USB 2.0 уже четверть века, но его до сих пор ставят в новые устройства — почему?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | Гаджеты

В апреле 2000 года организация USB Implementers Forum представила общественности техническую документацию, описывающую стандарт USB 2.0, которая подняла пропускную способность универсальной шины с 12 Мбит/с до 480 Мбит/с. С того момента прошло более двадцати пяти лет, за которые индустрия пережила появление USB 3.0, USB 3.2, USB4 и Thunderbolt, а разъём Type-C стал фактическим стандартом для портативной техники. Тем не менее контроллеры USB 2.0 продолжают встраиваться в материнские платы, ноутбуки, автомобили и промышленные контроллеры.

Автор: Aidan C. Siegel Источник: commons.wikimedia.org

Как USB 2.0 появился и что именно он изменил

К концу 1990-х годов персональный компьютер оброс десятками разнотипных портов: PS/2 для клавиатур и мышей, LPT для принтеров, COM для модемов, SCSI для внешних накопителей, FireWire для видеокамер. Пользователю приходилось держать набор кабелей и драйверов под каждую периферию, а производителям материнских плат — выделять место под множество контроллеров. В январе 1996 года была представлена техническая спецификация интерфейса USB 1.0, предложила единый четырёхпроводный интерфейс, но её пропускная способность в 12 Мбит/с ограничивала применение быстрых устройств вроде внешних жёстких дисков и сканеров высокого разрешения.

Ключевой задачей при работе на USB 2.0 было увеличить скорость без изменения физического разъёма и без нарушения совместимости с уже выпущенными устройствами. Результатом стал режим Hi-Speed на 480 Мбит/с, при этом контроллер USB 2.0 автоматически переключался на режимы Full-Speed (12 Мбит/с) и Low-Speed (1,5 Мбит/с) при подключении старой периферии.

Такой подход заложил принцип обратной совместимости, который впоследствии стал фундаментальным для всей экосистемы USB и во многом определил долгожительство стандарта.

Схема физического интерфейса USB Full-Speed / High-Speed.Ключевое отличие заключается в расположении резистора 1.5 кОм на стороне устройства: в режиме Full-Speed (и при старте High-Speed) он подключен к линии D+, тогда как в режиме Low-Speed — к линии D-, что позволяет хосту автоматически определять скорость подключенной периферии. При переходе в High-Speed этот резистор отключается, а амплитуда сигнала снижается с 3.3 В до 400 мВ для обеспечения максимальной пропускной способности.
Схема физического интерфейса USB Full-Speed / High-Speed.Ключевое отличие заключается в расположении резистора 1.5 кОм на стороне устройства: в режиме Full-Speed (и при старте High-Speed) он подключен к линии D+, тогда как в режиме Low-Speed — к линии D-, что позволяет хосту автоматически определять скорость подключенной периферии. При переходе в High-Speed этот резистор отключается, а амплитуда сигнала снижается с 3.3 В до 400 мВ для обеспечения максимальной пропускной способности.
Автор: ASDFS Источник: ru.wikipedia.org

Почему четырёх проводов достаточно

Физический слой USB 2.0 использует четыре проводника: два провода питания (VBUS и GND) и два сигнальных (D+ и D−), по которым данные передаются дифференциальным способом. Полудуплексная схема означает, что в каждый момент времени информация идёт только в одну сторону, а обменом управляет хост-контроллер, опрашивающий подключённые устройства по расписанию. Для клавиатуры, мыши, принтера или простого датчика такой архитектуры более чем достаточно: опрос происходит с частотой до 8000 раз в секунду, а задержка отклика измеряется долями миллисекунды.

Для сравнения, USB 3.0 добавляет к тем же четырём проводам ещё пять: две пары для приёма и две для передачи данных в дуплексном режиме, плюс дополнительный провод заземления. USB4 в реализации Type-C использует уже все 24 контакта разъёма, включая высокоскоростные пары для альтернативных протоколов вроде DisplayPort или PCIe. Каждый дополнительный проводник усложняет трассировку на печатной плате, увеличивает число слоёв в кабеле и повышает требования к экранированию. В условиях, когда устройству нужно передать несколько килобайт данных в секунду, эти усложнения не дают никакой практической выгоды, зато увеличивают себестоимость.

Схема USB 2.0
Схема USB 2.0
Автор: Simon Eugster Источник: commons.wikimedia.org

Cколько стоит контроллер

В современном однокристальном контроллере или чипсете материнской платы физический уровень USB 2.0 (так называемый PHY) занимает площадь кремния порядка 0,1 квадратного миллиметра и фактически не увеличивает стоимость микросхемы. Он интегрируется на этапе проектирования как базовый блок ввода-вывода наряду с контроллером прерываний и таймерами. Лицензионных отчислений за реализацию USB 2.0 производитель не платит: спецификация общедоступна, а сертификация в USB-IF для внутреннего использования не требуется.

Переход конкретного устройства на USB 3.0 означает добавление пяти проводов в кабель, установку более сложного контроллера, увеличение числа контактных площадок на разъёме и, в ряде случаев, переработку печатной платы для соблюдения требований к импедансу высокоскоростных линий. Для производителя бюджетной клавиатуры, которая передаёт хосту несколько байт при каждом нажатии клавиши, такие изменения добавляют к себестоимости от нескольких центов до доллара на единицу продукции при тиражах в миллионы штук.

В сегменте, где розничная цена устройства составляет пять-десять долларов, это существенная величина. Именно поэтому подавляющее большинство HID-устройств (мыши, клавиатуры и т. д.) по-прежнему используют USB 2.0 или даже режим Low-Speed.

Разобранный флеш-накопитель с USB 2.0
Разобранный флеш-накопитель с USB 2.0
Автор: Ravenperch Источник: commons.wikimedia.org

Обратная совместимость

Спецификация USB с самого начала строилась на принципе, согласно которому новый контроллер обязан работать со всеми предыдущими поколениями устройств. Когда Intel и Apple в 2015-2016 годах начали массовый переход на разъём Type-C, внутри 24-контактного коннектора были выделены отдельные контакты A6, A7, B6 и B7 именно под дифференциальные пары D+ и D- протокола USB 2.0. Это означает, что любой порт USB4 или Thunderbolt 4 на уровне аппаратной разводки содержит в себе полноценный канал USB 2.0, который активизируется, если подключённое устройство не поддерживает более скоростные режимы.

Такая архитектура не является наследием, от которого можно отказаться в следующей ревизии стандарта. Если убрать USB 2.0 из порта Type-C, то миллиарды существующих кабелей, адаптеров, док-станций и периферийных устройств мгновенно потеряют работоспособность. USB-IF прямо указывает в спецификации USB4 версии 2.0, опубликованной в 2022 году, что поддержка USB 2.0 на выделенных парах остаётся обязательным требованием для любого устройства, претендующего на логотип USB4.

Распиновка разъёма Type-C, видны выделенные контакты D+/D− (A6/A7, B6/B7), зарезервированные под USB 2.0
Распиновка разъёма Type-C, видны выделенные контакты D+/D− (A6/A7, B6/B7), зарезервированные под USB 2.0
Автор: Chindi. ap Источник: commons.wikimedia.org

Невидимая жизнь USB 2.0

Если вскрыть системный блок или ноутбук, произведённый в 2026 году, на материнской плате обнаружатся внутренние колодки USB 2.0, к которым подключены модуль Bluetooth, контроллер RGB-подсветки, кардридер, инфракрасный приёмник или фронтальная панель корпуса. Эти устройства обмениваются с системой объёмами данных, которые исчисляются килобайтами в секунду, и не создают нагрузки, для которой потребовалась бы шина 5 или 10 Гбит/с.

Внутренний USB 2.0 используется также для подключения сенсоров в ноутбуках: датчика освещённости, сканера отпечатков пальцев, модуля ближнего поля (NFC). В автомобилях через USB 2.0 связаны головное устройство мультимедиа, блок управления климат-контролем и диагностические интерфейсы.

Автомобильная промышленность здесь особенно показательна: цикл разработки и сертификации бортовой электроники занимает от пяти до семи лет, а требования к надёжности и электромагнитной совместимости делают замену протокола дорогим и рискованным процессом.

Изображение в превью:
Автор: Aidan C. Siegel
Источник: commons.wikimedia.org
Другое
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Почта для связи — gorbov.busines@yandex.ru

6 комментариев

Добавить комментарий

Д
А электрической штепсельной розетке в этом году исполнилось 122 года и эти розетки до сих пор монтируют в новых дома… Интересно, почему?
C
То же самое относится к ламповому цоколю Эдисона — меняются технологии освещения, но не цоколь (патрон), в столетний светильник можно вкрутить современную лампочку.
LaNocheOscura
Мне кажется, что тут сарказм некорректный. У электрической розетки нет разных версий, которые бы улучшали ее функционал — через нее всегда выдается около 220 В (в РФ)
a
Как это нет разных версий? Зачем делают переходники с британской или китайской вилки? ;-)

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Бурый медведь против амурского тигра: кто сильнее и чем заканчиваются их встречи

Когда сравнивают тигра и бурого медведя, разговор почти сразу сводится к размерам. Медведь тяжелее, значит, должен быть сильнее. Потом кто-нибудь вспоминает скорость тигра, его реакцию и охотничьи...

45 секунд над волнами без единого вдоха: как морская рыба побила мировой рекорд полета и чем за это заплатила

Секундомер видеомонтажного пульта японского телеканала NHK зафиксировал ровно 45 с непрерывного парения рыбы над гребнями волн на скорости около 50 км/ч. Для наглядности: первый в истории...

Портативный ЦАП/усилитель MUSE HiFi U3: с интегрированым USB-C коннектором и дискретными операционными усилителями

Представленный в обзоре бюджетный портативный ЦАП/усилитель MUSE HiFi U3 обладает балансным и обычным аудиовыходами, двойным дискретным усилителем, а так же встроенным USB-C коннектором....

В реке стерлядь нерестится раз в три года, а на фермах — каждые 9 месяцев: за счет чего сжали цикл

Ровно 1,4 кг веса и сформированная черная икра внутри: в дикой Волге самка стерляди доходит до этого состояния только к 7-8 г. жизни. На закрытых рыбных фермах точно такой же результат...

Какую форму для льда выбрать: силиконовую или пластиковую?

Разница между силиконовыми и пластиковыми формами для льда — это не просто вопрос вкуса, а выбор между практичностью, долговечностью и гигиеной. У каждого материала есть преданные...

Kiwi Ears Allegro BAL — обзор ЦАПа/усилителя для наушников с двумя балансными выходами

Компания Kiwi Ears продолжает свою линейку Allegro новой моделью ЦАПа с приставкой BAL. Эта приставка означает, что в ЦАПе реализован балансный разъем 4,4 мм, но теперь, в отличие от предыдущих...