L’USB (Universal Serial Bus) è una specifica studiata per stabilire la comunicazione tra delle apparecchiature e un host controller, generalmente un personal computer. Oggigiorno l’USB ha rimpiazzato un gran numero di interfacce per PC precedenti (come la RS-232, seriale e la porta parallela); data la capacità di dare tensione alle periferiche, spesso l’USB viene utilizzata per caricare degli apparecchi portatili.
Un’architettura di sistema USB consiste in un host controller, alcune porte USB e svariati apparati collegati. Possono anche essere aggiunti hub USB supplementari, consentendo così la ramificazione in una struttura ad albero fino a tre livelli. Questa interfaccia permette la connessione di periferiche di computer come mouse, tastiere, telecamere digitali, PDA, telefoni cellulari, stampanti, lettori di media, lettori di memorie flash, GPS, adattatori di rete e hard disk esterni. Per molte di queste apparecchiature, l’USB è diventato il metodo di connessione standard.
L’interfaccia USB mirava a eliminare la necessità di aggiungere delle schede di espansione nei bus PCI o PCI-Express dei computer, e aumentare le funzionalità Plug&Play, permettendo di aggiungere al sistema o di levare degli apparati esterni senza doverlo riavviare (hot swap).

Ci sono svariati tipi di connettori USB. Il connettore montato sull’host o sull’apparato è chiamato presa e il connettore attaccato al cavo è chiamato spina. La specifica originale USB dettagliava spine e prese degli standard A e B: Al giorno d’oggi ci sono 7 connettori USB: Standard-A, Standard-B, Mini-A, Mini-B, Micro-A, Micro-B.
La piedinatura di Mini-USB e Micro-USB è leggermente differente: lo standard USB utilizza 4 pin, mentre Mini-USB e Micro-USB utilizzano un connettore a 5 pin. Il pin supplementare è usato come indicatore di presenza dell’apparato collegato.

L’USB è un bus seriale che utilizza 4 cavi schermati: due per l’alimentazione (+5V e GND) e due per i segnali dati differenziali (identificati come D+ e D- nella piedinatura). Viene utilizzata la codifica NRZI (Non Return to Zero Invert) per inviare i dati con un campo sync per sincronizzare i clock dell’host e del ricevitore. Nel cavo dati USB i segnali Data+ e Data- sono trasmessi su una coppia twisted, e non è necessaria alcuna terminazione. I segnali differenziali half-duplex aiutano a combattere gli effetti del rumore elettromagnetico nelle linee più lunghe. Contrariamente a quanto comunemente si crede, D+ e D- operano insieme; essi non sono delle connessioni simplex separate. L’USB 2.0 permette una lunghezza dei cavi di 5 metri per apparati che funzionano ad alta velocità.

L’Universal Serial Bus supporta le modalità di trasferimento di tipo Control, Interrupt, Bulk e Isocrona.

Al momento esistono tre versioni di interfaccia USB:

• Rilasciata nel 1996
• Consente data rates di 1.5Mbit/s (bassa banda, utilizzata per lo più per interfacce di input come tastiere, mouse, joystick e spesso i pulsanti su dispositivi ad alta velocità come stampanti e scanner).
• Al giorno d’oggi viene ancora utilizzata per apparecchiature che non hanno bisogno di data rates di trasferimento più veloci.

• Rilasciata nel 2000
• Implementa una velocità dei segnali di 480Mbit/s (alta velocità)
• Compatibile con USB 1.0 ma qualche hardware progettato per l’USB 2.0 non funziona con host controllers USB 1.0

• Rilasciata nel 2008
• Raggiunta la velocità di trasmissione di 5Gbit/s (SuperSpeed)
• USB 1.0 e USB 2.0 condividono la stessa piedinatura del connettore USB 3.0

• Rilasciata nel 2013
• Raggiunta la velocità di trasmissione di 10Gbit/s (SuperSpeed+)
• Per questa interfaccia è stato predisposto il connettore Type-C

Il connettore Type-C ha la caratteristica di essere reversibile, ossia il collegamento è possibile indipendentemente dal verso. Per ottenere questo, il connettore di tipo C è costituito da due file sovrapposte di 12 pin ciascuna.

Un apparato USB deve indicare la sua velocità portando a livello alto (3.3V) o la linea D+ o quella D-. Queste resistenze di pull up sull’apparecchiatura verranno anche utilizzate dall’host o dall’hub per individuare la presenza di un apparecchiatura collegata a una loro porta. Senza una resistenza di pull up, l’USB presume che non ci sia nulla collegato al bus.

Al fine di identificare la velocità massima dell’apparato, questo spesso la specifica sull’involucro con uno dei loghi speciali commerciali USB.

Quando un’apparecchiatura viene collegata per la prima volta, l’host la cataloga e carica il driver necessario a farla funzionare. Il caricamento del driver appropriato viene effettuato tramite una combinazione PID/VID (Product ID/Vendor ID) fornita dall’hardware collegato. Gli host controller USB hanno delle proprie specifiche: UHCI (Universal Host Controller Interface), OHCI (Open Host Controller Interface) con USB 1.1, EHCI (Enhanced Host Controller Interface) con USB 2.0.