USB

USB
Universal Serial Bus
מחבר USB טיפוסי (USB A)
תאריך המצאה	1996
רוחב אפיק	סיבית אחת
מספר התקנים	127 עבור כל יציאה
מהירות אפיק	עד 20Gbps (בממשק USB 3.2)
סוג אפיק	טורי
חיבור ללא אתחול	כן
אפיק חיצוני	כן

כבל USB

USB (ראשי תיבות של Universal Serial Bus; בעברית: אפיק טורי אוניברסלי) הוא תקן לחיבור בין מחשבים להתקני ציוד היקפי. תקן ה-USB היווה חידוש חשוב בכך שהוא יצר חלופה של חיבור תקני אחד לטובת חיבור התקנים שונים למחשבים אישיים (אזניות, מדפסת, מקלדת, עכבר וכדומה), במקום ריבוי החיבורים שהתקיימו קודם לכן. כיום זהו התקן הפופולרי ביותר לחיבור חומרה למחשבים אישיים.

ה-USB הושק ב-1997, פרי פיתוח של שיתוף פעולה בין מספר חברות, בהן אינטל, IBM ומיקרוסופט. הגרסה הראשונה אפשרה העברת מידע במהירות של עד 12 מגהביט לשנייה. עם התפתחות הטכנולוגיה מיגבלת מספר ההתקנים הניתנים לחיבור הפכה לבעיה קשה, כמו גם האיטיות של החיבורים, מה שהביא לשיפורם ההדרגתי.

חיבורי USB

הסבר טכני

כבל USB מכיל ארבעה גידים: שניים מהם משמשים לצורך העברת נתונים ושניים מהם מספקים מתח חשמלי נמוך של 5 וולט. מתח חשמלי זה משמש לשם הפעלת התקנים בעלי צריכת חשמל נמוכה, כגון: מקלדת, עכבר, מצלמת אינטרנט ולטעינת מכשירים.

התקני USB יכולים לצרוך זרם עד לסך של 500 מיליאמפר מממשק ה-USB אליו הם מחוברים. אם סך הזרם הנצרך הוא פחות מ-50 מיליאמפר, ממשק ה-USB לא יופעל.

ממשק ה-USB נוצר כדי לספק יציאה תקנית מהירה ואמינה לחיבור מגוון רחב של התקנים. הצורך בממשק עלה בשל הבעייתיות של היציאות הטוריות והמקביליות הישנות (COM, LPT) אשר מוגבלות במספר ההתקנים שניתן לחבר אליהן, והן איטיות וקשות להתקנה. לעומת יציאות אלה, מאפשר ממשק ה-USB חיבור מספר רב של התקנים למחשב (עד 127), תוך ניהול משאבים שהוא אוטומטי. הממשק תומך בהעברת נתונים במהירות של עד 12 מגהביט לשנייה בגרסת 1.1 USB, עד 480 מגהביט לשנייה בגרסת USB 2.0, ועד 4.8 ג'יגהביט לשנייה בגרסת USB 3.0. כמו כן, הממשק מאפשר לחבר ולנתק התקנים ללא צורך באתחול המחשב.

מהדורות

USB 1.X

תקן ה-USB פותח בשנת 1994 במשותף על ידי Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC ו-Nortel.

ב-1995^{[דרוש מקור]} יצאו לשוק המחשבים הראשונים בהם שולבה יציאת USB. ב-1998 הוציאה חברת אפל את מחשב iMac בו שולבו יציאות אלו במקום היציאה הטורית ובכך ניתנה דחיפה לשימוש ופיתוח התקנים לחיבור ה-USB.

ממשק זה איפשר העברת מידע במהירות של עד 1.5 מגהביט לשנייה (ברוחב סרט נמוך / מהירות נמוכה) ועד 12 מגהביט לשנייה (במהירות מלאה). מהירות ההעברה גורמת לגרסה זו של הממשק להיות איטית מדי עבור יישומים מסוימים הדורשים מהירות העברה גבוהה.

גודל כרטיסי זיכרון בהתקן זה, מוגבל עד 2 ג'יגה-בייט.

USB 2.0

גרסה זו יצאה לשוק באפריל 2000 והביאה שיפור משמעותי יחסית לגרסה USB 1.1 הישנה יותר. שינוי זה התבטא בעיקר במהירות העברת נתונים של עד 480 מגהביט לשנייה (פי 40 מהגרסה הקודמת). בנוסף לכך, גרסה זו תומכת לאחור בכל ההתקנים העובדים בממשק USB 1.1 ומשתמשת באותם מחברים, מתאמים וכבלים. תקן USB 2.0 אף מתחרה בתקן FireWire הנפוץ במחשבי מקינטוש שמגיע לקצב של עד 800 מגהביט, אם כי חלק מהמחשבים הנמכרים כיום תומכים בשני התקנים.

USB 3.X

גרסת USB 3.0, אשר הוכרזה ב-12 בנובמבר 2008, מאפשרת העברת קבצים במהירות של עד 5 ג'יגהביט לשנייה (בערך פי עשרה מתקן USB 2.0), ארגון התקינה USB-IF הודיע ב-CES 2013 כי מהירות תקן ה-SuperSpeed USB 3.0 יוכפל ב-2014 (לכשיגיע תקן USB 3.1) ויגיע עד 10 ג’יגהביט לשנייה (10Gbp/s), מהירות הזהה לזו של תקן ה-Thunderbolt של אינטל.

בנוסף לשיפור במהירות העברת המידע, כוללת גרסה 3.0 גם צריכת חשמל מופחתת ביחס לגרסאות הקודמות (USB 1.1, USB 2.0) וסינכרוניזציה משופרת בהעברת המידע מההתקן למחשב, שיפור הסינכרוניזציה בא לידי ביטוי בצפייה בסרטוני וידאו ושמיעת מוזיקה ישירות מהתקן האחסון המחובר למחשב במהירות רבה ומשופרת יותר להבדיל מהתקן הקודם USB 2. לוחות אם ומחשבים המכילים תקן זה החלו להופיע בשוק בסוף 2009 ובתחילת 2010, ישנה הצלחה רבה לתקן USB 3.0, עם כמעט 500 מיליון מוצרי SuperSpeed USB בשוק בשנת 2013.

גרסת USB 3.1, אשר הוכרזה ביולי 2013, יצאה במיתוג חדש של התקן, כאשר USB 3.0 במהירות של עד 5 ג'יגהביט לשנייה נהפך ל-USB 3.1 דור 1 (או ידוע יותר בשם USB 3.1 SuperSpeed) וה-USB 3.0 במהירות של עד 10 ג'יגהביט לשנייה נהפך ל-USB 3.1 דור 2 (או ידוע יותר בשם +USB 3.1 SuperSpeed). כאשר יצא תקן USB 3.2, תקן USB 3.1 דור 2 קיבל גם את השם USB 3.2 Gen 2x1 (המציין שזהו דור 2 ובשימוש של אפיק מידע יחיד).

גרסת USB 3.2, אשר הוכרזה בספטמבר 2017, הכפילה את המהירות המקסימלית על ידי שימוש באפיק מידע כפול (בשונה מהתקן USB 3.1 שמשתמש באפיק מידע יחיד) ושוב יצאה במיתוג חדש של התקן, USB 3.2 Gen 1x2 שעשה שימוש בקצב ההעברה של USB 3.1 דור 1 (5 ג'יגהביט לשנייה), אך בגלל השימוש באפיק מידע כפול, קצב ההעברה הכולל היה 10 ג'יגהביט לשנייה ולכן הוא ידוע יותר בשם (USB 3.2 SuperSpeed+ (10 Gbps.

USB 3.2 Gen 2x2 עשה שימוש בקצב ההעברה של USB 3.1 דור 2 (10 ג'יגהביט לשנייה), אך בגלל השימוש באפיק מידע כפול, קצב ההעברה הכולל היה 20 ג'יגהביט לשנייה ולכן הוא ידוע יותר בשם (USB 3.2 SuperSpeed+ (20 Gbps.

USB 4

במאי 2020 הוכרז על תקן USB 4, אשר צפוי לתמוך קצב נתונים של עד 40 גב"ש, בשילוב של מספר פרוטוקולים לנתונים ותצוגה בו זמנית, תמיכה לאחור ב-USB 2.0, USB 3.2 ו-Thunderbolt 3. במצב של תצוגה בלבד, התקן מאפשר חיבור התקני תצוגה באיכות של עד 16K, או קצב נתונים חד כיווני של 80 גב"ש.

סוגי חיבורים פיזיים

A, B, מיני, מיקרו

השוואה חזותית בין מחברי USB שונים

• USB A - יציאת ה-USB הנפוצה ביותר (מלבנית).
• USB B - צורה מעט פחות נפוצה של אותו התקן (ריבוע ששתיים מפינותיו מעוגלות).
• Mini USB - גרסה קטנה יותר של חיבורי A ו-B, נפוצה במכשירים קטנים יותר.
• Micro USB - הגרסה הקטנה ביותר של חיבורי A ו-B, הוכרזה בשנת 2009 כתקן הבינלאומי לטעינת מכשירים סלולרים החל בשנת 2012. יצאה גרסה מיוחדת ל-Micro-B שבעצם הכפילה את כמות המחברים והיא שימשה כמחבר SuperSpeed לתקן USB 3.x לפני שיצא המחבר החדש, Type-C.

C

ערך מורחב – USB-C

מחבר USB מסוג Type-C

בסוף 2013 הכריזה קבוצת USB 3.0 Promoter על פיתוח מחבר ה-USB הבא. המחבר החדש, Type-C, מתבסס על הטכנולוגיות של USB 3.1 ושל USB 2.0 ונועד לענות על הדרישה למחבר מתקדם יותר מבחינת גודל, שימושיות ומהירות.

המחבר מאופיין במספר תכונות:

1. עיצוב חדש לגמרי עם התאמה לטלפונים וטאבלטים
2. גודל קטן יותר מהמחברים שהיו קיימים לפניו
3. המחבר יכול להתחבר בכל כיוון, בניגוד למצב במחברים שלפניו בהם ניתן היה לחבר רק בכיוון אחד
4. תאימות לתקן טעינה 1.2 ותקן Power Delivery 2.0.
5. תאימות מסוימת לשדרוגים עתידיים

המחבר נבנה עם אפשרות להתממשקות מול מתאמים מיוחדים וזאת על מנת לשמור על תאימות למחברי ה-USB הקודמים.

ב-2014 הכריזה חברת אינטל כי היא תציג טלפונים וטאבלטים חדשים עם תאימות למחבר החדש ובהמשך גם מחשבים נייחים וכל מוצר אחר אשר עושה שימוש ב-USB יכיל את המחבר החדש.

המפרט הסופי של מחבר ה-Type-C נקבע ב-2014 והחל להיות מופץ ב-2015.

(USB On the Go (OTG

USB OTG הוא התקן ל-USB 2.0 המאפשר להתקנים שונים שבדרך כלל פועלים כ"Slave" (כשמחוברים למחשב) לפעול כ"Master" אל מול התקן "Slave" אחר. באמצעות תקן USB OTG ניתן לדוגמה לחבר מקלדת רגילה או החסן נייד (דיסק און קי) למחשב כף יד או לטלפון חכם.

Wireless USB

ערך מורחב – Wireless USB

התקן המשחרר לחלוטין את הצורך בכבלים מסוג כלשהו על ידי יציאה משולבת מתאם המקיים קשר רדיו אלחוטי.

סימון החיבורים

• 
  USB 5Gbps
• 
  USB 10Gbps
• 
  USB 20Gbps
• 
  USB4 20Gbps
• 
  USB4 40Gbps

צבע חיבור

USB3 בחיבור כחול, ו-USB2 בחיבור שחור

בנוסף על סוגי החיבורים הפיזיים, קיים שוני בצבע החיבור, המצביע על קצבי העברת נתונים, והקצאות חשמל שונות. שחור ולבן - רגיל, כחול - SuperSpeed (לרוב USB3), תכלת - SuperSpeed+, ירוק - Qualcomm Quick Charge, סגול - Huawei Supercharge, אדום, כתום וצהוב - High-Current או Sleep-and-Charge.

הספק חשמלי

USB סטנדרטים להספקת חשמלית

סטנדרט	זרם	מתח	הספק מקסימלי
Low-power device	100 mA	5 V	0.50 W
Low-power SuperSpeed (USB 3.0) device	150 mA	5 V	0.75 W
High-power device	500 mA	5 V	2.5 W
High-power SuperSpeed (USB 3.0) device	900 mA	5 V	4.5 W
Multi-lane SuperSpeed (USB 3.2 Gen 2) device	1.5 A	5 V	7.5 W
Battery Charging (BC) 1.1	1.5 A	5 V	7.5 W
Battery Charging (BC) 1.2	5 A	5 V	25 W
USB-C	1.5 A	5 V	7.5 W
	3 A	5 V	15 W
Power Delivery 1.0 Micro-USB	3 A	20 V	60 W
Power Delivery 1.0 Type-A/B	5 A	20 V	100 W
Power Delivery 2.0/3.0 Type-C	5 A	20 V	100 W
^ Jump up to:a b The VBUS supply from a low-powered hub port may drop to 4.40 V. ^ Up to five unit loads; with non-SuperSpeed devices, one unit load is 100 mA. ^ Up to six unit loads; with SuperSpeed devices, one unit load is 150 mA. ^ Up to six unit loads; with multi-lane devices, one unit load is 250 mA. ^ Requires active PD 5 A cable.

פרוטוקולים של USB

שלא כמו RS-232 וממשקים טוריים דומים שבהם פורמט הנתונים הנשלחים אינו מוגדר, USB מורכב מכמה שכבות של פרוטוקולים.

כל עסקת USB מורכבת מ:

• חבילת אסימון - Tocken Packet (כותרת המגדירה את מה שהיא מצפה לעקוב אחריה)
• חבילת נתונים אופציונלית - Optional Data Packet, (המכילה את המטען) ו
• חבילת סטטוס - Status Packet (משמשת לאשר עסקאות ולספק אמצעי לתיקון שגיאות)

USB הוא אפיק ממוקד מארח. המארח יוזם את כל העסקאות. החבילה הראשונה, הנקראת גם אסימון, נוצרת על ידי המארח כדי לתאר מה יש לעקוב והאם עסקת הנתונים תהיה קריאה או כתיבה ומהי כתובת המכשיר ונקודת הקצה המיועדת. החבילה הבאה היא בדרך כלל חבילת נתונים הנושאת את המטען ואחריה חבילת לחיצת יד, המדווחת אם הנתונים או האסימון התקבלו בהצלחה, או אם נקודת הקצה נתקעה או לא זמינה לקבל נתונים.

חבילות USB נפוצות

נתונים על ה-USBus מועברים תחילה LSBit. מנות USB מורכבות מהשדות הבאים,

• סנכרון - Sync

כל החבילות חייבות להתחיל בשדה סנכרון. שדה הסנכרון הוא באורך 8 סיביות במהירות נמוכה ומלאה או באורך 32 סיביות עבור מהירות גבוהה ומשמש לסנכרון השעון של המקלט עם זה של המשדר. שתי הסיביות האחרונות מציינות היכן מתחילים שדות ה-PID.

• PID

PID מייצג מזהה מנות. שדה זה משמש לזיהוי סוג החבילה הנשלחת. הטבלה הבאה מציגה את הערכים האפשריים.

Group	PID Value	Packet Identifier
Token	0001	OUT Token
	1001	IN Token
	0101	SOF Token
	1101	SETUP Token
Data	0011	DATA0
	1011	DATA1
	0111	DATA2
	1111	MDATA
Handshake	0010	ACK Handshake
	1010	NAK Handshake
	1110	STALL Handshake
	0110	NYET (No Response Yet)
Special	1100	PREamble
	1100	ERR
	1000	Split
	0100	Ping

ישנם 4 סיביות ל-PID, אולם כדי להבטיח שהוא מתקבל כהלכה, 4 הסיביות מושלמות וחוזרות על עצמן, מה שהופך PID של 8 סיביות בסך הכל. הפורמט המתקבל מוצג להלן.

nPID3	nPID2	nPID1	nPID0	PID3	PID2	PID1	PID0

• ADDR

שדה הכתובת מציין לאיזה מכשיר מיועדת החבילה. אורך 7 ביטים מאפשר תמיכה ב-127 מכשירים. כתובת 0 אינה חוקית, שכן כל מכשיר שעדיין לא הוקצתה לו כתובת חייב להגיב למנות שנשלחות לכתובת אפס.

• ENDP

שדה נקודת הקצה מורכב מ-4 ביטים, המאפשרים 16 נקודות קצה אפשריות. עם זאת, להתקנים במהירות נמוכה יכולים להיות רק 2 נקודות קצה נוספות על גבי צינור ברירת המחדל. (4 נקודות קצה מקסימום)

• CRC

בדיקות יתירות מחזוריות מבוצעות על הנתונים בתוך מטען החבילות. לכל מנות האסימון יש CRC של 5 סיביות בעוד לחבילות הנתונים יש CRC של 16 סיביות.

• EOP

סוף חבילה. מאותת על ידי אפס בודד (SE0) למשך כ-2 פעמים סיביות ואחריו J למשך זמן של סיביות אחת.

סוגי חבילות USB

ל-USB יש ארבעה סוגי חבילות שונים. חבילות אסימונים מציינות את סוג העסקה שיש לעקוב אחריה, מנות נתונים מכילות את המטען, מנות לחיצת יד משמשות לאישור נתונים או דיווח על שגיאות ומנות התחלה של מסגרת מציינות את תחילתה של מסגרת חדשה.

ראו גם

• מונחים בחומרה
• Wireless USB
• דיסק און קי

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא USB בוויקישיתוף

• אתר האינטרנט הרשמי של USB
• איתן לשם, אג'יי בְהאט, ממציא ה-USB, מסביר למה אתם מכניסים אותו הפוך, באתר הארץ, 26 ביוני 2019
• USB, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• https://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml
• Explaining USB: From 1.0 to USB4 V2.0, סרטון באתר יוטיוב (אורך: 14:45) (באנגלית)

• Andreas Ødegård, Hardware comparison: Lightning connector vs MicroUSB connector, Pocketables website, December 20, 2012