Bus en sèrie universal

El bus en sèrie universal (conegut com a USB per les seves sigles en anglès de Universal Serial Bus) és un estàndard industrial desenvolupat a mitjan anys 1990 que defineix el cablejat, els connectors i el protocol de comunicacions emprat en un bus de dades per a connectar, comunicar i alimentar perifèrics des dels ordinadors.^[2]

Bus Sèrie Universal (USB)
Logotip de la certificació USB
Tipus	Bus
Història de producció
Dissenyador	Digital Equipment Corporation, IBM, Intel, Microsoft, NEC and Nortel
Data de disseny	1996
Fabricant	Intel, Compaq, Microsoft, NEC, Digital Equipment Corporation, IBM, Nortel
Especificacions
Longitud	2–5 m (6 ft 7 in–16 ft 5 in) (by category)
Amplada	12 mm (A-plug),[1] 8.45 mm (B-plug); 7 mm (Mini / Micro-USB)
Alçada	4.5 mm (A-plug),[1] 7.78 mm (B-plug, pre-v3.0); 1.5–3 mm (Mini/Micro-USB)
Connectable en calent	Sí
Extern	Sí
Elèctric	5 volts DC
	Voltatge màxim	5.00±0.25 V (pre-3.0); 5.00+0.25-0.55 V (USB 3.0)
	Corrent màxim	0.5–0.9 A (general); 5 A (charging devices)
Senyal de dades	Packet data, defined by specifications
	Ample	1 bit
	Amplada de banda	1.5/12/480/5,000/10,000 Mbit/s (depending on mode)
	Nombre màxim de dispositius	127
	Protocol	sèrie
Cable	4 cables més malla (pre-3.0); 9 cables més malla (USB 3.0)
Pins	4: 1 corrent, 2 dades, 1 terra (pre-3.0); 9 (USB 3.0); 11 (USB 3.0 alimentat); 5 (pre-3.0 Micro-USB)
Connector	Unique
Patillatge
El connector estàndard tipus A (esquerra) i tipus B (dreta)
Pin 1		VCC (+5 V)

L'USB es va dissenyar per a estandarditzar la connexió entre els ordinadors i els seus perifèrics, com per exemple: teclat, ratolí, càmera digital, impressora, reproductor multimèdia, disc dur i placa de xarxa, tant per comunicar-los com per proporcionar corrent elèctric als perifèrics. També ha esdevingut comú en altres dispositius com telèfons intel·ligents, organitzadors personals i consoles de videojocs.^[3] L'USB ha substituït una gran varietat d'interfícies anteriors, com el port sèrie i el port paral·lel així com l'alimentador elèctric extern de molts dispositius portàtils.

Resum

Resumit, hi ha quatre tipus o mides de sistemes de connexió USB: 1) el més antic estàndard (per exemple el dels discs durs flash per USB), 2) l'encara vigent «Mini», 3) el «Micro» i, 4), el versàtil format USB On-The-Go, que es troba tant en mida Mini com Micro.

A diferència del cablejat elèctric comú a les cases particulars, cada extrem dels cables USB té un tipus diferent de connector: un A i un B. (una part de l'objectiu d'aquest disseny és el d'evitar els curtcircuits i danys d'equips per error en la connexió). Així, en general, qualsevol de les quatre mides requereix quatre tipus diferents de connector: un mascle i femella A a un extrem i un mascle i femella B a l'altre. Encara que sembli il·lògic, el format «micro» és el més resistent.

També hi ha quatre velocitats de transferència: Low Speed, Full Speed, High Speed i SuperSpeed. La High Speed només l'implementen les interfícies USB 2.0 (tot i que les 2.0 que no ho expliciten no la implementen) i les USB 3.0 interfaces. La SuperSpeed només l'implementen les interfícies USB 3.0.

Connectors disponibles segons l'estàndard USB

Estàndard	USB 1.0 1996	USB 1.1 1998	USB 2.0 2001	USB 2.0 Revisat	USB 3.0 2008	USB 3.1 2013	USB 3.2 2017	USB4 2019
Taxa de transferència màx.	12 Mbps		480 Mbps		5 Gbps	10 Gbps	20 Gbps	40 Gbps
Connector tipus A							Deprecated
Connector tipus B							Deprecated
Connector tipus C	N/D			USB-C (Ampliat)
Connector mini-A	N/D				Deprecated
Connector Mini-B	N/D				Deprecated
Connector Mini-AB	N/D				Deprecated
Connector Micro-A	N/D						Deprecated
Connector Micro-B	N/D						Deprecated
Connector Micro-AB	N/D						Deprecated

Història

El logotip bàsic USB amb el trident^[4]

L'any 1994 set empreses van començar el desenvolupament de l'USB: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC i Nortel. L'objectiu era simplificar la connexió de dispositius externs als ordinadors i substituir la plètora de connectors, per simplificar l'ús i la configuració del programari de tots els perifèrics, tot i millorar la velocitat de transferència de dades entre dispositius. Un equip que incloïa l'Ajay Bhatt va treballar en l'estàndard a Intel,^[5][6] empresa que va produir els primers circuits integrats implementant l'USB l'any 1995.^[7]

L'especificació original de la versió USB 1.0, de gener de 1996, era capaç de realitzar transferències de dades a 1,5 Mbit/s en low speed i de 12 Mbit/s en full speed.^[7] La primera versió d'àmplia acceptació va ser la 1.1, al setembre de 1998. La transferència a 12 Mbit/s estava destinada a dispositius amb més velocitat, com els discs durs, i la d'1,5 Mbit/s als més lents, com la palanca de control.^[8]

Un connector estàndard USB tipus A, el més habitual.

L'especificació 2.0 es va publicar l'abril de 2000 i el Fòrum d'Implementadors de l'USB (USB-IF) el va ratificar a la fi de l'any 2001. De forma conjunta, Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (actualment Alcatel-Lucent), NEC i Philips van permetre el desenvolupament d'una versió amb una versió de transferència més alta, amb l'especificació resultant de 480 Mbit/s, quaranta cops superior a l'especificació original 1.1.

La versió 3.0 de l'estandar es va publicar el novembre de 2008. Els seus majors objectius van ser incrementar la velocitat de transferència fins a 5 Gbit/s, reduir el consum elèctric, incrementar l'aportació de corrent elèctric als dispositius i que fos retrocompatible amb la versió 2.0.^[9] L'USB 3.0 inclou un bus més ràpid en paral·lel amb el bus USB 2.0^[10] una nova versió que s'anomena SuperSpeed.^[11] Els primers dispositius equipats amb la versió 3.0 es varen presentar el gener de 2010.^[11][12]

L'any 2008 ja hi havia aproximadament 60.000 milions de ports i interfícies USB al mercat mundial i se'n venien uns 20.000 milions cada any.^[13]

Historial de versions

Una targeta USB Peripheral Component Interconnect per a ordinador de sobretaula

L'estàndard USB va evolucionar diverses versions fins a la seva publicació oficial l'any 1996:

• USB 0.7: publicat el novembre de 1994.
• USB 0.8: publicat el desembre de 1994.
• USB 0.9: publicat l'abril de 1995.
• USB 0.99: publicat l'agost de 1995.
• USB 1.0 Release Candidate: publicat el novembre de 1995.
• USB 1.0: publicat el gener de 1996.
• USB 1.1: publicat el setembre de 1998.
• USB 2.0: publicat l'abril de 2000.
• USB 3.0: publicat el novembre de 2008.
• USB 3.1: publicat el juliol de 2013.
• USB Type-C: similar al 3.1 però amb format diferent, publicat l'agost de 2014.
• USB 3.2: Publicat el setembre del 2017.
• USB 4.0: Publicat l'Agost del 2019.

Connector USB Type-C

Definició dels pins del connector USB Type C

Subministrament d'energia

Un altre dels usos principals de l'USB és el subministrament d'energia a dispositius portàtils. Els connectors mini-USB, micro-USB i USB-C han reemplaçat les interfícies de càrrega propietàries en molts casos.

Els diferents estàndards USB estableixen un procés de negociació entre el transmissor i el receptor d'energia i indiquen uns límits de potència:

Estàndards d'energia USB^[14]:18

Especificació	Corrent	Voltatge	Potència (màx.)
Dispositiu Low-power	100 mA	5 V	0,50 W
Dispositiu SuperSpeed Low-power (USB 3.0)	150 mA	5 V	0,75 W
Dispositiu High-power	500 mA[a]	5 V	2,5 W
Dispositiu SuperSpeed High-power (USB 3.0)	900 mA[b]	5 V	4,5 W
Dispositiu SuperSpeed Multi-lane (USB 3.2 Gen 2x2)	1.5 A[c]	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[d]	5 A	20 V	100 W
Fins a 5 càrregues unitàries; en dispositius que no són SuperSpeed, una càrrega unitària són 100 mA. Fins a 6 càrregues unitàries; en dispositius SuperSpeed, una càrrega unitària són 150 mA. Fins a 6 càrregues unitàries; en dispositius Multi-lane, una càrrega unitària són 250 mA. Requereix un cable Power Delivery actiu capaç de transmetre corrent a 5 A.

L'USB 2.0 distingeix dos tipus de dispositius: els low-power, que consumeixen un màxim de 100 mA a 5 V, i els high-power, amb un màxim de 500 mA a 5 V.

Per millorar aquestes condicions tan limitades, el 2007 va aparèixer l'especificació USB Battery Charging, que no obstant patia d'inconvenients com ara la impossibilitat de carregar dispositius amb la bateria totalment esgotada. Molts d'aquests problemes es van resoldre en la versió 1.2, del 2010, que permet una velocitat de càrrega màxima de 5 A a 5 V.^[15]

Al mateix temps, els estàndards USB 3.1 i USB 3.2 van apujar el corrent màxim dels dispositius high-power a 900 mA i 1,5 A, respectivament. A més, tots els cables USB-C estan obligats a suportar un corrent de 3 A, i els que tinguin capacitat per a més també han de dur un circuit integrat (eMarker) que exposi les seves prestacions.^[16]:231

USB Power Delivery

L'USB Power Delivery (sovint abreujat USB-PD o simplement PD) és un estàndard de subministrament d'energia a través d'USB amb unes prestacions molt superiors als anteriors estàndards oficials. Permet la càrrega ràpida de telèfons mòbils, tauletes i fins i tot ordinadors portàtils. Està dissenyat per a conviure amb l'antic USB Battery Charging i funciona tant en cables USB 2.0 com en USB 3.x.^[17]:67

Estableix un protocol de comunicació activa entre el productor y el consumidor d'energia.^[18] En primer lloc, es comprova si el cable està certificat per la USB Implementers Forum mirant el seu eMarker, que al seu torn proporciona les especificacions del cable. Amb aquesta informació, els dos dispositius poden començar a negociar el voltatge i la intensitat de la càrrega. Aquesta negociació es produeix a través del pin Configuration Channel de l'USB-C.^[19]

Existeixen tres revisions de Power Delivery, totes retrocompatibles amb les anteriors:

• La revisió 1.0 (2012) estableix una potència de càrrega màxima de 100 W amb un voltatge límit de 20 V. Defineix cinc perfils de subministrament de potència diferents. Aquesta primera versió funciona sobre cables USB type A i B que han de fabricar-se seguint unes especificacions concretes. En el cas del micro-USB, la potència està limitada a 60 W.

Perfils d'energia de l'USB PD 1.0^[20]

Perfil	+5 V	+12 V	+20 V
0	Reservat
1	2,0 A, 10 W[a]	N/D	N/D
2		1,5 A, 18 W
3		3,0 A, 36 W
4			3,0 A, 60 W
5		5,0 A, 60 W	5,0 A, 100 W
Perfil d'inici per defecte.

• La revisió 2.0 (2014) va adaptar l'especificació a l'USB 3.1 Gen 2 i l'USB-C. D'aquesta versió en endavant, tots els cables compatibles han de dur un eMarker que exposi les seves capacitats. Les característiques noves a partir de la versió 1.2 d'aquesta revisió (2016) només són suportades en USB-C. Per exemple, el sistema de perfils queda reemplaçat per un de voltatges nominals on són negociables tant el voltatge com la intensitat. En aquest sistema la intensitat màxima a qualsevol voltatge són 3 A, excepte a 20 V, quan el carregador pot subministrar més de 60 W i el cable ho soporta. Aleshores, si el carregador pot transmetre més de 15 W de potència, ha de poder fer transmissió a 9 V. Si suporta més de 27 W, també ha de suportar 15 V. Si té una capacitat superior a 45 W, ha de poder transmetre a 20 V:^[21]

Regles d'energia de l'USB PD 2.0 (v1.2) i 3.0^[17]

Potència de sortida de la font (W)	Corrent (A)
	+5 V	+9 V	+15 V	+20 V
0,5–15	0,1–3,0	N/D	N/D	N/D
15–27	3,0 (15 W)	1,67–3,0
27–45		3,0 (27 W)	1,8–3,0
45–60			3,0 (45 W)	2,25–3,0
60–100				3,0–5,0

• La revisió 3.0 (2015) afegeix noves funcionalitats i mesures de protecció. Per exemple, la possibilitat d'intercanviar els rols d'emissor i receptor d'energia, de comunicar l'estat de la bateria, d'alertar en cas de sobretensió, sobrecàrrega o sobreescalfament i un sistema d'autenticació de dispositius.^[22]
• El maig del 2021, apareix la revisió PD 3.1, la qual afegeix voltatges més elevats de 28, 36 i 48V, permetent d'arribar fins a potències de 240W (48V a 5A).^[23]

Extended Power Range^[24]

Potència e sortida de la font (W)	V a la sortida
140W	28V
180W	36V
240W	48V

Implementacions reals del protocol PD ː

Protocol	Fabricant	Referència	Notes
PD 3.0	ON Semiconductor	FAN6390	[25]
PD 3.0	"	NCP12601	"
PD 3.0	VIA Labs	VP302	[26]
PD 3.0	Texas Instruments	TPS65983B	[27]

Vegeu també

• USB type-C
• Quick Charge
• VOOC