuna. ID-johtimen tarkoitus on auttaa erottamaan A-tyypin liitin B-tyypin liittimestä, jotta tiedetään kumpi laite kytkennässä toimii isäntälaitteena. A-tyypin liittimellä ID-pinni on kytketty maihin, B-tyypin liittimellä ID-johtoa ei ole kytketty lainkaan.

Pinnin numero
Kaapelin väri
Toiminto
1
Punainen
Käyttöjännite (5V DC)
2
Valkoinen
Data-
3
Vihreä
Data+
4
ei määritelty
ID
5
Musta
Maa

USB 3.0:n johdotus[16]

Uudessa USB 3.0:ssa on standardin lupaaman SuperSpeed-nopeuden saavuttamiseksi täytynyt johtojen määrää lisätä. 3.0-standardin kaapeleissa kulkee 4 sijaan 8 johdinta. Kuten aiemmissa versioissa on kaksi varattu käyttöjännitteelle ja maalle, jäljelle jää kolme johdinparia dataliikenteelle. UTP-signaalipariksi kutsutut johtimet on tarkoitettu 2.0-standardin mukaiselle datasignaalin siirrolle, jotta täytetään luvattu tuki aiemmille versioille. Näiden lisäksi jää kaksi SDP-johdinparia, joiden avulla 3.0-mukainen datanopeus saavutetaan, ensimmäinen johdinpari hoitaa datan lähettämisen ja toinen vastaanottamisen. Ulkoisesti 3.0:n normaalit liittimet eivät ole muuttuneet miksikään, mutta mini- ja mikroliittimet ovat kokeneet suuria muodonmuutoksia. Myös 3.0:n kaapeli on paljon edeltäjäänsä paksumpi isomman johdinten määrän vuoksi.

Virranjaosta USB-väylässä

USB tarjoaa 5v jännitelähteen, josta siihen kytkettävät laitteet saavat sähkönsä. Standardi sallii tämän jännitteen vaihdella 5% rajoissa. [17] USB-laitteet saavat lähteeltä oletukselta 100mA virran, mutta jos isäntälaite konfiguroi laitteen enemmän tarvitsevaksi (high-power device), pystyy se ottamaan jopa 500mA virran. Virtaa ei tosin aina ole näin paljon tarjolla, riippuen onko isäntälaitteessa oma jännitelähde( self-powered usb-hub) vai ei. Jos laite vaatii enemmän kuin 500mA virtaa, sillä täytyy olla oma virtalähde.
USB-laite voi ottaa virtaa vain isäntälaitteen päästä kytkentää. Omalla virtalähteellä varustettu laite ei ota USB-väylästä lainkaan virtaa, muuten laite on riippuvainen väylästä saatavasti virrasta joka voi vaihdella 100-500mA välillä kuten edellä mainittu. [18]

Signaalit USB-väylässä

USB-väylä käyttää differentiaalista signalointia. Differentiaalinen '1' saadaan aikaiseksi kun D+-johdin kytketään maihin 15kOhmin vastuksella, jolloin johtimeen saadaan korkea jännitetaso (high state) ja D- -johdin kytketään 1.5kOhmin vastuksella noin 3-3.6V-jännitteeseen[19] , jolloin D- -johtimeen saadaan matala jännitetaso (low state). Differentiaalinen '0' saadaan vastaavasti kytkemällä D- korkeaan jännitetasoon ja D+ matalaan. Vastaanottava laite lukee differentiaaliseksi '1':ksi kun V(D+)-V(D-) > 200mV, differentiaalinen '0' luetaan kun V(D-)-V(D+) > 200mV.[20]

Nopeustilat

USB 2.0:ssa on kolmea erinopeuksista laitteen toimintatilaa. Matalalla tiedonsiirtonopeudelle (Slow-Speed mode, 10-100 kilobittiä/sekunti) toimivat esimerkiksi USB:lla kytketyt näppäimistöt ja hiiret. Täyttä tiedonsiirtonopeutta (Full-Speed mode, 500kilobittiä/sekunti-10Megabittiä/sekunti) käytetään useimmilla laitteille. 2.0-version myötä mukaan tullut korkea tiedonsiirtonopeus ( High-speed mode ) sallii nopeudet käytännössä noin 400 Megabittiin/sekunti asti.
Datajohtimien jännitetasot vaihtelevat tiedonsiirtonopeuksista riippuen, matalalla ja täydellä nopeudella korkea jännite on yli 2.8V ja matala alle 0.3V, vastaavat tasot korkealla nopeudella ovat 400mV +/- 10% ja 0V +/- 10mV. [21]
Ennenkuin isäntälaite aloittaa kommunikoinnin siihen kytketyn laitteen kanssa täytyy tunnistaa millä nopeudella kyseinen laite toimii. Erottelu low- ja fullspeed-nopeuksien välillä tapahtuu käytännössä sillä, että isäntälaite tarkistaa kumpaan datajohtimeen ylösvetovastus(pull-up resistor). Alla olevat kuvat selventävät tilannetta.[22]
USB-Fullspeed.jpg
FullSpeed-USB-laitteen kytkennän alkutilanne

USB-Lowspeed.jpg
LowSpeed-USB-laitteen kytkennän alkutilanne

High-speed-nopeudella toimiva laite tunnistautuu aluksi full-speed-laitteeksi, tämän jälkeen ne suorittavat erinäistä signaalin vaihtoa ennenkuin ne saavat tunnistauduttua nopeavauhtiseksi laitteeksi, näihin yksityiskohtiin ei tässä nyt mennä, lisätietoa löytyy USB 2.0-spesifikaatiosta kohdasta 7.1.7.5, ks. lähteet.

Datasignaali

USB-standardi ei käytä suoraan dataväylien differentiaaliarvoja vaan käytössä on ns. J- ja K-tilat. Differentiaaliset '0':t ja '1':t vastaavat eri nopeustiloissa eri loogista tilaa, alla oleva taulukko selventää asiaa.[23]
Looginen tila
Low-speed-nopeus
High-speed-nopeus
J-tila
Differentiaalinen '0'
Differentiaalinen '1'
K-tila
Differentiaalinen '1'
Differentiaalinen '0'
Data on USB-väylässä NRZI-enkoodattua ( Non-Return-to-Zero-Inverted Encoding ), bitti '1' saadaan aikaiseksi kun väylän tilassa ei tapahdu muutosta, bitti '0' on väylän tilan kääntäminen päinvastaiseksi.[24] Tämä tarkoittaa siis, käytännössä, että esim. jos väylässä on tila J, saadaan 0-bitti siirrettyä vaihtamalla väylä tilaan K, vastaavasti saadaan siirrettyä 1-bitti kun pidetään väylä yhden bitinajan ( datasiirtonopeudesta voidaan laskea kauanko aikaa yhden bitin siirrossa kestää ) tilassa K. Alla on kuvattu bittjionon siirtäminen NRZI-enkoodattuna.[25]
USB_NRZI-enkoodaus.jpg
NRZI-enkoodattu bittijono, 0-bitti on sama kuin dataväylän tilanmuutos, 1-bitti on sama kuin tilan pitäminen samana

Lähteet


  1. ^ http://www.usb.org/about Katsottu 26.1.-10.
  2. ^ http://www.intel.com/technology/usb/ Katsottu 26.1.-10.
  3. ^ http://sss-mag.com/usb.html#overview1 Katsottu 26.1.-10.
  4. ^ http://fin.afterdawn.com/sanasto/selitys.cfm/usb Katsottu 26.1.-10.
  5. ^ http://computer.howstuffworks.com/usb5.htm Katsottu 26.1.-10.
  6. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/USB Katsottu 26.1.-10.
  7. ^ http://www.intel.com/technology/usb/ Katsottu 26.1.-10.
  8. ^ http://fin.afterdawn.com/sanasto/selitys.cfm/wireless_usb Katsottu 26.1.-10.
  9. ^ http://www.everythingusb.com/superspeed-usb.html#1 Katsottu 27.1.-10
  10. ^ http://plaza.fi/muropaketti/usb-30-10-kertaistaa-nopeuden Katsottu 27.1.-10
  11. ^ http://www.cablestogo.com/resources/usb.asp Katsottu 27.1.-10
  12. ^ http://www.accesscomms.com.au/reference/usb.htm Katsottu 27.1.-10
  13. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Cables Katsottu 27.1.-10
  14. ^ http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb2.htm Katsottu 26.1.-10.
  15. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Cables Katsottu 27.1.-10
  16. ^ http://plaza.fi/muropaketti/artikkelit/tekniikkakatsaukset/tekniikkakatsaus-sata-6-gbits-usb-30,1 Katsottu 27.1.-10
  17. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Usb#Power Katsottu 28.1.-10
  18. ^ http://www.usbmadesimple.co.uk/ums_2.htm Katsottu 28.1.-10
  19. ^ http://www.usb.org/developers/docs/ USB2.0 specification, Pull-up/pull-down Resistors Engineering Change Notice to the USB 2.0 specification., sivu3
  20. ^ http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb2.htm Katsottu 28.1.-10
  21. ^ http://www.interfacebus.com/Design_Connector_USB.html Katsottu 28.1.-10.
  22. ^ http://www.usb.org/developers/docs/ The Original USB 2.0 specification released on April 27, 2000, sivu 141, low-full-speed device speed identification
  23. ^ http://www.usb.org/developers/docs/ The Original USB 2.0 specification released on April 27, 2000, sivu 145, table 7-2 Low-/full-speed signaling levels
  24. ^ http://www.interfacebus.com/NRZ_Definition.html Katsottu 28.1.-10
  25. ^ http://www.usb.org/developers/docs/ The Original USB 2.0 specification released on April 27, 2000, sivu 157, Data encoding/decoding