Эволюция USB: от запутанных кабелей к высокоскоростным технологиям

Помните запутанный клубок кабелей, загромождавших компьютерные столы в 1990-х годах? Эпоха последовательных, параллельных и проприетарных интерфейсов превращала подключение периферийных устройств в кошмар. Появление Universal Serial Bus (USB) произвело революцию в этой области, заменив громоздкие разъемы компактным и доступным интерфейсом USB Type-A (USB-A). Сегодня миллиарды USB-устройств используются ежедневно, что делает USB доминирующим проводным интерфейсом для ноутбуков, планшетов и смартфонов.

USB претерпел несколько итераций (см. таблицу 1), каждая из которых совершенствовала способы подключения кабелей, обмена данными и подачи питания к компьютерам, мобильным устройствам и периферийным устройствам. Последний стандарт USB4, как и его предшественники, представляет собой значительный шаг вперед в скорости передачи данных, разрешении видео и возможностях подачи питания.

Современные устройства обычно оснащены как минимум тремя различными типами портов USB. Среди них USB-C приобрел известность в новом оборудовании благодаря своим компактным размерам, высокой скорости передачи данных и возможности подачи питания до 240 Вт. Кабели USB-C также поддерживают передачу видео высокого разрешения 4K и 8K. Хотя функционально похожие, порты Lightning используют другой дизайн разъема.

Конструкция разъема USB-C играет решающую роль в скорости передачи данных. Каждый разъем USB Type-C содержит четыре пары контактов (называемых «линиями»), предназначенных для передачи (TX) и приема (RX) данных. USB 3.0 (5 Гбит/с) и USB 3.1 (10 Гбит/с) используют одну линию TX и одну линию RX, при этом ориентация определяет, какие линии активны. USB 3.2 использует все четыре линии для достижения скорости 20 Гбит/с.

Текущая номенклатура USB 3.2 сочетает скорость с количеством линий. Например, USB 3.2 Gen 1×2 обозначает 5 Гбит/с × 2 линии для общей скорости 10 Гбит/с. Как USB4 Gen 2×2 (продается как USB4 20 Гбит/с), так и USB 3.2 Gen 2×2 обеспечивают соединения со скоростью 20 Гбит/с. USB4 Gen 3×2 (USB4 40 Гбит/с) использует другую схему кодирования данных для достижения 20 Гбит/с на линию, что в сумме составляет 40 Гбит/с в двухлинейном режиме.

USB4 (официально стилизованный без пробела) представляет собой крупное обновление, которое не только вводит новые возможности, но и решает запутанную схему именования USB 3.x, обеспечивая более предсказуемый пользовательский опыт. Протокол USB4 требует кабели USB-C to USB-C.

Передача данных 40 Гбит/с: Устройства USB4 должны поддерживать 20 Гбит/с (2,4 ГБ/с), с дополнительной поддержкой 40 Гбит/с (4,8 ГБ/с) при использовании более коротких кабелей Gen 3 длиной 0,8 метра.

Несколько протоколов передачи данных и отображения: USB4 использует туннелирование протоколов для поддержки USB 3.2, PCIe и DisplayPort 1.4a. Совместимость с DisplayPort и Thunderbolt 3 поддерживается через Alt Mode.

Обратная совместимость: USB4 поддерживает совместимость со стандартами USB 3.2, USB 2.0 и Thunderbolt 3 через TB3 Alt Mode.

Динамическое распределение полосы пропускания: В отличие от фиксированного распределения полосы пропускания USB 3.2 (или 100% полосы пропускания видео в DP Alt Mode), USB4 динамически распределяет полосу пропускания между видео и данными в зависимости от потребностей в реальном времени.

Зарядка 100 Вт: Все устройства USB4 поддерживают USB Power Delivery (USB PD), согласовывая контракты на питание до 100 Вт (5A/20V) при подключении к портам USB4.

Продукты, совместимые с Thunderbolt™ 3, уже выходят на рынок, предлагая в четыре раза большую мощность и двунаправленную скорость передачи данных, чем USB 3.2 Gen 2, создавая беспрецедентные вычислительные возможности для персональных устройств.

Разработанный для более тонких и легких устройств, USB-C одинаково хорошо работает в смартфонах, планшетах и ноутбуках. Многие современные ноутбуки полностью отказались от портов USB-A и RJ45 Ethernet, полагаясь исключительно на USB-C для видео, работы в сети, передачи данных и зарядки. Этот сдвиг привел к принятию USB-C в качестве стандартного разъема для протоколов Thunderbolt™ 3, DisplayPort, MHL и HDMI.

Спецификация USB-C Type 2.1 (выпущенная в мае 2021 года) увеличила мощность кабелей и разъемов со 100 Вт до 240 Вт, что позволяет подавать питание на более крупные устройства с высоким энергопотреблением, такие как мониторы 4K, электровелосипеды и игровые ноутбуки.

Хотя USB изначально является протоколом связи между хостами и периферийными устройствами, он превратился в многофункциональный интерфейс. Современные устройства могут поддерживать одну или несколько из этих расширенных функций:

Один кабель USB-C может обеспечить достаточную мощность, чтобы исключить отдельные адаптеры для периферийных устройств с высокими требованиями, таких как внешние жесткие диски. Обратите внимание, что не все устройства или порты поддерживают USB Power Delivery — обратитесь к спецификациям продукта для получения подробной информации о совместимости.

Спецификация BC 1.2 представила выделенные порты зарядки, которые обеспечивают более быструю и безопасную зарядку. В то время как стандартные порты USB 2.0 и 3.0 обеспечивают 500 мА и 900 мА соответственно, порты, совместимые с BC 1.2, обеспечивают до 1,5 А — даже во время передачи данных — и позволяют устройствам сообщать о своих требованиях к питанию для оптимальной зарядки.

Эта функция позволяет мобильным устройствам функционировать в качестве хостов для периферийных устройств, таких как флэш-накопители, клавиатуры и мыши. Устройства, совместимые с OTG, требуют адаптер для подключения периферийных устройств, сохраняя при этом возможность служить устройствами хранения данных, подключенными к компьютеру.

Разъемы и кабели USB-C могут одновременно передавать данные USB вместе с видео/аудиосигналами VGA, DVI, HDMI или DisplayPort. Адаптеры обеспечивают подключение DisplayPort через USB-C к различным типам дисплеев без необходимости дополнительных драйверов.

Эта технология поддерживает одновременный вывод видео 4K на два монитора DisplayPort — идеально подходит для цифровых вывесок и высокопроизводительных игровых приложений.

Компактные док-станции USB или Thunderbolt™ 3 размером со смартфон могут расширить возможности подключения для MacBook и ноутбуков. Новейшие док-станции Thunderbolt™ 3 предлагают замечательную двунаправленную скорость передачи данных 40 Гбит/с для быстрой передачи больших файлов, проводное подключение Ethernet в районах с недостаточным Wi-Fi и видео 4K с двумя мониторами с поддержкой цифрового звука.