Bus USB có hai kiểu đầu nối thông dụng: kiểu A và kiểu B, thiết kế như vậy nhằm mục đích không xảy ra đấu nối nhầm giữa đầu cắm với thiết bị và đầu cắm với Hub. Khác với chuẩn RS 232, việc đấu nối ở bus USB không chia ra các kiểu đấu nối khác nhau, chẳng hạn nối thẳng và bắt chéo. Bus USB sử dụng một Cable bốn sợi dây để nối với các thiết bị, trong đó một cặp đường truyền hai sợi xoắn được dùng làm các dữ liệu vi sai (D+ và D-) còn hai dây làm nguồn nuôi 5V và nối đất (GND) (hình 3.5).
Hình 3.5 Cable USB
Cable nối luôn thực hiện sự liên kết 1:1, nghĩa là Cable chỉ nối với Hub và thiết bị. Kết nối qua Cable USB sử dụng 4 đường dẫn có màu khác nhau qui định cho các tín hiệu trên bus.
Bảng 3.3 Các dây dẫn trong USB
Chân Tên gọi Màu dây Mô tả
1 2 3 4 VCC D- D+ GND Đỏ Trắng Xanh lục Đen +5VCC Dữ liệu (D-) Dữ liệu (D+) Nối đất
Các ổ cắm phía sau máy tính thường là kiểu đầu nối A, qua đó có thể nối trực tiếp các thiết bị USB vào máy tính PC. Các thiết bị có tốc độ thấp chẳng hạn như chuột cũng có thểđấu thẳng vào ổ cắm này bằng một phích cắm cũng kiểu A.
a) b)
Hình 3.6 Đầu cắm USB kiểu A trên máy tính và đầu cắm kiểu B trên thiết bị
c) d)
Hình 3.7 Đánh số các chân nối ổ cắm USB và cab nối kiểu A và B
Ngoài các đầu cắm thông dụng A và B bus USB còn có các đầu cắm kiểu Mini và Micro sử dụng cho các thiết bị nhỏ di động như: máy quay phim, máy chụp, điện thoại di động.
Trong các trường hợp khác thiết bị thường có một ổ cắm kiểu B, việc đấu nối máy tính được thực hiện bằng một Cable kiểu A-B (hình 3.8).
Hình 3.8 Kết nối USB và Cable
Các Cable dùng để kéo dài khoảng cách từ máy tính đến các thiết bị thường là kiểu A-A. Ngày nay, các Cable nối USB đều được các nhà sản xuất cung cấp dưới dạng hoàn chỉnh, trên đó: đầu cắm, độ dài, chất lượng bọc kim chống nhiễu đều không thể thay đổi được. Vì vậy, tuỳ theo mục đích sử dụng mà lựa chọn Cable cho phù hợp.
Một đặc tính khác là các thiết bị USB có thể có tốc độ truyền dữ liệu khác nhau: tốc độ thấp (Low – Speed) và tốc độ toàn phần (Full – Speed). Nên có thể xảy ra trường hợp các thiết bị có tốc độ cao lại được kết nối với máy tính qua một Cable có tốc độ truyền thấp. Để khắc phục tình trạng này tất cả các Cable nối đều được chế tạo để thích ứng với tốc độ cao. Loại Cable truyền với tốc độ thấp được chỉ định dùng cho các thiết bị, cụ thể được nhà sản xuất chỉ rõ khi cung cấp.
Qua ổ cắm USB có thể lấy ra địên áp +5V với dòng điện tiêu thụ khoảng 100mA, trong một số trường hợp có thể lấy ra dòng lên đến 500mA. Hai đường dẫn D+ và D- cho phép đấu nối với các chip USB chuyên dụng hay các vi điều khiển có tích hợp thêm giao tiếp USB.
Tín hiệu trên hai đường D+ và D- là các tín hiệu vi sai với mức điện áp bằng 0/3.3V. Điện áp nguồn nuôi ở USB có thể lên tối đa +5.25V và khi chịu dòng tải lớn có thể giảm xuống + 4.2V.
Khi ghép nối các thiết bị với bus USB thường phải phân biệt rõ các thiết bị sử dụng nguồn nuôi riêng, chẳng hạn như máy in với các thiết bị nhận điện áp nguồn nuôi qua bus (Bus – Powered). Trong nhiều trường hợp cả hai chếđộ nguồn nuôi có thể cùng tồn tại để cho phép lựa chọn theo cách thiết kế của USB, dòng tiêu thụ lấy từ bus được tựđộng hạn chế. Khi dòng tiêu thụ vượt quá giới hạn cho phép thì điện áp cung cấp tựđộng được ngắt. Các thiết bị USB được chia ra gồm 3 chếđộ nguồn:
Chếđộ Low power: dòng thiết bịđược cung cấp tối đa 100mA, điện áp 4.4V ÷ 5.25V.
Chếđộ High power: dòng cung cấp trong chế độ này có thể lên đến 500mA, điện áp 4.7V ÷ 5.25V.
Chếđộ Self power: nguồn nuôi được cung cấp từ ngoài.
Máy tính nhận biết có một thiết bị Low –Speed (1.5Mbps) hay Full – Speed (12Mbps) được cắm vào thông qua điện áp trên trên chân D+ hay trên chân D- nhảy lên mức cao. Vì vậy, khi thiết kế các mạch giao tiếp với máy tính qua cổng USB cần chú ý nối chân D+ lên nguồn nuôi (+5V) đối với thiết bị Full - Speed. Còn đối với thiết bị Low - Speed cần nối chân D- nối lên nguồn nuôi. Hình 3.9 và hình 3.10 mô tả sơ đồ đấu nối Cable qua cổng USB cho thiết bị Full - Speed và Low - Speed. Về phía chủ USB hay hub gồm hai điện trở nối dây D+ và D- xuống đất, như vậy bình thường khi không có thiết bị cắm vào, 2 đường này có mức điện áp là 0V. Khi có một thiết bị được kết nối vào cổng, một trong hai đường dây có điện áp nhảy lên mức cao. Bằng cách này Hub đã nhận biết một thiết bị mới được cắm thêm vào hệ thống bus.
Hình 3.9 Kết nối với thiết bị USB Full - Speed
Hình 3.10 Kết nối với các thiết bị USB Low - Speed
Mỗi Hub và mỗi dây Cable đều gây ra sự làm trễ tín hiệu nhưng thời gian trễ không được vượt quá giá trị cực đại đã được qui định. Bus USB cho phép đến 7 Hub đấu nối tiếp nhau, do vậy có thểđấu nối tối đa là 127 thiết bị vào bus USB. Trên thực tế con số này là lý thuyết vì tuy có thểđấu nối đến 127 thiết bị nhưng càng nhiều thiết bịđấu nối thì tốc độ truyền càng chậm do dải thông của toàn bộ bus bị phân chia đến từng thiết bịđấu vào bus.
