USB jungties duomenų perdavimo protokolai

Kaip prasidėjo USB revoliucija

Dar prieš dvidešimt metų kompiuterio galinė sienelė atrodė kaip tikras chaosas – įvairių formų ir dydžių jungtys pelei, klaviatūrai, spausdintuvui, skaneriui. Kiekvienas įrenginys turėjo savo unikalią jungtį, o kartais reikėdavo išjungti kompiuterį, kad galėtum ką nors prijungti ar atjungti. USB (Universal Serial Bus) atsirado kaip išgelbėjimas nuo šio betvarkės.

1996 metais septynios didžiosios technologijų kompanijos – Intel, Compaq, Microsoft, NEC, IBM, DEC ir Nortel – susivienijo sukurti vieningą standartą, kuris pakeistų visą periferinių įrenginių pasaulį. Pirmoji USB 1.0 versija dar nebuvo tobula, bet idėja buvo revoliucinė: viena jungtis viskam, galimybė prijungti įrenginius neišjungiant kompiuterio, ir dar elektros maitinimas per tą pačią jungtį.

USB 1.0 ir 2.0 – pirmieji žingsniai

USB 1.0 pradžioje siūlė dvi greičio režimus: Low Speed (1.5 Mbit/s) ir Full Speed (12 Mbit/s). Tai buvo pakankama pelėms ir klaviatūroms, bet jau ne tokia įspūdinga, kai norėjai perkelti didesnį failą. Tad 1998 metais atsirado USB 1.1, kuris išsprendė kai kurias vaikiškas klaidas.

Tikrasis proveržis įvyko 2000 metais su USB 2.0. Šis standartas įvedė High Speed režimą, pasiekiantį 480 Mbit/s (apie 60 MB/s praktikoje). Staiga tapo įmanoma prijungti išorinius kietuosius diskus, skaitmenines kameras ir kitus duomenų alkanus įrenginius. USB 2.0 tapo tokiu populiarus, kad jį rasite veikiančiame įrenginyje ir šiandien – dauguma klaviatūrų, pelių ir kitų paprastų priedų jam visiškai pakanka.

Įdomu tai, kad USB 2.0 protokolas naudoja pusiau dupleksinį ryšį – duomenys gali keliauti tik viena kryptimi vienu metu. Tai kaip siaurutis tiltas, kur automobiliai turi laukti, kol priešinga kryptimi važiuojantys pravažiuos. Praktikoje tai reiškia, kad jei vienu metu skaitote ir rašote duomenis, greitis efektyviai perpus sumažėja.

USB 3.0 – mėlynoji era

2008 metais pristatyta USB 3.0 versija (vėliau pervadinta į USB 3.1 Gen 1, bet apie tai vėliau) buvo tikras šuolis į priekį. SuperSpeed režimas pasiekė 5 Gbit/s teorinį greitį, o praktikoje galėjote tikėtis apie 400-500 MB/s. Tai dešimt kartų greičiau nei USB 2.0!

Fiziškai USB 3.0 jungtys dažnai būdavo ženklinamos mėlyna spalva – tai tapo savotišku greičio ženklu. Bet svarbiausia buvo ne spalva, o tai, kas vyko viduje. USB 3.0 įvedė pilną dupleksinį ryšį – duomenys galėjo keliauti abiem kryptimis vienu metu. Grįžtant prie tilto analogijos, dabar turėjome dviejų juostų kelią su atskiromis eismo juostomis kiekvienai krypčiai.

Techniškai tai buvo pasiekta pridedant papildomus laidus kabelyje. Standartinė USB 3.0 jungtis turi devynis kontaktus (palyginti su keturiais USB 2.0), bet išlaikė suderinamumą su senesniais įrenginiais. Galite įkišti seną USB 2.0 įrenginį į USB 3.0 lizdą ir jis veiks – tiesiog lėčiau.

Pavadinimų painiava ir USB 3.x šeima

Dabar prasideda tikras galvos skausmas. USB organizacija (USB-IF) nusprendė, kad pavadinimų schema per daug paprasta, ir pradėjo viską keisti. USB 3.0 tapo USB 3.1 Gen 1. Tada atsirado USB 3.1 Gen 2, kuris pasiekė 10 Gbit/s (apie 1.2 GB/s praktikoje). Vėliau atsirado USB 3.2, kuris turėjo Gen 1, Gen 2 ir Gen 2×2 versijas.

Štai kaip tai atrodo realybėje:
– USB 3.2 Gen 1 = senasis USB 3.0 = 5 Gbit/s
– USB 3.2 Gen 2 = senasis USB 3.1 = 10 Gbit/s
– USB 3.2 Gen 2×2 = naujas standartas = 20 Gbit/s

Gen 2×2 versija naudoja du 10 Gbit/s kanalus vienu metu, bet tam reikia specialaus USB-C kabelio su visais laidais. Daugelis pigesnių USB-C kabelių šito nepalaiko, todėl net turint tinkamus įrenginius, galite negauti maksimalaus greičio.

Praktinis patarimas: perkant išorinį diską ar kitą greitą įrenginį, žiūrėkite ne tik į pačią jungtį, bet ir į tai, kokį tiksliai protokolą jis palaiko. „USB 3.0” užrašas ant dėžutės gali reikšti bet ką nuo 5 iki 20 Gbit/s.

USB4 – naujas etapas su Thunderbolt DNR

2019 metais pristatytas USB4 standartas pagaliau atnešė šiek tiek tvarkos. Jis remiasi Thunderbolt 3 protokolu, kurį Intel dosniai pasidalino su pasauliu. USB4 reikalauja USB-C jungties (atsisveikinome su senaisiais Type-A lizdais) ir garantuoja bent 20 Gbit/s greitį, nors gali pasiekti ir 40 Gbit/s.

Viena iš svarbiausių USB4 naujovių – tuneliavimas. Tai reiškia, kad per vieną kabelį galite vienu metu perduoti USB duomenis, DisplayPort vaizdo signalą ir net PCIe duomenis. Tai daro įmanoma tokius dalykus kaip išorinės vaizdo plokštės ar docking stotys, kurios vienu kabeliu prijungia monitorių, įkrauna nešiojamąjį ir suteikia prieigą prie visų periferinių įrenginių.

USB4 taip pat palaiko „alternate modes” – galimybę naudoti tuos pačius fizinius kontaktus skirtingiems protokolams. Pavyzdžiui, DisplayPort Alt Mode leidžia tiesiogiai siųsti vaizdo signalą per USB-C jungtį be jokių konverterių.

Kaip veikia duomenų perdavimas techninėje pusėje

USB komunikacija vyksta pagal griežtą hierarchiją. Viršuje yra šeimininkas (host) – paprastai jūsų kompiuteris. Jis kontroliuoja visą komunikaciją ir nusprendžia, kada kuris įrenginys gali siųsti ar gauti duomenis. Įrenginiai (devices) negali tiesiogiai bendrauti tarpusavyje – viskas eina per šeimininką.

Duomenys perduodami paketais. Kiekvienas paketas turi antraštę su adresu, duomenų dalį ir klaidų tikrinimo kodą. USB protokolas naudoja CRC (Cyclic Redundancy Check) algoritmą, kad užtikrintų duomenų vientisumą. Jei paketas sugenda, jis perduodamas iš naujo.

USB palaiko keturis perdavimo tipus:

**Control transfers** – naudojami įrenginio konfigūracijai ir valdymui. Kai prijungiate naują pelę, kompiuteris naudoja šiuos perdavimus, kad sužinotų, kas tai per įrenginys ir kaip su juo bendrauti.

**Bulk transfers** – skirti dideliems duomenų kiekiams be laiko apribojimų. Jūsų išorinis diskas naudoja būtent šitą režimą. Jei sistemoje yra daug darbo, šie perdavimai gali palaukti.

**Interrupt transfers** – naudojami įrenginiams, kuriems reikia greito atsako, kaip klaviatūra ar pelė. Nors vadinasi „interrupt”, iš tikrųjų USB protokole tai yra reguliariai apklausiami duomenys.

**Isochronous transfers** – garantuoja pastovų duomenų srautą, bet be klaidų taisymo. Idealus garso ir vaizdo įrenginiams, kur geriau praleisti vieną kadrą nei sustabdyti visą srautą.

USB-C – jungtis, kuri viską pakeitė

USB Type-C jungtis, pristatyta 2014 metais, yra daugiau nei tiesiog nauja fizinė forma. Tai universalus sprendimas, kuris gali perduoti duomenis, vaizdą ir elektros energiją iki 240 vatų (su naujausiu USB Power Delivery 3.1 standartu).

Svarbiausia Type-C savybė – simetrija. Galite kišti kabelį bet kuria puse, ir jis veiks. Tai gali atrodyti kaip smulkmena, bet kiekvienas, kuris nakties tamsoje bandė tris kartus apsukti USB-A kištuką, supranta šios inovacijos vertę.

Tačiau USB-C sukėlė ir painiavos. Vien tai, kad įrenginys turi USB-C jungtį, dar nieko nesako apie jo galimybes. Vienas USB-C lizdas gali palaikyti tik USB 2.0 greičius ir 5W įkrovimą, o kitas – pilną USB4 su 100W maitinimu. Išoriškai jos atrodo vienodai.

Kabeliai taip pat skiriasi. Pigus USB-C kabelis už porą eurų gali turėti tik kelis iš 24 kontaktų sujungtus. Jis tiks telefonui įkrauti, bet ne greitiems duomenims ar vaizdo signalui. Kokybiški kabeliai turi būti sertifikuoti ir turėti atitinkamus žymenis, bet praktikoje daugelis gamintojų šito nesilaiko.

Ateities technologijos ir ką rinktis šiandien

USB technologija nuolat tobulėja. Jau kalbama apie USB4 Version 2.0, kuris pasieks 80 Gbit/s greitį naudojant naują PAM3 signalo kodavimą. Tai bus pakankama net nesuglaudintam 8K vaizdo perdavimui realiu laiku.

Bet ką visa tai reiškia paprastam vartotojui? Pirma, nepirkite įrangos vien pagal „USB” užrašą. Reikalaujate konkrečių specifikacijų. Jei perkate išorinį SSD, įsitikinkite, kad jis palaiko bent USB 3.2 Gen 2 (10 Gbit/s), kitaip greitas diskas dirbs lėtai.

Antra, investuokite į kokybiškus kabelius. Geras USB-C kabelis su pilnu 40 Gbit/s palaikymu kainuoja 20-30 eurų, bet jis veiks su visais jūsų dabartiniais ir būsimais įrenginiais. Pigūs kabeliai dažnai tampa butelio kakleliu, ribojančiu visą sistemos našumą.

Trečia, jei renkate naują kompiuterį ar nešiojamąjį, žiūrėkite, kad jis turėtų bent vieną USB4 arba Thunderbolt 4 jungtį. Tai užtikrins, kad galėsite prijungti bet kokius būsimus įrenginius be jokių apribojimų.

Ketvirta, neišmeskite senų USB 2.0 įrenginių. Jie puikiai veikia su naujomis jungtimis, o tokiems dalykams kaip klaviatūra ar pelė papildomas greitis vis tiek nereikalingas. Suderinamumas yra viena iš USB stipriausių pusių.

Kai technologija tampa kasdieniu įrankiu

USB evoliucija rodo, kaip technologija gali būti ir neįtikėtinai sudėtinga, ir kartu paprasta naudoti. Mes nebegalvojame apie protokolus ir duomenų paketus – tiesiog įkišame kabelį ir viskas veikia. Tai yra gero standarto požymis.

Žinoma, kelias nebuvo be duobių. Pavadinimų painiava, nesuderinamų kabelių gausa ir gamintojų bandymai sutaupyti cento įdiegdami pigesnę jungtį – visa tai apsunkina gyvenimą. Bet bendras USB poveikis technologijų pasauliui yra neginčijamas.

Šiandien USB yra visur – nuo mažyčių Bluetooth ausinių dėklų iki galingų išorinių vaizdo plokščių. Tai tapęs universaliu kalbu, kuriuo bendrauja beveik visi elektroniniai įrenginiai. Ir nors ateityje gali atsirasti dar greitesnių, dar universalesnių sprendimų, USB palikimas išliks – kaip standartas, kuris parodė, jog skirtingos kompanijos gali susitarti ir sukurti kažką, kas naudinga visiems.