Detaillook > База знаний > Основные различия между стандартами USB 1.1; 2.0 и 3.0; 3.1; 3.2

Основные различия между стандартами USB 1.1; 2.0 и 3.0; 3.1; 3.2

Сегодня стандарт USB используется во многих типах оборудования, от ПК и сопутствующей периферии: клавиатур, мышей, принтеров, внешних устройств хранения данных до смартфонов, цифровых фото- и видеокамер, умных носимых устройств и различных гаджетов.

В этой статье:

Кратко о появлении стандарта USB и версии 1.0; 1.1

Стандарт USB изначально разрабатывался как универсальное решение для подключения к ПК различных периферийных устройств, которое должно было заменить сразу несколько интерфейсов подключения, таких как: PS/2, последовательный порт (RS-232), параллельный порт (IEEE 1284, LPT), игровой порт (Gameport/MIDI-порт), SCSI.

Первые, еще предварительные версии спецификации, или, другими словами, документации, содержащей описание и определение стандарта, датируются 1994-1995 годами. По имеющейся информации, в разработке участвовали следующие компании: Intel, Microsoft Compaq, DEC, IBM, NEC и Nortel и другие. В том же 1995 году была основана некоммерческая организация USB-IF (Форум разработчиков USB), ответственная за поддержку и развитие стандарта.

В шутку USB назвали "Useless Serial Bus", что переводится как "неиспользуемая или бесполезная последовательная шина", в то время как в оригинале аббревиатура означает Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина. Однако с последующей популяризацией все изменилось.

Спецификация USB версии 1.0 была представлена 15 января 1996 года, а обновленная версия 1.1 с исправлением обнаруженных недостатков была выпущена 23 сентября 1998 года.

USB 1.0 и 1.1 имеют два режима пропускной способности или работы:
1. Low-speed (Низкоскоростной): 1,5 Мбит/с (~0,18 МБ/с),
2. Full-speed (Полный): до 12 Мбит/с (~1,5 МБ/с).

Поддержка USB версии 1.0 на программном уровне впервые была добавлена в 1996 году в Windows 95 с обновлением Service Release 2 и с тех пор она присутствует во всех последующих версиях систем семейства Windows.
Первые ПК, оснащенные новым разъемом, начали появляться в следующем году.

Первым компьютером Apple, получившим USB-разъемы, стал iMac G3, представленный в 1998 году, новый для того времени тип разъема выступал в качестве единственного интерфейса для подключения периферийных устройств, заменив ранее привычные ADB, GeoPort и SCSI, что "шокировало" ряд пользователей. Однако, в то же время, это решение сыграло значительную роль в продвижении стандарта usb.

Для операционных систем на базе Linux поддержка USB была добавлена с выходом версии ядра 2.2 в январе 1999 года.

USB 2.0 и различия с USB 1.0

Первоначальная версия спецификации USB 2.0 была представлена в апреле 2000 года. Впоследствии она получила множество дополнений в рамках ECN (Engineering Change Notices) - уведомлений о технических изменениях, которые были включены
в пакет спецификаций USB 2.0. В разработке участвовали компании: Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Luminous, Microsoft, NEC, Philips.

Основным отличием USB 2.0 от USB 1.1 стало появление режима с более высокой пропускной способностью - до 480 Мбит/с, который стал известен как "USB High-Speed" или "High Bandwidth".

В результате USB 2.0 поддерживает три режима пропускной способности или работы:

1. Low-speed (Низкоскоростной): 1,5 Мбит/с (~0,18 МБ/с),
2. Full-speed (Полный): до 12 Мбит/с (~1,5 МБ/с),
3. High-speed (Высокоскоростной): 25–480 Мбит/с (~3.2-60МБ/с);

Важно отметить, что для достижения максимальной скорости не требуется специального соединительного кабеля, поскольку нет физической разницы между кабелями для USB 1.0, 1.1 и 2.0. Все изменения, связанные с режимом работы, должны быть реализованы на стороне самих устройств и программного обеспечения.

Один из способов узнать поддерживает ли устройство "Hi-Speed USB", можно по наличию специального логотипа.

Поддержка USB 2.0 для операционных систем Windows была добавлена с выпуском обновления "service pack 4" для Windows 2000 и обновления "service pack 1" для Windows XP.

Apple представила поддержку USB 2.0 в Mac OS X 10.2.7 и обновленном ноутбуке PowerBook G4, новой модели G5 и плеере iPod 3-го поколения. При использовании устройств USB 2.0 в Mac OS 9 скорость работы ограничена стандартом 1.1.

Для Linux поддержка USB 2.0 была добавлена с версии ядра 2.5.2, выпущенной в январе 2002 года.

Появление и переход на USB 3.0

Спецификация USB 3.0 была представлена в 2008 году. В команду разработчиков входят такие компании, как Hewlett-Packard, Intel, Microsoft, NEC, ST-NXP Wireless и Texas Instruments.

С выходом USB 3.0 появились новые типы разъемов и соединительных кабелей, которые имеют физические отличия, но совместимы со стандартами USB предыдущих версий 2.0 и 1.1, 1.0. Однако, в зависимости от сочетания версии USB-порта, варианта кабеля и устройств, могут быть различия в работе.

Полное внедрение USB 3.0 произошло не так быстро, как можно было бы предположить. На это есть несколько причин, одна из них заключается в том, что изначально за поддержку стандарта на аппаратном уровне отвечали отдельные контроллеры, выпускаемые несколькими производителями, позже, например, появились материнские платы для процессоров Intel и AMD, чипсеты которых имеют встроенный контроллер USB 3.0, что позволило оптимизировать производственный процесс.

Визуальные или внешние различия между USB 3.0 и USB 2.0

Для визуальной идентификации разъемов USB 3.0 их внутренняя пластиковая часть выполнена в синем цвете, реже используется другой цвет - оранжевый или красный, в дополнение к этому внешняя изоляция кабеля также может быть окрашена в синий цвет. В то время как внутренняя пластиковая часть разъемов USB 2.0 и 1.1 обычно черная, серая или белая.

Возможны исключения, например, если кабель имеет какую-либо дизайнерскую расцветку. В некоторых случаях разный цвет пластиковой части кабеля может быть связан с маркировкой поддерживаемых стандартов быстрой зарядки у разных производителей. Поэтому для полной уверенности, по возможности, стоит проверить наличие других отличительных признаков, таких как количество контактов и специальные обозначения.

Еще одним визуальным отличием USB 3.0 от USB 2.0 являются маркировки, которые можно найти на разъемах устройств и соединительных кабелях в виде специальных логотипов и/или буквенных обозначений.

Высокоскоростной режим в USB 2.0 обозначается как "HI-SPEED USB".
В USB 3.0 появился новый протокол, который называется "SUPERSPEED USB" или сокращенно "USB SS". Позже в версиях USB 3.1 и 3.2 появились улучшенные версии USB SUPERSPEED Plus (SS+) и USB SUPERSPEED++ (SS++).

Технические различия между USB 2.0 и USB 3.0

РАЗЛИЧИЕ 1. Различия между USB 2.0 и USB 3.0 на физическом или конструктивном уровне заключаются в количестве контактов USB 2.0 имеет 4 контакта: плюс, минус для питания и два провода (или одну пару) для передачи данных.

В USB 3.0 общее количество контактов равно 9, из которых 4 имеют то же назначение и расположение, что и в USB 2.0, остальные дополнительные 5 контактов представляют собой две пары, то есть 4 провода передачи данных и один сигнальный контакт заземления (GND_DRAIN).

В результате этих изменений стало возможным значительно увеличить пропускную способность или скорость передачи данных, но есть и обратная сторона: кабели USB 3.0 стали заметно толще и менее гибкими.

Дополнительные контакты в разъемах USB 3.0 расположены в отдельном втором ряду. Если вы внимательно посмотрите на разъем, то в определенном положении вы, вероятно, сможете увидеть их даже невооруженным глазом.

Обратная совместимость между USB 3.0 и более ранними версиями стандарта USB 2.0, 1.1, 1.0 обеспечивается довольно просто. Например, при подключении кабеля USB 2.0 к разъему USB 3.0 используются только 4 контакта, общие для обеих версий USB, остальные контакты остаются неактивными. Аналогично, в обратном направлении, при подключении кабеля USB 3.0 к разъему USB 2.0. При таком подключении пропускная способность будет ограничена уровнем USB 2.0 или 1.1.

РАЗЛИЧИЕ 2. В USB 3.0 используется новая архитектура и протокол передачи данных "USB SUPERSPEED" с максимальной пропускной способностью до 5 Гбит/с (5000 Мбит/с) или 625 МБ/с, что значительно выше, чем в USB 2.0, который использует протокол "USB Hi-Speed" с максимальной пропускной способностью (или скорость) до 480 Мбит/с или 60 Мбит/с.

Максимальная скорость достижима только в том случае, если оба взаимодействующих устройства поддерживают указанный стандарт и используется соответствующий соединительный кабель.

Стоит учитывать, что на практике скорость передачи данных для каждого стандарта будет зависеть от многих переменных. Как правило, вы редко сможете получить скорость более 330+ Мбит/с (~ 41 МБ/с) в случае USB 3.0 и 40-45+ Мбит/с (~ 5-8 МБ/с) для USB 2.0.

РАЗЛИЧИЕ 3. Максимально допустимый ток при напряжении 5 В для USB-разъема был увеличен с 500 мА в USB 2.0 до 900 мА* в USB 3.0, однако есть одно исключение, которое будет рассмотрено позже.

Это изменение позволило решить проблему недостаточной выходной мощности USB-разъема, возникающую в некоторых случаях, например, когда несколько USB-устройств, таких как флэш-накопители, одновременно подключаются к одному разъему через разветвитель.

Для некоторых типов и моделей устройств, подключаемых через USB, 500 мА, предусмотренных стандартом USB 2.0, недостаточно, их энергопотребление выше из-за определенных особенностей.

Например, к ним относятся компактные 2,5-дюймовые внешние жесткие диски, используемые в сочетании с ПК, игровыми консолями и другими категориями электроники.

Существует несколько проверенных решений, первое из которых - использование специальных кабелей с двумя разъемами USB A, для чего требуется 2 свободных USB-порта. Второй вариант - использование дополнительных внешних источников питания, подключенных к электросети. Оба подхода решают проблему, но вряд ли они удобны.

С появлением стандарта USB 3.0 и последующим переходом устройств на него необходимость в дополнительном питании полностью не исчезла, но стала гораздо реже. Отчасти этому также способствовало развитие технологических процессов в производстве электроники, которые позволили снизить требования к энергопотреблению устройств.

Важно отметить, что некоторые устройства, использующие USB 3.0 при недостаточном питании, могут просто не работать с портами 2.0/1.1.

*Следует вкратце упомянуть об отдельной ветви стандарта - USB BC 1.2 (USB Battery Charging 1.2), в которой ограничение тока увеличено до 1,5 А или 1500 мА для порта USB type A при стандартном напряжении 5 В, что позволяет заряжать устройства более эффективно. Однако впоследствии он был заменен более современным и универсальным стандартом USB-PD.

Поддержка USB 3.0 в семействе ОС Windows на программном уровне изначально недоступна в Windows 7, что означает, что пользователю потребуется вручную установить необходимые драйверы. Встроенная поддержка доступна, начиная с Windows 8 и Server 2012. Однако бывают исключительные случаи, когда вам все равно может потребоваться установить драйвер самостоятельно.

Apple внедрила поддержку USB 3.0, начиная с Mac OS X 10.7.3 (Lion). Одними из первых устройств, поддерживающих этот стандарт, были MacBook Air и Pre, выпущенные в середине 2012 года.

Поддержка USB 3.0 в системах семейства Linux появилась начиная с версии ядра 2.6.31, выпущенного в сентябре 2009 года.

USB 3.1 и отличия от USB 3.0

Спецификация USB 3.1 была выпущена в июле 2013 года. Она имеет две версии USB 3.1 Gen 1 и USB 3.1 Gen 2.

Версия USB 3.1 Gen1 идентична USB 3.0, так как имеет ту же архитектуру и протокол SuperSpeed, соответственно, максимальная скорость передачи данных составляет до 5 Гбит/с.

Здесь уместен вполне естественный вопрос: как так получилось, что стандарт, технически идентичный USB 3.0, получил новое обозначение? Если USB 3.1 Gen 1 и USB 3.0 построены на общей архитектуре и имеют один и тот же протокол, разве это не одно и то же?

И да, все верно, USB 3.1 Gen1 и USB 3.0 - это одно и то же. В документе под названием "Руководство по использованию языка спецификации USB 3.1 от USB-IF" в примечании говорится следующее: "Термины USB 3.1 Gen 1 и USB 3.0 являются синонимами", что фактически подтверждает это.

Забегая немного вперед, отметим, что в финальной версии спецификации USB 3.2 также произошли изменения в обозначениях. С появлением каждой новой версии спецификации в ветке USB 3.X она фактически заменяла предыдущую версию, поскольку является ее развитием, и, таким образом, спецификация USB 3.0 была заменена на 3.1, а через некоторое время ее место заняла финальная версия 3.2. Насколько необходимым было введение новых обозначений, это уже другой вопрос.

Версия USB 3.1 Gen2, в отличие от Gen 1 имеет уже другую, новую архитектуру и протокол передачи данных с максимальной скоростью до 10 Гбит/с с обозначением SuperSpeedPlus.

USB 3.1 обратно совместим с предыдущими версиями стандарта, но есть некоторые исключения, например, USB 3.1 type B несовместим с разъемами USB type B 2.0. Устройства, использующие USB 3.0/3.1, могут не работать при подключении к USB 2.0/1.1 из-за недостаточного питания.

Для многих USB 3.1 ассоциируется с появлением нового типа разъемов USB Type C и общего стандарта быстрой зарядки, известного как USB Power Delivery (USB PD), но первоначальная идея появилась еще в 2012 году. Окончательная первая версия спецификации была опубликована в 2014 году. Другими словами, стандарт USB Type C имеет свою собственную отдельную спецификацию, описывающую работу и устройство разъемов.

USB 3.2

В сентябре 2017 года организация USB-IF опубликовала спецификацию USB 3.2, которая стала окончательной версией для ветви USB 3.X и заменяет предыдущие версии 3.1 и 3.0.

Версия USB 3.2 унаследовала архитектуру SuperSpeed, SuperSpeed Plus, а также режимы работы, появившиеся в версиях 3.1 и 3.0, были добавлены новые режимы работы: SuperSpeed Plus USB 3.2 Gen1 x2 и USB 3.2 Gen2x2, разъем USB A теперь классифицируется как устаревший.

Максимально возможная скорость передачи данных была увеличена вдвое по сравнению с USB 3.1 Gen 2 - с 10 Гбит/с до 20 Гбит/с, однако она достижима только для кабелей USB Type C*.

В спецификации USB 3.2 организация USB-IF представила обновленную схему для обозначения различных режимов работы.
USB 3.2 Gen 1 – скорость до 5 Гбит/с: SuperSpeed USB, SuperSpeed USB 5 Гбит/с.
USB 3.2 Gen2 - скорость до 10 Гбит/с: SuperSpeed USB 10 Гбит/с или USB 10 Гбит/с.
USB 3.2 Gen2 x2 - скорость до 20 Гбит/с: SuperSpeed USB 20 Гбит/с или USB 20 Гбит/с.

Учитывая режимы, представленные в USB 3.0 и 3.1, а также добавленные в 3.2, для лучшего понимания, мы решили составить следующий условный список. Первая строка содержит название протокола/архитектуры, за которым следует изменение обозначения в зависимости от версии спецификации и теоретическая максимальная скорость передачи данных.

1. SuperSpeed USB (USB 3.0; USB 3.1 Gen 1; USB 3.2 Gen1) - скорость до 5 Гбит/с.
2. SuperSpeed+ USB 10 Гбит/с (USB 3.1 Gen 2; USB 3.2 Gen 2) - скорость до 10 Гбит/с.
2.1 SuperSpeed+ USB 10 Гбит/с (USB 3.2 Gen 1x2) обеспечивает скорость до 10 Гбит/с по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 1.
3. SuperSpeed++ USB 20 Гбит/с (USB 3.2 Gen2 x2)- скорость до 20 Гбит/с по двум линиям, каждая из которых соответствует USB 3.1 Gen 2.

Скорости до 20 Гбит/с можно достичь только при использовании кабелей с разъемом USB Type-C с обеих сторон, поскольку удвоение полосы пропускания достигается за счет использования дублирующих линий в кабеле в качестве дополнительных каналов передачи данных, этот режим называется двухканальным. Изначально необходимы дублирующие линии для обеспечения симметричного подключения разъема USB C при наличии разъема типа A или B на обратной стороне.

Для поддержки новых режимов были внесены изменения в работу хост-адаптеров, позволяющие переключаться между одноканальной и двухканальной передачей данных. Большинство существующих кабелей Type-C поддерживают двухканальный режим "из коробки", поэтому обычно нет необходимости покупать новый.

18-04-2017