Decodifica degli standard USB da 1.0 a 4.0

(Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Universal Serial Bus, meglio conosciuto con l'abbreviazione USB, è probabilmente lo standard di interconnessione più conosciuto oggi sul mercato. Tuttavia, molte persone, in particolare quelle non appartenenti alla comunità ingegneristica, potrebbero non saper molto su USB. In parole povere, "bus" è un modo per trasferire dati o energia tra diversi componenti in un sistema elettronico, mentre il termine "seriale" indica che i dati vengono trasmessi un bit alla volta sullo stesso filo (o su alcuni fili). USB è dunque uno standard ingegneristico che stabilisce specifiche "universali" per i connettori e i cavi utilizzati per collegare i vari dispositivi di un sistema elettronico.

Come mezzo semplice e conveniente per l'interconnessione e la comunicazione di dati tra dispositivi, USB si è evoluto dal suo debutto nel 1996 e oggi fa molto di più. Prima della sua introduzione negli anni 1990, il panorama delle interconnessioni era caratterizzato da complessità e lentezza nel trasferimento dei dati. Grazie a oltre 25 anni di costanti miglioramenti e modifiche, USB e USB Implementers Forum(USB-IF) hanno creato capacità di interconnessione che vanno oltre quanto originariamente ritenuto possibile, con velocità di trasmissione dati, trasferimento di energia e altro in costante aumento. Tuttavia, con questi continui miglioramenti sono nati nuovi standard, aggiornamenti di quelli esistenti e una serie di convenzioni di denominazione. Di conseguenza, cercare di tenere il passo con i più recenti standard USB può essere un campo minato da confusione e contraddizioni. Questo articolo intende fornire una storia dettagliata degli standard USB e chiarire le più recenti convenzioni di denominazione USB.

Interconnessione prima di USB

Come già accennato, il panorama pre-USB era caratterizzato da una velocità di trasferimento dati lenta, spesso compresa tra 100 kB al secondo per il parallelo e 450 kb al secondo per il seriale. Non solo i produttori di computer utilizzavano porte seriali e parallele, ma esisteva anche una varietà di spine, connettori e cavi proprietari che spesso richiedevano driver e schede dedicate. Inoltre, la sostituzione a caldo e l'inserimento a caldo erano limitati e richiedevano che l'hardware fosse spento prima di collegare un dispositivo e riaccenderlo.

USB-IF ha iniziato lo sviluppo dello standard USB nel 1994 con diverse versioni preliminari (USB 0.8 e 0.9) annunciate ma mai rese disponibili in commercio. Nel 1995, USB 0.99 ha completato l'elenco degli standard pre-rilasciati e ancora una volta non è stato rilasciato sul mercato.

USB 1.0 e 1.1

USB 1.0 ha segnato la prima versione importante degli standard USB nel 1996, offrendo velocità di trasferimento dati di 1,5 Mbps a bassa velocità e 12 Mbps a velocità massima. Sebbene USB 1.0 offrisse la comodità della sostituzione a caldo e dell'autoconfigurazione, non è stato adottato su larga scala come prima versione di USB disponibile in commercio.

Due anni dopo, nel 1998, venne introdotto USB 1.1. Sebbene abbia eguagliato le capacità di trasferimento dati di USB 1.0, poteva anche funzionare a velocità inferiori per i dispositivi con larghezza di banda inferiore. Con il marchio Full Speed, USB 1.1 è stato notoriamente adottato da iMac G3 di Apple, che ha eliminato l'uso delle porte seriali e parallele. Ciò ha spianato la strada per una più ampia adozione degli standard USB in futuro. Le versioni USB 1.0 e 1.1 hanno inoltre specificato l'uso degli standard dei connettori USB fisici, Type-A e Type-B.

Figura 1: Standard dei connettori USB Type-A e Type-B (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

USB 2.0

L'inizio del XXI secolo ha portato con sé una crescente necessità di velocità di trasferimento dati più elevate, a causa della crescente diffusione dei PC e delle relative periferiche. Pertanto, USB 2.0 è giunto sul mercato nell'aprile del 2000. Questo standard prevedeva una capacità di trasferimento dati di 480 Mbps, ma le limitazioni del bus hanno ridotto questa capacità a 280 Mbps. USB 2.0 ha ricevuto il marchio High Speed ed è compatibile con gli standard precedenti e le loro velocità di 1,5 o 12 Mbps. A questo punto, l'utilizzo di USB come fonte di alimentazione iniziò a diventare una pratica più comune e gli standard elettrici offrivano fino a 500 mA di potenza a 5 V.

USB 2.0 ha introdotto anche USB On-the-Go, che permette a due dispositivi di interagire senza la necessità di un host USB separato. Fino a questo momento, le connessioni USB erano sempre state effettuate tra un host (un computer) e una periferica (un mouse, una tastiera, un dispositivo musicale, ecc.).

In termini di standard dei connettori fisici, USB 2.0 è compatibile con i connettori USB Type-A, B e C, nonché Mini e Micro A e B. Tuttavia, i connettori fisici Micro A e B e Type-C sono stati introdotti molti anni dopo, rispettivamente nel 2007 e nel 2014.

USB 3.0

Con USB 3.0 e oltre, gli standard USB hanno subito diverse iterazioni e modifiche alle convenzioni di denominazione. Per limitare la confusione, ci riferiremo agli standard con il nome della versione originale prima di chiarire in dettaglio le convenzioni di denominazione più recenti.

Rilasciato nel 2008, USB 3.0 supportava il trasferimento di dati fino a 5 Gbps, ma ha raggiunto velocità più vicine ai 3 Gbps. Denominato SuperSpeed USB, USB 3.0 ha raddoppiato le quattro linee di connessione dell'hardware USB 2.0 portandole a otto e consentendo il trasferimento bidirezionale dei dati, pur rimanendo retrocompatibile con USB 2.0. Lo standard ha inoltre aumentato le capacità di alimentazione a 900 mA a 5 V. È inoltre importante notare che l'hardware specifico di USB 3.0, come i connettori USB 3.0 Type-A e Type-B, sono colorati di blu per indicarne la compatibilità.

Con l'introduzione delle convenzioni di denominazione USB 3.2, USB 3.0 è ora noto come USB 3.2 Gen 1.

USB 3.1

Identico a USB 3.0, USB 3.1 è stato uno standard intermedio rilasciato nel 2013 che ha semplicemente raddoppiato la velocità di trasferimento dati fino a 10 Gbps. Il marchio SuperSpeed+ è stato attribuito a questa tecnologia e, a un certo punto, è stata adottata una convenzione di denominazione a due livelli: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) e USB 3.1 Gen 2. Anche in questo caso, con l'introduzione delle convenzioni di denominazione USB 3.2, USB 3.1 Gen 2 viene ora indicato come USB 3.2 Gen 2.

USB 3.2

Introdotto nel settembre 2017, lo standard USB 3.2 ha sostituito le convenzioni di denominazione degli standard USB 3.0 e 3.1, aggiungendo al contempo un terzo livello di capacità dati fino a 20 Gbps. Denominato USB 3.2 Gen 2x2, questo standard utilizza pienamente i canali di trasferimento dati a due canali del connettore USB Type-C®, in grado di trasmettere 10 Gbps in ciascuna direzione su due coppie di fili. È inoltre comune vedere i due livelli inferiori dello standard USB 3.2 indicati come USB 3.2 Gen 1x1 o USB 3.2 Gen 2x1, che forniscono semplicemente un contesto aggiuntivo al numero di linee dati utilizzate.

Per chiarire ulteriormente, USB-IF ha fornito un marchio aggiornato per ogni livello, che consiste nel noto marchio SuperSpeed USB seguito dal limite di trasferimento dati. Come indicato nella Tabella 1, questi nomi alternativi sono i seguenti: SuperSpeed USB 5 Gbps, SuperSpeed USB 10 Gbps e SuperSpeed USB 20 Gbps.

Tabella 1: Convenzioni di denominazione USB 3.2. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

USB 4.0

Basato sul protocollo Thunderbolt 3, USB 4.0 è stato rilasciato nell'agosto 2019 con un trasferimento dati fino a 40 Gbps e un metodo di trasferimento video dedicato. Lo standard Power Delivery 3.1 ha inoltre aumentato la capacità di alimentazione USB fino a 240 W. Anche se tecnicamente gli standard Power Delivery e USB 4.0 sono separati, sono stati sviluppati in parallelo e si trovano solitamente insieme. Entrambi gli standard più recenti sono sfruttati appieno solo grazie alle capacità hardware del connettore fisico USB Type-C.

USB-IF ha inoltre perfezionato le convenzioni di denominazione di USB 4.0, cambiandolo in USB4 con i seguenti due livelli:

• USB4 20 Gbps (la velocità dei dati corrisponde alla denominazione)
• USB4 40 Gbps (la velocità dei dati corrisponde alla denominazione)

Ciascuno dei livelli summenzionati per USB4 e USB 3.2 ha un nuovo logo associato da utilizzare sui prodotti, nella speranza di dipanare la matassa per i consumatori. Tuttavia, la varietà di nomi per gli standard USB ha presentato diverse sfide, in quanto i dispositivi sono ancora spesso indicati con il vecchio schema di denominazione.

Tabella 2: Convenzioni di denominazione USB attuali e relativi loghi (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Il futuro di USB

Ci auguriamo che questo articolo sia servito a chiarire un po' gli standard USB, fornendo al contempo una panoramica della storia in rapida evoluzione delle loro capacità e funzionalità in costante miglioramento. Può essere facile dare per scontato questo modo piccolo, economico e semplice di collegare le periferiche presenti negli smartphone, nei dispositivi mobili e persino nelle applicazioni industriali. I connettori USB utilizzati esclusivamente per la ricarica(USB Type-C progettato per applicazioni di sola alimentazione) senza alcun trasferimento di dati stanno addirittura diventando una pratica comune. Sembra ormai certo che USB continuerà a trovare nuovi usi e funzionalità anche in futuro e Same Sky offre agli ingegneri una gamma di connettori USB e cavi USB in vari fattori di forma progettati per soddisfare diversi standard USB.