Giới thiệu cổng USB

USB - 10 năm ra đời

2005 là năm thứ 10 kể từ khi phương thức kết nối USB chính thức ra mắt. Phương thức truyền dữ liệu này giờ đã trở thành phổ biến trong công nghệ thông tin, viễn thông và điện tử gia dụng. Nhưng ít ai biết được quá trình phát triển, những thời khắc đáng nhớ cũng như những kỷ niệm khó quên về nó.

USB chi phối cấu hình mạng máy tính truyền thông hiện tại và tương lai.
	Các mốc son lịch sử
2005	Giới thiệu USB không dây
2001	Giới thiệu USB OTG
2000	USB thực sự trở thành trào lưu chính. Giới thiệu USB 2.0.
1998	Ra mắt USB 1.1. Apple giới thiệu máy iMac chỉ sử dụng cổng USB.
1997	Có 500 sản phẩm trang bị USB trên toàn cầu. USB-IF có 400 thành viên.
1996	Sản phẩm trang bị USB đầu tiên ra mắt. Ra mắt chuẩn USB 1.0.
1995	Intel giới thiệu USB silic đầu tiên. USB-IF có 340 thành viên.
1994	Thành lập nhóm công ty khai sinh USB.

10 năm qua đã chứng kiến sự hình thành và phát triển một công nghệ truyền dẫn có tên gọi hiện đã trở thành rất đỗi quen thuộc trong giới truyền thông đó là kết nối USB (Universal Serial Bus). Trong những năm đầu tiên ra mắt, nhiều người cho rằng USB không thể trở thành công nghệ dẫn đầu. Ngoài mục đích để kết nối các máy tính và các thiết bị thông tin và viễn thông lại với nhau, loại hình này nay đã trở thành phương tiện truyền dẫn phổ thông nhất để kết nối thiết bị chủ với các thiết bị ngoại vi, bao gồm cả các thiết bị điện tử gia dụng. Ngay từ khi ra đời, USB đã đóng một vai trò quan trọng trong việc kết nối của máy tính desktop và các thiết bị ngoại vi.

Tiểu sử của USB là một câu chuyện dài khá hấp dẫn và có hậu. Năm 1995, USB chính thức được một nhóm gồm 7 hãng viễn thông, máy tính hàng đầu thế giới “trình làng”, và giờ đây, nó đã trở thành một loại hình kết nối phổ quát nhất không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ thông tin mà còn được sử dụng để hỗ trợ kết nối cho các thiết bị viễn thông và điện tử gia dụng. Hiện nay, USB đã trở thành thân thuộc đến mức bạn có thể dễ dàng thấy rằng đa số các sản phẩm điện tử đều được trang bị kết nối này.

Nhóm gồm 7 đại gia “tiến cử” USB gia nhập thế giới thiết bị truyền dẫn dữ liệu là Compaq, Digital Equipment Corporation (DEC), IBM, Intel, Microsoft, NEC và Northern Telecom. Từ khi ra mắt USB từ cách đây 10 năm, DEC đã bị Compaq mua rồi lại hợp nhất với hãng HP (Hewlett Packard). Ngày nay, Hiệp hội USB (USB-IF) 1.000 thành viên được định hướng bởi các hãng hàng đầu như Agere, Intel, HP, Microsoft, NEC và Philips; và trong số này chỉ còn lại 3 trong 7 hãng đỡ đầu cho “đứa con chung” USB từ lúc khai sinh đến giờ.

Hướng phát triển của kết nối USB nhìn theo logo (từ dưới lên, bên phải sang).

Không như các giao diện kết nối song song (parallel), tuần tự (serial), PS/2 và các cổng game thông thường, USB có khả năng thiết lập một loại kết nối đồng nhất cho tất cả các thiết bị ngoại vi trang bị USB đến máy tính cá nhân (PC). Về mặt lý thuyết, đường truyền đơn lẻ này lại có thể được thay thế bằng một khối kết nối USB đa cổng lắp ngoài cho phép tới 127 thiết bị ngoại vi có thể lần lượt nối vào một cổng USB đơn bên ngoài nhờ các HUB USB đa cổng.

Trong những ngày sơ khai, USB được các hãng đỡ đầu tiến hành thử nghiệm kết nối các sản phẩm với nhau, thời khắc này đã trở thành sự kiện quan trọng mà những người thân sinh ra USB gọi mốc sự kiện lịch sử này là Ngày hội kết nối hay “Plugfest“. Sẽ không ai tưởng tượng được cảm giác của những người chứng kiến đội ngũ kiểm chứng viên lúc đó, đến từ hơn 50 công ty thành viên của USB-IF trực tiếp đến kiểm nghiệm, họ hồ hởi đi từ phòng này sang phòng khác chỉ để chứng thực tác phẩm diệu kỳ này.

Sau đó, họ đã phải mất 3 ngày để cùng nhau chính thức kiểm thử kết nối các sản phẩm USB mới nhất vào hệ thống máy chủ trung tâm. Lúc đó, 10 thiết bị đã kết nối thành công với một PC mà không hề có trục trặc hay xung đột hệ thống, các nhà phát triển công nghệ thực sự đã có thể ăn mừng. Thêm nhiều thiết bị khác được nối với PC chạy hệ điều hành Windows. Trong suốt quá trình thử nghiệm, người ta thống kê được có 127 thiết bị đã kết nối thành công với máy tính, tuy nhiên trong số đó hầu hết là chuột dùng cổng USB.

Biểu trưng (logo) của USB quá quen thuộc với các bạn như ngày nay cũng đã lấy đi nhiều tháng của các đơn vị khai sinh ra nó.

Không chỉ là kết nối

Ban đầu, các nhà sản xuất PC hàng đầu khá thận trọng không thay thế toàn bộ các cổng nối vốn có bằng USB, tức là họ sử dụng song song cả loại hình USB mới đến và các kết nối cổ truyền. Năm 1998, Apple mạnh dạn giới thiệu dòng máy tính iMac, lần đầu tiên sử dụng tất cả các kết nối đều là USB. Họ iMac G5 ngày nay cũng chỉ bao gồm toàn các cổng USB 2.0 (480 Mb/s) và các cổng Fi-Wi IEEE 1394, nhằm hỗ trợ tốt nhất các ứng dụng tốc độ cao.

Apple iMAC G5 chỉ sử dụng kết nối USB và Wi-Fi.

Tuy nhiên, hầu hết các máy tính cá nhân ngày nay vẫn để cả USB và các cổng nối khác song song tồn tại. Bởi vì các thiết bị ngoại vi dùng các cổng nối khác USB vẫn còn rất phổ biến trên thị trường và giá thành của chúng cũng hấp dẫn hơn.

Mặc dù ban đầu tiềm năng của USB chưa được đánh giá một cách đầy đủ, nhưng ngày nay các cổng nối USB đã trở thành giao diện phổ biến nhất cho hầu hết các ứng dụng như máy in, máy quét ảnh, tải nhạc MP3, và đồng bộ hoá PDA. Hầu hết các PDA nổi tiếng như RIM BlackBerry và HP iPAQ, đều chọn USB là giao tiếp để đồng bộ hoá với PC.

Ổ nhớ USB 5 GB của Seagate.

USB giờ đây có sức ảnh hưởng rất lớn tới PC. Từ năm 2004, hầu hết các nhà sản xuất PC đều loại bỏ ổ đĩa mềm cho các máy tính để bàn để thay bằng ổ đọc đĩa USB. Từ lúc đó, USB đã và đang trở thành một thiết bị lưu trữ điển hình là ổ cứng USB EZ bus mini tốc độ cao 20 GB của Apricorn hay ổ USB bỏ túi 5 GB của Seagate.

Đèn rọi bàn phím cổng USB của Kensington.

Khả năng được áp dụng rộng rãi như ngày nay cũng như những ứng dụng “ngoại lai” mà USB hiện đang kiêm nghiệm đều ngoài sự tiên đoán của Hiệp hội USB. Ví dụ, cổng USB còn được làm thiết bị nối nguồn cho máy hâm nóng cafe, hay dây nguồn của đèn bàn phím dành cho máy tính xách tay được Kensington chế tạo thành công. Các ứng dụng hữu ích khác của USB bao gồm các adapter như điều khiển từ xa, chuyển đổi USB sang Bluetooth, chuyển đổi USB sang các cổng tuần tự (serial).

Ổ cứng USB của Apricorn.

Nhiều máy tính sử dụng hệ điều hành Windows ME và XP của Microsoft đều được tích hợp ổ cứng USB thay cho các loại ổ cứng thông thường, đây cũng trở thành một hướng phát triển mới của USB. Điển hình là Apricorn tung ra loại ổ cứng USB dung lượng nhớ 20 GB. Hãng M-Systems còn ra mắt loại thẻ nhớ flash USB đầu tiên thuộc loại 100% cắm vào là sử dụng luôn hay còn gọi là “plug&play”. Loại thẻ nhớ này tự động định dạng cấu hình khi cắm vào các PC chạy Windows ME/XP, không cần cài đặt hay tìm hiểu bất kỳ một phần mềm hỗ trợ nào khác. Trước đây, bao giờ bạn cũng phải cài đặt một phần mềm driver hỗ trợ thì mới có thể đọc được dữ liệu lưu bên trong thẻ nhớ.

Thẻ nhớ USB còn được tích hợp vào đồng hồ, vào dao gấp, điển hình là ý tưởng của người Thuỵ Sỹ với thẻ nhớ USB tích hợp vào dao gấp có tên gọi SWISSMEMORY do công ty Swissbit cung cấp.

Dao gấp du lịch tích hợp thẻ nhớ USB của Swissbit.

Ngày nay, USB trở thành giao diện tiện ích với nhiều ứng dụng khác nhau, cho phép lưu trữ dữ liệu dễ dàng, gửi ảnh số từ camera, dễ dàng kết nối với máy quét ảnh (scanner), tải nhạc tới máy MP3, lưu dữ liệu vào thẻ nhớ… Ông Steve Whalley, Giám đốc Tiếp thị USB 1.0 của Intel kiêm chức Chủ tịch Hiệp hội USB suốt thời gian duy trì các sản phẩm USB chuẩn 1.1, nhắc lại chìa khoá thành công của USB: “USB đã có một khái niệm rõ ràng và được tập trung khai thác các tính năng kết nối tiện dụng thông thường, khởi đầu từ các kết nối ngoại vi tới PC rồi dần dần mới được phát triển, mở rộng ứng dụng rộng rãi và phong phú như hiện nay”.

Ngày nay hầu hết các máy tính đều được trang bị một hoặc nhiều cổng USB (Universal Serial Bus). Các cổng USB (USB connector) giúp người sử dụng gắn mọi thiết bị như chuột, máy in với máy tính nhanh và dễ dàng hơn. Do các hệ điều hành đều hỗ trợ USB nên việc cài đặt các thiết bị thật sự nhanh về dễ dàng.

So với cách kết nối các thiết bị với máy tính dùng cổng song song (Parallel Port), dùng cổng nối tiếp (Serial Port) hay dùng các Card đặc biệt được thiết kế cài đặt sẵn bên trong máy tính thì USB nhanh hơn nhiều.

Với các máy tính được sản xuất vài năm trước đây, các kết nối từ thiết bị ngoại vi tới máy tính luôn làm người sử dụng đau đầu và vấn đề này đã được USB cố gắng giải quyết:

• Máy in được nối với máy tính qua cổng song song trong khi hầu hết các máy tính chỉ được trang bị một cổng này. Sẽ rất khó khăn nếu sử dụng thêm ổ Zip, luôn đòi hỏi tốc độ kết nối cao với máy tính và cần thiết phải dùng cổng song song.
• Modem được nối với máy tính qua cổng nối tiếp giống như một vài dạng thiết bị khác như Digital Camera, Palm Pilots trong khi mỗi máy tính thường chỉ có hai cổng nối tiếp và chúng rất chậm.
• Các thiết bị đòi hỏi các kết nối nhanh hơn như các Card đặc biệt được cắm trực tiếp vào khe cắm (Slot) trên bo mạch. Thực tế số lượng các khe cắm (Slot) là có hạn và cần phải cài đặt các phần mềm cho thiết bị này.

Mục đích của USB là giải quyết các vấn đề của người sử dụng khi các cổng kết nối trên không hiệu quả. USB cung cấp cho người sử dụng khả năng kết nối chuẩn, dễ dàng với 127 thiết bị trên cùng một máy tính. Mọi thiết bị ngoại vi hiện nay đều có thể kết nối trên cùng một phiên bản USB chẳng hạn như: máy in, máy quét ảnh, chuột, Joystick, Digital Camera, Webcam, Modem, loa, điện thoại, Network Connection, thiết bị lưu trữ thông tin (ổ Zip)…

Việc nối một thiết bị với máy tính qua USB hết sức đơn giản, chỉ việc cắm các đầu nối của thiết bị với các cổng USB trên máy tính. Nếu thiết bị được kết nối với máy tính lần đầu, hệ điều hành sẽ tự động dò tìm và yêu cầu nạp đĩa Driver. Với thiết bị đã được cài đặt, máy tính tự động kích hoạt và kết nối với thiết bị. Các thiết bị kết nối qua USB có thể thiết lập hay ngắt kết nối bất kỳ lúc nào. Nhiều loại thiết bị USB được chế tạo liền với cáp nối với hai kiểu đầu nối “A Connection” và “B Connection”.

Chuẩn USB sử dụng “A Connection” và “B Connection” trong hai trường hợp cụ thể sau:

• Đầu nối “B Connection” dùng trong “Downstream” và nối các thiết bị đơn lẻ với máy tính.
• Đầu nối “B Connection” dùng trong “Downstream” và nối các thiết bị đơn lẻ với máy tính.

Thông thường các máy tính hiện nay chỉ có một hoặc hai khe cắm USB (USB Socket). Ngày nay với đa số các thiết bị đều sử dụng USB, máy tính rất dễ bị thiếu khe cắm. Ví dụ, trên máy tính có các thiết bị như: máy in, máy quét, Webcam, Network Connection sử dụng USB trong khi máy tính chỉ có một cổng USB (USB Connector).

Để giải quyết vấn đề này, chỉ cần lắp thêm một USB Hub. Chuẩn USB hỗ trợ tới 127 thiết bị và USB Hub là một trong số này. Các Hub này thường có bốn cổng nhưng cũng có thể có nhiều hơn tuỳ thuộc từng loại. Chỉ cần cắm USB Hub vào máy tính sau đó cắm các thiết bị hoặc Hub khác vào các cổng trên USB Hub.

Hub có hai loại: loại có cung cấp nguồn và không cung cấp nguồn điện cho thiết bị cắm vào Hub. Chuẩn USB cho phép các thiết bị sử dụng nguồn điện từ cổng USB. Các thiết bị như máy in, máy quét sử dụng nguồn điện riêng cung cấp từ bộ nguồn (Power Supply) của chúng trong khi các thiết bị sử dụng rất ít điện năng như chuột, Digital Camera lại dùng điện năng (khoảng 500mA - 5V) từ Bus.

Nếu máy tính kết nối với nhiều thiết bị sử dụng nguồn điện riêng (Máy in, máy quét…) thì USB Hub không cần thiết phải là loại cung cấp được nguồn điện. Nếu máy tính kết nối với nhiều thiết bị không có nguồn điện riêng (Chuột, Digital Camera) thì Hub nhất thiết phải có khả năng cung cấp nguồn cho các thiết bị này. Trên Hub có một bộ phận như biến thế để cung cấp dòng điện tới Bus và làm máy tính không bị quá tải.

 Các đặc điểm của USB bao gồm:

• Máy tính hoạt động như một Host.
• Có tới 127 thiết bị có thể kết nối vào máy tính bao gồm cả nối trực tiếp hay qua USB Hub.
• Các cáp USB (USB Cable) của từng thiết bị có thể dài tới 5m hay 30m với Hub.
• Chuẩn USB2.x cho phép truyền dữ liệu trên Bus tới tốc độ 480 Mbps.
• Một cáp USB có hai dây cung cấp điện và một đôi dây xoắn truyền dữ liệu.
• Trên dây cung cấp điện năng, điện áp có thể lên tới 500mA - 5V.
• Các thiết bị sử dụng ít điện năng được cung cấp điện năng trực tiếp từ Bus. Các Hub có thể cung cấp điện năng cho các thiết bị nối với nó từ nguồn điện riêng của chúng.
• Các thiết bị USB có khả năng hoán đổi nhanh, có thể cắm vào hay rút ra khỏi Bus bất kỳ lúc nào.
• Các thiết bị USB có thể đặt ở chế độ “ngủ” (Sleep Mode) khi máy tính chuyển sang chế độ Power-Saving.

Các thiết bị nối với cổng USB dùng cáp USB để truyền tải dòng điện hay dữ liệu. Khi máy tính hoạt động, nó truy vấn tới tất cả các thiết bị nối vào Bus và gán cho mỗi thiết bị một địa chỉ. Quá trình này được gọi là liệt kê các thiết bị. Máy tính cũng sẽ tìm ra cách truyền dữ liệu của từng thiết bị:

• Interrupt: Các thiết bị như bàn phím gửi lượng dữ liệu rất nhỏ và ngắt đoạn sẽ được chọn kiểu Interrupt Mode.
• Bulk: Các thiết bị như máy in thường nhận những gói dữ liệu lớn, dùng kiểu Bulk Transfer Mode. Từng đoạn dữ liệu (64 Byte) được gửi tới máy in và được kiểm tra tính chính xác.
• Isochronous: Các thiết bị truyền dữ liệu theo dạng Stream như loa sẽ dùng Isochronous Mode. Dữ liệu tức thời được truyền giữa thiết bị và máy tính và không có cơ chế sửa lỗi.

Máy tính cũng có thể gửi đi các lệnh hay truy vấn các thông số với các gói Control Packet. Khi một thiết bị được máy tính liệt kê, máy tính sẽ giành tới 90% băng thông (Bandawidth) phục vụ các yêu cầu của các thiết bị kiểu Interrupt và Isochronous. Sau khi dùng 90% của 480 Mbps băng thông, máy tính sẽ từ chối các truy nhập của bất kỳ thiết bị kiểu Interrupt hay Isochronous nào khác. Các Control Packet và thiết bị kiểu Bulk Transfer sẽ sử dụng khoảng 10% băng thông còn lại.

USB phân chia băng thông thành các Frame và máy tính sẽ điều khiển các Frame này. Mỗi Frame chứa 1.500 Byte và Frame mới được sinh ra sau mỗi mili giây. Trong một Frame, các thiết bị kiểu Isochronous và Interrupt phân chia thành các khe nên chúng đảm bảo được băng thông cần thiết trong khi các thiết bị Bulk Transfer và Control Packet sử dụng phần băng thông còn lại.

Chuẩn USB2.0 xuất hiện vào tháng Tư năm 2000 và được nâng cấp từ USB1.1. USB2.0 cung cấp thêm băng thông cho các ứng dụng Multimedia và lưu trữ có tốc độ truyền dữ liệu lớn gấp 40 lần so với USB1.1. Để việc chuyển từ chuẩn USB1.1 sang USB2.0 thuận tiện cho cả người sử dụng và nhà sản xuất, USB2.0 được thiết kế hoàn toàn tương thích và làm việc được với cáp cũng như cổng nối của thiết bị USB nguyên thuỷ.

USB2.0 hỗ trợ ba chế độ truyền dữ liệu: 1,5Mbps, 12Mbps và 480Mbps. Ngoài ra USB2.0 hỗ trợ các thiết bị băng thông thấp như bàn phím và chuột cũng như các thiết bị băng thông lớn như Webcam, máy in, máy quét ảnh và hệ thống lưu trữ.