Omówienie standardów USB od wersji 1.0 do 4.0

(Źródło ilustracji: Same Sky)

Uniwersalna magistrala szeregowa, określana częściej skrótem USB, jest prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalnym standardem połączeń na współczesnym rynku. Mimo to wiele osób, zwłaszcza nie związanych ze społecznością technologiczną, nie zastanawia się, na czym polega standard USB. Mówiąc najprościej, „magistrala” to sposób przesyłania danych lub zasilania pomiędzy różnymi komponentami w systemach elektronicznych, natomiast termin „szeregowa” wskazuje, że dane są przesyłane kolejno po jednym bicie w tym samym przewodzie (lub kilku przewodach). Zatem USB jest standardem technicznym, który określa „uniwersalne” specyfikacje dla złączy i kabli służących do łączenia różnych urządzeń w systemach elektronicznych.

Od 1996 roku standard USB jako prosty i wygodny sposób łączenia i przesyłania danych pomiędzy urządzeniami rozwinął się i oferuje obecnie nowe funkcje. Przed jego wprowadzeniem na rynek w latach 90. połączania były skomplikowane i charakteryzowały się niską prędkością przesyłu danych. Przez 25 lat ciągłych udoskonaleń i zmian, USB Implementers Forum (USB-IF) wprowadziło w technologii USB funkcje połączeń, które pierwotnie wydawały się poza zasięgiem, zwiększając prędkość przesyłu danych, przenoszone moce i nie tylko. Ciągłe udoskonalenia oznaczały jednak wprowadzenia nowych standardów, aktualizacji istniejących standardów i opracowania konwencji nazewnictwa. Z tego względu nadążenie za najnowszymi standardami USB może być trudne. W artykule przedstawiono szczegółową historię standardów USB i wyjaśniono najnowsze konwencje nazewnictwa USB.

Połączenia przed technologią USB

Jak już wspomniano, przed wprowadzeniem USB normą były niskie szybkości przesyłania danych, od 100kB na sekundę dla połączeń równoległych do 450kb na sekundę dla połączeń szeregowych. Producenci komputerów nie tylko używali zarówno portów szeregowych, jak i równoległych, ale również dostępne były różne zastrzeżone wtyczki, złącza i kable, które często wymagały specjalnych kart i sterowników. Dodatkowo możliwości przełączania i podłączania działających urządzeń były ograniczone. Podłączenie urządzeń wymagało wyłączenia sprzętu, a następnie ponownego jego włączenia.

Organizacja USB-IF rozpoczęła prace nad standardem USB w 1994, tworząc kilka wersji wstępnych (USB 0.8 and 0.9), które zostały zaprezentowane, jednak nie były komercyjnie dostępne. W 1995 stworzono ostatnią wersję wstępną standardu USB 0.99, która również nie była komercyjnie dostępna.

USB 1.0 oraz 1.1

USB 1.0 to pierwsze główne wydanie standardu USB w 1996 roku. Oferowało ono szybkość przesyłania danych 1,5Mbps w trybie niskiej prędkości oraz 12Mbps przy pełnej prędkości. Pomimo że standard USB 1.0 umożliwiał przełączanie w czasie pracy i samoczynnej konfiguracji, ta pierwsza dostępna komercyjnie wersja USB nie zdobyła wielkiej popularności.

Dwa lata później, w roku 1998, wprowadzono standard USB 1.1. Charakteryzował się parametrami przesyłania danych standardu USB 1.0, jednak mógł pracować z niższymi prędkościami w przypadku urządzeń o niższej przepustowości. Dzięki oznaczeniu Full Speed, standard USB 1.1 został zastosowany w komputerach iMac G3 firmy Apple zamiast portów szeregowych i równoległych. To utorowało drogę do szerszego wykorzystania standardów USB. USB 1.0 oraz 1.1 określały również standardy fizycznych złączy USB Type A i Type B.

Ilustracja 1: standardy złączy USB Type A oraz Type B. (Źródło ilustracji: Same Sky)

USB 2.0

Początek XXI wieku przyniósł rosnące zapotrzebowanie na wyższe szybkości przesyłania danych ze względu na rosnącą popularność komputerów PC i różnych urządzeń peryferyjnych. Z tego powodu w kwietniu 2000 r. na rynku pojawiła się technologia USB 2.0. Standard ten pozwalał na przesył danych z szybkością 480Mbps, jednak ograniczenia magistrali obniżały tę wartość do 280Mbps. Standard USB 2.0 otrzymał nazwę High Speed i był kompatybilny wstecz z poprzednimi standardami i ich prędkościami 1,5 i 12Mbps. Od tego momentu coraz popularniejsze stało się wykorzystywanie technologii USB jako źródła zasilania. Oferowane było standardowe zasilanie do 500mA przy 5V.

W standardzie USB 2.0 wprowadzono technologię USB On-the-Go, która umożliwiała współpracę dwóch urządzeń bez potrzeby użycia oddzielnego hosta USB. Do tego czasu połączenia USB zawsze realizowane były pomiędzy hostem (komputerem) i urządzeniem peryferyjnym (myszą, klawiaturą, urządzeniem muzycznym itp.).

Jeżeli chodzi o standardy złączy fizycznych, USB 2.0 jest zgodne ze złączami USB Type A, B i C, a także Mini oraz Micro A i B. Jednak fizyczne złącza Micro A i B oraz Type C zostały wprowadzone wiele lat później, odpowiednio w roku 2007 i 2014.

USB 3.0

Począwszy od wersji USB 3.0 standardy USB przeszły kilka modyfikacji i zmian konwencji nazewnictwa. Aby nie wprowadzać zamieszania, będziemy odnosić się do standardów używając ich pierwotnie wprowadzonych nazw, a następnie objaśnimy bardziej szczegółowo najnowsze konwencje nazewnictwa.

Wprowadzony na rynek w 2008 roku standard USB 3.0 obsługiwał przesyłanie danych z prędkością do 5Gbps, jednak uzyskiwane prędkości były raczej zbliżone do 3Gbps. Standard USB 3.0 otrzymał nazwę SuperSpeedUSB i zawierał osiem linii połączeniowych - dwa razy więcej w porównaniu do sprzętu USB 2.0. Pozwalał na dwukierunkowe przesyłanie danych i był kompatybilny wstecz z USB 2.0. Standard ten zwiększał również możliwości zasilania do 900mA przy 5V. Warto także zauważyć, że sprzęt standardu USB 3.0, jak na przykład złącza USB 3.0 Type A i B są oznaczone kolorem niebieskim, co ułatwia zapewnienie zgodności.

Po wprowadzeniu konwencji nazewnictwa USB 3.2, standard USB 3.0 jest obecnie znany jako USB 3.2 Gen 1.

USB 3.1

Identycznie do USB 3.0, przejściowy standard USB 3.1 wprowadzony w roku 2013 po prostu podwajał szybkość przesyłu danych do 10Gbps. Otrzymał on nazwę SuperSpeed+ i w pewnym momencie funkcjonowała dwojaka konwencja nazewnictwa: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) oraz USB 3.1 Gen 2. Po wprowadzeniu konwencji nazewnictwa USB 3.2, standard USB 3.1 Gen 2 jest obecnie określana jako USB 3.2 Gen 2.

USB 3.2

Wprowadzony we wrześniu 2017 roku standard USB 3.2 zastąpił konwencje nazewnictwa USB 3.0 oraz 3.1 i wprowadził trzecią klasę szybkości danych do 20Gbps. Oznaczany jako USB 3.2 Gen 2x2, standard ten wykorzystuje w pełni dwutorowe kanały przesyłania danych złącza USB Type-C®, które mogą przesyłać 10Gbps w każdym kierunku z użyciem dwóch par przewodów. Często zdarza się także, że dwie niższe klasy standardu USB 3.2 są określane jako USB 3.2 Gen 1x1 lub USB 3.2 Gen 2x1, co po prostu dostarcza dodatkowego kontekstu w odniesieniu do liczby wykorzystywanych linii danych.

Aby jeszcze bardziej uprościć sprawy, organizacja USB-IF opracowała zaktualizowane nazwy dla poszczególnych klas, które składają się ze znanej nazwy SuperSpeed USB, po której następuje graniczna szybkość przesyłanie danych. W poniższej tabeli 1 zestawiono wspomniane nazwy alternatywne: SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10Gbps oraz SuperSpeed USB 20Gbps.

Tabela 1: definicje konwencji nazewnictwa USB 3.2. (Źródło ilustracji: Same Sky)

USB 4.0

Bazujący na protokole Thunderbolt 3 standard USB 4.0 wprowadzono w sierpniu 2019 roku. Oferuje on przesyłanie danych z prędkością do 40Gbps i specjalną metodę przesyłania wideo. Standard Power Delivery 3.1 zwiększył również możliwości zasilania przez porty USB aż do 240W. Z technicznego punktu widzenia standardy Power Delivery i USB 4.0 są odrębne, jednak były opracowywane równolegle i często są stosowane łącznie. Obydwa najnowsze standardy są w pełni wykorzystywane przez możliwości sprzętowe fizycznych złączy USB Type C.

Organizacja USB-IF udoskonaliła również konwencje nazewnictwa USB 4.0, zmieniając je na USB4 w następujących dwóch klasach:

• USB4 20Gbps (szybkość danych zgodna z nazwą)
• USB4 40Gbps (szybkość danych zgodna z nazwą)

Każda z klas standardu USB4, a także omawianego wcześniej USB 3.2, posiada nowy logotyp, używany na produktach w celu ułatwienia rozpoznawania przez konsumentów. Mimo to różnorodność nazw używanych w odniesieniu do standardów USB stwarza problemy, ponieważ urządzenia nadal często są nazywane z użyciem starego schematu.

Tabela 2: aktualne konwencje nazewnictwa USB wraz z odpowiednimi logotypami (źródło ilustracji: Same Sky)

Przyszłość standardu USB

Mamy nadzieję, że w artykule udało się wyjaśnić pewne nieporozumienia związane ze standardami USB oraz przedstawić pokrótce szybko ewoluującą ich historię i coraz większe możliwości, a także funkcje. Zwykle nie poświęcamy zbyt wiele uwagi temu niedrogiemu, łatwemu w użyciu i niewielkiemu rozwiązaniu łączenia peryferiów w smartfonach, urządzeniach mobilnych, a nawet zastosowaniach przemysłowych. Coraz częściej spotyka się także złącza służące wyłącznie do ładowania (USB Type C przeznaczone tylko do zasilania), bez przesyłania danych. Śmiało można powiedzieć, że standard USB będzie w przyszłości znajdował nowe zastosowania i oferował nowe możliwości, a inżynierowie firmy Same Sky pracują nad złączami USB i kablami USB o różnych kształtach, zgodnych z wieloma standardami USB.