USB: Стандарты, порты и скорости

С каждой новой версией USB-порты и ответные разъемы становились все более функциональными, открывая путь более компактным, легким и портативным устройствам. Однако по мере того, как новые стандарты приносят скорость, мощность и универсальность, они предоставляют также сложный набор функций и возможностей, которые необходимо учитывать при принятии решения, какой кабель или периферийное устройство подходит для вашего конкретного случая.

Что такое USB?

С появлением в конце 90х годов универсальной последовательной шины (USB) значительно упростилось подключение к компьютеру с помощью небольшого недорогого интерфейса: порта / разъема USB тип A (USB-A). В настоящее время используются миллиарды USB-устройств, поэтому USB является доминирующим проводным интерфейсом для ноутбуков, планшетов и телефонов.

USB эволюционировал через серию стандартов (см. таблицу), определяющих тип кабельных подключений, обмен данными и обеспечения питания компьютеров, мобильных и периферийных устройств. Последний стандарт - USB4, как и предыдущие версии, представляет собой еще один шаг вперед в скорости передачи данных, видео разрешений и мощности питания.

Типы USB-портов и разъемов

На любом компьютере, планшете или периферийном устройстве обычно есть один из этих трех различных типов USB-портов. На новых устройствах вероятнее найдётся USB тип C из-за небольшого размера, высокой скорости передачи данных и способности выдерживать до 100 Вт энергии. Кабели USB тип C также могут передавать видео высокого разрешения 4K и 8K. Интерфейс Lightning по функциям аналогичен USB тип C, но использует другой разъем.

USB-A	USB-B	USB-B MINI	USB-B MICRO	USB-C	Lightning

USB-C конструкция и скорость

Чтобы разобраться в скорости передачи данных USB, нужно узнать о конструкции разъема USB-C. Разъем USB тип C имеет четыре пары контактов, известных как «дорожки», которые передают (TX) и принимают (RX) данные (см. отмеченные контакты на Рисунке 1 ниже). USB 3.0 (5 Гбит/с) и USB 3.1 (10 Гбит/с) используют одну полосу передачи и одну полосу приема, в зависимости от ориентации разъема. USB 3.2 использует все четыре полосы для достижения скорости передачи данных 20 Гбит/с.

Рисунок 1: Распиновка разъема USB-C

Соглашение о терминах, принятое для USB 3.2, включает полосу скорости x. Например, USB 3.2 Gen 1x2 означает 5 Гбит/с x 2 полосы для скорости соединения 10 Гбит/с.

Спецификация USB4 Gen 2x2 (известная под своим маркетинговым названием, USB4 20 Гбит/с) и USB 3.2 Gen 2x2 предлагают соединение со скоростью 20 Гбит/с. USB4 Gen 3x2 (USB4 40 Гбит/с) использует другую схему кодирования данных для достижения 20 Гбит/с на полосу и 40 Гбит/с в двухполосном режиме.

Что нового в USB4?

USB 4 (официально «USB4» без пробела) является важным обновлением не только из-за новых возможностей, но также из-за устранения путаницы, связанную с именованием USB 3.x, что дает пользователям предсказуемое и понимание. Для протокола USB4 требуется кабель USB-C <-> USB-C.

Скорость передачи данных до 40 Гбит/с: устройства USB4 должны поддерживать 20 Гбит/с (2.4 ГБ/сек). Возможно дополнительно поддерживать 40 Гбит/с (4.8 ГБ/сек), если устройства используют более короткий кабель 0.8 метра Gen 3.

Несколько протоколов данных и отображения: USB4 поддерживает USB 3.2, PCIe и DisplayPort 1.4a с помощью метода, называемого туннелированием протокола. DisplayPort и Thunderbolt 3 также поддерживаются в альтернативном режиме.

Обратная совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и Thunderbolt 3: USB4 поддерживает совместимость с предыдущими версиями спецификации USB и, благодаря своей основе Thunderbolt 3, также поддерживает альтернативный режим TB3.

Оптимизация полосы пропускания видео и данных: USB 3.2 выделил фиксированную полосу пропускания для данных или видеосигнала, а в альтернативном режиме DP, предоставил 100% полосы для видео. USB4 динамически распределяет полосу пропускания для видео и данных в зависимости от реальных потребностей.

Зарядка 100 Вт: все устройства USB4 поддерживают подачу питания через USB. Когда устройство подключено к порту USB4, USB PD заключает «контракт» на поставку мощности, безопасно обеспечивая до 100 Вт (5A / 20V).

Что такое туннелирование протокола?
Когда устройства взаимодействуют друг с другом, они делают это по определенному протоколу. Если оба устройства могут взаимодействовать и понимать один и тот же протокол, соединение будет установлено. По сути, туннелирование протоколов создает «канал» с одним протоколом и использует его для отправки данных в другом протоколе. Туннелирование протокола USB4 создает туннель USB-C, через который можно отправлять данные DisplayPort или PCIe. Туннелирование протокола USB4 похоже на альтернативный режим, но не требует контроллера DP или PCIe.

Что такое USB4 Fabric?
Слово «ткань» - это метафора, используемая для описания сети взаимосвязанных устройств, таких как коммутаторы. На рисунке пересекающиеся устройства напоминают структуру ткани. Этот термин был принят Форумом разработчиков USB (USB-IF) для описания того, как туннельная архитектура USB4 динамически управляет подключением между маршрутизаторами USB4, чтобы несколько протоколов могли одновременно использовать ресурсы коммутаторов.

Будет ли Apple поддерживать USB4?
Новые MacBook и Mac Mini от Apple будут первыми, в которых будут использоваться собственные процессоры Apple Silicon на базе Arm, поэтому возникли некоторые сомнения в отношении поддержки USB4. Однако Apple смогла реализовать поддержку как USB4, так и Thunderbolt 3 к моменту выпуска продукта.

Стандарты USB

Скоро все USB-соединения станут быстрее! На рынок вышли продукты, совместимые со стандартом Thunderbolt ™ 3. Это последнее поколение интерфейса обеспечивает как подачу питания, так и двунаправленную передачу данных со скоростью, в 4 раза превышающей скорость USB 3.2 Gen 2, и может создавать невиданные ранее вычислительные возможности для персональных устройств.

Таблица 1: Типы, стандарты и скорости USB-кабелей

* USB-C более широко известен как тип C или USB Type C

** Длина кабеля — длина, указанная в спецификации. Более длинные кабели можно получить, используя активные кабели, а в некоторых случаях - более длинные пассивные кабели.

Стандарты USB-разъемов

USB тип A Стандартный универсальный разъем, который есть практически на каждом настольном ПК и старых ноутбуках, а также на телевизорах, игровых консолях и медиаплеерах. Хотя разъемы USB 3.0 тип A (синие) имеют больше внутренних контактов, форм-фактор тот же, поэтому он может работать с любым портом тип A, даже с USB 1.1. Однако передача данных будет ограничиваться скоростью старшего поколения.

USB тип B Порт тип B, наиболее часто используемый для подключения принтеров и внешних жестких дисков к настольным компьютерам, на самом деле имеет две разные конфигурации. Один предназначен для скоростных протоколов USB 1.1 и 2.0, а другой - для использования со спецификациями USB 3.0 и более поздних версий.

USB Mini B Соединение Mini B чаще всего используется портативной электроникой, такой как цифровые камеры, MP3-плееры и некоторые сотовые телефоны, и только со скоростями USB 1.1 и 2.0. Существуют как 4-контактные, так и 5-контактные версии разъема Mini B.

USB Micro B Разъем Micro B имеет одну конфигурацию для USB 2.0 и другую конфигурацию для USB 3.0 и более поздних версий. Разъем Micro B встречается во многих популярных моделях смартфонов Android™ и внешних жестких дисках.

USB тип C Разработан для поддержки устройств с меньшим, более тонким и легким форм-фактором. Тип C достаточно тонкий для смартфона или планшета, но достаточно прочный для портативного компьютера. Фактически, многие новые ноутбуки лишены портов Ethernet USB-A и RJ45 и предлагают USB-C в качестве единственного порта для видео, сети, передачи данных и зарядки. Это побудило другие протоколы, включая Thunderbolt ™ 3, DisplayPort, MHL и HDMI, принять USB-C в качестве стандартного разъема. Альтернативные режимы позволяют выводам данных на разъеме USB тип C передавать другие типы сигналов. Например, альтернативный режим DisplayPort (также называемый альтернативным режимом DP) позволяет кабелю USB-C подключать ноутбук или планшет с поддержкой DP напрямую к телевизору или монитору компьютера с портом USB-C.

Цветовая кодировка порта USB

Порты и разъемы USB иногда имеют цветовую маркировку для обозначения спецификации USB и поддерживаемых ими функций. Эти цвета не определены спецификацией USB и не совпадают между производителями оборудования. Например, Intel использует оранжевый цвет для обозначения порта зарядки, тогда как производитель компонентов для промышленного оборудования выбрал оранжевый, чтобы обозначить порт USB с надежным механизмом удержания.

Таблица 2: Типы портов USB

Порт	Цвет	Тип	Спецификация USB	Примечания
	Белый	USB-A или USB-B Micro USB-A	USB 1.x
	Черный	USB-A или USB-B Micro USB-B	USB 2.0 Hi-Speed
	Синий	USB-A или USB-B	USB 3.0 SuperSpeed
	Бирюзовый	USB-A или USB-B	USB 3.1 Gen 1
	Красный	USB-A для сна и зарядки	USB 3.1 Gen 2 USB 3.2	Обычно обозначает порт "всегда включен".
	Желтый	USB-A для сна и зарядки	USB 2.0 или USB 3.0	Более высокая мощность или "всегда включен" порт
	Оранжевый	USB-A для сна и зарядки	USB 3.0	Возможность зарядки. Иногда только зарядка.

Функции USB

На базовом уровне стандарты USB просто позволяют хосту, например компьютеру или планшету, связываться с периферийными или другими устройствами. Но по мере развития технических характеристик USB стал больше, чем просто интерфейсом передачи данных. Ниже приведены последние функции USB, доступные на многих современных устройствах. Устройство может поддерживать одну или несколько из этих функций:

Подача питания
По одному кабелю USB-C может передаваться до 100 Вт мощности, что устраняет необходимость в отдельном блоке питания. Это особенно полезно для периферийных устройств, потребляющих много энергии, таких как внешний жесткий диск. Однако не все устройства или порты поддерживают USB Power Delivery; если вы не уверены, посмотрите технические характеристики вашего устройства или руководство пользователя.

Примеры USB-питания

Устройства с аккумуляторным питанием можно заряжать через USB-порт ноутбука.	Док-станция может питать или заряжать ноутбук, без его подключения к розетке переменного тока.	Энергозатратное устройство, такое как жесткий диск, можно заряжать непосредственно от ноутбука.	Монитор, подключенный к розетке, может питать или заряжать ноутбук во время работы.

Battery Charging 1.2
Если вы заряжали свой телефон от порта USB вашего ПК, вы знаете, насколько полезной может быть эта функция. Спецификация BC 1.2 определяет новый тип порта, порт зарядки, который соответствует стандартам, гарантирующим, что батарея будет заряжаться безопасно и стабильно. Это также позволит устройству потреблять больше энергии, чем стандартный порт USB, для более быстрой зарядки. Обычный порт USB 2.0 обеспечивает до 500 мА (0.5 А), а порт USB 3.0 - до 900 мА (0.9 А). Порт, совместимый с BC 1.2, обеспечивает ток до 1.5 А даже при одновременной передаче данных. Это также позволяет заряжаемому устройству передавать требования по питанию USB зарядному устройству, обеспечивая оптимальную зарядку.

USB On-the-Go
USB OTG позволяет мобильным устройствам, таким как смартфон или планшет, выступать в качестве хоста для других USB-устройств, таких как флэш-накопители, клавиатуры и мыши. С USB OTG мобильное устройство может использовать функциональные возможности периферийных устройств, сохраняя при этом возможность подключения к компьютеру и выступать в качестве запоминающего устройства большой емкости, которое будет использоваться на компьютере. Для устройств, совместимых с USB OTG, потребуется адаптер OTG для подключения периферийных устройств.

DisplayPort Alt Mode
В альтернативном режиме DisplayPort разъемы и кабели USB-C могут передавать как данные USB, так и видео и/или аудио VGA, DVI, HDMI или DisplayPort. Доступны адаптеры для подключения DisplayPort через USB-C к мониторам VGA, DVI, HDMI и DisplayPort. Альтернативный режим DisplayPort не требует использования драйверов, поэтому он работает по принципу plug-and-play.

Технология Thunderbolt ™ 3 поддерживает разрешение видео 4K на двух мониторах DisplayPort одновременно, что идеально подходит для цифровой рекламы и высокопроизводительных игр.

USB док-станция

С помощью портативной док-станции USB размером со смартфон возможно увеличить функциональность порта USB или Thunderbolt ™ на MacBook или другом ноутбуке. Новейшие док-станции Thunderbolt ™ 3 обеспечивают невероятную скорость двунаправленной передачи данных до 40 Гбит/с, что идеально для быстрой передачи больших медиафайлов между устройствами. Когда Wi-Fi слабый или недоступен, они могут предоставить доступ к проводной сети Ethernet. Док-станции предлагают простой способ добавить на устройство надежную функциональность Thunderbolt ™ в HDMI или Thunderbolt ™ в DisplayPort и поддерживают воспроизведение видео высокого разрешения 4K и цифрового звука на двух больших мониторах одновременно.

Товары, упомянутые в статье

КАБЕЛИ USB-A	КАБЕЛИ USB-B
КАБЕЛИ USB-mini	КАБЕЛИ USB-C
USB РАЗЪЕМЫ	USB АДАПТЕРЫ
USB УДЛИНИТЕЛИ	USB КОНВЕРТЕРЫ