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Cos'è e come funziona lo USB

Lo standard permette di connettere il computer ad una miriade di diverse periferiche
Cos'è e come funziona lo USB FASTWEB S.p.A.

Dalle chiavette USB per il salvataggio dei dati e la connessione Internet wireless, fino ai caricabatterie per smartphone, tastiere, mouse, auricolari e tanti altri dispositivi elettronici. Lo standard USB a partire dal 1996, quando ha fatto la sua comparsa, si è imposto nel settore dell’elettronica e dell’informatica e da allora viene migliorato anno dopo anno.

Ogni nuova versione offre velocità di trasferimento dei dati più efficiente, così come aumenta la potenza limite per la ricarica dei device.

E insieme all’USB cresce costantemente il numero di dispositivi che supportano questa tecnologia, che promette nel prossimo futuro potenze di ricarica ancora maggiori: il limite dei 100 watt è già stato superato, i 200 watt sono stati annunciati e il prossimo passo è raggiungere i 240 watt. Una potenza che permetterebbe di allungare la lista dei dispositivi compatibili, passando dagli smartphone e i mini-PC fino alle smart TV, i laptop da gaming e i monitor 4K. Ecco cos’è e come è nato lo standard Universal Serial Bus (USB) e cosa possiamo aspettarci nei prossimi anni.

Cos'è lo USB

Lo USB è uno standard industriale sviluppato a metà anni '90 che definisce cavi, connettori e protocolli di comunicazione utilizzati in un bus per la connessione e la comunicazione tra computer e dispositivi elettronici. In alcuni casi, l'energia fornita tramite una porta USB è sufficiente ad alimentare il dispositivo stesso.

Lo USB è stato progettato per standardizzare la connessione tra periferiche informatiche (incluse tastiere, stampanti, dispositivi di puntamento, fotocamere digitali, media player, hard disk portatili e molto altro ancora) e i computer. Con il passare del tempo è stato adottato da altri dispositivi (smartphone, tablet e console su tutti), andando così a rimpiazzare una varietà di interfacce e porte di comunicazione come le porte seriali (interfacce fisiche attraverso cui le informazioni sono trasmesse in modalità seriale) o le porte parallele. Via via che i nuovi standard USB si diffondono, aumentano anche le tipologie di USB disponibili e il limite di ricarica dei dispositivi, per poter alimentare anche device dai consumi elevati come docking station e monitor 4K.

La storia

usbLo sviluppo dello standard prende il via nel 1994 ad opera di Compaq, DEC, IBMMicrosoft, Intel, NEC e Nortel. Gli scopi che guidano queste aziende sono molteplici: innanzitutto, come accennato, la semplificazione nel settore dei cavi e connettori per periferiche. Legato a questo troviamo la risoluzione dei problemi di usabilità degli altri standard esistenti, la semplificazione della configurazione software dei dispositivi connessi al computer e il miglioramento delle prestazioni nella trasmissione dati tra periferica e computer. 

La versione 1.0 dello USB è rilasciata nel 1996 ma per la piena commercializzazione bisognerà attendere ancora un paio di anni.

Nel 1998 sbarca sul mercato lo USB 1.1, con una velocità di trasferimento di 12 megabit al secondo (ridotti a 1,5 megabit al secondo nel caso di periferiche meno "performanti"). L'evoluzione della specie continua e nel 2000 lo USB Implementers Forum ratifica lo standard USB 2.0 con Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (ora Alcatel-Lucent), NEC e Philips a guidare il consorzio di società sviluppatrici. Anche se lo standard 1.1 era vecchio di appena due anni, i progressi tecnologici registrati sono incredibili: dai 12 megabit al secondo si passa i 480 megabit al secondo (velocità teorica massima) assicurati dalla seconda release ufficiale dello USB.

Lo sviluppo di dispositivi sempre più esigenti - sia sotto il punto di vista energetico sia sotto quello della banda di trasferimento dati - porta al rilascio dello standard USB 3.0. Sbarcato ufficialmente sul mercato nel novembre 2008, assicura velocità di trasferimento fino a 5 gigabit al secondo (oltre 10 volte più veloce rispetto allo USB 2.0), minor consumo di energia e maggior capacità di alimentazione. Nel 2019, invece, è arrivato lo USB 3.2, con velocità di trasferimento fino a 20 gigabit al secondo. Nello stesso anno è stato annunciato lo standard USB 4, che promette di raggiungere velocità di trasferimento fino a 40 gigabit per secondo, e che ha iniziato a diffondersi nel 2021.

Specifiche tecniche

usbPer sua natura, lo standard USB è asimmetrico. Ciò vuol dire che una singola porta USB (gestore) può essere utilizzata per connettere più periferiche (con una topologia ad albero). Lo schema è reso possibile da dispositivi chiamati accentratori (hub), che moltiplicano il numero di porte USB disponibili per la connessione. Una singola porta può supportare sino a 127 periferiche contemporaneamente: a questo numero, però, vanno sottratti

gli hub utilizzati e il gestore stesso.  La comunicazione tra dispositivi USB si basa sul flusso di dati passante attraverso canali logici detti pipes.

pipe sono connessioni che il gestore utilizza per entrare in contatto e scambiare informazioni con la periferica: lo scambio è reso possibile dalla presenza di entità logiche chiamate endpoint. I pipe si dividono in due tipologie: quelli di messaggistica e quelli di flusso. I primi sono bidirezionali e sono utilizzati per scambiare informazioni e messaggi di stato e controllo tra computer e periferica; i secondi, unidirezionali, sono utilizzati per il passaggio del flusso di dati tra le due entità logiche del sistema.

I connettori

usbCon gli anni sono stati sviluppati diversi tipologie di connettori, con caratteristiche e specifiche proprie. Tutti, però, possono essere raggruppati in due grandi schieramenti: i connettori "standard" e i connettori micro e mini.

  • USB standard. Lo standard-a ha forma piatta e assottigliata, ed è utilizzato per trasportare dati e alimentazione elettrica. Solitamente sono collegati in modo diretto e indissolubile alla periferica (come accade, ad esempio, nelle tastiere e nei mouse), così che è possibile vederne solo una estremità. Lo standard-b ha forma quadrata ed è solitamente utilizzato da dispositivi con cavetteria rimovibile (come ad esempio scanner e stampanti) e va collegato ad un "ricettacolo" in ingresso, solitamente utilizzato per lo scambio di dati e non per l'alimentazione elettrica
  • Micro-USB e mini-USB. La sempre maggior diffusione di dispositivi USB di dimensioni contenute (fotocamere digitali, smartphone e tablet su tutti) ha portato allo sviluppo di connettori sempre più piccoli. Nascono così i connettori micro-USB e mini-USB, utilizzati per il trasporto di dati e l'alimentazione elettrica dei dispositivi stessi
  • USB type-C. Probabilmente, si tratta dell'innovazione più apprezzata dagli utenti nell'ambito dello standard USB. Con l'introduzione del connettore type-C, infatti, non si dovrà più andare per tentativi, quando si prova ad attaccare il cavo a una porta. Il connettore, oltre a essere molto più piccolo rispetto a tipo A, è perfettamente simmetrico e "bivalente". In questo modo riuscirete a connettere il cavo USB sempre al primo colpo, evitando così di perder tempo. Da un punto di vista tecnico, il connettore USB type-Cprevede due gruppi di 12 pin, equamente divisi tra i due lati lunghi della presa. Come gli standard precedenti, anche il tipo C supporta l'USB on the go ed MHL.

Standard USB

usbI connettori USB non sono stati gli unici a cambiare ed evolversi nel corso del tempo. Le aziende e i centri di ricerca raccolti nello USB Implementers Forum hanno infatti rilasciato diversi standard comunicativi, necessari per aumentare la velocità di trasferimento dati su cavo USB e allargare il "campo d'azione" dell'USB, trasformandolo in un verso standard "universale".

  • USB 1.0. Lanciato nel gennaio 1996 da un consorzio che comprendeva, tra gli altri, Compaq, Hewlett-Packard, IBM, Microsoft e NEC aveva lo scopo principale di sostituire le interfacce seriali per mouse e tastiera e creare uno standard di comunicazione con le periferiche che fosse univoco e universale. La scarsa velocità di trasferimento dei dati (appena 1,5 megabit al secondo, poco meno di 0,2 megabyte al secondo) e la portata piuttosto limitata (i cavi non potevano avere una lunghezza superiore ai 3 metri) lo resero presto inutilizzabile e obsoleto
  • USB 1.1. Rilasciato 18 mesi dopo il lancio dello standard precedente, ha il pregio di decuplicare (o quasi) la velocità di trasferimento dati, divenendo così il primo standard USB a essere utilizzato non solo per mouse e tastiere
  • USB 2.0. La definitiva consacrazione di questo standard, però, arriva nel 2000, quando il consorzio di aziende e ricercatori rilascia l'USB 2.0. Oltre a portare la velocità di trasferimento dati (teorica, ovviamente) a 480 megabit al secondo - ossia 60 megabyte al secondo - vengono aggiunte nuove funzionalità che rendono l'Universal Serial Busancora più utile e funzionale. Per adattarlo alle necessità di ricarica di dispositivi mobili e portatili, vengono introdotti i connettori micro e mini; con l'USB On the go (OTG) qualunque dispositivo compatibile può agire sia da host sia da device; il cavo USB può essere utilizzato anche per la ricarica di dispositivi dotati di batteria, innovazione fondamentale per lo sviluppo del settore della telefonia mobile e degli smartphone
  • USB 3.X. Lanciato inizialmente nel 2007, lo standard USB 3 ha creato un po' di confusione tra gli utenti con i suoi continui cambi di nome e rebranding. Nel febbraio 2019, in particolare, lo USB Implementers Forum ha deciso di cambiare nuovamente nome all'attuale versione dello standard, eliminando lo USB 3.0 e lo USB 3.1 e sostituendoli con tre differenti "brand" dello standard 3.2. Nello specifico, il vecchio 3.0 è stato ribattezzato 3.2 gen. 1; il vecchio 3.1 è stato ribattezzato 3.2 gen. 2; il nuovo standard appena introdotto, invece, è chiamato USB 3.2x2. Le maggiori differenze tra le tre versioni dello standard si hanno a livello di velocità di trasferimento dati: il 3.2 gen. 1 raggiunge un massimo teorico di 5 gigabit al secondo (poco più di 600 megabyte); il 3.2 gen. 2 un massimo teorico di 10 gigabit al secondo (1,2 gigabyte); il 3.2x2 un massimo teorico di 20 gigabit al secondo (2,5 gigabyte). Per semplificare il compito dei produttori, ed evitare di confondere i consumatori, il consorzio suggerisce di utilizzare le diciture SuperSpeed USB per il vecchio 3.0, SuperSpeed USB 10Gbps per il vecchio 3.1 e SuperSpeed USB 20Gbps per il nuovo 3.2x2. Il cambio dei nomi, però, non è affatto casuale o frutto di una scelta cervellotica. Ogni standard successivo "include" anche il precedente, andando a formare un unico "modello" in continua evoluzione
  • Lo standard definitivo dell'USB4 è stato ufficializzato dall'USB Implementers Forum il 3 settembre 2019. Si tratta di un grosso passo avanti per questa connessione, perché la nuova versione non solo raddoppia la velocità teorica dell'USB 3.2 portandola a 40 gigabit per secondo, ma incorpora al suo interno la tecnologia di un altro standard di comunicazione: il Thunderbolt sviluppato da Intel e Apple. Ciò vuol dire che l'USB4 ha la possibilità non solo di trasferire molti più dati per secondo, ma anche di smistarli in modo molto efficiente. L'USB4 può essere utilizzato, ad esempio, per inviare un segnale video insieme ad altri dati ad un monitor, garantendo sempre il transfer rate minimo affinché il video non perda qualità e frame rateL'USB4 include anche lo standard Power Delivery, che permette di usare i connettori per la ricarica ultra-veloce dei dispositivi (fino a 100 Watt). Il connettore dell'USB4 è lo stesso dell’USB Type-C, quindi è possibile connettere ai nuovi controller USB4 la maggior parte dei dispositivi USB recenti senza alcun adattatore. Non tutti i controller USB4 sono compatibili anche con le periferiche Thunderbolt (e viceversa) perché, nonostante l'USB4 sia tecnologicamente quasi identico al Thunderboltla compatibilità tra i due standard non è obbligatoria: l'USB Implementers Forum lascia infatti la scelta al singolo produttore.

Le classi di dispositivi

usbLa funzionalità dei dispositivi USB è definita attraverso codici di classe che ne individuano tipologia e utilizzi. Esistono diverse decine di classi, che possono però essere riunite in tre macrogruppi.

  • Dispositivi di archiviazione USB. Le chiavette USB (o pen drive che dir si voglia) fanno parte di questa categoria. Pensata inizialmente per racchiudere dispositivi di archiviazione magnetici, oggi comprende soprattutto dispositivi che utilizzano memoria Flash
  • Media Transfer Protocol. Ideato da Microsoft per garantire un accesso di alto livello ai file systemdei dispositivi di archiviazione di massa, è oggi utilizzato soprattutto da smartphone, tablet e altri dispositivi Android per interfacciarsi con i computer
  • Human interface devices. Racchiude tutti quei dispositivi utilizzati dall'utente per interfacciarsi con il computer. Troviamo, quindi, tastiera, mouse, joypad, joystick e tavolette touchdi ogni tipo.

USB: il futuro è ancora più veloce

usbUno dei punti chiave nel futuro dell’USB consiste nell’ottenere una ricarica ancora più veloce, fino a 240 watt, anche grazie alla nuova tecnologia chiamata Extended Power Range (EPR). L’aggiornamento dello standard a una potenza di ricarica sempre maggiore è destinato a cambiare il modo in cui ricarichiamo i dispositivi elettronici e ad ampliare le tipologie di device che possono utilizzare l’USB.

Ad esempio, uno smart TV di dimensioni di circa 50 pollici ha consumi di 180-220 watt, quindi potrebbe essere alimentato con un caricatore USB da 240 watt senza problemi.

O ancora, monitor 4K dalla diagonale di circa da 32 pollici, che hanno un consumo di potenza di picco di 230 watt. Inoltre, un alimentatore USB di questa potenza potrebbe ricaricare completamente un laptop di alta gamma, o un PC portatile da gaming, in meno di mezz’ora. - Per poter sfruttare a pieno lo standard USB di nuova generazione, servirà però un adeguamento complessivo dei caricatori, dei cavi e anche dei dispositivi. L’USB-IF ha infatti sottolineato che anche i cavi dovranno avere dei requisiti specifici per potersi adattare ai nuovi livelli di potenza erogata e dovranno essere dotati di una conferma visiva che il cavo sia compatibile, così da evitare l’eventuale danneggiamento dei dispositivi e il conseguente rischio di incendio, nel caso non lo sia.

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