USB

• USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года.
• USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года.
• USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года.
• USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года.
• USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

Спецификация выпущена 15 января 1996 года.

Технические характеристики:

• два режима работы:
  • режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с;
  • режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с;
• максимальная длина кабеля (без экрана) для режима Low-Speed — 3 м[10];
• максимальная длина кабеля (в экране) для режима Full-Speed — 5 м[10];
• максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127;
• возможно подключение «разноскоростных» периферийных устройств к одному контроллеру USB;
• напряжение питания для периферийных устройств — 5 В;
• максимальный ток, потребляемый периферийным устройством, — 500 мА.

Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение^{[уточнить]}.

Логотип Hi-Speed USB

Спецификация выпущена в апреле 2000 года.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима High-Speed (пометка на логотипе — «Hi-speed»[11]).

Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы:

• Low-Speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады);
• Full-Speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства);
• High-Speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации).

Последующие модификации к спецификации USB публикуются в рамках «Извещений об инженерных изменениях» (англ. Engineering Change Notices, ECN). Самые важные из модификаций ECN представлены в наборе спецификаций USB 2.0 (англ. USB 2.0 specification package), доступном на сайте USB Implementers Forum.

• Mini-B Connector ECN: извещение выпущено в октябре 2000 года.
• Errata, начиная с декабря 2000: извещение выпущено в декабре 2000 года.
• Pull-up/Pull-down Resistors ECN: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Errata, начиная с мая 2002: извещение выпущено в мае 2002 года.
• Interface Associations ECN: извещение выпущено в мае 2003 года. Были добавлены новые стандарты, позволяющие ассоциировать множество интерфейсов с одной функцией устройства.
• Rounded Chamfer ECN: извещение выпущено в октябре 2002 года.
• Unicode ECN: извещение выпущено в феврале 2005 года. Данное ECN специфицирует, что строки закодированы с использованием UTF-16LE.
• Inter-Chip USB Supplement: извещение выпущено в марте 2006 года.
• On-The-Go Supplement 1.3: извещение выпущено в декабре 2006 года. USB On-The-Go делает возможным связь двух USB-устройств друг с другом без отдельного USB-хоста. На практике одно из устройств играет роль хоста для другого.

Логотип USB OTG

В USB одно устройство всегда хост, другое — периферия. Смартфонам, цифровым фотоаппаратам и прочим мобильным устройствам приходится быть то хостом, то периферией: при подключении к компьютеру фотоаппарат — периферия, а при подключении к фотопринтеру — хост.

USB OTG (от On-The-Go, рус. «на ходу») сделала удобной смену роли устройств: они сами определяют, кем им быть. OTG-устройства можно подключать к компьютеру, и к таким устройствам через тот же порт можно подключать USB-периферию: обычно флеш-накопители, цифровые фотоаппараты, клавиатуры, мыши и другие устройства, не требующие дополнительных драйверов[12].

Роль устройства определяется кабелем: в штекере на стороне хоста замыкаются контакты 4 (ID) и 5 (Ground); на стороне периферии ID никуда не подключается.

The SuperSpeed USB Logo

Окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors.

Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с, что на порядок больше скорости, которую может обеспечить USB 2.0. Также версия 3.0 отличается увеличенной с 500 мА до 900 мА силой тока. Таким образом, от одного порта можно запитывать большее количество устройств, а также отпадает необходимость использования внешнего питания для некоторых устройств[13]. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего цвета (у некоторых производителей — красного). Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии — пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания, разъём «A» имеет 4 контакта. Для передачи высокоскоростных SuperSpeed сигналов в USB 3.0 добавлено ещё четыре линии связи (две витые пары) и один контакт сигнальной земли (GND_DRAIN), в результате чего кабель стал гораздо толще. Новые контакты в разъёмах USB 3.0 расположены отдельно от старых в другом контактном ряду.

В октябре 2009 года появилась информация, что корпорация Intel решила отложить внедрение поддержки USB 3.0 в свои чипсеты до 2011 года. Это решение привело к тому, что до 2011 года данный стандарт не стал массовым, так как пользователю было недостаточно просто купить материнскую плату, был необходим дополнительный адаптер либо производитель материнских плат распаивал на них контроллер стороннего производителя[14][15].

Хост-контроллер USB 3.0 (xHCI) обеспечивает аппаратную поддержку потоков для команд, статусов, входящих и исходящих данных, что позволяет более полно использовать пропускную способность USB-шины. Потоки были добавлены к протоколу USB 3.0 SuperSpeed для поддержки UASP.

Linux поддерживает USB 3.0, начиная с версии ядра 2.6.31[16]. В Windows 8 и 10 интерфейс USB 3.0 поддерживается без установки дополнительных драйверов.

После выхода спецификации USB 3.1, стандарт USB 3.0 был переименован в USB 3.1 Gen 1. По словам технического директора USB-IF это было сделано для того чтобы облегчить работу разработчикам устройств, то есть чтобы обеспечить поддержку всех версий USB теперь достаточно двух спецификации USB 2 и USB 3.1, вместо трёх[17]. После выхода спецификации USB 3.2 переименован в USB 3.2 Gen 1.

31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с[18]. Компактный разъём USB Type-C, используемый с данной версией, является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной, как это ранее сделала Apple в разъёмах Lightning.

После выхода стандарта USB 3.1 организация USB-IF объявила, что режим передачи USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новый стандарт передачи USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed+) — как USB 3.1 Gen 2[19][20].

В USB 3.1 входит два стандарта[21]:

• SuperSpeed (USB 3.1 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с, такой же, как и у USB 3.0;
• SuperSpeed+ (USB 3.1 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с, удвоенная USB 3.0.

В USB 3.1 Gen 2, помимо увеличения скорости до 10 Гбит/с, были снижены издержки кодирования до 3 % переходом на схему кодирования 128b/132b.

Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0.

На практике первая реализация USB 3.1 в виде IP-блока от Synopsys показала в декабре 2013 года эффективную скорость передачи 7,2 Гбит/с (900 МБ в секунду)[22].

22 сентября 2017 некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию стандарта USB 3.2[23], заключительная ревизия для USB 3.x. Новая спецификация предусматривает удвоение максимально возможной скорости передачи данных по сравнению с USB 3.1 Gen 2 — с 10 до 20 Гбит/с за счёт использования двух линий на 5 Гбит/с или 10 Гбит/с только для разъема USB Type-C по причине его двухсторонних контактов и использования дублирующих выводов как отдельный канал. Были внесены поправки в работу хост-адаптеров для плавного перехода между 2-канальным режимом дублирующих выводов к одноканальному режиму. Современные кабели USB Type-C, имеющиеся в наличии, уже поддерживают такой «двухлинейный» режим, так что покупать новые кабели не придётся[24]. Появление первых коммерческих устройств с поддержкой стандарта USB 3.2 ожидается не ранее второй половины 2019 года[25].

Спецификации USB 3.2 заменяют стандарты USB 3.0 и USB 3.1; удовлетворяющие им устройства будут включать три стандарта скоростей[26]:

• SuperSpeed USB (USB 3.2 Gen 1) со скоростью до 5 Гбит/с и кодированием 8b/10b, как у USB 3.1 Gen 1 и USB 3.0;
• SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 2) со скоростью до 10 Гбит/с и кодированием 128b/132b, как USB 3.1 Gen 2;
• SuperSpeed+ USB 20Gbps (USB 3.2 Gen 2x2) со скоростью до 20 Гбит/с и кодированием 128b/132b по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 2.

В спецификациях так же прописан вариант с двумя линиями, каждая из которых работает по протоколу USB 3.0:

• SuperSpeed+ USB 10Gbps (USB 3.2 Gen 1x2) со скоростью до 10 Гбит/с и кодированием 8b/10b по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 1.

Новая схема именования

После выхода стандарта USB 3.2 организация USB-IF ввела новую схему именования[27]. Чтобы помочь компаниям с брендингом различных режимов передачи, USB-IF рекомендует называть режимы передачи 5, 10, 20 Гбит/с как SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10Gbps, SuperSpeed USB 20Gbps соответственно[28]:

Спецификация	Старое название	Оригинальное название	Режим передачи	Маркетинговое название (USB-IF branding)	Скорость	Скорость передачи	Картинка
USB 3.2 Gen 1	USB 3.1 Gen 1	USB 3.0	Gen 1	SuperSpeed USB 5Gbps	5 Gbit/s	500 MB/s
USB 3.2 Gen 2	USB 3.1 Gen 2	USB 3.1	Gen 2	SuperSpeed USB 10Gbps	10 Gbit/s	1.21 GB/s
USB 3.2 Gen 2x2	---	USB 3.2	Gen 2 × 2	SuperSpeed USB 20Gbps	20 Gbit/s	2.42 GB/s

Логотип USB4

В отличие от предыдущих версий, название протокола пишется слитно, без пробела между словом «USB» и цифрой «4».

Спецификация четвертой версии была опубликована 29 августа 2019 года[29][30]. Новый базовый протокол повышает максимальную скорость до 40 Гбит/с (при использовании совместимых кабелей Type-C), сохраняя обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и, опционально, Thunderbolt 3[31][32][33].

30 сентября 2021 года были представлены новые логотипы кабелей USB Type-C, которые помимо скорости передачи данных показывают ещё и мощность зарядки: 60 Вт или 240 Вт[34][35][36].

Inter-Chip USB (IC-USB) и High Speed Inter-Chip USB (HSIC) — упрощённые версии USB 2.0 для некоммутируемого соединения микросхем в одном устройстве. Упрощение достигается за счёт замены физического уровня USB с асинхронного на синхронный, отказа от возможности смены скорости и определения подключения, отказа от электрической защиты драйверов и уменьшения их мощности. Логическая часть USB неизменна (в том числе логика состояний шины). IC-USB определяет соединение Full Speed (12 Мбит/с) устройств; HSIC определяет соединение High Speed (480 Мбит/с) устройств.

Первая версия стандарта IC-USB была принята в 2006 году. Первая версия стандарта HSIC была принята в 2007 году[37]. HSIC использует две цифровых линии с логическими уровнями LVCMOS (1,2 вольта): STROBE и DATA. Максимальная длина проводников 10 см. Синхронный интерфейс обеспечивает пропускную способность 480 Мбит/с при тактовой частоте 240 МГц. Драйвер физического уровня HSIC потребляет на 50 % меньше энергии и занимает на 75 % меньше места на кристалле, чем традиционный драйвер USB 2.0[38].

В 2012 году была принята первая версия спецификаций Inter-Chip USB для USB 3.0[39].

Логотип USB wireless

Wireless USB — технология USB (официальная спецификация доступна с мая 2005 года), позволяющая организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метров и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

23 июля 2007 года USB-IF объявила о сертификации шести первых потребительских продуктов с поддержкой Wireless USB[40].

В 2013 году была представлена спецификация MA-USB, позволяющая инкапсулировать USB-протокол в существующие каналы связи, включая WiFi и WiGig.

Спецификация 1.0 регламентировала два типа разъёмов: A — на стороне контроллера или концентратора USB и B — на стороне периферийного устройства. Впоследствии были разработаны миниатюрные разъёмы для применения USB в переносных и мобильных устройствах, получившие название Mini-USB. Новая версия миниатюрных разъёмов, называемых Micro-USB, была представлена USB-IF 4 января 2007 года.

	Обычный	Mini	Micro
Тип A	4×12 мм	3×7 мм	2×7 мм
Тип B	7×8 мм	3×7 мм	2×7 мм

Подключение выносной колодки с парой разъёмов USB на материнской плате ASUS P5Q SE

Существуют также разъёмы типа Mini-AB и Micro-AB, с которыми соединяются соответствующие коннекторы как типа A, так и типа B.

Производителями электроники используется разъём, совместимый с Mini-USB, содержащий 10 контактов, а не 5, как в оригинале (10-контактный штекер не войдёт в 5-контактный разъём). В частности, данное гнездо можно увидеть в телефонах под маркой Alcatel (TCL), Fly и Philips, где дополнительные контакты используются для возможности использования гарнитуры с микрофоном. Однако после перехода на Micro-USB + Mini-Jack, в рамках Европейской программы по стандартизации зарядных устройств, использование данного разъёма с 2012 года резко сократилось.

USB-A сочетает долговечность и механическую прочность, несмотря на отсутствие винтовой затяжки. Однако уменьшенные варианты разъёмов, имеющие тонкие пластмассовые выступы, высоко выступающие из подложки гнезда, плохо переносят частое смыкание-размыкание и требуют более бережного обращения.

Сигналы USB (версии до 2.x) передаются по двум проводам экранированного четырёхпроводного кабеля.

Стандартные, Mini- и Micro-USB вилки. Белые участки пустые.

Размещение проводников

Упрощённая версия USB Standart A

Здесь GND — цепь «земли» для питания периферийных устройств, а VBus — это +5 вольт, также для цепей питания. Данные передаются дифференциально по проводам D− и D+. Состояния «0» и «1» определяются по разности потенциалов между линиями более 0,2 В и при условии, что на одной из линий потенциал относительно GND выше 2,8 В[41]. Дифференциальный способ передачи является основным, но не единственным (например, при инициализации устройство сообщает хосту о режиме, поддерживаемом устройством (англ. Full-Speed или англ. Low-Speed), подтягиванием одной из линий данных к V_BUS через резистор 1,5 кОм (D− для режима Low-Speed и D+ для режимов Full-Speed и High-Speed)[42].

Для соблюдения достаточного уровня сигнала в кабеле и недопускания его затухания требуется коррелировать длину кабеля с сечением проводников. Принята практика указания толщины сечения провода в AWG, например «28 AWG/1P…».

Примерное соответствие: маркировка кабеля (указание толщины провода в AWG) и соответствующая ей длина кабеля:

Ограничения длины кабеля также связаны с задержкой сигнала в линии. В спецификациях USB 2.0 оговорена величина задержки: она должна быть менее 5,2 наносекунды на метр для кабеля длиной 5 м. Максимально допустимая задержка сигнала в линии — 1,5 микросекунды для низкоскоростного режима. Таким образом, для обеспечения режима Hi Speed линия должна гарантировать задержку менее 26 наносекунд, а Low Speed — 1,5 микросекунды.

• Все разъёмы USB, которые можно соединять друг с другом, рассчитаны на совместную работу. Также это достигается за счёт электрической совместимости всех контактов разъёма USB 2.0 с соответствующими контактами разъёма USB 3.0. При этом разъём USB 3.0 имеет дополнительные контакты, не имеющие соответствия в разъёме USB 2.0, и, следовательно, при соединении разъёмов разных версий «лишние» контакты не будут задействованы, обеспечивая нормальную работу соединения версии 2.0.
• Все гнёзда и штекеры между USB 3.0 Тип A и USB 2.0 Тип A рассчитаны на совместную работу.
• Размер гнезда USB 3.0 Тип B несколько больше, чем это могло бы потребоваться для штекера USB 2.0 Тип B и более ранних. При этом предусмотрено подключение в эти гнёзда и такого типа штекеров. Соответственно, для подключения к компьютеру периферийного устройства с разъёмом USB 3.0 Тип B можно использовать кабели обоих типов, но для устройства с разъёмом USB 2.0 Тип B — только кабель USB 2.0.
• Гнёзда eSATAp, обозначенные как eSATA/USB Combo, то есть имеющие возможность подключения к ним штекера USB, имеют возможность подключения штекеров USB Тип A: USB 2.0 и USB 3.0, но в скоростном режиме USB 2.0.
• Штекер eSATA ни в какую версию простого гнезда USB войти не может.
• Штекер eSATA может подключаться к гнезду eSATA/USB Combo.

№ контакта	A	B	micro B
1	VBUS (VCC)	VBUS (VCC)	VBUS (VCC)
2	D−	D−	D−
3	D+	D+	D+
4	GND	GND	ID
5	StdA_SSTX−	StdA_SSTX−	GND
6	StdA_SSTX+	StdA_SSTX+	StdA_SSTX−
7	GND_DRAIN	GND_DRAIN	StdA_SSTX+
8	StdA_SSRX−	StdA_SSRX−	GND_DRAIN
9	StdA_SSRX+	StdA_SSRX+	StdA_SSRX−
10			StdA_SSRX+
Экран	Экран	Экран	Экран
Расположение контактов вилки USB 3.0 Micro-B

Также существуют разъёмы USB 3.0 Micro ещё двух типов: вилка USB 3.0 Micro-A и розетка USB 3.0 Micro-AB. Визуально отличаются от USB 3.0 Micro-B «прямоугольной» (не срезанной) частью разъёма с секцией USB 2.0, что позволяет избежать подключения вилки Micro-A в розетку Micro-B, а розетку Micro-AB делает совместимой с обеими вилками.

Розетка Micro-AB будет применяться в мобильных устройствах, имеющих бортовой USB 3.0 host контроллер. Для идентификации режима хост/клиент используется вывод 4 (ID) — в вилке Micro-A он замкнут на «землю».

Разъём USB 3.0 Powered-B спроектирован с использованием двух дополнительных контактов, что позволяет устройствам предоставлять до 1000 мА другому устройству, например адаптеру Wireless USB. Это позволяет избежать необходимости в источнике питания для устройства, подключаемого к Wireless USB адаптеру, делая ещё один шаг к идеальной системе беспроводной связи (без отдельного питания). При обычных проводных подключениях к хосту или хабу эти два дополнительных контакта не используются.

Разъём USB Type-C

«В ближайшем будущем интерфейс USB Type-C станет действительно универсальным. Версия 2.1 предусматривает электропитание через порт мощностью до 240 Вт. Это позволит использовать его для снабжения электроэнергией мониторов с разрешением 4К, принтеров и даже энергоёмких игровых ноутбуков.»https://usb.org/document-library/usb-type-cr-cable-and-connector-specification-revision-21

В 2013 году некоторыми компаниями были представлены оптические (оптоволоконные) кабели USB 3.0 и Thunderbolt, по которым сигнал USB может передаваться на расстояние до 100 метров[43] против 3-5 метров (как правило) для стандартных «проводных» кабелей. Тонкие и гибкие кабели позволяют передавать данные на скоростях до 1 ГБ/с, но не обеспечивают передачу электропитания.

В начале пути сигнал из обычного электрического сигнала USB преобразуется в оптические сигналы. В конце пути сигнал подвергается обратному преобразованию.

Дифференциальная линия связи в виде витой пары проводов с импедансом 90 Ом

Схемотехника портов USB Full и High Speed. Устройство Low Speed отличается подключением резистора 1,5к к D− вместо D+

Осциллограмма пакета NACK для Full Speed устройства

Упрощённая электрическая схема USB-соединения показана на рисунке. Когда к хосту никто не подключён, обе сигнальные линии D+ и D− подтянуты резисторами 15 кОм к минусу питания. При подключении устройства одна из линий подтягивается к +3,3 В через резистор 1,5 кОм. Устройства Low Speed подтягивают линию D−, а устройства Full Speed — D+. Таким образом хост определяет факт подключения и тип подключённого устройства. Устройства High Speed в момент подключения работают как Full Speed, переключаясь в высокоскоростной режим после обмена визитками.

Состояние дифпары, определённое резисторами подтяжки, в спецификации именуется Idle. То же состояние при включённом драйвере обозначается буквой J. Противоположное ему состояние — буквой K. Замыкание обеих линий на минус именуется Single Ended 0, сокращенно SE0; замыкание на плюс — SE1.

Данные кодируются по методу NRZI (Non-return-to-zero inverted). По этому методу каждому нулевому биту входных данных соответствует изменение состояния дифпары (J→K или K→J), а при единице изменения нет. Чтобы исключить потерю синхронизации на длительных единичных последовательностях, применяют битстаффинг, то есть принудительно вставляют в поток данных ноль на каждые 6 единиц подряд.

Состояние шины SE0 дольше 10 мс трактуется устройством как сброс (Reset) и требует от устройства реинициализации USB-стека. Состояние Idle дольше 3 мс подряд трактуется устройством как останов шины (Suspend) и формально требует от устройства самоограничения в потреблении электроэнергии от шины USB. Выход из Suspend происходит либо по возобновлению активности хоста, либо устройство может при необходимости подать специальный сигнал Resume. Сигнал Resume состоит из состояния K на несколько миллисекунд, завершаемое последовательностью SE0, SE0, J, где каждое состояние длится один битовый интервал согласно скоростному режиму устройства.

Обмен происходит короткими пакетами. Каждый пакет начинается с последовательности Start of Packet, для Low и Full Speed это KJKJKJKK. Далее всегда идёт специальный идентификатор пакета PID (англ. Packet IDentifier), указывающий на тип пакета. Всего имеется 16 разных типов пакетов, поэтому PID имеет размерность 4 бита. Однако для надёжности значение этого поля дублируется в инверсном виде, поэтому длина поля PID в пакете 8 бит. Заканчивается пакет последовательностью End of Packet: SE0, SE0, J. Минимальный межпакетный интервал ~0,1 мкс (для Full Speed).

В зависимости от типа пакета, между PID и EoP может содержаться ряд других полей с параметрами пакета и/или данными. Все эти поля (включая PID) передаются младшим битом вперёд (LSB first).

Типы пакетов USB представлены в таблице:

Пакеты типа IN, OUT, SETUP являются заголовками многопакетной транзакции с обменом данными. Они содержат поля адреса устройства и номера конечной точки (Endpoint) в устройстве, с которым будет обмен данными в этой транзакции. Целостность пакетов удостоверяет поле CRC5.

Пакеты типа DATA содержат поле данных и поле контроля целостности данных CRC16. Стандарт ограничивает максимальную разрешённую длину данных: 8 байт для несконфигурированных устройств, 64 байта для устройств Low Speed, 1023 байта для устройств Full Speed и 1024 байта для устройств High Speed. Устройство может установить свою максимальную длину данных, меньшую разрешённой. Хост обязан поддерживать максимальную разрешённую длину данных. При обычном обмене пакеты с данными чередуются как «чётный-нечётный».

Пакеты типа ACK, NACK, STALL завершают транзакцию, сообщая о (не)успешности текущей транзакции. Не содержат дополнительные поля.

USB является сетью, то есть к одному хосту может подключаться несколько устройств. Каждому устройству в процессе начального конфигурирования в момент подключения назначается уникальный адрес. Размерность адреса 7 бит, нулевое значение зарезервировано — соответственно, к одному хосту может подключаться до 127 устройств. Поле адреса содержат только те пакеты, что начинают транзакцию (IN, OUT, SETUP).

Помимо адресации физически подключённых устройств, USB предлагает логическую адресацию внутри устройства. Логическая адресация позволяет разделить потоки данных по разному функционалу внутри одного устройства. Например, клавиатура с тачпадом может иметь один канал данных для нажатий клавиш, а другой — для данных тачпада. В стеке TCP/IP имеется прямая аналогия конечной точки — порты.

Поле «endpoint» имеет размерность 4 бита, то есть возможны до 16 точек. Каждая точка может независимо работать как приёмная и как передающая, поэтому иногда их насчитывают 32. Поле «endpoint» является частью адресации в сети USB и содержится только в тех же пакетах, где есть адрес (IN, OUT, SETUP). В момент подключения в рамках начального конфигурирования устройство обязано передать хосту информацию о задействованных точках и их назначении. Эта информация должна согласовываться с соответствующими каналами данных программного драйвера устройства у хоста. Обращение к незадействованной точке вызывает ответ STALL. Пакеты SETUP могут приходить только на нулевой endpoint.

Спецификация USB содержит понятия временны́х фреймов и микрофреймов. Для Low Speed устройств каждую миллисекунду хост передаёт сигнал Keep Alive, состоящий из последовательности End of Packet. Для Full Speed устройств каждую миллисекунду хост передаёт специальный пакет SOF (Start of Frame), отмечающий начало очередного фрейма. Для High Speed этот пакет передаётся каждые 125 мкс; такой период называется микрофрейм. Спецификация USB требует, чтобы поддерживалось такое планирование транзакций и пакетов, чтобы периодичность рассылки SOF не нарушалась.

Обмен данными происходит так называемыми транзакциями — неразрывными последовательностями из нескольких пакетов. Инициатором обмена всегда является хост. Он передаёт короткий пакет (token), уведомляющий о начале новой транзакции. В этом пакете-токене хост указывает направление транзакции (IN или OUT), адрес устройства и номер endpoint. Например, токен OUT означает, что немедленно за токеном последует пакет с данными от хоста к устройству (DATA0 или DATA1). Пакетов с данными может быть несколько в одной транзакции, если каждый из них имеет максимально допустимую для этого устройства длину данных. Окончание пересылки данных определяется по длине пакета, не равной максимальной. Как только приходит укороченный пакет, устройство немедленно передаёт ответный пакет-подтверждение (handshake), например ACK (всё успешно принято), NACK (не смог принять: например, переполнен входной буфер), STALL (данные адресованы отключённому endpoint). Все пакеты в транзакции передаются практически слитно, максимальная пауза между пакетами не должна превышать ~1 мкс (для Full Speed), иначе транзакция будет признана ошибочной.

Аналогично происходит передача данных от устройства к хосту. Хост инициирует передачу токеном IN. Если устройство не имеет готовых данных для передачи, то отвечает NACK и транзакция заканчивается. Если данные готовы, устройство начинает передавать пакеты DATA0/DATA1. Принцип окончания передачи аналогичен: неполная длина пакета с данными. Получив неполный пакет, хост отвечает устройству пакетом-подтверждением ACK.

Транзакция с токеном SETUP полностью аналогична транзакции OUT, отличия лишь в логике восприятия данных устройством: это параметры соединения, которые управляют работой USB стека устройства.

Спецификация USB предоставляет несколько методов обмена данными. Каждому включённому endpoint должен быть сопоставлен какой-либо из методов. Control, Interrupt и Bulk используют протокол обмена с подтверждениями, описанный чуть выше. Метод bulk позволяет хосту свободно обмениваться данными с устройством по своему усмотрению. Метод control аналогичен bulk, но обменивается с устройством только специальными данными, управляющими работой USB-протокола в соответствии со спецификацией (в рамках транзакций типа SETUP). Поскольку периферийные устройства не могут инициировать обмен, то для передачи внезапно возникающих у устройства данных придумали метод interrupt, который позволяет опрашивать устройство с заданным периодом. Метод interrupt широко применяется для опроса клавиатур и мышек. Особняком стоит метод isochronous, позволяющий зарезервировать часть полосы пропускания USB-шины для таких данных, как аудио или видео. Isochronous не поддерживает контроля целостности передачи (пакеты ACK и NACK не передаются), а значит, не предусмотрены повторы в случае ошибок: неверно принятые данные пропадают.

В момент подключения хост запрашивает у устройства ряд стандартизованных сведений (дескрипторов), на основании которых принимает решение, как с этим устройством работать. Дескрипторы содержат сведения о производителе и типе устройства, на основании которых хост подбирает программный драйвер. Таблицы дескрипторов и назначение полей подробно описаны в главе 9 спецификации USB.

После этого хост производит смену скорости (если устройство High Speed) и назначает устройству адрес.

Для отладки протоколов и контроля соответствия стандарту разработчиками устройств могут использоваться различные инструменты, позволяющие наблюдать процессы обмена на шине[44][45]. Эти инструменты могут быть чисто программными, извлекающими события шины из драйверов USB компьютера. Однако такие инструменты не показывают аппаратно обрабатываемые либо ошибочные сигналы в шине. Для всеобъемлющего независимого контроля используются специализированные аппаратные сканеры и анализаторы протоколов. Использование аппаратного анализатора рекомендуется USB консорциумом для прохождения сертификации и при подготовке выпуска приборов в серийное производство.

Формально для получения права на размещение логотипов USB на продукции необходима её сертификация на соответствие стандарту. Организация USB-IF предлагает услуги по сертификации USB-устройств, а также поддерживает перечень сторонних сертифицирующих лабораторий[46].

Назначение USB-устройств может определяться кодами классов, которые сообщаются USB-хосту для загрузки необходимых драйверов. Коды классов позволяют унифицировать работу с однотипными устройствами разных производителей. Устройство может поддерживать один или несколько классов, максимальное количество которых определяется количеством доступных endpoints.

Описание кодов классов[47]:

Первая попытка стандартизировать повышенное потребление гаджетов и источники питания с выходным разъёмом USB привела к появлению спецификации USB Battery Charging[50]. Первая версия вышла в 2007 году. Актуальная версия USB BC 1.2 опубликована в 2010 году.

Спецификация разрешала существование специально обозначенных^[как?] разъёмов USB-A с повышенной отдачей по току (до 1,5 А). Протокол начального конфигурирования USB дополнялся возможностью «договориться» о расширенном потреблении. Конечное устройство могло увеличить потребление только после «договорённости» с хостом.

Также разрешались разъёмы USB-A с не подключёнными линиями данных, например на зарядных устройствах. Такие зарядные устройства идентифицировались гаджетом по замкнутым между собой контактам D+ и D−. Таким устройствам разрешалось отдавать ток до 5 А.

Для малогабаритных потребителей электроэнергии спецификация рекомендовала разъём MicroUSB-B.

В новом стандарте USB Power Delivery концепция электропитания была значительно переработана[51][52]. Теперь разработчики как хоста, так и устройства получили возможность гибко управлять питанием через шину USB. Решение о том, кто является источником, кто потребителем, о возможностях источника и кабеля принимаются в ходе диалога между устройствами по отдельному каналу связи. Предусматривается возможность, что в процессе диалога устройство может потребовать, а хост согласиться на повышение напряжения питания с целью передачи по существующей кабельной инфраструктуре больших мощностей. Повышенное напряжение выдаётся хостом на провод питания Vusb. Для совместимости со старыми устройствами хост возвращает напряжение к старым значениям 5 вольт, как только обнаруживает отсоединение устройства.

Технология USB Power Delivery обеспечивает передачу энергии до 100 Вт. Благодаря этому при помощи обычного USB-кабеля появилась возможность заряжать и подключать все электронные устройства от источника заряда, которым может выступить смартфон, ноутбук или внешний аккумулятор[53].

В 2012 году представлена первая ревизия USB PD. Использовалась стандартная разъёмная и кабельная инфраструктура USB 2.0 и 3.0. Управление питанием осуществлялось путём диалога между потребителем и источником по независимому каналу связи, организованному по проводу питания стандартного кабеля USB (V_bus). Использовалась частотная модуляция с несущей 24 МГц.

Стандарт позволял повышать напряжение на контакте питания USB (Vbus) до 12 В или 20 В при максимальном токе до 5А.

Вторая ревизия стандарта вышла в 2014 году вместе со спецификацией USB 3.1 и привязана к новому разъёму USB Type-C. Теперь для выделенного канала связи между источником мощности и потребителем используется отдельный провод в кабеле (Configuration Сhannel). Также поддерживается определение типа кабеля и его возможностей по передаче мощности, для чего в кабелях с увеличенным максимальным током должна устанавливаться микросхема, сообщающая о параметрах кабеля.

Стандарт позволял повышать напряжение на контакте питания USB (Vbus) до 9, 15 или 20 В при максимальном токе до 5А. Для токов свыше 3А требуется использование специальных кабелей с идентификационной микросхемой.

В 2019 году вышла ревизия USB PD 3.0. Его существенное отличие от USB PD 2.0 — режим Programmable Power Supply, когда потребитель запрашивает не фиксированное напряжение из ряда 5, 9, 15 или 20 В, а может регулировать напряжение в диапазоне 3,3…21В с шагом 20мВ. Также потребитель может запросить у источника ограничение тока с шагом в 50 мА.

Весной 2021 года вышла ревизия USB PD 3.1.[54] Существенное отличие — разделение режимов на Standard Power Range (совместимо с USB PD 3.0) и Extended Power Range, в котором возможны напряжения 28, 36 и 48В. Режим Programmable Power Supply сохранен только для Standard Power Range и не поддерживается в Extended Power Range. Для получения высокого регулируемого напряжения введен режим Adjustable Voltage Supply, позволяющий установить напряжение от 15 до 48В с шагом 100 мВ.

Таким образом, максимальная передаваемая мощность достигла 240Вт. Для токов свыше 3А и напряжений свыше 20В требуется использование специальных кабелей с идентификационной микросхемой.

Производители мобильных гаджетов не могли пройти мимо доступности электричества из USB-розетки. Появилось множество устройств, отбирающих ток без соблюдения требований спецификации USB.

При этом требуемый устройством ток заряда мог быть гораздо выше, чем разрешал отдавать стандарт USB. Чтобы обойти это ограничение, многие производители телефонов выработали свои правила определения специального блока питания — зарядного устройства[55][56]. Теперь при подключении к оригинальному зарядному устройству телефон получает возможность заряжаться максимально быстро. В то же время при подключении к стандартному USB-хосту телефон выполняет рекомендации стандарта USB, заряжаясь пониженным током или не заряжаясь вовсе.

Например, устройства компании Apple определяют максимальный отдаваемый зарядным устройством ток по напряжению на контактах D− и D+. Если D+ = D− = 2,0 В, то макс. ток — 0,5 А. Если D+ = 2,0 В и D− = 2,8 V, то макс. ток — 1 А. Если D+ = 2,8 В и D− = 2,0 В, то макс. ток — 2 А[57].

В 2007 году USB-IF принимает спецификацию USB Battery Charging, чем запускает процесс стандартизации электропитания мобильных устройств. В 2007—2010 годах принимается ряд национальных и международных нормативов (например, Common external power supply, GSM Universal Charging Solution, китайский «Technical Requirements and Test Method of Charger and Interface for Mobile Telecommunication Terminal Equipment»[58][59]), согласно которым зарядные устройства мобильных гаджетов должны оснащаться однотипными разъёмами: розетка USB-A на корпусе зарядного устройства и Micro-USB-B на самом гаджете. Идентификация зарядного устройства происходит по замкнутым контактам D+ и D−.

Сигнализация QC 2.0/3.0

Определённую популярность приобрели технологии компании Qualcomm, похожие на стандарт USB Power Delivery, но более простые в реализации. Было выпущено четыре совместимых друг с другом версии спецификации[60][61]:

Версия Qualcomm Quick Charge 1.0 (2013) предусматривала питание 5 В 2 А и мало отличалась от других нестандартных решений. Распространения не получила.

Версия Qualcomm Quick Charge 2.0 (2015), как и USB Power Delivery, предусматривала возможность повышения напряжения питания до 9, 12 или 20 В после согласования между зарядным устройством и гаджетом. Но в отличие от USB Power Delivery метод договора был гораздо проще и позволял использовать существующие кабели и разъёмы USB 2.0/3.0. По состоянию линий D+/D− гаджет определяет, что подключён к зарядному устройству, после чего выставляет на линии D+/D− определённое напряжение в соответствии с желаемым напряжением питания.

Версия Qualcomm Quick Charge 3.0 (2016) дополняет QC 2.0 возможностью плавной регулировки выходного напряжения в диапазоне 3,6—20 В по запросу гаджета.

Согласно спецификации USB некоторые кабели с разъёмами Type C могут содержать микросхему, идентифицирующую параметры кабеля. Поскольку эта микросхема питается от линий питания кабеля то повышение напряжения на них может оказаться фатальным как для кабеля, так и для подключенного оборудования. В связи с этим применение Quick Charge 2.0 и 3.0 на кабелях с разъёмами Type C оказалось рискованным. В 2015 году USB-IF опубликовал методику тестирования кабельной инфраструктуры с разъёмами Type C, где прямо запретил управление напряжением на линии питания нестандартными методами. Теперь зарядные устройства Quick Charge 2.0 и 3.0 с разъёмом USB Type C не смогут получить сертификат соответствия[62]. Корпорация Google выпустила рекомендацию не поддерживать QC 2.0 и 3.0 в Android-устройствах[63]. Проблема решена в спецификации Quick Charge 4.

Версия Qualcomm Quick Charge 4 представлена в ноябре 2016 года. Заявлена совместимость с кабелями с разъёмами Type C[64]. Версия Qualcomm Quick Charge 4+ представлена летом 2017 года.

Разъёмы PoweredUSB

В 1999 году группа производителей торгового оборудования приняла корпоративный стандарт, по которому разъём USB оснащался дополнительными контактами с напряжениями 5 В, 12 В или 24 В и током до 6 А. Это решение не было поддержано USB-IF.

Хотя теоретическая максимальная пропускная способность USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 МБ/с), на практике обеспечить пропускную способность, близкую к пиковой, не удаётся (макс. 45 МБ/с[66], чаще до 30 МБ/с). Это объясняется тем, что шина USB является полудуплексной — для передачи данных в обе стороны используется всего одна витая пара, поэтому за один такт данные могут быть переданы только в одну сторону, и, соответственно, для двунаправленного обмена данными требуется два такта. Для сравнения, шина FireWire хоть и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что формально на 80 Мбит/с (10 МБ/с) меньше, чем у USB 2.0, но, будучи дуплексной (для передачи данных используется две витые пары — каждая в свою сторону, и для двунаправленного обмена данными требуется 1 такт), она позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно «упираются» в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0.

• Возможности передачи данных на скорости до 5 Гбит/с.
• Контроллер способен одновременно принимать и отправлять данные (полнодуплексный режим), что увеличило скорость работы.
• USB 3.0 обеспечивает бо́льшую силу тока, что упрощает подключение таких устройств, как, например, жёсткие диски.
• USB 3.0 совместим со старыми стандартами. Имеется возможность подключать старые устройства в новые порты. Устройства USB 3.0 можно подключать к порту USB 2.0 (в случае достаточности электропитания), но скорость работы устройства будет ограничена скоростью работы порта.

В августе 2014 года была продемонстрирована реализация уязвимости устройств USB, получившей название BadUSB. Некоторые USB устройства позволяют изменять микропрограмму микросхемы, отвечающую за взаимодействие с компьютером. Злоумышленник, проведя реверс-инжиниринг конкретного устройства, может создать и записать в него вредоносный код. Этот вредоносный код может, например, имитируя клавиатуру, произвести необходимые действия за пользователя на заражаемом компьютере или, имитируя сетевое устройство, изменить сетевые настройки таким образом, что пользователь будет просматривать сайты Интернета через подконтрольные злоумышленнику промежуточные серверы (Фарминг). Кроме того, имитируя USB-флеш-накопитель, вредоносный код может загрузить и запустить на компьютере с включённым автозапуском вирусную программу. Такой вирус может скопировать себя и на другие устройства USB, подключённые в данный момент к компьютеру, заражая всё новые USB-устройства (веб-камеры, клавиатуры, флеш-карты и др.)[67].

Зловредное устройство USB Kill и подобные могут эксплуатировать другую уязвимость: сразу после подключения к питанию USB-устройство формирует серию высоковольтных импульсов на контакты данных, уничтожая ценные микросхемы внутри компьютера[68][69][70][71]. Уязвимость возникает благодаря доступности гнёзд USB, а также из-за того, что на все порты USB подаётся питание вне зависимости от того, какое устройство в них подключают, и из-за слабой защиты от высокого напряжения в высокоскоростных контактах, подключённых к микросхемам и выведенных на корпус.

Протокол USB Mass Storage, представляющий собой метод передачи команд SCSI по шине USB, имеет бо́льшие накладные расходы, чем соответствующий ему протокол SBP-2 шины FireWire/1394. Поэтому при подключении внешнего диска или привода CD/DVD по FireWire удаётся достичь большей скорости передачи данных. Кроме того, USB Mass Storage не поддерживался в старых ОС (включая Windows 98) и требовал установки драйвера. SBP-2 же в них поддерживался изначально. Также в старых ОС (Windows 2000) протокол USB storage был реализован в урезанном виде, не позволявшем использовать функцию записи CD- и DVD-дисков на подключённом по USB дисководе; SBP-2 никогда не имел таких ограничений.

Шина USB строго ориентирована, поэтому соединение двух компьютеров требует дополнительного оборудования. Соединение оборудования без компьютера, например, принтера и сканера или фотоаппарата и принтера, было определено стандартом USB OTG; ранее же эти реализации были завязаны на конкретного производителя. Шина 1394/FireWire изначально не подвержена этому недостатку (например, можно соединить две видеокамеры).