USB

USB (Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối và truyền dữ liệu số tuần tự, tốc độ cao, đa năng, đa môi trường, được sử dụng rộng rãi trong dân dụng, công nghiệp và môi trường cố định cũng như di động như: cổng sạc, màn hình trên ô tô, camera hành trình. Với khả năng sử dụng đa môi trường, USB hiện là chuẩn kết nối phổ biến nhất hiện nay với khoảng 2 tỷ cổng sản xuất/năm.

USB có tính năng nổi bật là cắm nóng và cung cấp năng lượng cho các thiết bị ngoại vi. Ban đầu, USB được thiết kế để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính và được biết đến với chuẩn cắm và chạy, cho phép cắm nóng thiết bị mà không cần khởi động lại hệ thống. Tiêu chuẩn USB được phát hành từ năm 1996 và hiện được duy trì bởi tổ chức USB-IF. Hiện có bốn thế hệ USB đã được phát triển, bao gồm: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x và USB4

Tổng quan

USB ban đầu được phát triển để chuẩn hóa kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính để giao tiếp và cung cấp điện. Nó đã thay thế phần lớn các giao diện như cổng nối tiếp và song song. USB đã trở nên rất phổ biến trên đa dạng các thiết bị. Ví dụ như bàn phím, chuột, máy quay phim, máy in, đầu đĩa DVD, trình phát đa phương tiện di động, ổ đĩa và bộ điều hợp mạng... Hiện nay, các cổng kết nối USB đang dần thay thế các loại cáp sạc khác của các thiết bị di động.

Nhận dạng các cổng USB

Phần này nhằm mục đích giúp nhận diện nhanh các cổng USB trên thiết bị.

Ưu điểm của USB

USB được phát triển để đơn giản hóa và cải thiện giao diện giữa máy tính cá nhân và thiết bị ngoại vi, so với các giao diện độc quyền tiêu chuẩn hoặc đặc biệt hiện có trước đây.

Từ quan điểm người dùng máy tính, giao diện USB cải thiện tính dễ sử dụng theo một số cách:

• Giao diện USB có thể tự cấu hình, giúp người dùng không cần phải điều chỉnh cài đặt thiết bị về tốc độ, định dạng dữ liệu, hoặc cấu hình ngắt, địa chỉ đầu vào/ra hoặc kênh truy cập bộ nhớ trực tiếp.
• Đầu nối USB được tiêu chuẩn hóa tại máy chủ, cho phép hầu hết các thiết bị ngoại vi sử dụng các ổ cắm có sẵn.
• USB tận dụng sức mạnh xử lý bổ sung có thể tích hợp vào thiết bị ngoại vi để tự quản lý, giảm thiểu cài đặt giao diện người dùng điều chỉnh.
• Giao diện USB có khả năng rút nóng, cho phép trao đổi thiết bị mà không cần khởi động lại máy tính.
• Thiết bị nhỏ có thể cấp nguồn trực tiếp từ giao diện USB, loại bỏ sự cần thiết của cáp cấp nguồn bổ sung.
• Người dùng có thể tin tưởng vào tính tương thích của thiết bị USB sau khi kiểm tra tuân thủ, giảm thiểu tương tác với các cài đặt và cấu hình.
• Giao diện USB xác định các giao thức phục hồi từ lỗi phổ biến, cải thiện độ tin cậy so với các giao diện trước đó.
• Cài đặt thiết bị dựa trên tiêu chuẩn USB yêu cầu ít thao tác từ người vận hành. Khi người dùng cắm thiết bị vào cổng trên máy tính đang chạy, thiết bị sẽ tự động định cấu hình bằng cách sử dụng trình điều khiển hiện có hoặc hệ thống nhắc người dùng tìm trình điều khiển, sau đó tự động cài đặt và cấu hình.
• Tiêu chuẩn USB cung cấp nhiều lợi ích cho các nhà sản xuất phần cứng và nhà phát triển phần mềm, đặc biệt là ở sự dễ thực hiện tương đối:
• Tiêu chuẩn USB loại bỏ yêu cầu phát triển các giao diện độc quyền cho các thiết bị ngoại vi mới.
• Các tốc độ truyền thông khác nhau từ giao diện USB phù hợp với nhiều loại thiết bị, từ bàn phím và chuột đến giao diện video trực tuyến.
• Giao diện USB có thể được thiết kế để cung cấp độ trễ tối ưu cho các chức năng quan trọng về thời gian hoặc để thực hiện chuyển dữ liệu hàng loạt mà không ảnh hưởng đáng kể đến tài nguyên hệ thống.
• Giao diện USB được tổng thể hóa mà không có đường tín hiệu chỉ dành riêng cho một chức năng của thiết bị.

Tiêu chuẩn USB cũng mang lại nhiều lợi ích cho các nhà sản xuất phần cứng và nhà phát triển phần mềm, đặc biệt là sự dễ dàng trong thực hiện:

• Tiêu chuẩn USB giảm bớt yêu cầu phát triển các giao diện độc quyền cho các thiết bị ngoại vi mới.
• Nhiều tốc độ truyền thông từ giao diện USB phù hợp với nhiều loại thiết bị, từ bàn phím và chuột cho đến giao diện video trực tuyến.
• Giao diện USB có thể được thiết kế để cung cấp độ trễ tối ưu cho các chức năng quan trọng về thời gian hoặc để thực hiện chuyển dữ liệu hàng loạt mà không ảnh hưởng đáng kể đến tài nguyên hệ thống.
• Giao diện USB được tổng thể hóa mà không có đường tín hiệu chỉ dành riêng cho một chức năng của thiết bị.

Hạn chế của USB

Tương tự như các tiêu chuẩn khác, USB cũng có những hạn chế riêng đối với thiết kế của nó:

• Cáp USB có chiều dài hạn chế khoảng 5 mét, sử dụng hub có thể nối dài đến 30 mét. Tiêu chuẩn này thích hợp cho các thiết bị ngoại vi trong cùng một không gian hẹp, chứ không phải giữa các phòng hoặc tòa nhà. Tuy nhiên, có thể kết nối một cổng USB với cổng thiết bị ở xa.
• USB có cấu trúc mạng cây nghiêm ngặt và giao thức chủ/tớ để định địa chỉ các thiết bị ngoại vi; các thiết bị này không thể tương tác trực tiếp với nhau ngoại trừ thông qua máy chủ lưu trữ và không thể giao tiếp trực tiếp qua cổng USB của chúng. USB On-The-Go, thiết bị Dual-Role và các bức tường giao thức có thể mở rộng giới hạn này.
• Máy chủ lưu trữ không thể phát tín hiệu đến tất cả các thiết bị ngoại vi cùng một lúc — mỗi thiết bị phải có địa chỉ riêng. Một số thiết bị ngoại vi yêu cầu tốc độ rất cao và đòi hỏi sự ổn định không có trong tiêu chuẩn USB.
• Mặc dù tồn tại bộ chuyển đổi giữa một số giao diện cũ và USB, chúng có thể không cung cấp triển khai đầy đủ của phần cứng kế thừa. Ví dụ: bộ chuyển đổi USB sang cổng song song có thể hoạt động tốt với máy in, nhưng không hoạt động tốt với máy quét yêu cầu sử dụng chân dữ liệu hai chiều.

Đối với các nhà phát triển sản phẩm, việc sử dụng USB đòi hỏi thực hiện một giao thức phức tạp và yêu cầu một bộ điều khiển 'thông minh' trong thiết bị ngoại vi. Các nhà phát triển thiết bị USB dự định bán ra thường phải có USB ID. Điều này yêu cầu họ trả phí cho USB-IF. Các nhà phát triển sản phẩm sử dụng các thông số kỹ thuật USB phải ký thỏa thuận với USB-IF. Sử dụng biểu trưng USB trên sản phẩm đòi hỏi phí hàng năm và phải là thành viên của tổ chức này.

Lịch sử phát triển của USB

Bảy công ty bao gồm: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC và Nortel bắt đầu phát triển USB vào năm 1994. Mục đích là làm cho việc kết nối thiết bị bên ngoài với PC trở nên đơn giản hơn bằng cách thay thế nhiều đầu nối phức tạp trước đây. Ajay Bhatt và đội ngũ đã làm việc trên tiêu chuẩn tại Intel; những mạch tích hợp đầu tiên hỗ trợ USB được sản xuất bởi Intel vào năm 1995.

Thông số kỹ thuật ban đầu của USB 1.0, được giới thiệu vào tháng 1 năm 1996, quy định tốc độ truyền dữ liệu là 1,5 Mbit/s (thấp) và 12 Mbit/s (đầy đủ). Thiết kế ban đầu yêu cầu một bus tốc độ 5 Mbit/s, nhưng tốc độ thấp đã được bổ sung để hỗ trợ các thiết bị ngoại vi giá rẻ với cáp không có lớp bảo vệ. Thiết kế cuối cùng đã tách biệt tốc độ dữ liệu 12 Mbit/s cho các thiết bị tốc độ cao hơn như máy in và ổ đĩa mềm, và 1,5 Mbit/s cho các thiết bị như bàn phím, chuột và joystick. Windows 95, OSR 2.1 cung cấp hỗ trợ OEM cho USB vào tháng 8 năm 1997. USB 1.1, được phát hành vào tháng 9 năm 1998, là phiên bản đầu tiên được sử dụng rộng rãi.

Đặc điểm kỹ thuật USB 2.0, ra mắt vào tháng 4 năm 2000 và được USB-IF phê chuẩn vào cuối năm 2001, đã cải tiến tốc độ truyền dữ liệu lên đến 480 Mbit/s, nhanh gấp 40 lần so với USB 1.1 ban đầu, nhờ vào sự hợp tác của Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (hiện Nokia), NEC và Philips.

Thông số kỹ thuật của USB 3.0 được xuất bản vào ngày 12 tháng 11 năm 2008. Mục tiêu chính là tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 5 Gbit/s, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng công suất đầu ra, đồng thời tương thích ngược với USB 2.0. USB 3.0 bao gồm một bus tốc độ cao hơn gọi là SuperSpeed, song song với USB 2.0. Do đó, phiên bản mới này còn được biết đến là SuperSpeed. Thiết bị đầu tiên hỗ trợ USB 3.0 được giới thiệu vào tháng 1 năm 2010.

Đến năm 2008, khoảng 6 tỷ cổng và giao diện USB đã xuất hiện trên thị trường toàn cầu, với khoảng 2 tỷ cổng được bán mỗi năm.

USB 3.1 ra mắt vào tháng 7 năm 2013 với các thông số kỹ thuật mới.

Vào tháng 12 năm 2014, USB-IF giới thiệu USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 và USB-C cho IEC (TC 100 - Hệ thống và thiết bị âm thanh, video và đa phương tiện) để đưa vào tiêu chuẩn quốc tế IEC 62680 (Giao diện Bus nối tiếp đa năng cho dữ liệu và nguồn), hiện đang dựa trên USB 2.0.

USB 3.2 được ra mắt vào tháng 9 năm 2017 với các cải tiến vượt trội.

USB 1.x

USB 1.0 được phát hành vào tháng 1 năm 1996 với tốc độ 1,5 Mbps (Băng thông thấp) và 12 Mbps (đầy đủ). Nó không cho phép cáp mở rộng hoặc màn hình xuyên qua, do giới hạn về thời gian và điện áp. Rất ít thiết bị USB xuất hiện trên thị trường cho đến khi USB 1.1 được phát hành vào tháng 8 năm 1998. USB 1.1 là bản sửa đổi đầu tiên được sử dụng rộng rãi và gây nên một cuộc cách mạng trong ngành công nghệ.

Cả USB 1.0 và 1.1 đều không thiết kế cho bất kỳ đầu nối nào nhỏ hơn tiêu chuẩn loại A hoặc loại B. Mặc dù có nhiều thiết kế cho đầu nối loại B thu nhỏ xuất hiện trên các thiết bị ngoại vi, nhưng việc tuân thủ tiêu chuẩn USB 1.x bị cản trở bởi việc xử lý các thiết bị ngoại vi có đầu nối thu nhỏ như thể chúng kết nối trực tiếp bằng dây (nghĩa là không có phích cắm hoặc ổ cắm ở đầu ngoại vi). Không có đầu nối loại A thu nhỏ được biết đến cho đến khi USB 2.0 (phiên bản 1.01) ra mắt.

USB 2.0

USB phiên bản 2.0 được ra mắt vào tháng 4 năm 2000 (cùng với Windows 2000 đã ra mắt và sẵn sàng tương thích với USB 2.0 từ đầu) và được xem là bản cải tiến so với USB 1.1. USB 2.0 (tốc độ cao) mở rộng băng thông cho các ứng dụng đa truyền thông và truyền tải với tốc độ nhanh hơn gấp đôi so với USB 1.1. Để chuyển đổi sang các thiết bị mới hơn, USB 2.0 hỗ trợ tương thích đầy đủ với các thiết bị USB trước đó và cũng hoạt động tốt với cáp và đầu cắm của các cổng USB trước đó. Nó hỗ trợ ba chế độ tốc độ (1,5 Mbps, 12 Mbps và 480 Mbps); USB 2.0 hỗ trợ các thiết bị yêu cầu băng thông thấp như bàn phím và chuột cũng như các thiết bị yêu cầu băng thông cao như webcam, máy quét, máy in, máy quay và các hệ thống lưu trữ lớn. Sự phát triển của chuẩn USB 2.0 đã cho phép các nhà phát triển phần cứng phát triển các thiết bị giao tiếp nhanh hơn, thay thế các chuẩn giao tiếp song song và tuần tự cổ điển trong công nghệ máy tính. USB 2.0 và các phiên bản kế tiếp trong tương lai sẽ giúp máy tính có thể làm việc đồng thời với nhiều thiết bị ngoại vi hơn.

Hiện nay, nhiều máy tính cùng tồn tại đồng thời hai chuẩn USB 2.0 và 3.0, người sử dụng nên nhận diện rõ các cổng 2.0 để sử dụng hiệu quả. Thông thường, hệ điều hành Windows Vista có thể cảnh báo nếu một thiết bị USB 1.1 được kết nối vào cổng USB 2.0.

USB 3.x

Thông số kỹ thuật USB 3.0 được công bố vào ngày 12 tháng 11 năm 2008, với quản lý chuyển từ Nhóm quảng bá USB 3.0 sang USB-IF và được công bố tại Hội nghị USB SuperSpeed vào ngày 17 tháng 11 năm 2008.

USB 3.0 bổ sung chế độ truyền SuperSpeed, với các phích cắm, ổ cắm và cáp tương thích ngược đi kèm. Các ổ cắm và đầu nối SuperSpeed được nhận diện bằng biểu tượng và các miếng chèn màu xanh lam trong định dạng tiêu chuẩn.

Chế độ SuperSpeed cung cấp tốc độ truyền lý thuyết lên tới 5,0 Gbps, vượt qua ba chế độ truyền hiện có. Tốc độ truyền này phụ thuộc vào các yếu tố như mã hóa ký hiệu vật lý và chi phí cấp liên kết. Với mã hóa 8b/10b, mỗi byte cần 10 bit để truyền, vì vậy thông lượng thô là 500 MB/s. Tuy nhiên, với việc điều khiển luồng, đóng gói gói tin và chi phí giao thức, tốc độ truyền có thể giảm xuống còn khoảng 400 MB/s (3,2 Gbps) khi áp dụng vào các ứng dụng thực tế. Giao tiếp trong chế độ SuperSpeed là song công; trong khi các chế độ trước đó là bán song công, do đó tăng tính hiệu quả của hệ thống.

Các thiết bị sử dụng SuperSpeed có thể tận dụng lợi thế của dòng điện tăng từ 150 mA lên đến 900 mA, trong khi các thiết bị công suất thấp và công suất cao vẫn có thể hoạt động với tiêu chuẩn này.

USB 3.0 cũng giới thiệu giao thức UASP, cải thiện tốc độ truyền so với giao thức BOT (Bulk-Only-Transfer).

USB 3.1, ra mắt vào tháng 7 năm 2013, có hai phiên bản. Phiên bản đầu tiên giữ nguyên chế độ truyền SuperSpeed của USB 3.0 và được gọi là USB 3.1 Gen 1, trong khi phiên bản thứ hai giới thiệu chế độ truyền SuperSpeed+ mới dưới nhãn USB 3.1 Gen 2. SuperSpeed+ tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10 Gbps và giảm chi phí mã hóa chỉ xuống còn 3% bằng cách sử dụng sơ đồ mã hóa 128b/132b.

USB 3.2, ra mắt vào tháng 9 năm 2017, giữ nguyên các chế độ dữ liệu USB 3.1 SuperSpeed và SuperSpeed+ hiện có, nhưng giới thiệu hai chế độ truyền SuperSpeed+ mới qua cổng USB-C với tốc độ dữ liệu lần lượt là 10 và 20 Gbps (tương đương 1,25 và 2,5 GB/s). Sự tăng băng thông là kết quả của việc sử dụng nhiều làn dây hiện có để đạt được khả năng lật đật của cổng USB-C.

Bắt đầu với tiêu chuẩn USB 3.2, USB-IF đã giới thiệu một sơ đồ đặt tên mới. Để hỗ trợ các công ty xây dựng thương hiệu cho các chế độ truyền khác nhau, USB-IF đã đề xuất các nhãn thương hiệu như SuperSpeed USB 5Gbit/s, SuperSpeed USB 10Gbit/s và SuperSpeed USB 20Gbit/s cho các chế độ truyền tốc độ 5, 10 và 20 Gbit/s tương ứng.

USB4

Thông số kỹ thuật của USB4 được USB-IF công bố vào ngày 29 tháng 8 năm 2019.

USB4 dựa trên các đặc tính kỹ thuật của giao thức Thunderbolt 3. Nó hỗ trợ băng thông 40 Gbit/s, tương thích với Thunderbolt 3 và tương thích ngược với USB 3.2 và USB 2.0. Kiến trúc xác định một phương pháp để chia sẻ một liên kết tốc độ cao động với nhiều loại thiết bị đầu cuối để phục vụ tốt nhất cho việc truyền dữ liệu theo loại và ứng dụng.

Các đặc tính kỹ thuật sau đây sẽ cho thấy rằng USB4 sẽ hỗ trợ các công nghệ sau:

Trong triển lãm CES 2020, USB-IF và Intel đã tuyên bố ý định cho phép các sản phẩm USB4 hỗ trợ tất cả các chức năng tùy chọn như các sản phẩm Thunderbolt 4. Các sản phẩm đầu tiên tương thích với USB4 dự kiến sẽ là dòng Tiger Lake của Intel và dòng CPU Zen 3 của AMD ra mắt vào cuối năm 2020.

Lịch sử các phiên bản

Những đặc trưng của USB

USB có những tính năng sau đây:

• Một cổng USB cho phép kết nối đến 127 thiết bị với máy tính.
• Chiều dài tối đa của cáp USB riêng lẻ là 5 mét, với hub có thể lên tới 30 mét (6 sợi cáp nối tiếp).
• Với chuẩn USB 2.0, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 480 Mbps.
• Cáp USB bao gồm hai sợi nguồn (+5V và GND chung) và một cặp dây dữ liệu.
• Máy tính có thể cấp tối đa 500mA ở 5V DC qua sợi nguồn.
• Thiết bị tiêu thụ ít năng lượng như chuột, bàn phím, loa máy tính có thể sử dụng nguồn từ cổng USB.
• USB hỗ trợ cắm nóng, cho phép kết nối hoặc ngắt kết nối mà không cần khởi động lại hệ thống.
• Nhiều thiết bị USB có thể tạm ngừng hoạt động khi máy tính vào chế độ tiết kiệm điện.

Kết nối USB với máy tính

Khi máy tính được khởi động, nó liệt kê tất cả thiết bị kết nối và gán địa chỉ cho mỗi thiết bị. Quá trình này gọi là khởi tạo - máy tính tìm hiểu cách truyền dữ liệu của từng thiết bị để hoạt động:

• Ngắt - Chuột hoặc bàn phím gửi ít dữ liệu và sử dụng chế độ ngắt.
• Hàng loạt - Máy in nhận dữ liệu lớn và sử dụng chế độ truyền hàng loạt.
• Đồng thời - Thiết bị như loa truyền dữ liệu thời gian thực, không có sửa lỗi dữ liệu.

Máy tính có thể gửi lệnh và truy vấn tham số để điều khiển gói tin.
Khi liệt kê các thiết bị, máy tính giám sát tổng băng thông mà tất cả các thiết bị đồng thời và yêu cầu ngắt sử dụng. Chúng có thể tiêu thụ đến 90% băng thông 480 Mbps có sẵn.
Sau khi 90% băng thông được sử dụng, máy tính từ chối truy cập của các thiết bị đồng thời và yêu cầu ngắt khác. Điều khiển gói tin và truyền tải hàng loạt sử dụng phần băng thông còn lại (ít nhất 10%).
USB phân chia băng thông thành các khung và máy tính điều khiển các khung này. Mỗi khung có dung lượng 1.500 byte và bắt đầu mỗi mili giây. Các thiết bị đồng thời và yêu cầu ngắt sử dụng khung để đảm bảo băng thông cần thiết. Truyền tải hàng loạt và điều khiển truyền tải sử dụng phần còn lại.

Hub USB

Hiện nay, hầu hết các máy tính đều có từ hai đến nhiều hơn (ví dụ 8 đến 10) cổng USB tích hợp trên các cổng vào/ra hoặc trên bo mạch chủ. Tuy nhiên, người dùng có thể mở rộng số lượng thiết bị ngoại vi sử dụng hub USB qua các cổng USB có sẵn.

Các hub này có thể mở rộng số lượng cổng và khi được cấp nguồn từ bên ngoài (qua adapter), cho phép thiết bị USB sử dụng nguồn từ hub mà không bị giới hạn bởi công suất trên cổng USB của máy tính.

Hiện nay, các USB hub có nhiều loại và chuẩn hỗ trợ khác nhau, số cổng mở rộng đa dạng, và thiết kế tích hợp phong phú. Nhiều thiết bị ngoại vi đã tích hợp sẵn hub USB giúp người dùng dễ dàng kết nối các thiết bị qua cổng USB, màn hình, bàn phím...

Lưu ý: Một số thiết bị ngoại vi sử dụng cổng USB để cấp nguồn (như ổ đĩa cứng gắn ngoài không có nguồn riêng), yêu cầu cắm đồng thời hai cổng USB. Nếu không sử dụng hub USB có nguồn bên ngoài, việc cắm thêm một cổng USB chỉ để lấy điện là vô ích và có thể gây hư hỏng bo mạch chủ do quá tải.

Các thiết bị và phương thức giao tiếp hỗ trợ USB

• Chuột
• Bàn phím
• Máy in
• Máy quét
• Xbox One
• Camera hành trình
• Màn hình
• Modem thay thế cổng RJ-45 thông thường trong các modem ADSL hiện nay.
• Loa: Có loại chỉ lấy nguồn từ cổng USB và loa công suất cao có nguồn điện riêng.
• Điện thoại VoIP
• Kết nối với điện thoại di động, Smartphone, Thiết bị hỗ trợ cá nhân...
• Kết nối với các thiết bị lưu trữ mở rộng như ổ Zip, ổ cứng gắn ngoài, ổ quang gắn ngoài, Ổ USB...
• Kết nối mạng giữa hai máy tính qua cáp USB.
• Các bộ chuyển đổi cổng: USB sang RS-232; USB sang PS/2; USB sang cổng in truyền thống...
• Các bộ điều hợp sử dụng giao tiếp USB: Hồng ngoại, Bluetooth, Wi-Fi...
• Các thiết bị nghiên cứu khoa học sử dụng giao tiếp USB để kết nối với máy tính.

• Kết nối có dây
• Đầu đọc thẻ nhớ

Liên kết ngoài

Tiếng Anh

• USB tại Encyclopædia Britannica (bằng tiếng Anh)
• Trang chủ của USB Implementers Forum, Inc.
• Intel Universal Host Controller Interface (UHCI) Lưu trữ ngày 13-02-2021 trên Wayback Machine