- Đầu cổng của cáp được chia ra làm hai loại: Trong đó, cổng kết nối "A" (USB-A) lắp vào máy tính (upstream) còn cổng kết nối "B" (USB-B) nối vào các thiết bị ngoại vi (downstream). Để tránh nhầm lẫn, hai cổng này cấu tạo cơ học khác nhau và không đổi chỗ cho nhau được. Với 2 loại cổng kết nối khác nhau, giúp người sử dụng dễ dàng phân biệt chúng. Ngoài USB-A và USB-B còn có Micro-A và Standard-A cũng tuân theo các chi tiết kỹ thuật của USB để kết hợp với các cổng kết nối không theo chuẩn.
Hai loại cổng kết nối Micro-A và Mini-B thường dành cho các thiết bị nhỏ như PDA, điện thoại di động hay máy ảnh số. Chân cắm Mini-A và Mini-B có kích thước khoảng 3x7mm còn chân cắm Micro có chiều rộng bằng loại Mini nhưng mỏng chỉ bằng nửa, do đó chúng thường tích hợp vào các thiết bị cầm tay mỏng hơn. Ngoại trừ trường hợp đặc biệt chuyển từ chuẩn sang Mini-A và chuẩn Micro-B, một sợi cáp USB luôn có đầu A và B để kết nối đến các ngõ cắm (socket) tương ứng. Tất cả các socket này trở thành các phiên bản chuẩn mini và micro.
- Các thiết bị USB có chức năng Slave trong mạng bus USB. Có hai dạng thiết bị USB như sau:
+ Hub thường có một bộ điều khiển và một bộ lặp, một hub có nhiệm vụ chuyển một cổng USB thành nhiều cổng USB. Với 7 bít địa chỉ, máy chủ USB có thể quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi. Cấu trúc tầng của USB được miêu tả trong hình sau:
Hình 2.3 Kiến trúc phân tầng của USB
+ Thiết bị chức năng là các thiết bị ngoại vi của máy tính như chuột, bàn phím... mọi thiết bị USB đều phải tuân thủ theo qui ước USB để máy chủ có thể phát hiện được chúng.
- Cáp USB chuẩn 1.0 và 2.0 bao gồm 4 dây. Hai dây (D+, D-) được sử dụng để truyền tải dữ liệu theo phương pháp vi sai. Hai dây còn lại là dây nguồn (Vbus) và dây tiếp đất (GND). Cáp chất lượng thấp không được chắn bảo vệ và thường được dùng cho thiết bị chậm (1,5Mbs). Thiết bị nhanh (12Mbs trở lên) đòi hỏi cáp được chắn bảo vệ. Ở phía các thiết bị ngoại vi, các đầu (D+, D-) được bảo vệ bởi điện trở cuối. Thiết bị tốc độ nhanh cần có điện trở nối đất cho đầu D+, thiết bị chậm cần điện trở nối nguồn cho đầu D-. Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D-, giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm hay rút một thiết bị ra khỏi mạng USB.
Pin Tên Màu cáp Mô tả
1 Vcc Red +5V
2 D− White Data −
3 D+ Green Data +
4 GND Black Ground
Với chuẩn 2.0 phổ biến hiện nay đạt tốc độ truyền dữ liệu 480Mbs hoàn toàn có thể đáp ứng được việc sao chép các file văn phòng hay các tệp tin dung lượng vài GB. Nhưng với nhu cầu truyền dữ liệu ngày càng tăng hiện nay như sao chép phim HD, hàng trăm TB cơ sở dữ liệu, hàng nghìn bức ảnh độ phân giải cao, hàng triệu bài hát với dung lượng ngày càng cao thì tốc độ 480Mbps là rất chậm. Đó là còn chưa kể tốc độ nói trên chỉ là lý thuyết không phải là tốc độ thực. Bởi vậy, tháng 11/2008 giao tiếp USB phát triển với chuẩn kết nối USB 3.0 nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu bằng tính năng truyền song hướng (dual simplex) thay vì truyền đơn hướng (half duplex) nên chuẩn kết nối USB 3.0 có tốc độ nhanh hơn đến 10 lần so với USB 2.0, đồng thời hỗ trợ đọc/ghi dữ liệu cùng lúc. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa qua kết nối 3.0 superspeed là 5Gbps gấp 10 lần chuẩn USB 2.0 (khoảng 600MB/s). Để đạt được mức tốc độ 5Gbps, chuẩn 3.0 đã được thay đổi thiết kế phần cứng. Cáp không vỏ bọc của USB 2.0 được thay thế bằng cáp có vỏ bọc và các dây được lồng vào trong vỏ theo từng cặp khác nhau hay còn gọi là cáp SDP (Shielded Differential Pair), nên cáp USB 3.0 kích thước lớn hơn trước đây. Lớp vỏ bọc giúp loại bỏ hiện tượng nhiễu điện từ nguyên nhân làm giảm sự toàn vẹn của tín hiệu cũng như tốc độ.
Hình 2.5 Các tín hiệu USB chuẩn 3.0
Một kỹ thuật mới được ứng dụng trong USB 3.0 là mạch biến đổi cân bằng (AE: Adaptive Equalisation). AE trong mỗi thiết bị giúp chất lượng truyền tín hiệu luôn giữ mức tối ưu nhờ khả năng đo và điều chỉnh tín hiệu điện truyền qua kết nối vật lý để bù vào sự khác biệt về độ dài và chất lượng của dây cáp. Ngoài ra, AE cũng giúp kiểm
soát các cổng USB 3.0 lân cận ở mặt trước PC và với bản mạch trên bo mạch chủ để có thể kết nối dây dài hơn.
Hình 2.6 Các tín hiệu bên trong cáp USB 3.0
Trong các mô tả kỹ thuật của USB 1.1 và USB 2.0 cho thấy chiều dài cáp tối đa lần lượt là 3m và 5m. Còn USB 3.0 mới chỉ hỗ trợ tốt nhất trong khoảng chiều dài dưới 3m.
USB 3.0 sẽ tương thích ngược với 2.0. Trong hình 2.6, cáp USB 3.0 có chứa lõi cáp USB 1.1/2.0 riêng (cáp UTP - Unshielded Twisted Pair), năm dây cáp chuẩn 3.0 gồm: một dây nối đất và hai cặp dây truyền dữ liệu (một gửi và một nhận) đọc và ghi dữ liệu đồng thời hay còn gọi là truyền song hướng (dual simplex) khác với chế độ một chiều hay còn gọi là đơn hướng (half duplex) trên USB 2.0 (dù hai dây dữ liệu, nhưng tại mỗi thời điểm chỉ có thể đọc hoặc ghi, không đọc và ghi đồng thời).
Hình 2.7 Vị trí các tín hiệu chuẩn 3.0 trên cổng USB
USB 3.0 chuẩn A là dồn 5 dây vào cổng thiết kế cho 4 dây. Còn với USB 3.0 chuẩn B, thiết kế có thay đổi so với USB 2.0 chuẩn B - đầu cắm vuông thường thấy trên các máy trước đây. Các chân USB 3.0 được thêm vào trên đầu nối USB 2.0 (xem hình 6), do đó, các ổ cắm USB 3.0 chuẩn B sẽ có nhiều phiên bản USB 2.0, dù không khác biệt đáng kể nhưng chắc chắn sẽ có nhiều loại cáp chuyển đổi xuất hiện trên thị trường. Đặc biệt, USB 3.0 chuẩn B có thêm một cặp nguồn phụ và dây nối đất.
USB SuperSpeed có kiến trúc dual-bus cho phép các cổng USB 3.0 ngay cạnh USB 2.0, cáp USB 2.0 được giấu bên trong lõi USB 3.0. Nhưng khi các cổng và hub USB 2.0 và USB 3.0 hoạt động đồng thời thì sẽ không cho phép cắm các thiết bị ngoại vi vào.
Do đó, sử dụng USB 3.0 có bus hoàn toàn độc lập với USB 2.0 là điều rất cần thiết vì bus mới sử dụng các giao thức khác, dù nó vẫn còn giữ mô hình đường ống và phương thức truyền dữ liệu để đơn giản hóa việc viết chương trình điều khiển cũng như sử dụng nhóm mã lệnh sẵn có.
Hình 2.8 Kiến trúc bus đôi (dual bus) của USB 3.0.
SuperSpeed truyền dữ liệu theo dạng gói tương tự USB 2.0 nhưng thời gian truyền các gói dữ liệu từ nguồn đến đích của 2 cổng giao tiếp này có sự khác biệt khá rõ ràng. USB 3.0 gửi các gói dữ liệu theo dạng unicast (một đến một): dữ liệu gửi/nhận trực tiếp giữa nguồn và thiết bị đầu cuối. Trong khi đó USB 2.0 làm việc kém hiệu quả hơn do phải gửi dạng quảng bá (broadcast – một đến nhiều) dữ liệu đến tất cả các thiết bị kết nối với máy tính, bất kể các thiết bị đó có tiếp nhận hay không.
Mặt khác, chuẩn USB 3.0 được thiết kế nhằm cung cấp điện hiệu quả hơn so với chuẩn 1.1 và 2.0. Chuẩn 3.0 có khả năng quản lý nguồn tốt hơn, tiết kiệm điện năng hơn do USB 3.0 không kết nối liên tục với thiết bị gốc, tức là chỉ phát tín hiệu mỗi khi dữ liệu được truyền đi. Do đó, thiết bị hoàn toàn có thể được đưa về trạng thái tạm ngưng hoạt động, nhờ đó tiêu hao năng lượng ít hơn sẽ giúp tiết kiện pin của những thiết bị diđộng hỗ trợ USB như máy ảnh và điện thoại di động.
+ Một công cụ giao tiếp tuần tự SIE (serial interface engine) là một vi mạch tích hợp. thành phần này chịu trách nhiệm nhận và gửi dữ liệu theo giao thức USB.
+ Một tổ hợp giữa phần cứng và firmware chịu trách nhiệm truyền dữ liệu giữa SIE và điểm cuối của thiết bị qua những giao diện thích hợp của chúng.
+ Phần chức năng của thiết bị ngoại vi (chức năng bàn phím, chức năng chuột...) - Mọi thiết bị trong mạng USB sẽ cùng chia dải tần qua một giao thức khung truy nhập máy chủ (hostisceduled token – based protocol). Khi máy chủ đưa một khung truy nhập (token) vào mạng USB, thiết bị tương ứng sé phát hiện ra theo địa chỉ của nó gài trong khung và trả lời lại máy chủ.
- Chủ USB chính là máy vi tính cá nhân với hệ điều hành có khả năng quản lý USB. Một mạng USB chỉ được phép có một chủ USB. Máy tính sử dụng phần cứng và phần mềm USB để làm việc như một chủ bus. Máy tính nhận biết việc cắm thêm hay rút ra một thiết bị ngoại vi để khởi động quá trình đánh số (enumeration) và các quá trình truyền dữ liệu khác trong bus. Máy tính cũng có trách nhiệm kiểm tra trạng thái, thống kê hoạt động và kiểm tra ghép nối điện giữa bộ điều khiển chủ và các thiết bị USB ngoại vi.