USB

USB (ראשי תיבות של Universal Serial Bus; בעברית: אפיק טורי אוניברסלי) הוא תקן לחיבור בין מחשבים להתקני ציוד היקפי. תקן ה-USB הציע חלופה של חיבור תקני אחד במחשבים אישיים עבור התקנים שונים, במקום ריבוי סוגי חיבורי המחשב שהיה קיים לפניו. 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. במחשבים האישיים באותה תקופה היו מספר חיבורים שונים – חיבורים מיוחדים עבור מקלדת ועכבר, יציאות טוריות ויציאות מקביליות. עם התפתחות הטכנולוגיה מגבלת מספר ההתקנים הניתנים לחיבור הפכה לבעיה קשה, כמו גם האיטיות של החיבורים.

מטרה
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.

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.

מהדורות

USB 1.X
תקן ה-USB פותח בשנת 1994 במשותף על ידי Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC ו-Nortel.

ב-1995 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 

 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 

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

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

סימון החיבורים

צבע חיבור

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

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.

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.

 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

 
 
 
 https://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb1.shtml 
  
 Andreas Ødegård, Hardware comparison: Lightning connector vs MicroUSB connector, Pocketables website, December 20, 2012

הערות שוליים 

אפיקי מחשב
ארצות הברית: המצאות
ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה