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Universal Serial Bus (USB): panoramica, caratteristiche e uso

Articolo enciclopedico sullo standard USB: cos'è, come funziona, evoluzione storica, applicazioni comuni, alimentazione e confronti con porte legacy.

Panoramica

L'Universal Serial Bus (USB) è uno standard per il collegamento e la comunicazione tra computer e dispositivi elettronici. Nato per semplificare e unificare le interfacce di periferiche, l'USB funge da bus seriale ad alte prestazioni e consente trasferimenti dati oltre alla fornitura di alimentazione a bassa tensione. In termini pratici, permette a un computer di riconoscere automaticamente un dispositivo con una esperienza plug-and-play, rendendo più semplice l'installazione e l'uso quotidiano.

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Caratteristiche principali

L'USB è progettato per supportare lo hot swapping: cioè l'inserimento e la rimozione dei dispositivi senza spegnere il sistema. Offre alimentazione lungo il cavo, sufficiente per molti accessori portatili, e può gestire diversi profili di velocità e potenza a seconda della versione (ad esempio USB 1.x, 2.0, 3.x e USB-C/USB4 nelle evoluzioni più recenti). Il meccanismo di enumerazione consente al sistema operativo di identificare il dispositivo e, se necessario, richiamare un driver o un software appropriato.

Storia e sviluppo

Lo standard è stato sviluppato alla fine degli anni '90 per sostituire o affiancare molte delle porte dedicate presenti sui personal computer. L'obiettivo era ridurre la complessità dei connettori e migliorare la compatibilità tra marche diverse. Nel tempo l'USB ha evoluto velocità e capacità di alimentazione, trasformandosi da interfaccia per periferiche base a soluzione unica per dati, video e alimentazione in molti dispositivi moderni.

Usi comuni ed esempi

L'USB è onnipresente nei personal computer e in moltissimi dispositivi di consumo. Tra gli esempi più diffusi figurano:

Oltre a questi, molti gadget come ventole, luci e caricabatterie sfruttano l'alimentazione fornita dal bus. Studi e rapporti di settore documentano miliardi di dispositivi USB in uso globale, a testimonianza della diffusione dello standard (statistiche).

Compatibilità e confronto con tecnologie precedenti

Prima dell'avvento dell'USB, era necessario utilizzare varie porte dedicate: la porta parallela, la porta seriale e l'interfaccia SCSI erano comuni per stampanti, modem e unità esterne. L'USB ha progressivamente sostituito molte di queste interfacce grazie alla sua versatilità e facilità d'uso, pur lasciando spazio a tecnologie legacy in casi specialistici che richiedono performance o caratteristiche non replicate dall'USB.

Note pratiche e compattezza

Per l'utente comune l'USB rappresenta una soluzione semplice: basta inserire il connettore in una porta libera e il sistema, grazie al concetto di plug and play, provvederà a riconoscere il dispositivo. In alcuni casi il sistema potrebbe richiedere l'installazione di driver specifici (software) per abilitare tutte le funzioni avanzate. L'implementazione fisica è variabile: connettori come USB-A, USB-B, micro-USB e USB-C rispondono a esigenze diverse di ingombro, orientamento e capacità di potenza.

In sintesi, l'USB ha trasformato l'interazione fra computer e periferiche, riducendo la complessità degli allacciamenti e incrementando la mobilità dei dispositivi elettronici. La continua evoluzione dello standard continua a estendere le sue applicazioni, dal trasferimento dati alla ricarica rapida e alla trasmissione di segnali video ad alta velocità.

Per approfondire: tecnologia USB, personal computer e USB.

Breve storia

La prima versione dell'Universal Serial Bus è stata creata nel 1995. Questa nuova tecnologia è diventata un successo immediato. Dopo l'introduzione dell'USB, le persone che producono dispositivi elettronici hanno pensato a come potrebbe essere utilizzato in futuro. Oggi, l'USB collega un computer o altri dispositivi come i computer portatili e i lettori MP3 alle periferiche.

L'autobus è stato introdotto da sette aziende che rappresentano i leader nel settore dell'informatica: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom, e Digital Equipment Corporation (DEC).

Diversi anni prima, gli adottanti e gli sviluppatori di USB hanno tenuto un incontro chiamato Plugfest in un hotel speciale in California per testare i loro dispositivi. Selezionarono un hotel che includeva camere per dormire e per i test. L'incontro durò tre giorni. Durante l'incontro, i rappresentanti di circa 50 aziende hanno collegato i loro dispositivi USB ad un sistema host generale.

Anche il logo del dispositivo USB ha una sua storia. Il logo USB è stato in fase di sviluppo per diversi mesi.

  • 1994 - Sette aziende si uniscono per iniziare lo sviluppo dell'USB.
  • 1995 - 340 aziende hanno costituito il Forum di implementazione USB.
  • 1996 - Più di cinquecento prodotti USB si stavano già sviluppando in tutto il mondo.
  • 1997 - Il Forum di implementazione USB si arricchisce con altre 60 aziende.
  • 1998 - L'USB diventa la tecnologia più diffusa sul mercato dell'elettronica.
  • 2000 - L'introduzione dell'USB 2.0. Oggi rappresenta il dispositivo USB più utilizzato.
  • 2005 - L'USB diventa wireless.
  • 2008 - Viene introdotto l'USB 3.0. È oltre 10 volte più veloce dell'USB 2.0.
  • 2013 - Viene introdotto l'USB 3.1. È circa due volte più veloce dell'USB 3.0.
  • 2015 - Viene introdotto il tipo C USB. Si tratta di un connettore reversibile, il che significa che è possibile collegarlo in entrambi i modi.

Diversi standard

Attualmente vengono utilizzati cinque diversi standard USB: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 e USB 3.1. L'USB 3.1 è stato rilasciato nel 2016 e ha raddoppiato la velocità della 3.0. Utilizza opzionalmente un connettore diverso chiamato USB Type-C, che è reversibile (il che significa che si può collegare in entrambi i modi). L'USB 1.0 è ora raramente utilizzato.

L'USB offre cinque diverse velocità di trasferimento: 1,5 MBit al secondo (chiamata bassa velocità), 12 MBit al secondo (piena velocità), 480 MBit/secondo (alta velocità), 5Gbit/s (chiamata super velocità), e 10 Gbit/s ("super velocità+"). Hi speed è disponibile solo in USB 2.0 e successivi, e Super speed è disponibile solo in USB 3.0. Queste velocità sono bitrate grezze (in milioni di bit al secondo). La velocità effettiva dei dati è di solito più bassa a causa dell'overhead del protocollo.

Per poter utilizzare la velocità di trasferimento ad alta velocità, il controller USB e il dispositivo collegato devono entrambi supportarla. L'USB è compatibile all'indietro. I dispositivi USB e i controller possono essere collegati insieme in modo sempre più veloce e lento, ma funzioneranno alla velocità più bassa.

Mozzi USB

Quasi tutti i computer venduti oggi hanno porte USB, e la maggior parte di essi supporta USB 2.0 o successive. Il numero di porte che hanno è però solitamente limitato. Tra due e sei porte sono comuni. L'USB permette di collegare hub USB per aggiungere altre porte USB.

Anche gli hub stessi sono conformi a uno degli standard USB. I dispositivi collegati a un hub USB 1.1 andranno solo alla stessa velocità delle tariffe USB 1.1. I dispositivi collegati ad un controller successivo possono utilizzare standard diversi.

Come si fa USB

Un sistema USB ha un design asimmetrico. È costituito da un host, da diverse porte USB a valle e da più periferiche collegate in una topologia a stella. Nei livelli possono essere inclusi hub USB aggiuntivi che consentono di ramificarsi in una struttura ad albero con un massimo di cinque livelli.

Un host USB può avere più controllori host. Ogni controller host fornisce una o più porte USB. Ad un singolo controller host possono essere collegati fino a 127 dispositivi, compresi i dispositivi hub.

I dispositivi USB sono collegati in serie attraverso hub. C'è sempre un hub conosciuto come root hub. L'hub principale è integrato nel controller host. Ci sono degli hub speciali, chiamati "hub di condivisione". Questi permettono a più computer di accedere alle stesse periferiche. Funzionano scambiando l'accesso tra i PC, manualmente o automaticamente. Sono popolari negli ambienti di piccoli uffici. In termini di rete, essi convergono piuttosto che diramazioni divergenti.

Un dispositivo fisico USB può avere diversi sotto-dispositivi logici che vengono chiamati funzioni del dispositivo. Un singolo dispositivo può fornire diverse funzioni, ad esempio una webcam (funzione dispositivo video) con microfono incorporato (funzione dispositivo audio).

La comunicazione dei dispositivi USB si basa su tubi (canali logici). I tubi sono connessioni dal controllore host ad un'entità logica sul dispositivo denominato endpoint. Il termine endpoint viene usato occasionalmente per indicare erroneamente il tubo. Un dispositivo USB può avere fino a 32 tubi attivi, 16 nel controller host e 16 fuori dal controller.

Ogni endpoint può trasferire i dati in una sola direzione, sia in entrata che in uscita dal dispositivo, quindi ogni tubo è unidirezionale. Gli endpoint sono raggruppati in interfacce ed ogni interfaccia è associata ad una singola funzione del dispositivo. Un'eccezione è rappresentata dal punto finale zero, che viene utilizzato per la configurazione del dispositivo e che non è associato ad alcuna interfaccia.

Quando un dispositivo USB viene collegato per la prima volta ad un host USB, viene avviato il processo di enumerazione del dispositivo USB. L'enumerazione inizia con l'invio di un segnale di reset al dispositivo USB. La velocità del dispositivo USB viene determinata durante la segnalazione di reset. Dopo il reset, le informazioni del dispositivo USB vengono lette dall'host, quindi al dispositivo viene assegnato un indirizzo univoco a 7 bit. Se il dispositivo è supportato dall'host, i driver del dispositivo necessari per comunicare con il dispositivo vengono caricati e il dispositivo viene impostato in uno stato configurato. Se l'host USB viene riavviato, il processo di enumerazione viene ripetuto per tutti i dispositivi collegati.

Il controllore host effettua il polling del bus per il traffico, di solito in modo round-robin, quindi nessun dispositivo USB può trasferire dati sul bus senza una richiesta esplicita da parte del controllore host.

Controllori host

L'hardware del computer che contiene il controller host e l'hub root ha un'interfaccia per il programmatore. Si chiama Host Controller Device (HCD) ed è definita dall'implementatore dell'hardware.

Per USB 1.0 e 1.1, c'erano due diverse implementazioni HCD, Open Host Controller Interface (OHCI) e Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI è stata sviluppata da Compaq, Microsoft e National Semiconductor, UHCI da Intel.


VIA Technologies ha ottenuto la licenza dello standard UHCI da Intel; tutti gli altri implementatori di chipset utilizzano OHCI. UHCI si affida maggiormente al software. Ciò significa che UHCI è un po' più impegnativo in termini di processore rispetto a OHCI, ma più facile e meno costoso da realizzare. Poiché ci sono state due diverse implementazioni, i fornitori di sistemi operativi e i fornitori di hardware hanno avuto bisogno di sviluppare e testare entrambi. Questo ha aumentato il costo.

La specifica USB non specifica alcuna interfaccia HCD e non si occupa di esse. In altre parole, l'USB definisce il formato di trasferimento dei dati attraverso la porta, ma non il sistema con cui l'hardware USB comunica con il computer in cui si trova.

Durante la fase di progettazione dell'USB 2.0, l'USB-IF ha insistito sul fatto che ci fosse una sola implementazione. L'implementazione HCD USB 2.0 è chiamata Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Solo l'EHCI può supportare trasferimenti ad alta velocità (480 Mbit/s). La maggior parte dei controllori EHCI basati su PCI hanno altre implementazioni HCD chiamate "companion host controller" per supportare la Full Speed (12 Mbit/s) e possono essere usati per qualsiasi dispositivo che dichiara di essere membro di una certa classe. Si suppone che un sistema operativo implementi tutte le classi di dispositivi, in modo da poter fornire driver generici per qualsiasi dispositivo USB. Le classi di dispositivi sono decise dal Device Working Group del Forum degli Implementatori USB.

Classi di dispositivi USB

Le classi di dispositivi includono:

Classe

Utilizzo

Descrizione

Esempi

00h

Dispositivo

Classe non specificata 0

(La classe del dispositivo non è specificata. I descrittori di interfaccia sono utilizzati per determinare i driver richiesti).

01h

Interfaccia

Audio

Altoparlante, microfono, scheda audio

02h

Entrambi

Comunicazioni e controllo CDC

Adattatore Ethernet, modem, adattatore per porta seriale

03h

Interfaccia

Dispositivo di interfaccia umana (HID)

Tastiera, mouse, joystick

05h

Interfaccia

Dispositivo di interfaccia fisica (PID)

Joystick di feedback della forza

06h

Interfaccia

Immagine

Fotocamera digitale (la maggior parte delle telecamere funziona come memoria di massa per l'accesso diretto ai supporti di memorizzazione).

07h

Interfaccia

Stampante

Stampante laser, stampante a getto d'inchiostro

08h

Interfaccia

Stoccaggio di massa

Chiavetta USB, lettore di schede di memoria, lettore audio digitale, unità esterne

09h

Dispositivo

Hub USB

Mozzo a piena velocità, mozzo ad alta velocità

0Ah

Interfaccia

CDC-Data

(Questa classe è usata insieme alla classe 02h - Comunicazioni e controllo CDC).

0Bh

Interfaccia

Smart Card

Lettore di smart card USB

0Dh

Interfaccia

Sicurezza dei contenuti

-

0Eh

Interfaccia

Video

Webcam

0Fh

Interfaccia

Assistenza sanitaria personale

-

DCh

Entrambi

Dispositivo diagnostico

Dispositivo di test di conformità USB

E0h

Interfaccia

Controllore wireless

Adattatore Wi-Fi, adattatore Bluetooth

EFh

Entrambi

Varie

Dispositivo di sincronizzazione ActiveSync e Palm

FEh

Interfaccia

Applicazione specifica

Ponte IrDA

FFh

Entrambi

Specifico per il fornitore

(Questo codice di classe indica che il dispositivo necessita di driver specifici per il fornitore).

Nota classe 0: Utilizzare le informazioni sulla classe nei descrittori di interfaccia. Questa classe di base è definita per essere utilizzata nei Device Descriptors per indicare che le informazioni di classe devono essere determinate dai descrittori di interfaccia del dispositivo.

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Domande e risposte

D: Che cos'è l'USB?

R: USB è l'acronimo di Universal Serial Bus ed è una tecnologia che consente di collegare un dispositivo elettronico ad un computer.

D: Quali tipi di dispositivi possono essere collegati con l'USB?

R: La maggior parte delle persone utilizza l'USB per mouse, tastiere, scanner, stampanti, fotocamere digitali e unità flash USB. Può essere utilizzato anche su altri dispositivi, come smartphone e console di videogiochi.

D: Cosa significa "hot swapping"?

R: Hot swapping significa che un dispositivo può essere inserito in una presa libera e funzionare semplicemente senza dover spegnere il computer o spegnere il dispositivo quando lo sostituisce.

D: L'USB fornisce energia?

R: Sì, l'USB può fornire una piccola quantità di energia al dispositivo collegato attraverso il cavo USB. I dispositivi che necessitano solo di una piccola quantità di energia possono ottenerla dal bus, invece di avere bisogno di una spina elettrica separata.

D: Gli standard più vecchi, come la porta parallela, sono ancora in uso?

R: Gli standard più vecchi, come la porta parallela, la porta seriale e lo SCSI, sono rari al giorno d'oggi, ma pochi computer al mondo utilizzano ancora questi vecchi connettori per lavori in cui l'USB non può sostituirli.

D: Quanti dispositivi al mondo utilizzano l'USB?

R: Ci sono oltre sei miliardi di dispositivi USB in tutto il mondo.

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AlegsaOnline.com Universal Serial Bus (USB): panoramica, caratteristiche e uso

URL: https://it.alegsaonline.com/art/103661

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