USB: виды разъемов и кабелей для смартфона. Что такое USB Type-C: история, преимущества и недостатки Типы возможных разъемов и кабелей

Всем привет. Иногда людям интересно узнать, чем USB 3.0 отличается от USB 2.0, иногда хотят понять какая версия или какой тип USB разъема имеется у них на компьютере, что за динозавр такой USB 1.0 и так далее. Давайте немного углубимся в эту тему.

Стандарт USB появился еще в середине 90х годов. Расшифровывается USB вот как – универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus) . Этот стандарт был разработан специально для коммуникации периферийных устройств с компьютером, и сейчас занимает лидирующие позиции среди всех типов коммуникационных интерфейсов. Это и неудивительно. Сейчас сложно себе представить хоть какой-то девайс без USB разъема, хоть эти разъемы и различаются по типам.

Типы USB разъемов

На сегодняшний день существует достаточно большое количество типов USB разъемов. Какие-то больше распространены, какие-то меньше. В общем, давай на них взглянем.

USB type- A – один из самых распространенных типов USB разъемов. Вы могли видеть его на вашем , на , на блоке зарядного устройства и не только. Имеет множество применений. С его помощью можно подсоединять мышки и клавиатуры к компьютеру (или другому устройству), флешки, внешние накопители, смартфоны и так далее. Этот список можно еще долго продолжать, если пораскинуть мозгами.

USB type- B – разъем используется в основном для того, чтобы подключить к компьютеру принтер либо другие периферийные устройства. Получил намного меньшее распространение, нежели USB type-A.

Mini USB был весьма распространен на мобильных устройствах до появления Micro USB. Сейчас встречается очень редко, но все же можно его встретить еще на некоторых старых устройствах. У меня на портативной аудиоколонке разъем Mini USB принимает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Колонку эту покупал лет 5 назад (живучая оказалась).

Micro USB сейчас используется на смартфонах и мобильных телефонах почти всех производителей. Этот USB разъем обрел невероятную популярность среди мобильных устройств. Однако постепенно его позиции занимает USB Type-C.

Версия USB 1.0 – археологические раскопки

Прапрапрадед стандарта USB – USB 1.0 появился на свет холодным ноябрем 1995 года. Но родился он немного недоношенным и большой популярности не обрел. А вот его младший брат USB 1.1, появившийся на свет тремя годами позже, был более жизнеспособным экземпляром и смог привлечь к себе достаточно внимания.

Что касается технической части, то скорость передачи данных была небольшой, но по меркам тех времен этой скорости было более чем достаточно. Скорость составляла до 12 Мбит/с и это в режиме высокой пропускной способности.

Отличия разъемов USB 2.0 и USB 3.0

USB 2.0 и USB 3.0 – это два вполне современных USB стандарта, которые сейчас используются повсеместно в компьютерах и ноутбуках. USB 3.0, конечно же, новее и быстрее, а также имеет полную обратную совместимость с USB 2.0 устройствами. Но скорость в таком случае будет ограничена максимальной скоростью по стандарту USB 2.0.

Теоретически скорость передачи данных стандарта USB 3.0 примерно в 10 раз выше, чем у USB 2.0 (5 Гбит/с против 480 Мбит/с). Но на практике скорость обмена информацией между устройствами часто бывает ограничена самими устройствами. Хотя в целом, USB 3.0 все же выигрывает.

Технические отличия

Хоть стандарты USB 2.0 и USB 3.0 и обратносовместимы, но, тем не менее, они имеют некоторые технические отличия. USB 2.0 имеет 4 контакта – 2 для питания устройств и 2 для передачи данных. Эти 4 контакты были сохранены и в стандарте USB 3.0. Но кроме них были добавлены еще 4 контакта, которые нужны для высокой скорости передачи данных и более быстрой зарядки устройств. К слову, USB 3.0 может работать с силой тока до 1 Ампера.

В итоге шнур стандарта USB 3.0 стал толще, и его длина не превышает теперь 3 метра (в USB 2.0 максимальная длина достигала 5 метров). Зато вы сможете зарядить свой смартфон намного быстрее, даже если вы подсоедините несколько смартфонов в один разъем через разветвитель.

Естественно производители позаботились о визуальных отличиях. Можно не искать упаковку от материнской платы, чтобы посмотреть какие стандарты USB она поддерживает. И не нужно для этого лезть в настройки компьютера или в диспетчер устройств. Достаточно просто взглянуть на цвет вашего разъема. Разъем USB 3.0 почти всегда синего цвета. Очень редко он бывает еще красного цвета. В то время как USB 2.0 практически всегда черного цвета.

Так что теперь с одного меткого взгляда вы сможете определить у вас USB 2.0 или USB 3.0 на ноутбуке.

На этом, наверное, можно заканчивать разговор о том, чем отличается USB 2.0 от USB 3.0.

Вывод

Что мы узнали из этой статьи? Что USB делится на стандарты передачи данных, которые отличаются скоростью передачи данных. А также, что USB имеют большое количество типов разъемов.

И что самое интересное, о чем я забыл упомянуть в статье, это то, что типы разъемов могут комбинироваться следующим образом. Вы можете встретить полноразмерный разъем USB type-A и полноразмерный USB type-B, в то же время существует (но редко встречается) micro USB type-A и micro USB type-B (очень распространен). USB type-A может работать по протоколу USB 2.0, а может по протоколу USB 3.0. В общем при желании можно и запутаться.

А если вас беспокоит вопрос, с какими разъемами лучше выбрать себе ноутбук USB 2.0 или USB 3.0, то вообще не парьтесь. Сейчас все современные ноутбуки и компьютеры оснащены и тем и тем типом USB. Например, у меня на ноутбуке два разъема USB 2.0 и один разъем USB 3.0. И все три разъема типа USB type-A.

Вот такие они – USB!

Вы дочитали до самого конца?

Была ли эта статья полезной?

Да Нет

Что именно вам не понравилось? Статья была неполной или неправдивой?
Напишите в клмментариях и мы обещаем исправиться!

Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus) или же просто USB - это промышленный стандарт, разработанный в середине 1990 годов для того, чтобы стандартизировать подключение периферии к компьютеру. Он заменил большинство интерфейсов и теперь является самым распространенным типом разъемов для потребительских устройств.

На сегодняшний день практически каждое устройство, будь оно портативным или стационарным, имеет различные виды USB разъемов. Но все устроено намного сложнее, чем считают новички. Сегодня мы рассмотрим виды USB портов и различные стандарты.

У многих мог сейчас назреть вопрос: "Если USB должен быть универсальным, то почему он имеет большое количество типов?". Дело в том, что все эти типы USB разъемов выполняют различные функции. Это помогает обеспечить совместимость в случае выпуска устройства с улучшенными характеристиками. Давайте рассмотрим наиболее распространенные виды USB портов.

• Type-A - большинство кабелей имеют на одном конце коннектор этого типа USB, туда же относятся и кабели современных клавиатур и мышей. Этим же типом USB комплектуются персональные компьютеры и зарядные устройства;
• Type-B - это порт используется для подключения принтеров и других периферийных устройств к компьютеру. Но в настоящее время он не распространен так, как распространен USB Type-A;

• Mini USB - это был стандартный разъем для мобильных устройств до появления Micro USB. Этот разъем меньше стандартного, что и можно понять по его названию. Этот тип разъемов тоже немного устарел и был заменен Micro USB, но это не означает, что такие виды USB нигде нельзя найти;
• Micro USB - на данный момент является стандартом для портативных устройств. Его приняли все крупные производители мобильных устройств, за исключением Apple. Но Micro USB постепенно начинают заменять на USB Type-C. Кстати, существуют различные виды Micro USB разъемов, но об этом поговорим чуть позже;
• Type-C - такой кабель может иметь на обоих концах один и тот же коннектор. Заявлена более высокая скорость передачи данных и более высокая мощность по сравнению с предыдущими стандартами USB. Такой разъем использовала компания Apple для Thunderbolt 3. О USB Type-C мы поговорим чуть позже;

• Lightning - не относится к стандарту USB, но является фирменным интерфейсом для мобильной продукции Apple с сентября 2012 года. Устройства же до этого времени использовали менее компактный 30-pin проприетарный разъем.

USB 3.0

Новый стандарт обеспечивает более высокую скорость передачи данных и при этом имеет обратную совместимость со старым стандартом. По форме USB 3.0 и USB 2.0 Type-A одинаковы, просто новый стандарт окрашен в синий цвет, чтобы отличить USB 3.0 от 2.0.

Но увеличение скорости будет только в том случае, когда разъем, куда вставляется кабель или флеш-накопитель должен быть USB 3.0, и сам кабель или флеш-накопитель должен иметь коннектор USB 3.0.

Также кроме USB 3.0 Type-A существуют и другие типы разъемов USB 3.0. Type-B и его Micro версия имеют дополнительные контакты, чтобы обеспечить более высокую скорость передачи данных, что разрушает совместимость этих разъемов со старыми версиями, но старые USB 2.0 устройства можно подключить в новые USB 3.0 разъемы, но прироста скорости вы не получите.

Micro USB

Если у вас есть Android устройство, то вам нужно иметь Micro USB кабель. Даже самые ярые фанаты Apple не могут избежать этого типа разъемов в портативных аккумуляторах, колонках и другом.

Также имеются деления на типы разъемов Micro USB. В основном используется Micro USB Type-B, Type-A особо не распространен, да и я его в реальной жизни никогда не видел. То же самое относится и к Mini USB.

Если вы начнете покупать много гаджетов, вы скоро начнете использовать разные провода для разных устройств, все равно же нет разницы. Так что вам не придется докупать дополнительные провода, если вы их не теряете и не рвете.

При покупке кабеля люди обычно покупают самые дешевые, что я вам делать не советую, так как качество такой продукции может быть очень плохим. В дальнейшем это приведет к неработоспособности кабеля.

Также определитесь с длиной кабеля. В поездке короткий кабель удобен, но дома с таким вы будете сидеть на полу возле розетки. Длинный же кабель будет запутываться и всячески мешать вам. Для портативного аккумулятора у меня кабель длиной в 35 сантиметров, а кабель для зарядки смартфона дома длиной в 1 метр.

USB On-The-Go

USB On-The-Go (USB OTG) - это относительно новый стандарт, позволяющий вставлять в портативные устройства флеш-накопители, предназначенные для других USB интерфейсов, кабели, чтобы заряжать что-либо от аккумулятора вашего портативного устройства и так далее. USB OTG поддерживает не только USB Type-A, но и другие виды USB портов.

А теперь представьте, что у вас есть внешний жесткий диск, смартфон и ноутбук. Какие действия вы выполните для того, чтобы переместить какой-либо файл с внешнего жесткого диска на ваш смартфон? Самый простой способ - это сначала переместить файл с внешнего жесткого диска на ноутбук, а с него на смартфон.

А теперь представьте, что вы имеете USB OTG переходник. Просто вставьте переходник в смартфон, а в него кабель от внешнего жесткого диска. Необходимость в ноутбуке отпадает. Удобно?

К сожалению, не все устройства поддерживают USB On-The-Go, так что перед покупкой переходника советую вам проверить ваше устройство на поддержку USB OTG.

Переходники для Lightning существуют и они даже с версии iOS 9 везде работают, но называть это OTG как-то не особо хочется.

USB Type-C

Этот новый стандарт имеет большой задел на будущее. Во-первых, он быстрый и может передавать большие токи, во-вторых, его можно вставить любой стороной и на обоих концах провода может быть один и тот же коннектор.

В 2015 году компания Apple потрясла весь мир, выпустив MacBook с одним USB Type-C разъемом. Это может быть началом тенденции.

Сейчас существует немало устройств с USB Type-C разъемом. Для подключения к компьютеру стоит использовать USB Type-C - USB Type-A кабель, если у вас нет такого же разъема в компьютере.

Покупать дешевые USB Type-C кабели не стоит, совсем не стоит. Очень просто убить ваше устройство. К тому же по такому кабелю проходят большие токи, так что некачественный кабель еще и приведет к пожару. Не жалейте денег на качественный кабель.

Выводы

Сегодня мы рассмотрели различные виды USB разъемов и стандартов. Теперь вам известны все популярные типы USB разъемов. Надеюсь, что эта информация была полезной для вас. Если это так, то не поленитесь, пожалуйста, оценить эту статью ниже.

IBM, Intel, NEC и Northern Telecom (версия первого утвержденного варианта появилась довольно давно - 15 января 1996 года) и предназначенный для организации соединения многочисленных и разнотипных внешних устройств с помощью единого интерфейса.

Стандарт USB предполагает взаимодействие по архитектуре «клиент сервер» (используется терминология «Master-Slave», или «главный-служебный») и позволяет подключать до 127 устройств последовательно или используя концентратор USB (hub), к которому подсоединяется до семи устройств. Разъемы содержат четыре контакта, включая провода питания (5 В) для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джойстики и тому подобное

Концентраторы USB (хабы)

• а - общий вид устройства;
• б - вид со снятой крышкой.

Топология USB практически не отличается от топологии обычной локальной сети на витой паре, обычно называемой «звездой». Паже терминология похожа - концентратор шины также называется хаб (hub). Шина USB позволяет многоуровневое каскадирование «многоуровневая звезда».

Вместо любого из устройств может также стоять хаб. Основное отличие от топологии обычной локальной сети - компьютер (или host устройство) может быть только один. Хаб может быть как отдельным устройством с собственным блоком питания, так и встроенным в периферийное устройство. Наиболее часто хабы встраиваются в мониторы и клавиатуры.

USB с большой пропускной способностью

Пропускной способности в 480 Мбиг/с в версии 2.0 достаточно для удовлетворения потребностей всех этих применений в полной мере. Добавление устройств больше не сопряжено с установкой дополнительных адаптеров, выполнением сложного конфигурирования, ручным инсталлированием дополнительного программного обеспечения: система автоматически определяет, какой ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя.

В связи с прогнозируемым ростом в области интеграции компьютеров и телефонии шина USB сможет выступать в качестве интерфейса для подключения устройств цифровой связи (ISDN) и цифровых устройств Private Branch exchange (РВХ).

Технические характеристики. Возможности USB (версия 1.1) следуют из ее технических характеристик:

• режим высокой скорости обмена (full speed signaling bit rate) -12 Мбит/с;
• максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена 5 м;
• режим низкой скорости обмена (low speed signaling bit rate) -1.5 Мбит/с;
• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 м;
• максимальное количество подключенных устройств (включая концентраторы) - 127;
• возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;
• отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI;
• максимальное потребление тока на одно устройство - 500 мА.

На рисунке показан пример рационального соединения периферийных устройств в условную USB сеть. Так как обмен данными по USB идет только между компьютером и периферийным устройством (между устройствами обмена нет), то устройства с большими объемами приема и/или передачи данных должны подключаться либо к самому компьютеру, либо к ближайшему свободному узлу. В данном случае наивысший трафик у колонок (около 1.3 Мбит/с), затем модем и сканер, подключенные к хабу в мониторе, и завершают цепь клавиатура, джойстик и мышь, трафик у которых минимален.

Колонки USB имеют такой высокий трафик, так как для использования их не требуется звуковая карта. Драйвер колонок отправляет оцифрованный звук сразу в колонки, где он преобразуется в аналоговый сигнал и подается на громкоговоритель.

Кабели и разъемы. Сигналы USB передаются по 4-проводному кабелю. Здесь «Земля» - цепь «корпуса» для питания периферийных устройств, VBus - +5 В также для цепей питания. Шина D+ предназначена для передачи данных по шине, а шина D- - для приема данных. Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и не экранированным.

Таблица нумерации контактов разъемов USB

Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение/расчленение. Различают стандартные и мини разъемы, используемые для подключения периферийных устройств.

Как видно из рисунка, невозможно подключить устройство неправильно, так как разъем серии «А» можно подключить только к активному устройству на USB концентратору или компьютеру, а серии «В» только к собственно периферийному устройству.

Большинство контактов мини USB аналогичны стандартному USB разъему, за исключением № 4. Контакт 4 называется «ID» и в разъеме Mini-A соединен с землей, однако в Mini-B - свободен. Это приводит к тому, что устройства, поддерживающие USB On-The-Go (с разъемом Mini-AB), выполняют функции хоста, будучи подсоединенными к разъему USB Mini-A (конец «А» кабеля Mini-A-Mini-B). Разъем Mini-A содержит также дополнительный ключ (кусочек пластика внутри), чтобы предотвратить включение в Устройство типа «В».

«USB на ходу» (On-The-Go - OTG). Быстрое возрастание числа мобильных цифровых устройств выявило потребность в промышленном стандарте на связь таких устройств и внешних устройств (например, принтеров). Множество методов обеспечения связи, используемых изготовителями мобильных систем, свидетельствуют об этой потребности (это доки, слоты, соединители и различные технологии карточек с памятью).

• а - тип «А» (подсоединение к источнику, то есть компьютеру или хабу);
• б - тип «В» (предназначены только для присоединения к периферийному устройству);
• в - розетка типа «А»;
• г - вилка типа «А»;
• д - розетка типа «В»;
• е -вилка типа «В»;
• ж - мини-разъемы (схема);
• з - общий вид.

К началу 2001 года рыночное проникновение USB составило более 1.1 млрд устройств с этим интерфейсом (Персональные компьютеры, внешние устройства, устройства бытовой электроники). Это делает USB естественным кандидатом на обеспечение мобильной связи «точка-точка». Однако, его несимметричный протокол «клиент сервер» (точнее, «главой-подчиненный», master-slave protocol), который полагается на «интеллект» хоста, является главным неудобством USB. Помещение полнофункционального USB хоста на портативное устройство просто невыполнимо. Кроме того, что стандарт хоста USB нанесет ущерб аккумулятору маломощного устройства, разъемы USB являются слишком крупными для этих миниатюрных устройств.

Для решения проблемы ряд изготовителей мобильных телефонов, КПК и мобильных персональных компьютеров (USB Promoter Group) объединились, чтобы разработать определить новое добавление к спецификации USB 2.0, которая была названа «USB на ходу» (On-The-Go, OTG). Выпущенный в декабре 2001 года, стандарт определяет новые небольшие разъемы, протокол установления связи, требования к электропитанию, используемому на хосте и в периферии. Спецификация также определяет новый тип устройства, названного «внешнее устройство двойного назначения», способное к действию как хост или периферия в зависимости от того, как пользователь подключает кабель с его «мини-АВ» разъемом. Будучи включенным в разъем «мини-А», устройство двойной роли ведет себя как хост, а включение в «мини-В» превращает его во внешнее устройство.

Сегодняшняя статья будет посвящена, как уже видно из названия, обсуждению основ интерфейса USB . Рассмотрим основные понятия, структуру интерфейса, разберемся, как происходит передача данных, а в ближайшем будущем реализуем все это на практике 😉 Короче, приступаем!

Существует ряд различных спецификаций USB . Началось все с USB 1.0 и USB 1.1 , затем интерфейс эволюционировал в USB 2.0 , относительно недавно появилась окончательная спецификация USB 3.0 . Но на данный момент наиболее распространенной является реализация USB 2. 0.

Ну и для начала основные моменты и характеристики. USB 2.0 поддерживает три режима работы:

• High Speed – до 480 Мб/с
• Full Speed – до 12 Мб/с
• Low Speed – до 1.5 Мб/с

Командует на шине USB хост (например, ПК), к которому можно подключить до 127 различных устройств. Если этого мало, то нужно добавить еще один хост. Причем немаловажно, что устройство не может само послать/принять данные хосту/от хоста, необходимо, чтобы хост сам обратился к устройству.

Почти во всех статьях про USB , которые я видел используется термин “конечная точка “, но о том, что это такое обычно написано довольно туманно. Так вот, конечная точка – это часть устройства USB , имеющая свой уникальный идентификатор. Каждое устройство USB может иметь несколько конечных точек. По большому счету – конечная точка – это всего лишь область памяти USB устройства, в которой могут храниться какие-либо данные (буфер данных). И в итоге мы получаем вот что – каждое устройство имеет свой уникальный адрес на шине USB , и при этом каждая конечная точка этого устройства имеет свой номер. Вот так вот)

Давайте немного отвлечемся и поговорим о “железной части” интерфейса.

Существуют два типа коннекторов – Type A и Type B.

Как уже понятно из рисунка Type A всегда обращен к хосту. Именно такие разъемы мы видим на компьютерах и ноутбуках. Коннекторы Type B всегда относятся к подключаемым USB-устройствам. Кабель USB состоит из 4 проводов разных цветов. Ну, собственно, красный – это питание (+5 В), черный – земля, белый и зеленый предназначены для передачи данных.

Помимо изображенных на рисунке, существуют также другие варианты исполнения USB-коннекторов, например, mini-USB и другие, ну это вы и так знаете 😉

Наверно стоит немного коснуться способа передачи данных, но углубляться в это не будем) Итак, при передаче данных по шине USB используется принцип кодирования NRZI (без возврата к нулю с инверсией). Для передачи логической “1” необходимо повысить уровень линии D+ выше +2.8 В, а уровень линии D- надо понизить ниже +0.3 В. Для передачи нуля ситуация противоположная – (D- > 2.8 В) и (D+ < 0.3 В).

Отдельно стоит обсудить питание устройств USB . И тут также возможно несколько вариантов.

Во-первых устройства могут питаться от шины, тогда их можно разделить на два класса:

• Low-power
• High-power

Разница тут заключается в том, что low-power устройства не могут потреблять больше, чем 100 мА . А устройства high-power должны потреблять не более 100 мА лишь на этапе конфигурации. После того, как они сконфигурированы хостом их потребление может составлять до 500 мА .

Кроме того, устройства могут иметь свой собственный источник питания. В этом случае они могут получать до 100 мА от шины, а все остальное забирать у своего источника)

С этим вроде бы все, давайте потихоньку переходить к структуре передаваемых данных. Все-таки это представляет для нас наибольший интерес 😉

Вся информация передается кадрами , которые отправляются через равные промежутки времени. В свою очередь каждый кадр состоит из транзакций . Вот, пожалуй, так будет нагляднее:

Каждый кадр включает в себя пакет , затем следуют транзакции для разных конечных точек, ну и завершается все это пакетом EOF (End Of Frame). Если говорить совсем точно, то EOF – это не совсем пакет в привычном понимании этого слова – это интервал времени, в течение которого обмен данными запрещен.

Каждая транзакция имеет следующий вид:

Первый пакет (его называют Token пакет ) содержит в себе информацию об адресе устройства USB , а также о номере конечной точки, которой предназначена эта транзакция. Кроме того, в этом пакете хранится информация о типе транзакции (какие бывают типы мы еще обсудим, но чуть позже =)). – с ним все понятно, это данные, которые передают хост, либо конечная точка (зависит от типа транзакции). Последний пакет – Status – предназначен для проверки успешности получения данных.

Уже очень много раз прозвучало слово “пакет” применительно к интерфейсу USB , так что пора разобраться что он из себя представляет. Начнем с пакета Token :

Пакеты Token бывают трех типов:

• Setup

Вот к чему я это рассказал..) В зависимости от типа пакета значение поля PID в Token пакете может принимать следующие значения:

• Token пакет типа OUT – PID = 0001
• Token пакет типа IN – PID = 1001
• Token пакет типа SETUP – PID = 1101
• Token пакет типа SOF – PID = 0101

Переходим к следующей составной части пакета Token – поля Address и Endpoint – в них содержатся адрес USB устройства и номер конечной точки , которой предназначена транзакция .

Ну и поле CRC – это контрольная сумма, с этим понятно.

Тут есть еще один важный момент. PID включает в себя 4 бита, но при передаче они дополняются еще 4-мя битами, которые получаются путем инвертирования первых 4-ых бит.

Итак, на очереди – то есть пакет данных.

Тут все в принципе так же, как и в пакете Token , только вместо адреса устройства и номера конечной точки здесь у нас передаваемые данные.

Осталось нам рассмотреть Status пакеты и пакеты SOF :

Тут PID может принимать всего лишь два значения:

• Пакет принят корректно – PID = 0010
• Ошибка при приеме пакета – PID = 1010

И, наконец, пакеты:

Здесь видим новое поле Frame – оно содержит в себе номер передаваемого кадра.

Давайте в качестве примера рассмотрим процесс записи данных в USB-устройство. То есть рассмотрим пример структуры кадра записи.

Кадр, как вы помните состоит из транзакций и имеет следующий вид:

Что представляют из себя все эти транзакции? Сейчас разберемся! Транзакция SETUP :

Транзакция OUT :

Аналогично при чтении данных из USB-устройства кадр выглядит так:

Транзакцию SETUP мы уже видели, посмотрим на транзакцию IN 😉

Как видите, все эти транзакции имеют такую структуру, как мы обсуждали выше)

В общем, думаю достаточно на сегодня 😉 Довольно-таки длинная статья получилась, надеюсь в ближайшее время попробуем реализовать интерфейс USB на практике!

Редко бывает, что одна лишняя буква в названии стандарта грозит совершить революцию в мире интерфейсов передачи данных и гаджетов, но появление последней разновидности USB 3.1 Type-C похоже как раз тот случай. Что же нам обещает принести очередное обновление старого доброго USB интерфейса?

• Скорость передачи данных до 10 GBps
• Возможность запитывания от порта устройств с потребляемой мощностью вплоть до 100Вт
• Размеры коннектора сравнимые с micro-USB
• Симметричность разъёма - у него не существует верха и низа, а значит нет ключа, который часто приводит к повреждениям как самих разъёмов, так и подключаемых через них гаджетов
• С помощью данного интерфейса можно запитывать устройства с напряжением вплоть до 20 вольт
• Больше не существует разных типов коннекторов - А и В. На обоих концах кабеля стоят совершенно одинаковые разъёмы. Как данные так и питающее напряжение могут передаваться через один и тот же разъём в обоих направлениях. В зависимости от ситуации каждый разъём может выступать в роли ведущего или ведомого
• Нам обещают, что конструкция разъёма способна выдерживать до 10 000 подключений
• Возможно использование этого интерфейса для непосредственного подключения вместо некоторых других широко распространённых интерфейсов для быстрого обмена данными.
• Стандарт совместим сверху вниз как c обычным USB 3 интерфейсом, так и с его младшими братьями. Конечно не на прямую, но с помощью переходника через него возможно подключение скажем USB 2.0 диска

Под катом постараюсь разобрать тему по косточкам - начиная от конструкции разъёма и кабеля, и заканчивая кратким обзором профилей оборудования и новинок чипов для поддержки возможностей данного интерфейса. Я долго думал на какой площадке размещать статью, ведь все предыдущие касающиеся этой темы выходили на GT, но в моей публикации так много технических деталей, что она будет полезней не гикам, а потенциальным разработчикам, которым уже сегодня стоит начинать к нему присматриваться. Поэтому рискнул поселить статью тут.

Не буду касаться истории развития USB интерфейса, эта тема не плохо развита в данном комиксе в смысле истории в картинках

Электроника - наука о контактах

Для начала сравнительные фото сегодняшнего героя в компании заслуженных предков.

Коннектор USB Type-C немного крупнее привычного USB 2.0 Micro-B, однако заметно компактнее сдвоенного USB 3.0 Micro-B, не говоря уже о классическом USB Type-A.
Габариты разъема (8,34×2,56 мм) позволяют без особых сложностей использовать его для устройств любого класса, включая смартфоны и планшеты.

Сигнальные и силовые выводы размещены на пластиковой вставке пожалуй это самое слабое его место в центральной части разъёма. Контактная группа USB Type-C содержит 24 вывода. Напомню, что у USB 1.0/2.0 имелось всего 4 контакта, а разъемам USB 3.0 потребовалось уже 9 выводов.

Если внимательно присмотреться к рисунку слева, то видно, что контакты имеют разную длину. Это обеспечивает их замыкание в определённой последовательности. На рисунке в центре мы видим наличие защёлок, которые должны удерживать воткнутый кабель и обеспечивать тактильный щелчок в процессе соединения-рассоединения. На правом графике изображена зависимость усилия в процессе вставки-вынимания разъёма.

Пики, которые мы видим на нём - это моменты срабатывания защёлки.

Можно констатировать, что разработчики стандарта сделали если не всё, то почти всё, чтобы разъём стал максимально удобным и надёжным: он вставляется любым концом и любой стороной с ощутимым щелчком. По их мнению, он способен пережить эту процедуру более 10 тысяч раз.

Многоликий симметричный янус

Крайне приятной и полезной особенностью USB-C стал симметричный дизайн разъёма, позволяющий подключать его к порту любой стороной. Достигается это благодаря симметричному расположению его выводов.

По краям расположены выводы земли. Плюсовые контакты питания также расположены симметрично. В центре находятся контакты, отвечающие за совместимость с интерфейсом USB2 и младше. Им повезло больше всего - они дублируются и поэтому поворот на 180 градусов при соединении не страшен. Синим цветом помечены выводы, отвечающие за высокоскоростной обмен данными. Как мы видим тут всё хитрее. Если мы повернём разъём, то к примеру, выход TX1 поменяется местами с TX2, но одновременно и место входа RX1 займёт RX2.

Выводы Secondary Bus и USB Power Delivery Communication служебные и предназначены для общения между собой двух соединяемых устройств. Ведь им необходимо очень о многом друг другу рассказать, прежде чем начать обмен, но об этом позже.

А пока ещё об одной особенности. Порт USB Type-C изначально разрабатывался в качестве универсального решения. Помимо непосредственной передачи данных по USB, он может также использоваться в альтернативном режиме (Alternate Mode) для реализации сторонних интерфейсов. Такую гибкость USB Type-C использовала ассоциация VESA, внедрив возможность передачи видеопотока посредством DisplayPort Alt Mode.

USB Type-C располагает четырьмя высокоскоростными линиями (парами) Super Speed USB. Если две из них выделяются на нужды DisplayPort, этого достаточно для получения картинки с разрешением 3840×2160. При этом не страдает скорость передачи данных по USB. На пике это все те же 10 Гб/с (для USB 3.1 Gen2). Также передача видеопотока никак не влияет на энергетические способности порта. На нужды DisplayPort может быть выделено даже 4 скоростные линии. В этом случае будут доступны разрешения вплоть до 5120×2880. В таком режиме остаются не задействованы линии USB 2.0, потому USB Type-C все еще сможет параллельно передавать данные, хотя уже с ограниченной скоростью.

В альтернативном режиме для передачи аудиопотока используются контакты SBU1/SBU2, которые преобразуются в каналы AUX+/AUX-. Для протокола USB они не задействуются, потому здесь тоже никаких дополнительных функциональных потерь.

При использовании интерфейса DisplayPort, коннектор USB Type-C по-прежнему можно подключать любой стороной. Необходимое сигнальное согласование предусмотрено изначально.

Подключение устройств с помощью HDMI, DVI и даже D-Sub (VGA) также возможно, но для этого понадобятся отдельные переходники, однако это должны быть активные адаптеры, так как для DisplayPort Alt Mode, не поддерживается режим Dual-Mode Display Port (DP++).

Альтернативный режим USB Type-C может быть использован отнюдь не только для протокола DisplayPort. Возможно, вскоре мы узнаем о том, что данный порт научился, например, передавать данные с помощью PCI Express или Ethernet.

И этому дала, и тому дала. В общем… о питании.

Еще одна важная особенность, которую привносит USB Type-C – возможность передачи по нему энергии мощностью до 100 Вт. Этого хватит не только для питания/зарядки мобильных устройств, но и для работы ноутбуков, мониторов, а если пофантазировать, то и небольшого лабораторного источника питания.

При появлении шины USB, передача энергии была важной, но всё же второстепенной её функцией. Порт USB 1.0 обеспечивал всего 0,75 Вт (0,15 А, 5 В). Достаточно для работы мыши и клавиатуры, но не более того. Для USB 2.0 номинальная сила тока была увеличена до 0,5 А, что позволило получать от неё уже 2,5 Ватта для питания, например, внешних жестких дисков формата 2,5”. Для USB 3.0 номинально предусмотрена сила тока в 0,9 А, что при неизменном напряжении питания в 5В гарантирует мощность в 4,5 Вт. Специальные усиленные разъемы на материнских платах или ноутбуках способны были выдавать до 1,5 А для ускорения зарядки подключенных мобильных устройств, но и это “всего лишь” 7,5 Вт. На фоне этих цифр возможность передачи 100 Вт выглядит чем-то фантастическим.

Для того чтобы наполнить такой энергией порт USB Type-C служит поддержка спецификации USB Power Delivery 2.0 (USB PD). Если таковой нет, порт USB Type-C штатно сможет выдать на гора 7,5 Вт (1,5 А, 5 В) или 15 Вт (3А, 5 В) в зависимости от конфигурации. Для подробного описания этой спецификации в данной статье недостаточно места, да и всё равно я не сделаю это лучше, чем уважаемый stpark в своей замечательной статье .

Однако, совсем обойти эту архиважную тему не получится.

Для того, чтобы обеспечить мощность в 100 ватт при напряжении пять вольт потребуется ток в 20 ампер! Такое при габаритах кабеля USB Type-C возможно пожалуй только если изготовить его из сверхпроводника! Боюсь, что сегодня это будет обходиться пользователям дороговато, поэтому разработчики стандарта пошли по другому пути. Они увеличили напряжение питания до 20 Вольт. “Позвольте, но ведь оно выжжет напрочь мой любимый планшет” - воскликните вы, и будете совершенно правы. Для того, чтобы не пасть жертвой разъярённых пользователей, инженеры задумали хитрый трюк - они ввели систему силовых профилей. Перед соединением любое устройство находится в стандартном режиме. Напряжение в нём ограничено пятью вольтами, а ток двумя амперами. Для соединения с устройствами старого типа этим режимом всё и закончится, а вот для более продвинутых случаев, после обмена данными, устройства переходят в другой согласованный режим работы с расширенными возможностями. Чтобы познакомиться с основными существующими режимами глянем на таблицу.

Профиль 1 гарантирует возможность передачи 10 Вт энергии, второй уже – 18 Вт, третий – 36 Вт, четвёртый целых – 60 Вт, ну а пятый нашу заветную сотню! Порт, соответствующий профилю более высокого уровня, поддерживает все состояния предыдущих по нисходящей. В качестве опорных напряжений выбраны 5В, 12В и 20В. Использование 5В необходимо для совместимости с огромным парком имеющейся USB-периферии. 12В – стандартное напряжение питания различных компонентов систем. 20В предложено с учетом того, что для зарядки аккумуляторов большинства ноутбуков используются внешние БП на 19–20В.

Пара слов о кабелях!

Поддержка описываемого в статье формата в полном объёме потребует огромной работы не только программистов, но и производителей электроники. Потребуется разработать и развернуть производство очень большого количества компонентов. Самое очевидное это разъёмы. Для того, чтобы выдерживать высокие токи питающего напряжения, не оказывать помех передаче сигналов очень высокой частоты, да ещё при этом не выходить из строя после второго коннекта и не вываливаться в самый неподходящий момент, качество их изготовления должно быть радикально выше по сравнению с форматом USB 2.

Для совмещения передачи энергии большой мощности и сигналом с гигабитным трафиком, производителям кабелей придётся серьёзно напрячься.

Полюбуйтесь, как выглядит подходящий для нашей задачи кабель в разрезе.

Кстати, об ограничениях на длину кабелей при использовании интерфейса USB 3.1. Для передачи данных без существенных потерь на скоростях до 10 Гб/c (Gen 2) длина кабеля c разъемами USB Type-C не должна превышать 1 метр, для соединения на скорости до 5 Гб/c (Gen 1) – 2 метра.

Схемотехники производителей материнских плат, докстанций и ноутбуков долго будут ломать голову, как сгенерировать мощность порядка сотни ватт, а трассировщики, как подвести её к разъёму USB Type-C.

Производители чипов на низком старте.

Симметричное подсоединение и работа сигнальных линий в разных режимах потребует применения микросхем высокоскоростных коммутаторов сигналов. Сегодня уже появились первые ласточки. Вот, например, коммутатор от фирмы Texas Instruments, который поддерживает работу в устройствах как в режиме хоста так и ведомого устройства. Он способен коммутировать линии дифференциальных пар с частотой сигнала вплоть до 5ГГц.

При этом размеры чипа HDC3SS460 3.5 на 5.5 мм и в режиме покоя он потребляет ток порядка 1 микроампера. В активном же режиме - меньше миллиампера. Существуют и более продвинутые решения, например чипы производства NXP поддерживают частоту обмена до 10 ГГц.

Стали появляться и менеджеры питания, совмещённые с цепями защиты сигнальных линий от статики, например вот такое изделие от NXP

Оно предназначено для корректной обработки момента подключения разъёма, а так же размыкания цепи питания в случае неполадок. Данный чип уже поддерживает напряжение на VBUS до 30 вольт, а вот с максимальным коммутируемым током всё много хуже - он не должен превышать 1 ампера, что и понятно, учитывая габариты - 1.4 на 1.7 мм!

Безусловным лидером в этой области выступила Cypress, которая выпустила специализированный микроконтроллер с ядром ARM Cortex M0 поддерживающий все пять возможных для стандарта профилей питания.

Типичная схема включения для использования в ноутбуке даёт о нём некоторое представление, а подробнее с ним можно будет ознакомиться скачав даташит.

В отличие от чипа NXP он ориентирован на управление внешними силовыми ключами и поэтому может обеспечить коммутацию требуемых токов и напряжений, не смотря на свои малые размеры.

Внимание, Важная особенность для тех кто уже торопится заказать первые образцы - микроконтроллер не имеет USB интерфейса и не является полным и законченным решением. Он может служить только в качестве менеджера питания. В данный момент открыт предзаказ на поставку образцов и демонстрационных плат. Судьба этого микроконтроллера видимо будет во многом зависеть от того, снабдит ли фирма - производитель разработчиков референсными библиотеками для его использования в разных режимах.

Тот факт, что уже для него уже создано несколько демокитов сильно повышает вероятность последнего.

Лифт в небеса или Вавилонская башня.

Итак сегодня полностью сложилась революционная ситуация. Верхи не могут, а низы не хотят жить по старому. Всем надоела неразбериха с огромным количеством кабелей, зарядных устройств, блоков питания и их низкая надёжность.

Новый стандарт породил невиданную активность. Флагманы электронной индустрии - Apple, Nokia, Asus готовят к выпуску свои первые гаджеты с поддержкой USB Type-C. Китайцы уже штампуют кабели и переходники. На подходе докстанции и хабы с поддержкой высокой нагрузки по мощности. Производители чипов разрабатывают новые микросхемы и думают как бы запихнуть драйвер нового порта в микроконтроллер. Маркетологи решают куда воткнуть новый разъём, а инженеры чешут репу пытаясь реализовать многопрофильные устройства из уже имеющихся электронных компонентов.

Пока не ясно только одно. Что мы получим в результате? Удобный и надёжный разъём, который заменит львиную долю интерфейсов и найдёт повседневное применение, или вавилонское столпотворение, ведь ситуация может начать развиваться по не самому благоприятному сценарию:

Пользователи могут окончательно запутаться в многочисленных спецификациях и кабелях, которые будут выглядеть с виду совершенно одинаково, но при этом будут сертифицированы только под определённые профили. Попробуй разберись с ходу со всеми этими маркировками.

Но даже если получится, то это вряд ли решит проблему - китайцы без зазрения совести легко поставят на любой шнур любой значок. А если надо, то до кучи на каждую сторону одного кабеля разные, их не смутит даже если они будут взаимоисключающими.

Рынок наводнится невероятным количеством переходников разного калибра и сомнительного качества.

Пытаясь подключить одно устройство к другому никогда в результате не будешь знать к какому результату этот процесс приведёт и из-за чего коннект либо вовсе отсутствует, либо всё жутко глючит. То ли один из гаджетов не поддерживает нужный профиль, то ли поддерживает но не слишком корректно, то ли вместо качественного кабеля попалась его грубая китайской подделка. А что прикажете делать, если вдруг на вашем ноутбуке выйдет из строя единственный оставшийся на нём разъём?

До новых встреч.

P.S. Новый стандарт уже приводит к появлению весьма экзотических устройств. Так анонсирован кабель 100 метровой длины, который вроде бы никак не вписывается в стандарты. Вся фишка в том, что он активный. На обоих своих концах кабель имеет преобразователь сигналов USB3 интерфейса в оптический. Сигнал передаётся по оптике и на выходе конвертируется назад. Естественно он не передают энергию, а только данные. При этом каждый из преобразователей на его концах питается от разъёма к которому подключен.
Думаю, что в скором времени для подтверждения подлинности уважающие себя фирмы начнут вставлять в кабели активные метки. Проблема хабов породит невиданную активность у разработчиков и производителей DC-DC преобразователей. Как справедливо заметил уважаемый пользователь TimsTims может возникнуть например ситуация, что устройство, которое питает способно выдать только 12 вольт, а подключенные к нему устройства начнут затребовать скажем одно 5, другое 18.
В общем этот стандарт обещает прокормить не одного разработчика, да и производители в накладе не останутся.