USB 3.x: линии, скорости и названия

USB 2.0 сохранил удобное подключение периферии, но его канал стал ограничивать более требовательные устройства. Внешние накопители передавали крупные файлы, камеры отправляли объёмные потоки, а хабы (разветвители USB) объединяли несколько подключений. Периферии требовалась большая пропускная способность соединения с компьютером. Ускорение этого участка стало основной задачей USB 3.0.

При разработке нужно было сохранить установленную систему USB: кабели, разъёмы и уже работающие устройства. Полная замена интерфейса сделала бы новую периферию отдельной экосистемой. USB 3.0 добавил рядом с прежним трактом новый. В совместимом соединении старые устройства продолжают пользоваться USB 2.0, а новые получают отдельные контакты и скоростные линии.

Первый режим SuperSpeed имел предел 5 Гбит/с. Передача и приём получили отдельные дифференциальные пары: информация кодируется различием сигналов на двух проводниках пары. В отличие от общей пары USB 2.0, новый тракт позволяет передавать и принимать одновременно. Контроллер USB 3.x управляет этим обменом, сохраняя совместимость со старой частью интерфейса.

USB 3.1 поднял скорость линии до 10 Гбит/с и изменил кодирование для более эффективной передачи. USB 3.2 добавил работу по двум линиям в каждом направлении через USB-C. Режим Gen 2x2 объединяет две линии по 10 Гбит/с и даёт класс 20 Гбит/с. Для него нужны соответствующие возможности хоста (компьютера, управляющего обменом), устройства и кабеля; одного изменения названия недостаточно.

Развитие USB 3.x также охватывает работу хабов и управление соединением. Пропускная способность общей линии ограничивает сумму передаваемых через неё потоков. Несколько скоростных портов на хабе не создают столько же независимых соединений с компьютером. Хаб добавляет порты для периферии, сохраняя общее соединение с хостом.

В разъёме Standard-A USB 3.x прежняя группа USB 2.0 осталась на своём месте, а дополнительные контакты располагаются глубже. Старый штекер касается знакомой ему группы; скоростной штекер получает доступ и к новой. Эта механическая конструкция объясняет, почему новые Type-A могут принимать старую периферию. Для SuperSpeed при этом нужны и дополнительные контакты, и проводники в кабеле.

У Standard-B скоростной вариант получил дополнительную часть корпуса. У Micro-B новые контакты разместились в боковой секции, из-за которой штекер стал заметно шире. При использовании подходящего старого кабеля совместимое устройство может работать по USB 2.0, но высокоскоростной тракт требует своего подключения. Внешняя форма показывает доступные контакты; скорость определяется ещё и электроникой.

У USB-C высокоскоростные пары предусмотрены в общей конструкции. В однолинейном режиме выбор пар зависит от ориентации штекера. Для двухлинейной работы USB 3.2 используются дополнительные пары; Type-A для Gen 2x2 не подходит. Каждая линия передачи или приёма использует свою дифференциальную пару; две линии одного направления позволяют увеличить скорость обмена.

USB 2.0 остаётся отдельным трактом в системе. Поэтому переход на него не является работой SuperSpeed на низкой скорости: используется другая контактная группа и другой способ обмена. Тракты USB 2.0 и SuperSpeed электрически разделены. Сохранённая пара объясняет и поведение периферии, и возможность старого кабеля работать с новым портом без появления новых возможностей.

На схемах TX обозначает передачу, RX приём относительно показанного устройства. На противоположной стороне направление меняется: выход одного контроллера соединяется со входом другого. Подписи отражают назначение контактов, а не закреплённое направление движения файлов в пользовательской задаче.

USB 3.x применяется там, где нужен файловый или непрерывный поток быстрее USB 2.0. Документированный пример накопителя: Samsung Portable SSD T9 использует USB 3.2 Gen 2x2. Его интерфейс относится к классу 20 Гбит/с, но характеристики самого накопителя и его режим работы описываются отдельно. Подключение к другой стороне должно поддерживать тот же режим.

USB 3.x встречается и в портах USB-C без USB4. Например, Apple указывает для передних портов Mac mini 2024 года USB 3 до 10 Гбит/с. У iPhone 15 Pro заявлен тот же предел интерфейса USB 3, с требованием соответствующего кабеля. Одинаковый предел интерфейса у телефона и компьютера не означает одинаковой скорости чтения и записи файлов.

Для клавиатуры или другого устройства с небольшим потоком данных USB 2.0 остаётся самостоятельным подходящим интерфейсом. Подключение его к новому порту обеспечивает предусмотренный старый обмен. Старые устройства сохраняют свой режим обмена и не требуют замены ради нового порта.

Техническое имя содержит поколение и, для двухлинейного режима, указание x2. USB 3.2 Gen 1 относится к 5 Гбит/с, Gen 2 к 10 Гбит/с, Gen 2x2 к 20 Гбит/с. Общее «USB 3.2» объединяет прежние редакции и само по себе не устанавливает скорость порта. USB-IF рекомендует названия USB 5Gbps, USB 10Gbps и USB 20Gbps для ясного описания класса.

В старой документации режим 5 Гбит/с может называться USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 или USB 3.2 Gen 1. Режим 10 Гбит/с встречается как USB 3.1 Gen 2 и USB 3.2 Gen 2. Разные надписи могут описывать один и тот же скоростной режим.

Маркировка SS использовалась для SuperSpeed; синяя вставка Type-A также встречается как обозначение скоростного порта. Цвет не является достаточным доказательством его характеристик. Для точного описания нужны класс скорости и соответствие конкретному порту в документации. Потребительское название с числом прямо указывает класс скорости; техническое имя используется в спецификации.

USB-IF описывает обратную совместимость USB 3.2 с прежними устройствами. В поддерживаемом соединении используется общий доступный режим. Например, если устройство поддерживает USB 3.x, а порт только USB 2.0, скоростной тракт не включится. Кабель с отсутствующими дополнительными парами создаёт такое же физическое ограничение независимо от возможностей контроллеров.

Совместимость USB4 и Thunderbolt с USB 3.x зависит от поддерживаемых режимов. Более высокий общий предел другого семейства не доказывает поддержку USB 3.2 Gen 2x2. Устройства используют именно согласованный режим обмена, а скорости разных протоколов не складываются. Для двухлинейного USB 3.2 этот режим должен присутствовать на обеих сторонах.

Класс 5, 10 или 20 Гбит/с описывает передачу по интерфейсу. Протокольные расходы и возможности накопителя отделяют это значение от скорости чтения и записи файлов.

Семейство USB 3.x не устанавливает поддержку Power Delivery, DisplayPort Alt Mode или Thunderbolt. Эти функции проверяются по своим стандартам.

Количество внешних портов хаба не равно количеству независимых каналов к компьютеру: они могут разделять один восходящий участок.

Смена названия USB 3.0 на USB 3.2 Gen 1 сохраняет класс 5 Гбит/с. В перечне характеристик требуется уточнение поколения, даже если название семейства выглядит новым.