USB 1.x и USB 2.0

На персональном компьютере разные устройства долго требовали разных интерфейсов. У клавиатуры, принтера, модема и внешнего накопителя были собственные способы подключения. Разъём задавал и электрическую связь, и назначение порта; добавление периферии могло затрагивать настройки компьютера. USB предложил общую модель, в которой компьютер обнаруживает подключённое устройство, узнаёт его функции и организует обмен без отдельного порта для каждого класса аппаратуры. USB предусматривает горячее подключение: присоединение и отсоединение периферии происходят без выключения компьютера, а хост обрабатывает изменение состава шины.

Первая версия USB появилась в 1996 году. Для клавиатур и мышей было достаточно режима Low Speed, а для более требовательной периферии предназначался Full Speed. Рост объёмов данных вскоре показал предел этой системы: единый интерфейс уже подходил множеству устройств, но накопителям требовалась более высокая скорость. USB 2.0, опубликованный в 2000 году, расширил ту же архитектуру режимом High Speed. Старые разъёмы и способы обнаружения устройств позволили сохранить установленную периферию.

USB 1.x определяет Low Speed 1,5 Мбит/с и Full Speed 12 Мбит/с. USB 2.0 добавляет High Speed 480 Мбит/с. Это скорости передачи сигналов на шине; часть времени занимают адреса, управляющие пакеты, подтверждения и другие служебные действия. Поэтому значение 480 Мбит/с описывает возможности интерфейса, а не объём файла, который накопитель обязательно записывает за секунду. Номер USB 2.0 также не означает, что конкретное устройство обязано работать в High Speed: спецификация сохраняет медленные режимы.

Изменение затронуло электрическую передачу и работу хабов (разветвителей USB), но сохранило привычную организацию устройства. Оно по-прежнему имеет адрес, сообщает дескрипторы — описания своих функций и конфигураций — и предоставляет конечные точки для обмена. Разработчики получили более быстрый транспорт, не отказываясь от существующей модели программирования. Отдельные спецификации классов описывают общие правила для похожей периферии. Благодаря этому системный драйвер класса может обслуживать совместимые клавиатуры, накопители или звуковые устройства, хотя специфические функции изделия иногда требуют дополнительного программного обеспечения.

В обычном кабеле USB 2.0 четыре основных проводника: VBUS подаёт питание, GND задаёт общий электрический потенциал, D+ и D− образуют дифференциальную пару данных. Информация передаётся изменением состояния этой пары. Передача и приём используют одну и ту же среду по очереди. Такое соединение отличается от добавленных позднее пар SuperSpeed, где существуют отдельные направления передачи. Экран кабеля и металлическая оболочка разъёма выполняют другие функции и не считаются дополнительными линиями протокола.

Обменом управляет хост. Он назначает адреса, запрашивает данные и выдаёт разрешение на передачу; обычные периферийные устройства не устраивают независимый разговор друг с другом. Топология имеет форму дерева. Корневой хаб относится к стороне хоста, другие хабы создают ответвления, а устройства находятся на концах. Адресное пространство допускает до 127 устройств, причём хабы тоже занимают адреса. Это предел логической организации шины, а не обещание, что любой компьютер сможет питать и обслуживать столько внешних приборов одновременно. Глубина дерева ограничена семью уровнями, включая корневой; на пути допускается не более пяти некорневых хабов.

После подключения начинается перечисление, или enumeration. Хост получает описания устройства, узнаёт доступные конфигурации и выбирает подходящую. Конечная точка не является физическим гнездом: это адресуемый канал внутри устройства. Например, один корпус может предоставлять несколько функций, каждая со своими конечными точками. Управляющий обмен нужен для настройки; остальные передачи используют режим, соответствующий характеру данных. Эта модель объясняет, почему один USB-кабель способен обслуживать составное устройство с несколькими функциями.

Спецификация различает управляющие, массовые, прерывающие и изохронные передачи. Массовый обмен подходит для данных, которым важнее корректность, чем фиксированное время прибытия. Прерывающий обмен предоставляет периферии регулярные возможности сообщить небольшую порцию данных, но расписанием всё равно распоряжается хост. Изохронный обмен выделяет время для потока, например звука; пропущенный фрагмент не задерживает последующие ради повторной отправки. Расписание передач учитывает разные требования устройств к задержке и надёжности обмена.

USB 2.0 подходит периферии, которой достаточно его полосы: устройствам ввода, управляющим интерфейсам, принтерам и многим встроенным контроллерам. Для такой аппаратуры появление более быстрого порта само по себе не меняет задачу. В накопителе предел USB 2.0 заметнее: он передаёт большие блоки, тогда как клавиатура или управляющий интерфейс отправляют небольшие порции данных.

Линии USB 2.0 сохраняются и в семействе USB Type-C. Поэтому современный обратимый штекер может соединять устройства именно по USB 2.0, без SuperSpeed или USB4. Такой кабель способен одновременно участвовать в передаче питания, но наличие мощной зарядки не добавляет ему высокоскоростных проводников. USB 2.0 также остаётся отдельным путём данных рядом с альтернативными режимами USB-C. Новый разъём сохраняет прежний способ передачи данных рядом с высокоскоростными линиями.

Название USB 2.0 в документации указывает на семейство спецификации. Более точное обозначение High Speed сообщает о режиме до 480 Мбит/с; Full Speed и Low Speed обозначают более низкие скорости. Форма Type-A, Type-B, Mini-B, Micro-B или USB-C сама по себе режима не определяет. Информация о режиме устройства находится в его характеристиках и дескрипторах, а система может показывать установленную скорость соединения. Надпись о мощности зарядки относится к питанию и не заменяет описание данных. Цвет пластика также не является универсальным способом определения версии USB.

Хост и хаб USB 2.0 поддерживают периферию прежних режимов. Подключение медленного устройства не превращает всю шину в его режим: хаб организует соответствующие передачи, а высокоскоростное устройство сохраняет собственное соединение. Однако общие ресурсы хоста и ветви дерева остаются общими. Совместимость сохраняет функции, а распределение времени зависит от состава периферии и расписания обмена. Высокоскоростной накопитель в тракте с ограничением Full Speed не получает преимуществ High Speed.

USB On-The-Go, или OTG, расширил исходное разделение на компьютер и периферию: переносное устройство может принимать роль хоста для другого устройства. Подключение флешки к телефону поэтому требует соответствующей функции телефона, управления питанием и программной поддержки. Один переходник роли не создаёт. В USB-C выбор ролей описывается механизмами этого разъёма; его нельзя объяснять только наличием OTG-кабеля старого типа. USB 2.0 как транспорт продолжает работать и тогда, когда способ определения ролей уже изменился.

480 Мбит/с остаётся пределом режима High Speed, а полезный поток ниже из-за устройства протокола и свойств конечных устройств. Предел не описывает задержки приложения, скорость флеш-памяти или доступную полосу для всех подключённых приборов одновременно.

Питание шины требует соблюдения состояний подключения и конфигурации. Для обычного порта USB 2.0 настроенное устройство может потреблять до 500 мА; это не безусловное разрешение брать такой ток сразу после физического соединения. Повышенные возможности зарядки описывает USB Battery Charging, а согласование других напряжений и мощности относится к USB Power Delivery.

Общий драйвер класса работает при соответствии устройства требованиям этого класса и наличии поддержки в системе. Само слово USB не гарантирует одинакового поведения любых двух изделий. Транспорт стандартизирует обмен, а прикладные функции, доступные конфигурации и совместимость программ определяются на следующих уровнях.