Zamieszanie z USB
Uniwersalna magistrala szeregowa
USB przez lata
Przed erą USB, praktycznie każde urządzenie zewnętrzne trzeba było podłączyć do peceta innym kablem. Za każdym razem należało też instalować inne sterowniki i często podczas tego procesu wielokrotnie ponownie uruchamiać system. To wszystko sprawiało kłopoty, wymagało niemal tajemnej wiedzy i ograniczało powszechne stosowanie komputerów wśród użytkowników domowych.
Pracę nad nowym interfejsem rozpoczęto na początku lat 90., kiedy to inżynier Intela, Ajay Bhatt, uznał, że obsługa peryferiów komputerowych powinna być znacznie łatwiejsza. Udało mu się przekonać do swojej wizji pracodawcę, współpracowników oraz inne firmy, by po kilku latach określić parametry i możliwości standardu oraz zaprezentować pierwsze urządzenia. Podczas pracy przyświecała mu jedna myśl: „bierzesz urządzenie, podłączasz je do komputera i działa”. Udział w opracowywaniu standardu oprócz Intela brały również takie firmy jak Compaq, DEC, IBM, Microsoft, NEC i Nortel.
Początek
Założenia standardu USB określono pod koniec 1995, a od roku 1996 zaczęły pojawiać się komputery wyposażone w nowe porty. Microsoft dodał w tym czasie obsługę USB
do Windows 95 OSR2.1, ale system wymagał specjalnej aktualizacji. Pierwszy duży pokaz działających urządzeń odbył się na targach Comdex w Las Vegas w 1998 roku.
W pracach nad standardem nie brał udziału Apple, ale to właśnie ta firma jako pierwsza zaprezentowała w tym samym roku komputer wyposażony jedynie w porty USB. Wszystko uległo gwałtownemu przyspieszeniu, gdy pojawił się Windows 98. Rynek został wręcz „zalany” różnymi urządzeniami nowego standardu. Interfejs USB jest samokonfigurujący, co oznacza, że użytkownik nie musi korygować takich ustawień, jak przerwania czy adresy pamięci (przed erą USB było to zmorą użytkowników).
Co więcej, standard nie przewiduje nawet interfejsu. Znormalizowane złącza gwarantują wygodę podłączania, a korzystające ze standardu urządzenia mogą być włączane
i wyłączane bez restartowania komputera. USB pozwala też na eliminację części przewodów zasilających. Poza tym dzięki wymaganej certyfikacji użytkownik ma gwarancję, że sprzęt z logo USB będzie działał tak, jak reklamuje producent.
Zaleta
Dodatkową zaletą USB jest możliwość podłączenia wielu urządzeń zewnętrznych do jednego gniazda. Pojedynczy kontroler USB może obsłużyć 127 połączeń. Aby w ogóle było możliwe podpięcie tylu kabli, stosuje się specjalne koncentratory (huby) z wieloma wyjściami. Koncentratory można łączyć kaskadowo do pięciu poziomów.
Hub może być częścią komputera, stanowić oddzielne urządzenie albo znajdować się sprzęcie zewnętrznym – monitorze czy klawiaturze. Maksymalną długość kabla USB dla
standardów USB 1.x oraz 2.x ograniczono do 5 metrów. W przypadku wersji 3.x standard nie mówi nic o długości, ale określa wymagania elektryczne, które musi spełniać połączenie. Stosując miedziane żyły, otrzymuje się w praktyce około 3 metrów przewodu.
Po upływie ponad dwudziestu lat, w użyciu jest nominalnie trzecia wersja standardu USB, a przygotowywana jest czwarta. Szybkości przesyłania danych za pomocą tego interfejsu zwiększyły się w tym czasie kilka tysięcy razy, a stosowane na przestrzeni lat złącza zmieniały kilkakrotnie swój wygląd.
Szybko, szybciej, jeszcze szybciej
Pierwsza wersja standardu cechowała się dwiema szybkościami przesyłania danych. USB 1.0 pozwalało osiągnąć transfer 12 Mbit/s (Full Speed) i 1,5 Mbit/s w trybie Low Speed. Co ciekawe, jak wspomina Ajay Bhatt, wprowadzenie wolniejszego trybu prawdopodobnie „uratowało” USB przed porażką. Nie był początkowo przewidziany i został dodany dopiero na prośbę projektantów oprogramowania z Microsoftu.
Planując obsługę myszy w Windows, doszli oni do wniosku, że 12 Mbit/s to „stanowczo za szybko”.
Przewidywali, że szybszy tryb pracy może wymagać ekranowania przewodów, co spowoduje, że kable myszy komputerowych staną się zbyt sztywne do wygodnej pracy, a koszty ich produkcji będą zbyt wysokie.
Uznali, że jeżeli standard nie będzie uwzględniał niższych transferów, nie będą mogli go zaimplementować w systemie. Po aktualizacji standardu do wersji 1.1 w 1998 roku poprawiono parametry elektryczne złącza, co ułatwiło przesyłanie sygnału na większe odległości i zasilanie różnych urządzeń.
W roku 2000 opublikowano specyfikację USB 2.0. Do dwóch trybów pracy dodano tak zwany tryb Hi Speed. Umożliwiał on przesyłanie danych z szybkością 480 Mbit/s. Poza
większą wydajnością wprowadzono także nowe złącza i dopracowano standardy zasilania. Nowa wersja precyzyjnie definiowała sposób ładowania. Maksymalny prąd, który mógł przepływać przez złącze wynosił 500 mA. Jednocześnie można było połączyć ze sobą dwa urządzenia bez pośrednictwa hosta. USB 2.0 „rządziło” na rynku złączy komputerowych przez kolejne 10 lat.
Od 2010 użytkownicy mogą korzystać z trzeciego wariantu USB. Do dziś wyróżniono kilka generacji tego standardu i kilkakrotnie modyfikowano nazewnictwo. Podstawowa
wersja 3.0 wprowadziła tryb Super Speed pozwalający na transfer danych z prędkością 5 Gbit/s. Od 2013 dane można było przesyłać już z prędkością 10 Gbit/s. To tak
zwany tryb Super Speed+ znany z USB 3.1. Specyfikacja wariantu USB 3.2 opublikowana w 2017 podwyższyła transfer w trybie Super Speed+ do 20 Gbit/s.
Ostatecznie USB 3.0 otrzymało nazwę USB 3.2 Gen1, USB 3.1 nazwę USB 3.2 Gen2, a USB 3.2 – USB 3.2 Gen2x2. Według zaleceń organizacji standaryzującej USB, producenci urządzeń powinni oznaczać gniazda i wtyki Super Speed kolorem niebieskim oraz logo SS.
Mocny kawałek
W prądową gniazd typu A i B w standardzie USB 3.2 podniesiono do 900 mA (1,5 A dla złącz zasilających). Złącze typu C, które zastępuje wszystkie inne wcześniejsze złącza pozwala jednak na maksymalny prąd rzędu 3 A przy standardowym napięciu 5 V. Zasilające gniazda USB w tej wersji cechuje napięcie 20 V i maksymalny prąd 5 A.
Dzięki temu można uzyskać aż 100 watów mocy. To w zupełności wystarczy na przykład do zasilania laptopa. Rosnące nieustannie wymagania, co do wydajności przesyłania danych zaowocowały kolejną odsłoną standardu. Specyfikację USB 4 opublikowano w 2019 roku, a pierwsze urządzenia mają pojawić się w drugiej połowie tego roku. Maksymalna wydajność złącza to 40 Gbit/s. USB 4 bazuje na protokole Thunderbolt 3 i jest z nim w pełni zgodne.
Zamieszanie z gniazdami
W pierwszej wersji USB przewidziano tylko dwa rodzaje złącz o standardowej wielkości – wtyczki o płaskim przekroju określone mianem typu A i wtyczki o przekroju bardziej kwadratowym oznaczane jako typ B. Bałagan przyszedł wraz z USB 2.0 Do standardowego rozmiaru dołączyły rozmiary mini i micro. Przy czym wielkość mini miała trzy odmiany – A, B oraz AB, a wielkość Micro dwie – A oraz B. Wariant mini powstał po to, by można było obsługiwać urządzenia przenośne. Te jednak bardzo szybko zostały przez producentów „odchudzone” dlatego też konieczna była kolejna adaptacja gniazd i wtyczek. Wprowadzono złącza typu micro o grubości około połowy złącz mini.
O ile jednak zrozumiałe jest wprowadzenie mniejszej wielkości złącza, o tyle różnicowanie gniazd w jego obrębie już na pewno mniej. Od wersji USB 3.0 w użyciu pozostały
tylko tradycyjne, standardowe wtyczki i gniazda typu A oraz B. Spotyka się jeszcze także gniazda micro B. Wszystkie jednak znikają wraz z upowszechnieniem standardu 3.2,
czyli według aktualnego nazewnictwa 3.2 Gen2x2. Tu króluje już złącze USB-C i jako jedyne będzie obowiązywało w przypadku standardu USB 4.0
Gniazda i wtyki typu A standardu USB 2.0 i 3.0 są ze sobą zgodne. Gniazda USB 3.0 typu B są nieco większe niż w przypadku wariantu 2.0 i umożliwiają podłączenie większych wtyczek 3.0 B oraz mniejszych 2.0 B. Wtyczki 3.0 B nie pasują jednak do wejścia 2.0. Złącza B w wersji micro są takie same w przypadku USB 2.0, jak i USB 3.0. USB-C nie jest już zgodne ze swoimi poprzednikami. Jak widać bardzo łatwo pogubić się wśród typów złączy USB. Zawiedziony jednak będzie ten, kto oczekuje w tym gąszczu sensownych i jednoznacznych oznaczeń.
Specyfikacja standardu USB nie przewiduje na przykład kodu kolorystycznego poszczególnych złączy. Pisaliśmy już, że jedyne oznaczenie jakie sugeruje ona producentom (ale też go nie wymaga) to niebieski kolor portów Super Speed, a więc od wersji 3.0 wzwyż. Inne kolory gniazd i wtyczek spotykane czasami w różnych urządzeniach, to zazwyczaj oznaczenia przyjęte przez poszczególnych producentów.
Podsumowując, na pewno czarne gniazdo i czarna wtyczka to starsze USB 2.0, a niebieski port to wariant 3.x natomiast fiolet czy zieleń mogą, choć nie muszą, oznaczać gniazda szybkiego ładowania, takiego o większym prądzie. Kolory pomarańczowy bądź czerwony to zaś często porty pozwalające ładować urządzenie, podczas gdy komputer lub laptop wyposażony w to gniazdo jest w stanie uśpienia (tak zwane porty sleep and charge). Żeby jednak nie było zbyt łatwo, kolor pomarańczowy czasami oznacza też porty szybkiego ładowania Qualcomm Quick Charge (QQC), standardu ładowania urządzeń przenośnych mającego większą wydajność niż określa to specyfikacja USB. Jednak, by z niego skorzystać, QQC musi obsługiwać zarówno „ładowarka” jak i urządzenie ładowane.
USB I THUNDERBOLT
Thunderbolt to konkurencyjna w stosunku do USB technologia podłączania urządzeń i przesyłania danych. Rozwijana początkowo osobno, od wersji 3 łączy się częściowo z USB 3.x. Na razie tylko dzieląc ze sobą to samo złącze USB-C. W porównaniu do USB 3.2 Gen2x2 Thunderbolt ma lepsze parametry. Maksymalny transfer, jaki osiąga Thunderbolt 3 to 40 Gbit/s. Protokół pozwala podłączyć dwa monitory 4K i przesyłać do nich obraz z częstotliwością 60 Hz, zasilać urządzenia bezpośrednio z portu czy łączyć odbiorniki w łańcuchy urządzeń. Za jego pomocą można podłączać zewnętrzne karty graficzne.
USB 3.2 oznacza o połowę niższy transfer, możliwość podłączenia tylko jednego monitora 4K, czy brak opcji obsługi łańcuchów. Thunderbolt 3 ma takie same możliwości jak USB 3.2, ale USB 3.2 nie potrafi tego, co Thunderbolt. Jeżeli Thunderbolt 3 nie będzie mógł na przykład zidentyfikować urządzenia jako sprzęt Thunderbolt, podejmie próbę połączenia z nim za pomocą protokołu USB.
Pełnym odpowiednikiem Thunderbolt 3 będzie dopiero USB 4. Obydwa standardy zostaną ze sobą całkowicie zintegrowane i będą miały właściwie takie same możliwości. Z dużym prawdopodobieństwem Thunderbolt 3 zniknie więc z rynku. Nie ma natomiast na razie precyzyjnych i pewnych informacji, jakie zmiany (i czy w ogóle) planuje Intel dla standardu Thunderbolt 4.
