Dekódování standardů USB z 1.0 na 4.0

(Zdroj obrázku: Same Sky)

Univerzální sériová sběrnice, známá spíše díky své zkratce USB, je pravděpodobně nejuznávanějším propojovacím standardem na současném trhu. Mnoho lidí, zejména těch, kteří jsou mimo inženýrskou komunitu, však nemusí přemýšlet o tom, co USB obnáší. Jednoduše řečeno, „sběrnice“ je způsob přenosu dat nebo energie v elektronickém systému mezi různými součástmi, zatímco výraz „sériový“ znamená, že data jsou přenášena po jednom bitu po stejném vodiči (nebo několika vodičích). USB společně poskytuje technický standard, který stanoví „univerzální“ specifikace pro konektory a kabely používané k propojení různých zařízení v elektronickém systému.

Jako jednoduchý a pohodlný způsob propojení a datové komunikace mezi zařízeními se USB od svého debutu v roce 1996 vyvinulo tak, aby dokázalo mnohem více. Před jeho zavedením v 90. letech 20. století byla oblast propojení složitá a pomalá rychlost přenosu dat. Díky více než 25 letům neustálého zlepšování a změn, vyvinula organizace USB a USB Implementers Forum (USB-IF) schopnosti propojení nad rámec toho, co bylo do té doby považováno za možné, se stále se zvyšující rychlostí dat, přenosem energie a dalšími funkcemi. S těmito neustálými vylepšeními však přišly nové standardy, aktualizace stávajících standardů a různé konvence názvosloví. Výsledkem je, že snaha držet krok s nejnovějšími standardy USB může být úkol, který naráží na chaos i rozpory. Tento článek si klade za cíl poskytnout podrobnou historii standardů USB a zároveň objasnit nejnovější konvence názvosloví USB.

Propojování před nástupem USB

Jak bylo zmíněno výše, situace před nástupem rozhraní USB byla prostředím se standardně pomalými přenosovými rychlostmi dat, často v rozmezí od 100 kB za sekundu pro paralelní připojení až po 450 kilobitů za sekundu pro sériový přenos. Nejen, že výrobci počítačů využívali jak sériové, tak paralelní porty, ale existovala také řada nestandardních firemních zástrček, konektorů a kabelů, které často vyžadovaly speciální ovladače a karty. Kromě toho byla omezena výměna za chodu nebo zapojování za chodu, což vyžadovalo, že před připojením jakéhokoli zařízení a opětovným zapnutím hardwaru bylo nutné vypnout hardware.

Organizace USB-IF zahájila vývoj standardu USB v roce 1994 několika předběžnými verzemi (USB 0.8 a 0.9), které byly oznámeny, ale nikdy nebyly komerčně dostupné. V roce 1995 USB 0.99 uzavřelo seznam předem vydaných standardů a opět nebylo komerčně dostupné.

USB 1.0 a 1.1

USB 1.0 znamenala první hlavní vydání standardů USB v roce 1996, nabízející rychlosti přenosu dat 1,5 megabitů za sekundu (Mbps) při nízké rychlosti a 12 Mbps při plné rychlosti. Ačkoli USB 1.0 nabízelo pohodlí výměny za provozu a samokonfigurace, nebylo široce přijato jako první komerčně dostupná verze USB.

O dva roky později v roce 1998 bylo představeno USB 1.1. I když odpovídal schopnostem přenosu dat USB 1.0, mohl také pracovat při nižších rychlostech pro zařízení s nižší šířkou pásma. Standard USB 1.1, který získal označení Full Speed, byl se slávou zaveden u počítače Apple iMac G3, který přestal používat sériové a paralelní porty. Tím se otevřela cesta k širšímu budoucímu přijímání standardů USB. USB 1.0 a 1.1 také specifikovaly použití standardů fyzických konektorů USB typu A a typu B.

Obrázek 1: Standardy konektorů USB typu A a B. (Zdroj obrázku: Same Sky)

USB 2.0

Začátek 21^. století s sebou přinesl rostoucí potřebu vyšších rychlostí přenosu dat v důsledku stoupajících instalací počítačů a jejich různých periferií. Proto se USB 2.0 dostalo na trh v dubnu 2000. Tento standard přišel s možností přenosu dat rychlostí 480 Mbps, omezení sběrnice však tuto rychlost snížila na 280 Mbps. Rozhraní USB 2.0 dostalo název High Speed a bylo zpětně kompatibilní s předchozími standardy a jejich rychlostmi 1,5 nebo 12 Mbps. V tomto okamžiku se používání rozhraní USB jako zdroje energie začalo stávat běžnější praxí a elektrické standardy nabízely odběr proudu až 500 mA při 5 V.

USB 2.0 také zavedlo standard USB On-the-Go, který nabízel možnost interakce dvou zařízení bez nutnosti samostatného hostitele USB. Až do této doby byla připojení USB vždy zřízena mezi hostitelem (počítačem) a periferním zařízením (myš, klávesnice, hudební zařízení atd.).

Pokud jde o standardy fyzických konektorů, USB 2.0 je kompatibilní s konektory USB typu A, B a C a také s konektory Mini a Micro A a B. Fyzické konektory Micro A & B a typu C však byly představeny o mnoho let později v r. 2007, respektive 2014.

USB 3.0

USB 3.0 a vyšší je bodem, kde standardy USB prošly několika iteracemi a změnami v jejich názvosloví. Abychom co nejvíce zmírnili chaos, budeme se odkazovat na standardy podle jejich původního názvu vydání, poté podrobněji objasníme nejnovější konvence názvosloví.

USB 3.0, vydané v roce 2008, podporovalo přenos dat až rychlostí 5 gigabitů za sekundu (Gbps), ale dosahovalo rychlosti blížící se 3 Gbps. Rozhraní USB 3.0 označované jako SuperSpeedUSB zdvojnásobilo čtyři připojovací linky hardwaru USB 2.0 na osm a umožnilo obousměrný přenos dat, přičemž zůstalo zpětně kompatibilní s rozhraním USB 2.0. Standard také zvýšil schopnost přenosu výkonu na 900 mA při 5 V. Je také důležité poznamenat, že hardware specifický pro rozhraní USB 3.0, jako jsou konektory USB 3.0 typu A a B, je označen modrou barvou, která indikuje jeho kompatibilitu.

Se zavedením konvencí názvosloví USB 3.2 je nyní USB 3.0 známé jako USB 3.2 Gen 1.

USB 3.1

Dočasný standard vydaný v roce 2013, který jednoduše zdvojnásobil rychlost přenosu dat až na 10 Gb/s, byl identický s rozhraním USB 3.0 a USB 3.1. Tento standard dostal název SuperSpeed+ a v jednu dobu měl dvouvrstvou konvenci názvosloví: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) a USB 3.1 Gen 2. Opět platí, že se zavedením konvencí názvosloví USB 3.2 je USB 3.1 Gen 2 nyní označováno jako USB 3.2 Gen 2.

USB 3.2

Standard USB 3.2, který byl představen v září 2017, nahradil standardní konvence názvosloví USB 3.0 a 3.1 a přidal třetí vrstvu schopnost přenosu dat rychlostí až 20 Gb/s. Tento standard označený USB 3.2 Gen 2x2 plně využívá kanály přenosu dat konektoru USB Type-C® ve dvou drahách, který je schopen přenášet data rychlostí 10 Gbps v každém směru přes dva páry vodičů. Je také běžné vidět spodní dvě úrovně standardu USB 3.2 uvedené jako USB 3.2 Gen 1x1 nebo USB 3.2 Gen 2x1, což jednoduše poskytuje další kontext k počtu použitých datových linek.

Pro další objasnění poskytla organizace USB-IF aktualizovanou značku pro každou vrstvu, která se skládá ze známého označení SuperSpeed USB následované limitem přenosu dat. Jak je uvedeno v tabulce 1 níže, tyto alternativní názvy jsou následující: SuperSpeed USB 5 Gb/s, SuperSpeed USB 10 Gb/s a SuperSpeed USB 20 Gb/s.

Tabulka 1: Definované konvence názvosloví rozhraní USB 3.2. (Zdroj obrázku: Same Sky)

USB 4.0

Na základě protokolu Thunderbolt 3 bylo v srpnu 2019 vydáno USB 4.0 s přenosem dat až 40 Gb/s a vyhrazenou metodou přenosu videa. Standard Power Delivery 3.1 také zvýšil výkon napájení USB až na 240 W. Ačkoli jsou standardy Power Delivery a USB 4.0 technicky samostatné, byly vyvinuty souběžně a často se vyskytují společně. Oba nejnovější standardy jsou plně využity pouze prostřednictvím hardwarových schopností fyzického konektoru USB typu C.

Organizace USB-IF dále vylepšila konvence názvosloví USB 4.0 a změnila jej na USB4 s následujícími dvěma úrovněmi:

• USB4 20 Gbps (rychlost dat odpovídá jeho názvu)
• USB4 40 Gbps (rychlost dat odpovídá jeho názvu)

Každá z výše zmíněných úrovní pro USB4 a USB 3.2 má nové logo pro použití na produktech v naději, že vyjasní jakýkoli zmatek spotřebitelů na trhu. Rozmanitost názvů standardů USB však představovala několik problémů, protože zařízení jsou stále často označována podle starého schématu názvosloví.

Tabulka 2: Aktuální konvence názvosloví rozhraní USB a souvisejících log (Zdroj obrázku: Same Sky)

Budoucnost rozhraní USB

Doufejme, že tento článek objasnil některé zmatky kolem standardů USB a zároveň poskytl pohled na rychle se vyvíjející historii jejich stále se zlepšujících schopností a funkčnosti. Tento malý, cenově výhodný a snadný způsob připojení periferních zařízení, která se nacházejí v chytrých telefonech, mobilních zařízeních a dokonce i v průmyslových aplikacích, může být snadné považovat za samozřejmost. Používání USB konektorů pouze pro účely nabíjení (USB typu C určené pro aplikace pouze s napájením) bez jakéhokoli přenosu dat se dokonce stávají běžnou praxí. Lze s jistotou říci, že rozhraní USB bude i v budoucnu nacházet nová použití a schopnosti a konstruktéři společnosti Same Sky pamatovali na širokou řadu USB konektorů a USB kabelů v různých tvarových faktorech navržených tak, aby splňovaly více standardů USB.