Немного истории появления USB
Разработка универсальной последовательной шины или USB началась в 1994 году американским инженером индийского происхождения компании Intel Аджай Бхаттом и руководимым им подразделением из специалистов ведущих компьютерных компаний под названием USB-IF (USB Implementers Forum, Inc). В компанию разработчиков порта вошли представители Intel, Compaq, Microsoft, Apple, LSI и Hewlett-Packard. Перед разработчиками стояла задача изобрести универсальный для большинства устройств порт, работающий по принципу Plug&Play (Соедини и Играй), когда устройство после подключения к компьютеру либо начинало работать сразу, либо запускалось после установки необходимого программного обеспечения (драйверов). Новый принцип должен заменить LPT и COM порт, при этом скорость передачи данных должна быть не ниже 115 кбит/с. Кроме того, порт должен был быть параллельным, для организации подключения к нему нескольких источников, а так же позволять использовать подключение устройств на «горячую» без выключения или перезагрузки ПЭВМ.
Первый непромышленный образец USB порта под кодовым индексом 1.0 с возможностью передачи данных до 12 мбит/с. был представлен в конце 1995 – начале 1996 годов. В середине 1998 года порт был доработан автоматическим поддержанием скорости для стабильного соединения и мог работать на скорости 1,5 мбит/с. Его модификация стала USB 1.1. Начиная с середины 1997 года, были выпущены первые материнские платы и устройства с этим разъемом. В 2000 году появился USB 2.0, поддерживающий скорость 480 мбит/сек. Основной принцип разработки – возможность подключения к порту старых устройств на основе USB 1.1. В это же время появляется первая флешка на 8 мегабайт под этот порт. 2008 год с доработками контроллера USB по скорости и мощности ознаменовался выходом 3-й версии порта, с поддержкой передачи данных на скорости до 4,8 Гбит/сек.
Основные понятия и сокращения, применяемые при распиновке USB разъемов
VCC (Voltage at the Common Collector) или Vbus – контакт положительного потенциала источника питания. Для USB устройств составляет +5 Вольт. В радиоэлектрических схемах данная аббревиатура соответствует напряжению питания биполярных NPN и PNP транзисторов.
GND (Ground) или GND_DRAIN – минусовой контакт питания. В аппаратуре (в том числе и материнских платах) соединен с корпусом для защиты от статического электричества и источника внешних электромагнитных помех.
D- (Data -) — информационный контакт с нулевым потенциалом, относительно которого происходит передача данных.
D+ (Data +) – информационный контакт с логической «1», необходимый для передачи данных от хоста (ПЭВМ) к устройству и наоборот. Физически, процесс представляет собой передачу положительных прямоугольных импульсов разной скважности и амплитудой +5 Вольт.
Male – штекер разъема USB, в народе именуемый, как «папа».
Female – гнездо разъема USB или «мама».
Series A, Series B, mini USB, micro-A, micro-B, USB 3.0 – различные модификации разъемов USB устройств.
RX (receive) – прием данных.
TX (transmit) – передача данных.
-StdA_SSRX – отрицательный контакт для приема данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.
+StdA_SSRX – положительный контакт для приема данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.
-StdA_SSTX – отрицательный контакт для передачи данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.
+StdA_SSTX – положительный контакт для передачи данных в USB 3.0 в режиме SuperSpeed.
DPWR – разъем дополнительного питания для устройств USB 3.0.
Распиновка USB разъема
Для спецификаций 1.x и 2.0 распиновкаUSB разъема идентична.
Как видим из рисунка на 1 и 4 ноге присутствует напряжение питания периферии подключаемого устройства, а по контактам 2 и 3 происходит передача информационных данных. В случае использования пятиконтакного разъема micro-USB, то следует руководствоваться следующим рисунком.
Как видим, использование 4 вывода в стандартной спецификации не предусмотрено. Однако, иногда 4 контакт применяется для подачи положительного питания на устройство. Чаще всего, это энергоемкие потребители с током, стремящимся к предельно допустимому для разъема USB 2.0, о чем будет сказано ниже. Согласно стандарту, каждый провод имеет свой цвет. Так плюсовой контакт питания соединен красным проводом, минусовой – черным, сигнал data- идет по белому, а положительный информационный сигнал data+ по зеленому. Кроме того, для защиты устройств от внешнего влияния качественные кабеля используют экранирование металлических частей разъемов посредством замыкания внешней металлизированной оплетки кабеля на корпус. Другими словами, экран кабеля может соединяться с минусом питания разъема (но это условие не обязательное). Использование экрана позволяет улучшить стабильность передачи данных, увеличить скорость и применить большую длину кабеля к устройству.
В случае применения micro-USB – OTG кабеля к планшету, 4-й неиспользуемый контакт соединяется с минусовым проводом. Схема кабеля наглядно представлена рисунком с 4pda.ru. В данном случае категорически запрещено подавать положительное питание на 4-й контакт разъема, что влечет за собой выход из строя либо контроллера USB порта, либо поломку контроллера OTG!
Что касается спецификации USB 2.0 разъема, то ниже представлена таблица основных характеристик.
| Режим | Скорость обмена | Максимальный ток | Амплитуда импульсов по шине Data+ и Data- |
| Низкоскоростной режим с малым потреблением тока (low speed) | 1,5 Mb/s(192 KB/s) | 100 mA | 4.40V – 5.25V |
| Высокоскоростной режим с малым потреблением тока (Full speed) | 12 Mb/s (1,5 MB/s) | 100 mA | 4.40V – 5.25V |
| Высокоскоростной режим с большим потреблением тока (High speed) | 480 Mb/s (60 MB/s) | 500 mA | 4.75V – 5.25V |
| Значение тока в автономном режиме, mA | 100 mA | ||
| Работа на холостом ходу (без подключения устройств) | 500uA |
Так же спецификация указывает, что для фильтрации полезного сигнала максимальная емкость между информационной шиной Data и отрицательным контактом питания (массой) допускается применение емкости номиналом до 10uF (минимум 1uF). Больше номинал конденсатора использовать не рекомендуется, поскольку на скоростях, близких к максимальным, происходит затягивание фронтов импульсов, что приводит к потере скоростных характеристик USB порта.
При подключении внешних разъемов USB портов к материнской плате стоит особое внимание уделить к правильности соединения проводов, поскольку не так страшно перепутать информационные сигналы Data – и Data+, сколько опасно поменять местами питающие провода. В этом случае из опыта ремонта электронного оборудования чаще приходит в негодность подключаемое устройство! Схему соединений необходимо смотреть в инструкции к материнской плате.
Остается добавить, что для реализации кабелей подключаемых устройств разъема USB 2.0 утвержден стандарт сечений каждого провода в шнуре.
| AWG | Максимальная длина | Диаметр, мм. | Сечение , мм2 |
| 28 | 0,81 м. | 0,321 | 0,081 |
| 26 | 1,31 м. | 0,405 | 0,128 |
| 24 | 2,08 м. | 0,511 | 0,205 |
| 22 | 3,33 м. | 0,644 | 0,325 |
| 20 | 5,00 м. | 0,812 | 0,517 |
В качестве AWG выступает американская система маркировки сечения провода.
Теперь перейдем к рассмотрению порта USB 3.0
Вторым названием USB 3.0 порта есть USB Super Speed, за счет возросшей скорости передачи данных до 5 Гб/сек. Для увеличения скоростных показателей инженеры применили полнодуплексную (двупроводную) передачу, как отправленных данных, так и принимаемых. За счет этого в разъеме появилось 4 дополнительных контакта -/+ StdA_SSRX и -/+StdA_SSTX. Кроме того, возросшие скорости потребовали применения нового типа контроллера с большим энергопотреблением, что привело к необходимости использования дополнительных контактов питания в USB 3.0 разъеме (DPWR и DGND). Новый тип разъема стал именоваться, как USB Powered B. В отступлении скажем, что первые китайские флешки под этот разъем были выполнены в корпусах без учета тепловых характеристик их контроллеров и, как результат, сильно грелись и выходили из строя.
Практическая реализация USB 3.0 порта позволила достигнуть скорости обмена данными на уровне 380Мбайт/cек. Для сравнения порт SATA II (подключение жестких дисков) способен передавать данные на скорости 250Мбайт/cек. Применение дополнительного питания позволило использовать на гнезде устройства с максимальным потреблением тока до 900mA. Так может подключиться либо одно устройство, либо до 6 гаджетов с потреблением по 150mA. При этом минимальное напряжение работы подключаемого устройства может снижаться до 4V. В следствие увеличения мощности разъема инженерам пришлось ограничить длину USB 3.0 кабеля до 3м., что является несомненным минусом данного порта. Ниже мы приводим стандартную спецификацию порта USB 3.0
| Режим | Скорость обмена | Максимальный ток | Амплитуда импульсов по шине Data+ и Data- |
| Высокоскоростной режим (Super speed) | 4,8 Gb/s (600 MB/s) | 900 mA | 4.00V – 5.25V |
| Значение тока в автономном режиме, mA | 150 mA | ||
| Работа на холостом ходу (без подключения устройств) | 2.5mA |
Распиновка USB 3.0 разъема выглядит следующим образом:
| № конт. | Назначение | Цвет провода |
| 1 | Vbus | Красный |
| 2 | D- | Белый |
| 3 | D+ | Зеленый |
| 4 | GND | Черный |
| 5 | StdA_SSTX- | Голубой |
| 6 | StdA_SSTX+ | Желтый |
| 7 | GND_DRAIN | Масса |
| 8 | StdA_SSRX- | Сиреневый |
| 9 | StdA_SSRX+ | Оранжевый |
| Shell | Экранирование | Экран |
| № конт. | Назначение | Цвет провода |
| 1 | Vbus | Красный |
| 2 | D- | Белый |
| 3 | D+ | Зеленый |
| 4 | GND | Черный |
| 5 | StdA_SSTX- | Сиреневый |
| 6 | StdA_SSTX+ | Желтый |
| 7 | GND_DRAIN | Масса |
| 8 | StdA_SSRX- | Сиреневый |
| 9 | StdA_SSRX+ | Оранжевый |
| 10 | DPWR | Красный |
| Shell | Экранирование | Экран |
| 11 | ЭGND_D | Масса питания |
| № конт. | Назначение | Цвет провода |
| 1 | Vbus | Красный |
| 2 | D- | Белый |
| 3 | D+ | Зеленый |
| 4 | ID | Не используется |
| 5 | GND | Черный |
| 6 | StdA_SSTX- | Голубой |
| 7 | StdA_SSTX+ | Желтый |
| 8 | GND_D | Масса питания |
| 9 | StdA_SSRX- | Сиреневый |
| 10 | StdA_SSRX+ | Оранжевый |
| Shell | Экранирование | Экран |
Полной программной поддержкой спецификации USB 3.0 обладает операционная система начиная с Windows 8, MacBook Air и MacBook Pro последних версий и Linux с версии ядра 2.6.31. За счет применения в разъеме USB 3.0 Powered-B двух дополнительных контактов питания, возможно подключение устройств с нагрузочной способностью до 1А.
