Сегодня практически ни одно устройство не может обойтись без USB. Порты этого стандарта присутствуют не только на компьютерах, но и на мультимедийном оборудовании, аудиовизуальном оборудовании и даже бытовой технике. Они используются для быстрой передачи данных из внешней памяти, а также для питания и зарядки.
Универсальная последовательная шина
USB (Universal Serial Bus) в настоящее время, пожалуй, самый популярный способ подключения компьютерного оборудования.
Интерфейс разработан для стандартизации взаимодействия периферийных устройств с компьютером. Все предположения были реализованы, и USB успешно заменил традиционные последовательные и параллельные порты, разъёмы PS/2 (здесь вы также можете использовать адаптер USB-PS/2) или даже более старый DIN.
USB также обычно используется для зарядки или питания различных портативных устройств, от телефонов до планшетов, плееров и сетевых устройств, для освещения и даже нагревателей, вентиляторов и мини-пылесосов. За прошедшие годы стандарт USB претерпел изменения, обновления и улучшения для удовлетворения растущих требований к скорости передачи данных и эффективности энергопотребления.
Однако, не объединяйте стандарт с используемыми разъёмами. Форма штекера не указывает на USB. Это две совершенно разные проблемы. Разъемы менялись независимо.
Развитие USB
До эры USB практически каждое внешнее устройство должно было быть подключено к ПК с помощью своего собственного кабеля. Каждый раз приходилось устанавливать другие драйверы и перезагружать систему много раз в течение этого процесса. Всё это вызывало проблемы, требовало почти секретных знаний и ограничивало широкое использование компьютеров среди домашних пользователей.
Работа над новым интерфейсом началась в начале 90-х годов, когда инженер Intel Аджай Бхатт решил, что использование компьютерной периферии должно быть намного проще. Ему удалось убедить работодателя, коллег и другие компании принять его точку зрения, а через несколько лет определить параметры и возможности стандарта и представить первые устройства.
Во время своей работы у него была одна мысль: «Вы берете устройство, подключаете его к компьютеру, и оно работает». Помимо Intel, в разработке стандарта также участвовали такие компании, как Compaq, DEC, IBM, Microsoft, NEC и Nortel.
Начало эры USB
Cтандарт USB был определен в конце 1995 года, и с 1996 года стали появляться компьютеры с новыми портами. Microsoft добавила поддержку USB в Windows 95 OSR2.1, но система требовала специального обновления. Первый большой показ рабочих устройств состоялся на выставке Comdex в Лас-Вегасе в 1998 году.
Apple не участвовала в работе над стандартом, но именно эта компания впервые представила компьютер, оснащенный только USB-портами в том же году. Всё стало быстро меняться, когда появилась Windows 98. Рынок был «наводнен» различными устройствами нового стандарта.
Интерфейс USB предлагал возможность самоконфигурации, это означало, что пользователю не нужно корректировать настройки, такие как прерывания или адреса памяти (до эры USB это было проклятием пользователей).
Более того, стандарт даже не предоставляет интерфейс. Стандартизованные разъемы гарантируют удобное подключение, а устройства, использующие стандарт, можно включать и выключать без перезагрузки компьютера. USB также позволяет избавиться от некоторых шнуров питания. Кроме того, благодаря необходимой сертификацией, пользователю гарантируется, что оборудование с логотипом USB будет работать так, как заявлено производителем.
Преимущество USB
Дополнительным преимуществом USB является возможность подключения нескольких внешних устройств к одному разъему. Один контроллер USB может обрабатывать 127 подключений. Чтобы сделать возможным подключение такого количества кабелей вообще, используются специальные концентраторы со многими выходами. Концентраторы могут быть каскадированы до пяти уровней. Концентратор может быть частью компьютера, отдельным устройством или внешним оборудованием – монитором или клавиатурой.
Максимальная длина USB-кабеля для стандартов USB 1.x и 2.x ограничена 5 метрами. Для версии 3.x стандарт ничего не говорит о длине, но определяет электрические требования, которым должно соответствовать соединение. Используя медные провода, на практике получается примерно 3 метра.
По прошествии более двадцати лет мы пришли к третьей версии стандарта USB, а готовится четвертая. Скорость передачи данных с использованием этого интерфейса за это время увеличилась в несколько тысяч раз, а разъёмы, использованные за эти годы, несколько раз меняли свой внешний вид.
USB: быстро, быстрее, ещё быстрее
Первая версия стандарта USB имела две скорости передачи данных. USB 1.0 позволил достичь скорости 12 Мбит/с (Full Speed) и 1,5 Мбит/с в режиме низкой скорости. Как отмечает Аджай Бхатт, переход в более медленный режим, вероятно, «спас» USB от сбоев. Первоначально он не был предусмотрен и был добавлен только по просьбе разработчиков программного обеспечения Microsoft.
Планируя поддержку мыши в Windows, они пришли к выводу, что 12 Мбит/с – это «слишком быстро». Они предсказали, что более быстрый режим работы может потребовать экранирования кабелей, а это означает, что кабели компьютерных мышей станут слишком жесткими для комфортной работы, а затраты на их производство будут слишком высокими.
Они решили, что если стандарт не будет использовать более низкие скорости, они не смогут реализовать его в системе. После обновления стандарта до версии 1.1 в 1998 году электрические параметры разъёма были улучшены, что облегчило передачу сигналов на большие расстояния.
В 2000 году была опубликована спецификация USB 2.0. Так называемый режим Hi Speed был добавлен к двум предыдущим режимам. Это позволило передавать данные со скоростью 480 Мбит/с. В дополнение к более высокой производительности были введены новые разъемы и усовершенствованы стандарты электропитания.
В новой версии точно определен способ загрузки. Максимальный ток, который мог протекать через разъем, составлял 500 мА. В то же время два устройства могут быть подключены друг к другу без использования хоста.
USB 2.0 правил на рынке компьютерных разъёмов в течение следующих 10 лет.
С 2010 года пользователи могут использовать третий вариант USB. За прошедшее время было выделено несколько поколений этого стандарта, а названия были изменены несколько раз. В базовой версии 3.0 появился режим Super Speed, позволяющий передавать данные со скоростью 5 Гбит/с. С 2013 года данные могут передаваться со скоростью 10 Гбит/с. Это, так называемый, режим Super Speed+, известный по USB 3.1. Спецификация варианта USB 3.2, опубликованная в 2017 году, увеличила скорость передачи в режиме Super Speed+ до 20 Гбит/с.
В конечном итоге, USB 3.0 получил название USB 3.2 Gen1, USB 3.1 – USB 3.2 Gen2, а USB 3.2 – USB 3.2 Gen2x2. В соответствии с рекомендациями организации по стандартизации USB, производители устройств должны помечать розетки и вилки Super Speed синим цветом и логотип SS.
Сила USB
Силу тока в разъёмах типа A и B стандарта USB 3.2 увеличили до 900 мА (1,5 A для разъемов питания). Разъём C, который заменяет все другие более ранние разъемы, однако, допускает максимальный ток 3А при стандартном напряжении 5В. Розетки питания USB в этой версии имеют напряжение 20В и максимальный ток 5А. В результате вы можете получить до 100 Вт мощности. Этого достаточно, например, для питания ноутбука.
Постоянно возрастающие требования к эффективности передачи данных привели к потребности в разработке нового стандарта. Спецификация USB 4 была опубликована в 2019 году, а первые устройства должны появиться во второй половине этого года. Максимальная производительность разъёма составляет 40 Гбит/с. USB 4 основан на протоколе Thunderbolt 3 и полностью совместим с ним.
Путаница с розетками USB
В первой версии USB предусмотрены только два типа разъемов стандартного размера – штекеры плоского сечения, обозначенные как тип A, и вилка квадратной формы, обозначенная как тип B.
Беспорядок пришёл с USB 2.0. К стандартному размеру присоединились мини- и микро-. Мини-размер имел три варианта – A, B и AB, а микро-размер два – A и B. Мини-вариант был создан для работы мобильных устройств. Однако, он был очень «урезан» производителями, поэтому необходимо было снова адаптировать розетки и вилки. Тогда был представлен микро-разъём с толщиной около половины мини.
Начиная с версии USB 3.0, используются только традиционные, стандартные вилки и розетки A и B. Сокеты Micro B всё ещё встречаются, но исчезнут с популяризацией стандарта 3.2, то есть, в соответствии с текущим наименованием, – 3.2 Gen2x2.
Здесь царит разъем USB-C и будет единственным в случае стандарта USB 4.0
Разъёмы и вилки USB 2.0 и 3.0 A совместимы друг с другом. Порты USB 3.0 типа B немного крупнее, чем в версии 2.0, и позволяют подключать более крупные разъемы 3.0 B и меньшие 2.0 B. Однако, разъемы 3.0 B не соответствуют входу 2.0. Разъемы B на микро версии идентичны для USB 2.0 и для USB 3.0. USB-C больше не совместим со своими предшественниками. Как видите, очень легко потеряться среди типов USB-разъемов.
Тот, кто ожидает разумных и недвусмысленных меток в этих джунглях, будет разочарован. Спецификация USB не предоставляет, например, цветового кода отдельных разъёмов. Мы уже писали, что единственное обозначение, которое оно предлагает производителям (но не требует), – это синий цвет суперскоростных портов, т.е. начиная с версии 3.0 и выше. Другие цвета розеток и вилок, которые иногда встречаются в разных устройствах, обычно являются маркировкой, принятой отдельными производителями.
Подводя итог, можно сказать, что черный разъем и черный штекер – это USB 2.0, а синий порт – вариант 3.x, тогда как фиолетовый или зеленый могут, хотя и не обязательно, означать разъём для быстрой зарядки с более высоким током. Оранжевый или красный цвета часто являются портами, которые позволяют заряжать устройство, в то время как компьютер или ноутбук, оборудованный этой розеткой, находится в спящем состоянии (так называемые, спящие и зарядные порты). Однако, чтобы всё не казалось таким простым, оранжевый иногда означает порты быстрой зарядки Qualcomm Quick Charge (QQC), стандарт для зарядки мобильных устройств с более высокой производительностью, чем указано в спецификации USB.
USB и Thunderbolt
Thunderbolt – это конкурирующая технология для подключения устройств и передачи данных. Первоначально разработанный отдельно, начиная с версии 3, он частично подключается к USB 3.x. Пока только общий доступ к тому же разъему USB-C. У Thunderbolt лучшие параметры по сравнению с USB 3.2 Gen2x2. Максимальная скорость передачи, которой достигает Thunderbolt 3, составляет 40 Гбит/с. Протокол позволяет подключить два 4K-монитора и отправить на них картинку с частотой 60 Гц, питание устройств напрямую из порта. Вы даже можете использовать его для подключения внешних видеокарт.
USB 3.2 даёт только половину указанной скорости передачи данных, возможность подключения только одного 4K-монитора и отсутствие подключения цепочки устройств. Thunderbolt 3 имеет те же возможности, что и USB 3.2, но USB 3.2 не может делать то, что делает Thunderbolt. Если Thunderbolt 3 не может, например, идентифицировать устройство как аппаратное обеспечение Thunderbolt, он попытается подключиться к нему по протоколу USB.
USB 4 будет полным эквивалентом Thunderbolt 3. Оба стандарта будут полностью интегрированы друг с другом и будут иметь практически одинаковые возможности. Весьма вероятно, что Thunderbolt 3 исчезнет с рынка. Тем не менее, нет точной и достоверной информации о том, какие изменения планирует Intel в отношении стандарта Thunderbolt 4.
