В последние годы спецификации стандартов USB становятся все запутаннее. Если раньше было всего три понятные версии, то сегодня сразу не скажешь, чем USB «Gen A» отличается от USB «Gen B». А недавнее появление продвинутого USB4, имеющего сразу несколько вариантов, запутало пользователей окончательно. Какие стандарты USB существуют, чем они между собой отличаются, и какие разъемы могут использовать?

USB 1.x и USB 2.0

Дебютный стандарт USB 1.0 был утвержден в далеком 1996 году. Спустя два года на смену ему пришел USB 1.1, получивший множество исправлений для улучшения стабильности работы. Обе версии имеют два одинаковых режима передачи данных: Low-Speed со скоростью до 1,5 Мбит/с и Full-Speed, разгоняющийся до 12 Мбит/c. Для питания подключенного устройства порты USB 1.0/1.1 могут передавать ток с напряжением 5 В и силой до 500 мА (2,5 Вт).

В 2000 году на смену этой паре пришел USB 2.0. Он сохранил ограничения по питанию и два старых режима работы, расширив их третьим — High-Speed со скоростью до 480 Мбит/с. Несмотря на низкую по современным меркам пропускную способность, эта троица режимов перекочевала по наследству во все более новые версии USB. Сегодня ее возможности используются в следующих устройствах:

• Low-Speed — стандартные клавиатуры и мыши, датчики «умного» дома, электронные медицинские приборы, аппаратные ключи доступа.

• Full-Speed — аудиоустройства начального уровня, продвинутые игровые клавиатуры, адаптеры Bluetooth, термопринтеры.

• High-Speed — большинство смартфонов и планшетов, веб-камеры, некоторые беспроводные игровые мыши, бюджетные флешки, принтеры и МФУ.

Кабели USB 1.0, 1.1 и 2.0 устроены одинаково. Внутри них скрываются четыре жилы: две отвечают за передачу данных, а еще две — за питание (Vbus и GND). При этом различных разъемов и штекеров для этих версий USB существует целых шесть.

• USB Type-A. Наиболее распространенный классический разъем. Используется в ПК, ноутбуках и другой крупной технике для подключения внешних накопителей, клавиатур, мышей и множества других периферийных устройств.

• USB Type-B. Разъем, устанавливающийся на принтеры, сканеры, МФУ и внешние жесткие диски формата 3.5 дюйма. В последних был заменен ускоренным USB 3 Type-B.

• USB Mini-A. Можно было найти на редких фотоаппаратах и коммуникаторах середины 2000-х. Сегодня не встречается.

• USB Mini-B. Устанавливался на кнопочные телефоны, MP3-плееры и старые внешние жесткие диски формата 2.5 дюйма.

• USB Micro-A. Промышленные контроллеры, ранние GPS-навигаторы.

• USB Micro-B. Большинство смартфонов, планшетов и мелкой электроники, которые были выпущены до 2018 года. Появившийся позже ускоренный USB 3 Type-B используется во внешних жестких дисках формата 2.5 дюйма.

Изначально разъемы типа «A» задумывались исключительно для использования на хост-устройствах (тех, что инициируют передачу данных: ПК, ноутбуках), а разъемы типа «B» — для размещения на периферийных.

В случае с полноразмерным USB Type-A так и получилось. Но его уменьшенные версии не обрели популярности: основными хост-устройствами с ними могли служить только смартфоны и планшеты, делать на которых по два разъема для разных задач было нецелесообразно. В итоге для совмещения обоих режимов на миниатюрных разъемах было решено использовать четвертый ID-контакт. Когда он не задействован, устройство работает в режиме периферийного, а когда подключен к земле — как хост. Именно так на первых смартфонах был реализован режим USB On-The-Go (OTG).

USB 3.2 Gen 1 (он же 3.0/3.1 Gen 1)

Скоростей USB 2.0 было достаточно (и достаточно до сих пор) для большинства периферийных устройств. Однако уже в 2003 году он стал ограничивать скорость внешних жестких дисков, а спустя еще четыре года в него начали упираться и USB-флешки. Решением проблемы стал стандарт USB 3.0, представленный в 2008 году — в новом режиме SuperSpeed он обеспечил скорость передачи данных до 5 Гбит/c.

Чтобы сохранить совместимость с предшественниками, и при этом ускориться на порядок, разъемы USB 3.0 для высокоскоростного режима были оснащены пятью дополнительными контактами. Два из них обеспечивают передачу данных от хоста к устройству, еще два — от устройства к хосту. А к пятому контакту GND_DRAIN подключается провод, который экранирует высокоскоростные линии от помех.

Предельный ток для питания устройств в новом стандарте был увеличен до 900 мА (4,5 Вт). Обновления получили только три из ранее существующих разъемов: USB 3 Type-A, USB 3 Type-B и USB 3 Micro-B. Если дополнительные контакты любого из них не подключены или отсутствуют в кабеле, то используемое устройство будет работать в режиме USB 2.0 с соответствующими ограничениями по скорости.

С выходом следующих поколений интерфейса USB 3.0 был переименован в USB 3.1 Gen 1, а в потом — еще и в USB 3.2 Gen 1. На устройствах, выпущенных в разное время, может встречаться одно из этих обозначений — но все они подразумевают один и тот же режим SuperSpeed со скоростью до 5 Гбит/c.

USB 3.2 Gen 2 (он же 3.1 Gen 2)

В 2013 году на свет появилась следующая версия USB с новым режимом SuperSpeed+, обеспечивающим скорость передачи до 10 Гбит/c. Параллельно была введена новая система наименований: старый USB 3.0 был переименован в USB 3.1 Gen 1, а новый был назван USB 3.1 Gen 2. Кабели и разъемы в этот раз изменений не претерпели: повышенная скорость передачи была достигнута за счет увеличения частоты шины.

Вместе с новой версией интерфейса была представлена первая спецификация USB Power Delivery, позволяющая по согласованию с периферийным устройством изменять напряжение питание и силу подаваемого тока. Максимальный режим предусматривал 20 В при 5 А (100 Вт), но конечная реализация отдавалась на откуп производителя — по стандарту разъемы USB 3.1 Gen 2 все также обязаны были отдавать лишь 5В при 900 мА (4,5 Вт).

Менее чем через год был представлен новый тип разъема — USB Type-C. Благодаря симметричному коннектору он избавился от главного недостатка конструкции своих предшественников, из-за которой их можно было вставить в разъем только в определенной ориентации. А за счет компактных размеров отпала необходимость в создании мини-версий: теперь единый новый порт мог устанавливаться как на крупные устройства вроде ПК, так и на миниатюрные смартфоны.

Type-C разрабатывался как универсальный 24-контактный разъем, через который можно было передавать не только протокол USB, но и множество других. С 2015 года его возможности активно используются интерфейсом Thunderbolt.

USB 3.2 Gen 2x2

В 2017 году состоялся выход последней версии третьего поколения USB. Обновление стандарта вновь повлекло за собой череду переименований: старый USB 3.0 стал называться USB 3.2 Gen 1, а предыдущий USB 3.1 Gen 2 превратился в USB 3.2 Gen 2.

По-настоящему новая разработка получила название USB 3.2 Gen 2x2 (SuperSpeed++). Чтобы увеличить скорость до 20 Гбит/c, но при этом сохранить совместимость с предыдущими версиями, были использованы возможности разъема USB Type-C: теперь вместо одного высокоскоростного канала передачи данных в каждую сторону стало использоваться по два.

Так как для подобного режима требуется вдвое больше контактов, передача со скоростью 20 Гбит/c с помощью других видов разъемов USB 3.x стала недоступной — их развитие остановилось на прошлом режиме 10 Гбит/с.

В отличие от кабелей USB «А» и «B», далеко не все кабели с коннектором Type-C имеют внутри полный набор жил для него. В некоторых моделях вместо двух положенных линий USB 3.x есть лишь одна, а в других — имеются только провода классической линии USB 2.0.

USB4

2019 год принес с собой долгожданную четвертую версию стандарта. Здесь вместо прямой передачи информации используется туннелирование данных. С его помощью в единый поток пакетов могут быть «завернуты» не только передача USB, но и видеосигнал DisplayPort 1.4a или интерфейс PCI-E 3.0 x4 (последний — опционально).

Благодаря такому подходу USB4 превратился в многофункциональный разъем, который способен одновременно передавать несколько типов информации. К примеру, и изображение на экран монитора, и данные на его встроенный USB-хаб.

Порты USB4 обязаны поддерживать протокол Power Delivery 3.0, а опционально — могут быть совместимы еще и с Power Delivery 3.1 EPR. Первый дает возможность передавать до 100 Вт мощности, второй — до 240 Вт (48 В/5 А). Но обязательные требования к порту четвертого поколения куда скромнее: всего 5В при 1,5 А (7,5 Вт).

Несмотря на туннелирование данных, для их передачи все также используются прежние четыре высокоскоростных канала разъема Type-C. При этом порт USB4 обязан переключать их в старый режим прямой передачи USB 3.x, если в него вставлено устройство с прошлым поколением интерфейса. И даже совместимость с «древним» USB 2.0 достигается за счет сохранения его отдельной линии.

Базовый режим скорости, который обязан поддерживать любой порт USB4 — это 20 Гбит/c. Второй режим 40 Гбит/с, который обеспечивает двукратное ускорение по сравнению с USB 3.2 Gen 2x2, является опциональным.

USB4 v2.0

В 2022 году был представлен USB4 v2.0. Обновленный стандарт обзавелся поддержкой передачи интерфейсов DisplayPort 2.1 и PCI-E 4.0 x4 (опционально), а совместимость портом с протоколом Power Delivery 3.1 EPR отныне стала обязательной.

Однако скорость вновь не стала увеличенной по умолчанию. Предельным режимом работы для портов USB4 v2.0, как и прежде, могут быть 20 или 40 Гбит/с. Но наряду с ними были введены еще два опциональных режима: симметричный 80 Гбит/c (в обе стороны) и ассиметричный 120/40 Гбит/c (на передачу/прием).

Чтобы разогнать скорость интерфейса до таких запредельных значений, вместо ранее используемого двухбитного кодирования NRZ стало использоваться трехбитное PAM. А хитрость старшего режима в виде неравномерного распределения пропускной способности стала возможной за счет переназначения направленности линий. Здесь вместо двух в каждую сторону три начинают использоваться для передачи от хоста к устройству, и лишь одна — для обратной.

Асимметричный режим не может использоваться для передачи данных по USB или PCI-E — он предназначен только для вывода изображения посредством интерфейса DisplayPort. С помощью всего одного порта USB4 с поддержкой этого режима можно подключить к ПК несколько панелей высокого разрешения.

Реальные скорости передачи данных

Из-за разных схем кодирования и накладных расходов с любой версией USB реальная пропускная способность интерфейса будет ниже теоретической. Помните об этом при использовании внешних накопителей и других устройств, требующих высокой скорости обмена данными.

1 ниже, чем у USB 3.2 Gen 2x2, из-за накладных расходов туннелирования.

2 ограничен накладными расходами туннелирования и скоростью шины PCI-E 4.0 x4