Современный мир сложно представить без огромного числа устройств, которые отличаются и форматом, и предназначением. Настольные компьютеры и портативные ноутбуки, универсальные планшеты и смартфоны, которые всегда с собой, современные беспроводные наушники, а еще портативные аккумуляторы и умные часы. Практически каждый такой гаджет в том или ином виде использует интерфейс USB. Он прошел длинный эволюционный путь и подстроился под размер и нужды целого зоопарка из девайсов, которые находятся в обиходе современного пользователя. Этот материал поможет разобраться в его разнообразии.
Краткое введение в историю популярной технологии USB
Нет, технологию USB точно нельзя назвать совершенной. Тем не менее, именно она стала достойной альтернативой для огромного числа интерфейсов, с которыми пользователи вряд ли снова всерьез столкнутся в обозримом будущем. Развитие USB шло постепенно и почти за четверть века породило огромное число несовместимых между собой коннекторов с разной скоростью передачи данных. Альтернативой для всех них в ближайшем будущем станет актуальный USB Type-C. Тем не менее, сначала отправим читателя в прошлое — в те «светлые» времена, когда про USB настоящие «техногики» могли только мечтать.
Почти каждый, кто начал пользоваться современной компьютерной техникой около десяти лет тому назад, даже не задумывается о временах, когда USB еще не было. Тогда для подключения мыши мог использоваться PS/2 или последовательный порт. Клавиатура требовала наличие PS/2, Apple Desktop Bus или порта DIN. Принтеры и сканеры предпочитали большие параллельные порты или SCSI. Для контроллеров использовали специальные игровые порты, которые были также совместимы с профессиональными звуковыми картами. Учитывая, что для большинства таких интерфейсов нужны были отдельные платы, проблема налицо.
Собственно, решением и должен был стать стандарт USB, официальным днем рождения которого считают 15 ноября 1995-го. Его развитие поддерживали компании Intel, Microsoft, Philips, US Robotics и другие. Они хотели упростить подключение к компьютеру самых разных устройств, среди которых и телефоны, которые до USB вообще не могли передавать через провода голос в цифровом формате. Более того, целью создания USB также было увеличение ассортимента устройств, которые можно было использовать вместе с компьютером. Собственно, «шалость удалась», и со всем этим формат удачно справился.
Предварительная версия USB 0.7 была выпущена в ноябре 1994-го, USB 0.8 запустили в декабре этого же года, а USB 0.9 — в апреле 1995-го. Предварительную USB 0.99 показали уже в августе, а USB 1.0 Release Candidate вышла в ноябре 1995 года. Многие наивно полагают, что активное участие во внедрении первых USB приняла компания Apple. Тем не менее, она пришла к этому интерфейсу отнюдь не сразу. Дело в том, что первоначально она отдавала предпочтение технологии FireWire, которая использовалась в ранних iPod. Но и она отказалась от нее в пользу более перспективного решения, которое набирало популярность.
Сертификацией новых стандартов и коннекторов USB занималась и продолжает заниматься некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF). Она объединяет разработчиков и производителей, которые используют технологию USB. Главная цель этой компании заключается в продолжении принципов интерфейса: сохранение направления на унификацию разъемов и кабелей, управление необходимым потреблением энергии, использование утвержденных протоколов для передачи данных, унификация набора функциональных возможностей и драйверов для всех гаджетов с поддержкой USB.
Стандарты передачи данных USB с прицелом на скорость
Начать нужно с того, что у технологии USB есть два основных нюанса, на которые нужно обращать внимание в первую очередь. Первый — стандарт передачи данных, который обозначается цифрой возле названия USB: USB 1.0 и USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1 и USB 3.2, USB4. Второй — тип коннектора, который используется для подключения и обозначается буквой после слова Type через дефис: Type-A, Type-B, Type-C. Для коннекторов также можно использовать сокращения вроде USB-A, USB-B, USB-C — более того, они могут быть в форматах Mini и Micro. Сначала о стандартах, которые, в первую очередь, отвечают за скорость.
USB 1.0 (USB 1.1). Первый официальный стандарт USB увидел свет 15 января 1996-го. Он умел работать в двух режимах: с низкой пропускной способностью (Low-Speed) на скорости до 1,5 Мбит/с и высокой пропускной способностью (Full-Speed) — до 12 Мбит/с. Максимальная длина кабеля с использованием экранирования и высокой пропускной способности могла составлять 5 м. К одному USB 1.0 теоретически можно было одновременно подключить до 127 устройств, и они могли работать на разной скорости. Действительно массовым же стал стандарт USB 1.1, который с учетом ошибок выпустили в сентябре 1998-го.
Интересно, что USB 1.0 работал с напряжением 5 В и силой тока 0,5 А. Его мощность равна их произведению — 2,5 Вт. На фоне зарядки на 96 Вт, которая поставляется вместе с 16-дюймовым MacBook Pro 2019 года, это значение кажется критически малым. Тем не менее, оно вполне сравнимо с 5 Вт в стандартном блоке питания для смартфонов, который Apple кладет даже в комплект поставки iPhone 11. По большому счету, все, что выше 2,5 Вт в USB 1.0, можно считать быстрой зарядкой гаджетов, которая не будет рассматриваться в данном материале. Чтобы не растягивать его, все подробности про нее мы разложили по полочкам здесь.
USB 2.0. На рубеже тысячелетий стало понятно, что USB 1.0 работает слишком медленно. На этом настаивали Hewlett-Packard, Intel, Lucent (Alcatel-Lucent), Microsoft, NEC, Philips и другие компании. Именно поэтому в апреле 2000 года появилась спецификация USB 2.0, которая кроме Low-Speed и Full-Speed также получила возможность работы с режимом High-Speed на скорости до 480 Мбит/с. Первый отлично подходил для мышек и клавиатур, второй использовали для мультимедийных гаджетов, а третий применялся для устройств хранения данных — например, флешек. USB 2.0 обратно совместим с USB 1.0 и USB 1.1 без High-Speed.
USB 3.0 (USB 3.1, USB 3.2). До появления USB 3.0 в 2008 году технология USB фактически положила на лопатки практически всех конкурентов. Тем не менее, к этому времени взвыли производители внешних дисков, которые уперлись в потолок USB 2.0 по скорости и максимальной мощности. Именно для них появился новый режим передачи данных под названием SuperSpeed — 5 Гбит/с. В 2013 году с выходом USB 3.1 прежний USB 3.0 начали называть USB 3.1 Gen 1 — также появился USB 3.1 Gen 2 с поддержкой SuperSpeed+ на скорости 10 Гбит/с. USB 3.2 представили в 2017-м, и его смогли разогнать до 20 Гбит/с (SuperSpeed++).
USB4. 29 августа 2019 года миру показали новый стандарт USB4 — именно слитно, без пробела между названием технологии и цифрой. Новый протокол передачи данных увеличивает ее скорость до 40 Гбит/с. Его можно использовать даже с коннекторами старого образца вроде USB-A и USB-B, но настолько быстро обмениваться данными получится только при использовании поддерживаемых кабелей USB-С. Тем не менее, о массовости стандарта USB4 говорить еще очень рано. Пока производители активно используют USB 3.2, а Apple в своих смартфонах вообще зациклилась на USB 2.0 и никак не исправляется.
Полноразмерные коннекторы USB, которых пока большинство
Когда разговор заходит о полноразмерных коннекторах USB, большинство представляет себе только USB Type-A или USB-A. В этом нет ничего удивительного, ведь он распространен сильнее всех остальных. Именно USB-A до сих пор используется во многих компьютерах, ноутбуках, внешних аккумуляторах и других устройствах.
Чисто технически он может отличаться, в зависимости от используемого стандарта передачи данных. Тем не менее, он считается обратно совместимым — например, флешка USB 2.0 Type-A без проблем заработает, если ее воткнуть в USB 3.0 Type-A в компьютере. Но кроме USB-A есть еще, как минимум, USB-В.
USB-A. Главное преимущество данного коннектора кроется в его распространенности. Несмотря на то, что сегодня от него уже начинают отказываться, он все еще доминирует на рынке современной пользовательской электроники. В числе его недостатков громоздкость и ассиметричность. При использовании стандартов USB 1.0, USB 1.1 и USB 2.0 в нем используется четыре контакта: пара для передачи данных и пара для питания (один — земля). В USB 3.0 и выше используется пять дополнительных контактов: четыре для передачи данных и один для земли. Благодаря этому скорость SuperSpeed и становится возможной.
USB-B. Данный интерфейс чаще всего используется в различном периферийном оборудовании: принтерах, сканерах и даже USB-микрофонах. Порты для него не устанавливаются в современные компьютеры, и для подключения к ним оборудования чаще всего используются кабели USB-A на USB-B. У обычного кабеля USB Type-B также четыре контакта: пара для передачи данных и пара для питания (один — земля). Обычный USB-B работает только с протоколом передачи данных USB 1.0, USB 1.1 и USB 2.0. Для использования USB 3.0 и выше нужен видоизмененный интерфейс, о котором дальше.
USB-B 3.0. Очередной ассиметричный коннектор USB, который работает с протоколом передачи данных USB 3.0 и выше. В предназначенный для него интерфейс можно установить и обычный кабель USB-B, но он будет работать на скорости не выше USB 2.0 — High-Speed. Чтобы достичь SuperSpeed и выше, порт и коннектор должны подходить USB-B 3.0 по форме и характеристикам. Кроме четырех стандартных коннекторов здесь также используется пять дополнительных контактов: четыре для передачи данных и один для земли. Благодаря им открывается доступ к скорости 5 Гбит/с и выше.
Mini-коннекторы USB, которые успели отойти на второй план
С ростом популярности и распространенности мобильных устройств разного типа начали появляться кабели с Mini-коннекторами USB на одной стороне и полноразмерными USB-A на второй. Они стали логическим продолжением «шнурков» USB-B на USB-A, которые уже активно использовались для подключения к компьютерам периферии.
Интерфейсы уменьшенных размеров начали появляться в цифровых фотоаппаратах, смартфонах, видеорегистраторах и других аналогичных по габаритам гаджетах. Именно формат Mini стал прообразом сначала для Micro, а потом и для актуального на сегодняшний день коннектора USB-C.
USB-A. Первый миниатюрный коннектор USB, который использует для своей работы набор из пяти контактов: пара для передачи данных и пара для питания (один — земля), а также один, предназначенный для определения конца кабеля (он необходим для работы USB OTG, информация о котором будет дальше по тексту). Найти такой не в самой старой электронике сегодня уже достаточно сложно. Формат Mini сегодня еще продолжает существовать в формате USB-B, который слабо отличается от USB-A чисто технически. Да что там, они даже внешне достаточно похожи.
USB-B. Как и USB-A формата Mini, USB-B также работает на базе набора из пяти контактов: пара для передачи данных и пара для питания (один — земля), а также один, предназначенный для определения конца кабеля (USB OTG). Что интересно, в качестве порта для такого кабеля может использоваться как специальный USB-B формата Mini, так и универсальный формата Mini-AB. В такой также получится вставить миниатюрный коннектор стандарта USB-A. Это один из первых шагов в развитии USB, предназначенный для универсализации возможностей подключения — небольшая предпосылка к последующему выходу USB-C.
USB-B 3.0. Чтобы добиться увеличения скорости передачи данных до уровня SuperSpeed, а это 5 Гбит/с, в USB-B 3.0 формата Mini используется увеличенный вдвое набор контактов. Это хорошо видно даже просто визуально. У обычного USB-B формата Mini контакты располагаются только на одной части на внутренней стороне коннектора, а вот при использовании стандартна передачи данных USB 3.0 такой же набор есть и в зеркальном отражении. Кабель USB-B 3.0 формата Mini можно установить и в разъем стандарта 2.0, но использовать возможности SuperSpeed при этом не получится.
Micro-коннекторы USB, многие из которых до сих пор в ходу
Одним из следующих шагов в развитии современных мобильных устройств стало уменьшение размеров коннекторов, которые использовались для их зарядки и обмена данными. Это стало причиной рождения USB формата Micro, который прошел сертификацию 4 января 2007 года.
Такие миниатюрные порты и кабели используются до сих пор — даже спустя более десяти лет после появления на свет. Основной претензией к ним сегодня остается именно ассиметричность — невозможность подключения любой из сторон. Скорость работы и другие технические параметры в общем списке только после этого.
USB-A. Как и коннекторы формата Mini, каждый из кабелей с приставкой Micro использует пять контактов: пара для передачи данных и пара для питания (один — земля), а также один, предназначенный для определения конца кабеля (USB OTG). В данном случае USB-A поддерживает только три варианта скорости передачи данных: Low-Speed (1,5 Мбит/с), Full-Speed (12 Мбит/с) и High-Speed (480 Мбит/с). Коннектор USB-A формата Micro сейчас достаточно сложно встретить в более-менее современных устройствах. Куда большее распространение получил миниатюрный USB-B, который лучше всего знаком под именем Micro-USB.
USB-B. Да, если практически в любом интернет-магазине установить фильтр по кабелям с пометкой Micro-USB, он покажет именно «шнурки» с коннектором USB-B. До начала массового распространения USB-C с таким выпускались практически все смартфоны под управлением операционной системы Android. Его же использовали в наушниках, внешних аккумуляторах, фотоаппаратах и многих других гаджетах. Чисто технически он идентичен USB-A в формате Micro. У него такие же пять контактов: пара для передачи данных и пара для питания (один — земля), а также один, предназначенный для определения конца кабеля (USB OTG)
USB-B 3.0. Если у вас завалялся не самый свежий внешний диск, велика вероятность, что в комплекте с ним идет кабель именно с таким коннектором на одном из концов. Он дает возможность передавать данные между накопителем и компьютером на скорости SuperSpeed и выше, а это, как минимум, 5 Гбит/с. Такой скорости вполне достаточно даже для использования операционной системы и всего сопутствующего софта с внешнего накопителя. В порт USB-B 3.0 формата Micro можно вставить коннектор Micro-USB, но тогда скорость будет ограничена предписаниями стандарта USB 2.0.
Экзотические USB и неожиданный Lightning в их числе
Mini4A и Mini4B, Mini5A и Mini5B, Mini8M и Mini8P, а также Mini-TDK — это только некоторые из экзотических коннекторов USB, которые крайне редко устанавливаются в пользовательскую электронику. Тем не менее, есть и один куда более распространенный.
Речь про Lightning, который Apple использует в своих смартфонах, начиная с iPhone 5 из сентября 2012 года. Его главное преимущество кроется в симметричной конструкции, которая дает возможность устанавливать коннектор в порт любой из сторон.
Да, Lightning — это не сертифицированный коннектор из семейства USB, но он работает по его принципам. У него достаточно много контактов — по восемь штук с каждой из сторон. Тем не менее, сегодня он работает на скоростях, сравнимых с USB 2.0. Именно поэтому к нему сегодня столько претензий. По большому счету, главная роль кабеля на сегодняшний день — быстрая передача данных: гигабайты собственных видеороликов в 4K, внушительные фотоархивы, фильмы и многое другое. Все это на iPhone и обратно сегодня сбрасывается мучительно долго.
Новый универсальный симметричный формат USB-C
Когда по поводу USB Type-C только начали появляться первые слухи, многие активно шутили по поводу релиза очередного типа USB. Они смеялись, что USB Implementers Forum создала десяток коннекторов и хочет заменить их одним универсальным, но на практике просто прибавит еще один к их «зоопарку». Скорее всего, примерно так это и случилось бы. Тем не менее, на распространение USB-C сильно повлияла агрессивно-инновационная политика компания Apple. В 2015 году она выпустила 12-дюймовый MacBook с одним портом Type-C и никакие другие кроме 3,5-мм аудиовыхода в ноутбуках до сих пор не использует.
Коннектор USB-C прошел сертификацию почти сразу после презентации стандарта передачи данных USB 3.1 — в августе 2014-го. Type-C создан для замены Type-A и Type-B как в полноразмерном варианте, так и в форматах Mini и Micro. Несмотря на схожие с привычным Micro-USB габариты, у него целых 24 контакта: шесть пар для передачи данных, четыре пары для питания и заземления, и две пары вспомогательных. Но нужно понимать, что использование USB-C не гарантирует поддержку USB 3.1 и выше. Как и любой другой коннектор, он может работать и с более скромными скоростями.
USB Type-C — действительно универсальный тип коннектора, который может передавать сигналы не только по протоколам USB. Он также способен работать в альтернативных режимах: в формате DisplayPort, в стандарте Mobile High-Definition Link (что-то среднее между HDMI и Micro-USB), в роли Thunderbolt (вплоть до высокоскоростной третьей версии), а также в традиционном понимании HDMI. Именно все это и дало той же Apple возможность избавиться от любых других портов в своих ноутбуках — любой кабель к ним получится подключить или напрямую, или через переходник. Тем не менее, для использования альтернативных режимов, кабель и порт должны их поддерживать.
Только USB-C полноценно раскрывает возможности и скорости USB 3.1 и USB 3.2, а также USB4. Именно за данным типом коннектора будущее во всех возможных направлениях. Реального смысла развивать другие типы подключения, когда есть один универсальный, больше нет.
Даже Apple уже перешла на Type-C в актуальных моделях iPad Pro и, скорее всего, сделает это же с iPhone в 2020 или 2021 году. Любой современный девайс уже оборудован USB-C, и только по наличию данного порта можно судить про качество и технологичность гаджета, который буквально только что попал в руки.
Интересные вопросы про технологию USB и ответы на них
Какие особенности у Inter-Chip USB? Это специальный стандарт, который используется для передачи данных внутри устройства. В таком случае для этого не нужны физические коннекторы, а также возможность ручного выбора скорости обмена информацией.
Что собой представляет USB OTG? По умолчанию при эксплуатации USB одно из устройств всегда выступает в роли принимающей стороны, а второе — гостя. При использовании OTG (On-The-Go) гаджеты могут меняться позициями, и это значительно расширяет сферы их использования.
Какие перспективы у Wireless USB? Этот формат прошел сертификацию еще в мае 2005 года, а в 2007-м на его базе даже вышло несколько устройств. Тем не менее, возможность передавать данные без проводов на расстоянии до трех метров со скоростью до 480 Мбит/с оказалась не особенно востребованной.
Что такое Media Agnostic USB? Эту штуку представили в 2013 году. С помощью нее протокол передачи данных USB можно встроить в уже существующие на рынке каналы связи — например, в WiFi. Это должно значительно расширить возможности использования USB в разных сферах.
Зачем нужны оптические кабели USB 3.0? Обычные кабели USB ограничены длиной 3–5 метров. Но в 2013 году миру показали варианты с использованием оптического волокна, которые могут работать на расстоянии до 100 метров. Вот только зарядка по ним, к сожалению, не идет.
Какие альтернативы для USB были и существуют на рынке
Когда технология USB уже заняла лидирующие позиции на рынке, ее господство тут же взялись оспаривать. Конкуренты даже добились некоторого успеха за счет закрытия вопросов, для которых USB было невозможно использовать. Но в итоге все они проиграли битву за лидерство.
Одним из соперников USB был формат FireWire, который также известен под именем IEEE 1394. Его с конца 90-х вплоть до начала 2010-го использовала преимущественно компания Apple. Главным плюсом данного решения была скорость передачи данных, которая обычно перегоняла USB чуть ли не в десяток раз. Более того, даже ранние варианты FireWire умели передавать данные одновременно в двух направлениях — у USB ничего подобного не было. Тем не менее, FireWire был куда дороже главного конкурента, поэтому от него постепенно отказались и в Apple, и сегодня формат почти не развивается.
Отдельного внимания также заслуживает Thunderbolt, который также ассоциируется с компанией Apple. Он всегда характеризовался высокой скоростью передачи данных, но в итоге стал отдельным режимом для коннектора USB-C, поэтому в качестве отдельного формата рассматривать его больше нет смысла.
Подводя итоги: перспективы развития технологии USB
Не так давно инсайдеры заговорили, что Apple может полностью избавиться от проводного подключения своих смартфонов уже в 2021 году. С одной стороны, полностью беспроводной смартфон — сказка и мечта. С другой стороны, стабильно быстрая передача данных, а также устранение неисправностей гаджетов неизбежно требуют проводное подключение. Тем не менее, очевидно, что в будущем от кабелей в любом виде человечество все-таки избавится. Их заменят беспроводные протоколы — наследники USB, Wi-Fi, Bluetooth и других технологий. Но когда этот момент настанет — вот это большой вопрос.
