20.11.2025 02:17

Как появился USB? Большой разбор технологии

Компьютерные системы совершенствовались десятилетиями, и только сейчас мы можем смело сказать, что наблюдаем уже совершенные системы. Каждая технология проходила через время и труды инженеров. В этой статье мы обсудим стандарт USB — как он появился и развивался и что будет с ним в будущем.

В начале 90-х инженеры столкнулись с проблемой — отсутствовал единый стандарт подключения для периферийных устройств. Было множество разных портов — последовательный COM, параллельный LPT, PS/2 для клавиатуры и мыши, различные порты для джойстиков. Не было единого стандарта — производители тех лет вообще могли создавать какие-то кастомные решения. Нужен был единственный порт, через который подключались бы все периферийные устройства.

Ученые решили объединиться, и к 1994 году группа разработчиков Intel, Microsoft, IBM, NEC, а также других компаний представили миру концепцию «plug and play» — что означает «подключай и работай». Еще два года прошло на то, чтобы разработать стандарт, который именовался USB 1.0 — Universal Serial Bus, что расшифровывается как «универсальная последовательная шина».

Но первая версия USB оказалась сильно сырой — не все операционные системы ее поддерживали, не все производители устройств хотели переходить на новый стандарт, также была проблема с длиной провода. Но с появлением USB 1.1 все кардинально поменялось.

Появление версии 1.1 было настоящим прорывом в компьютерной эре — порт заработал и стал поддерживаться многими операционными системами. Выпущен он был в сентябре 1998. Поддерживал USB 1.1 два режима:

Соответственно, Low-Speed режим был нужен для подключения мыши, клавиатуры, джойстиков (то, что не нуждалось в скорости), а высокоскоростной служил уже для передачи данных. Уже тогда появились активные «коробы» (с отдельным блоком питания) для подключения внешнего жесткого диска.

Хоть и вышеуказанные скорости уже были в стандарте USB 1.1, протокол все-таки претерпел существенные изменения. Проведена большая работа по устранению ошибок и сбоев, появилась четкая спецификация хабов, улучшилась система питания — и многое другое.

Самое интересное, что вместе со стандартом USB 1.1 появилось три типа разъемов:

Стандарт USB 1.1 имеет 4 провода: красный отвечает за питание (5 В), черный — земля, зеленый и белый — дата (+) и дата (-) соответственно, сигнальные провода для передачи данных. Максимальный ток — 500 мА, для периферии обычно 100 мА.

Стандарт 1.1 поддерживался в операционных системах Windows 95 OSR 2.1 (ограниченная поддержка), Windows 98 (полноценная поддержка), Mac OS 8.1 и Linux (начиная с ядра 2.2.18). Максимальная глубина подключения — 5 уровней (корневой хаб + 4 дополнительных хаба). Общее количество устройств в системе могло достигать 127, включая хабы. Длина кабеля 5 метров для полноскоростных устройств, 3 метра для низкоскоростных, но на практике устройства часто «глючили».

А здесь уже произошла настоящая революция. Пожалуй, стандарт от 2.0 до 3.0 существовал дольше всех и стал самым популярным. Он появился в апреле 2000 года и давал скорость до 480 Мбит/сек в лабораторно-идеальных условиях. На практике скорость передачи данных было 280 Мбит/сек, что тоже было очень хорошо. Как раз появились флешки и внешние жесткие диски — скорость была приемлемой. Стандарт хорошо работал с веб-камерами и прочими устройствами, где была важна высокая скорость.

Помимо всех прелестей предыдущего стандарта 2.0 поддерживал OTG (On-The-Go) — возможность передачи данных между устройствами минуя компьютер. То есть можно было подключить, скажем, телевизор и жесткий диск или другие девайсы соединять между собой. То есть передача данных происходила без посредника в роли компьютера.

Эпоха USB 2.0 по факту была с 2000 года по 2010… Но нет, и сейчас данный стандарт остается популярным — особенно для устройств, которые не требуют больших скоростей и параметров по питанию. Также вместе со стандартом 2.0 появился порт micro USB и mini USB. Хоть и 2.0 считается устаревшим, но он все равно еще длительное время будет существовать на компьютерах из-за дешевизны.

После революции 2.0 прогресс не устоял на месте — нужны более высокие скорости и параметры питания. Поэтому в 2008 году вышла новая версия стандарта USB — 3.0, которая сильно отличалась от всех предыдущих. Позже USB 3.0 был переименован в USB 3.1 Gen 1 — переименование было маркетинговым, что вызвало путаницу у пользователей.

Главное преимущество 3.0 — конечно же в скорости, которая возросла до 5 Гбит/сек, что в 10 раз быстрее предыдущего стандарта. А еще USB 3.0 обратно совместим с 2.0 и 1.1, что давало большое преимущество.

Максимальная сила тока возросла — до 900 мА, также снижено энергопотребление устройств в режиме ожидания до 80%.

Физическая архитектура поменялась — всего 9 контактов (4 старых и 5 новых). Вместе со стандартом появились и новые кабели — они стали толще и лучше экранированы. Только вот максимальная длина кабеля для беспроблемного подключения уменьшилась с 5 до 3-х метров. В отличие от USB 2.0, который использует half-duplex передачу (передача и приём поочерёдно), USB 3.0 поддерживает full-duplex — одновременную передачу и приём данных.

Стандарт USB 3.0 позволяет подключать внешний SSD накопители, DAS устройства, видеоинтерфейсы и прочие устройства требующие высокой скорости. Современный стандарт USB 3.2 Gen 2x2 поддерживает скорость уже до 20 Гбит/сек и данный порт активно используется в серверном оборудовании.

Как правило, порт Type-A стандарта USB 3.0 имеет синий цвет, но от производителя цвет может отличаться. USB 3.0 физически совместим с портом Thunderbolt 3/4 через разъём USB-C, но работает только в режиме USB (до 5 Гбит/с); Thunderbolt-устройства требуют поддержки соответствующего контроллера для полной скорости. Для использования Thunderbolt (до 40 Гбит/с) нужны специальные кабели и устройства с поддержкой этого стандарта. Обратная совместимость есть, но без адаптеров Thunderbolt 1/2 не поддерживают USB 3.0 напрямую.

Данный стандарт был представлен в 2019 году — скорость в базовом варианте 20 Гбит/сек, полноценная версия (с соответствующим кабелем) до 40 Гбит/сек. А USB 4.2.0 — до 80 Гбит/сек. Примечательно то, что стандарт был основан на Apple’вском Thunderbolt 3 и обязательно требует кабеля USB Type-C.

Как правило, стандарт нужен для подключения мониторов — двух с 4K разрешением или одного на 8K.

USB4 превосходит USB 3.2 в 2-4 раза по скорости, требует обязательного использования Type-C разъема и расширяет поддержку альтернативных режимов, при этом отличаясь от Thunderbolt 3 как открытый стандарт без лицензионных ограничений с более гибким управлением ресурсами и обязательной сертификацией устройств.

Если USB Type-A долгое время доминировал в компьютерах и других устройствах, то ему на смену пришел порт Type-C. Вот в чем проблема была у A порта? Штекер можно было вставить только одной стороной, что при многократном подключении портило порт — особенно на ноутбуках.

И вот выходит Type-C, который намного меньше стандартного, а самое главное он полностью симметричен — можно подключать любой стороной. Размеры порта — 8.4 x 2.6 мм. Порт имеет 24 контакта (против 9 в предыдущих разъемах).

USB Type-C поддерживает скорости от 480 Мбит/c (USB 2.0) до 80 Гбит/c (USB4 2.0), включая USB 3.2 (5-10 Гбит/c) и Thunderbolt 3/4 (40 Гбит/c).

Все версии используют один разъём, но реальная скорость зависит от поколения USB/Thunderbolt и качества кабеля.

Самый главный плюс в Type-C — универсальность. Порт появился не только в компьютерах и ноутбуках, но и в смартфонах. А это значит, что не нужно иметь несколько разных проводов. Даже компания Apple отказалась от Lighting (правда не по своей воле) и стала комплектовать свои устройства USB Type-C.