Techbox: USB změnilo svět počítačů, mobilů i tabletů

Zná ho každý, kdo vlastní počítač. Stejně, jako si ve své velké verzi podmanil svět počítačů, ovládl ve své Mini a zejména pak Micro variantě i další elektroniku a zejména mobilní telefony, kde byl přijat i jako univerzální konektor nabíječky. První specifikace USB se objevila před 18 lety.

Tento článek je třináctý dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.

Na konci první poloviny 90. let se porty ukazujá jako největší brzda dalšího rozšiřování osobních počítačů. Tehdy používané porty, jako zejména sériový port a paralelní port, a dále GamePort, Apple Desktop Bus a konektor PS/2, byly obtížně konfigurovatelné z pozice koncového uživatele, což mu znepříjemňuje připojování různých periferií a externích zařízení.

Protože si však tehdejší největší hráči na trhu s počítači uvědomují, že pokud by si každý z nich hrál na svém vlastním písečku a vyvíjel si své vlastní rozhraní, doplatilo by na to počítačové odvětví jako celek, a je proto výhodnější spolupracovat, dává se v prosinci 1994 dohromady skupina sedmi v té době významných technologických firem - Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, a Nortel. Vytváří organizaci USB Implementers Forum, která má dnes již více než 800 členů.

Její cíl je prostý. Chtěli vytvořit jeden standard, který by nahradil velké množství do té doby používaných konektorů a zásadně zjednodušit připojování externích zařízení k osobním počítačům. Hlavními požadavky byla jeho robustnost a vyšší přenosová rychlost, nízké náklady, jednoduchost, snadná výroba a široká použitelnost.

S řešením tohoto požadavku přišel tým inženýrů ze společnosti Intel, jehož členem byl i Ajay Bhatt, indicko-americký počítačový architekt, který pomohl definovat a vyvinout několik dnes široce používaných počítačových technologií. První integrované obvody podporující nové rozhraní USB (Universal Serial Bus - Univerzální Sériová Sběrnice) vyrobil Intel v roce 1995 a v lednu 1996 představuje konsorcium jeho první specifikaci USB 1.1.

Jak funguje USB

Základem USB je sběrnice jen s jedním zařízením typu Master, přes kterou operační systém přistupuje k připojeným zařízením, kterých může být až 127. Veškerá aktivita vychází ze sběrnice Master, která může požadovat data od připojených zařízení. Data jsou vysílána v tzv. rámcích, které trvají přesně 1 milisekundu. Výhodou USB je, že během jednoho takového rámce mohou být zpracovány pakety pro několik zařízení.

Tyto pakety mohou být buď krátké osmibajtové nebo dlouhé až 256 bajtů. V jednom rámci mohou být spolu pomalé (low-speed) i rychlé (full-speed) pakety. K jejich rozdělené slouží rozdělovač sběrnice, neboli hub, který zajišťuje nejen jejich rozdělení, ale hlídá také, aby se signály s plnou rychlostí (full-speed) nedostaly na pomalá zařízení. Časový průběh přenosu dat je plně v kompetenci masteru a připojená podřízená zařízení se s jeho datovým tokem musí synchronizovat.

USB umožňuje přenášení násobných dat a řídicích informací. Stejně tak přes něj můžete po stejném médiu přenášet synchronní i asynchronní data. Samotný komunikační protokol je přitom nenáročný a příliš nezatěžuje sběrnici. Tou největší výhodou, kterou přineslo USB, je možnost připojování Plug & Play. Zařízení je možné připojit k počítači za chodu a během několika sekund je přístupné. Odbourala se tak do té doby otravná nezbytná nutnost konfigurace a opětovného zavádění operačního systému.

Nespornou výhodou je i možnost napájení zařízení přímo přes USB. Připojené zařízení může přes sběrnici odebírat stejnosměrné napájecí napětí 5 V a proud až 100 mA, v případě potřeby však může zařízení požádat o větší proud. Maximum je přitom 500 mA.

Přes jeden typ kabelu, jehož garantovaná maximální délka je pět metrů, je možné připojit širokou škálu zařízení, díky čemuž je připojení velice levné. Navíc je možné k jednomu zařízení, které umí komunikovat přes USB, připojovat několik dalších periferních zařízení a sdružovat tak více logických zařízení do jednoho fyzického. Toho využívají například různé USB huby, které zvyšují počet dostupných USB portů v zařízení.

Základní rozdělení USB konektorů je na samce a samice, toto pojmenování odpovídáme tomu, s čím se setkáváme v přírodě. Typ samec slouží k zasunutí do samice. Existuje však ještě dělení na typ A a typ B. Oba typy mají ve verzi USB 1.1 čtyři piny.

Typ A je nejrozšířenějším typem USB konektoru. Má obdélníkový průřez se šířkou zástrčky (samce) 12 milimetrů a výškou 4,5 milimetrů. Můžete se s ním setkat, jak na straně počítače, tak periferií. Ke spojení používá velké kovové plochy. Typ B má naproti tomu čtvercový průřez se zkosenými horními rohy. Příkladem použití typu B jsou například tiskárny. U některých zařízení postrádají zásuvky (samice) datové spojení a slouží výhradně k přenosu elektřiny z nadřazeného zařízení.

V první generaci USB byla jeho největší slabinou relativně nízká přenosová rychlost. Podporovalo dva typy zařízení s různou přenosovou rychlostí - pomalá (Low-Speed) zařízení, jako jsou klávesnice, myši, herní zařízení, s přenosovou rychlostí 1,5 Mbit/s a rychlá zařízení (Full-Speed), jako jsou mikrofony, reproduktory, komprimované video, s rychlostí 12 Mbit/s. Kvůli tomu tak v této verzi nedokáže konkurovat vysokorychlostním rozhraním. Vždyť pro srovnání FireWire (IEEE 1394) od firmy Apple zvládal připojení až 63 zařízení a maximální přenosovou rychlost až 400 Mbit/s. Proti předchozím rozhraním však i tak má kromě univerzálnosti celou řadu již umiňovaných výhod.

Přes tyto výhody však zájem o USB v prvních letech není takový, jaký si jeho tvůrci představují. Kýžený impuls, který podnítil výrobce periferií, nepřichází od žádného ze zakládajících členů konsorcia, ale od společnosti Apple. Ta v roce 1998 uvádí na trh svůj revoluční počítač iMac. Tento počítač s poloprůhledným krytem, kterého se prodalo několik milionů kusů, byl jako první vybaven pouze USB porty. Kromě svého příspěvku k rozšíření USB znamenal i návrat počítačů Apple na stoly běžných uživatelů.

Další generace přináší zrychlení

Maximální rychlost 12 Mbit/s se brzy ukazuje jako příliš limitující a nevhodná pro náročnější zařízení, jako jsou například digitální kamery a další přístroje pracující s velkými objemy dat. Proto se v roce 1999 začalo uvažovat o nové generaci USB, která by tento problém řešila.

Oficiálně byla představena jako USB 2.0 v dubnu 2000. Její hlavní novinkou byl nový režim High-Speed s maximální rychlostí 480 Mbit/s (efektivní propustnost až 35 MB/s nebo 280 Mbit/s). Zachována však byla plná zpětná kompatibilita s USB 1.1 a jeho režimy Low-Speed a Full-Speed.

Další pozdější změny ve specifikaci USB 2.0 pak byly řešeny prostřednictvím Poznámek technických změn (ECN - Engineering Change Notices). Většina z těch nejdůležitějších je obsažena ve specifikačním balíčku USB 2.0, který je k dispozici na stránkách

Zleva nestandardní USB fotoaparátů Lumix, mini USB, typ B, samice typ A, samec typ A

Jedna ze zásadních novinek na sebe nenechá dlouho čekat a v říjnu 2000 se objevuje specifikace konektorů MiniUSB. Proti normálnímu USB je MiniUSB výrazně menší. Rozměry zástrčky Mini-A a Mini-B svíčky přibližně 3 x 7 milimetrů.

MiniUSB – typ A již nemá obdélníkový průřez jako klasické USB, ale přichází s průřezem lichoběžníku. Na rozdíl od klasického USB také má o jeden pin víc. Setkat se s ním můžete zejména u starší elektroniky. Kromě PDA byl používán i u kamer nebo externích disků. Tento typ podporuje funkci USB OTG (On-The-Go), která byla přijata v prosinci 2006, a která umožňuje, aby dvě zařízení komunikovala mezi sebou, aniž byste potřebovali samostatný USB host. Jedno ze zařízení se tak chová jako hostitel pro druhé.

Kromě typu A existuje ve verzi Mini i typ B, který však není oficiálně certifikovaný USB Implementers Forum. Velikostně odpovídá typu A, ale má pouze čtyři piny a svým průřezem je spíše zmenšeninou typu B klasického USB. Své uplatnění nalezl zejména v digitálních fotoaparátech. Jeho největším propagátorem byla společnost Kodak.

MicroUSB se stal nejrozšířenějším konektorem u mobilních telefonů.

I MiniUSB se však zdálo výrobcům příliš velké a proto se v lednu 2007 objevuje MicroUSB, které MiniUSB nahrazuje. To je široké jako MiniUSB, ale ještě o polovinu tenčí. MicroUSB přijali výrobci rychle za své a v současnosti se jedné o nejrozšířenější typ zejména u mobilních telefonů, tabletů a další drobné elektroniky.

Rozšíření MicroUSB v mobilních telefonech napomohlo i to, že ho v roce 2007 skupina Open Mobile Terminal Platform (OMTP) schválila jako standardní konektor pro data a napájení v mobilních zařízeních. Kromě toho 22. října 2009 oznámila Mezinárodní telekomunikační unie (ITU), že přijala MicroUSB jako univerzální nabíjecí zařízení, které umožní použití jedné nabíječky pro více mobilních telefonů bez ohledu na značku.

Také u MicroUSB je rozšířenější typ A, který rovněž podporuje USB OTG. Rozpoznáte ho díky bílému plastu okolo pěti pinů. O něco mladší je typ B, který má plast černý a více lichoběžníkový tvar a odlišné zajišťovací pacičky bránící vypadnutí konektoru. Kromě těchto dvou typů existuje pouze jako samice i hybridní typ AB odlišený šedým plastem, do kterého je možné zasunout oba dva typy.

Kromě těchto standardních konektorů používají někteří výrobci u svých zařízení upravené verze, ať již z technických nebo marketingových důvodů. V tomto případě se nevyhnete použití proprietárních kabelům a původní myšlenka univerzálnosti USB tak dostává na frak.

Třetí generace USB zvedá rychlost na Gbit/s

V listopadu 2008 je přijata druhá velká revize standardu USB, která nese název USB 3.0. Její hlavní novinkou proti předchozí generaci je přidání nového módu přenosu pojmenovaného "SuperSpeed", který přináší přenosovou rychlost až 5 Gbit/s, což je více než desetinásobek rychlosti USB 2.0. Kromě radikálního zvýšení rychlosti přichází USB 3.0 s dalšími vylepšeními.

Byla zvětšena šířka páska, což umožnilo, že USB 3.0 místo dosavadní jednosměrné komunikace používá dvě jednosměrné datové cesty: jednu pro příjem dat a druhou pro ostatní přenos. Bylo zlepšeno napájení přes USB a je lépe využita sběrnice.

Čerstvou novinou je vylepšená verze USB 3.1, která se objevila letos v lednu. Ta disponuje módem SuperSpeed+ a zvýšila maximální rychlost na dvojnásobek až na 10 Gbit/s.

Konektor velkého USB typu A je rozměrově stejný jako jeho předchůdci, se kterými je kompatibilní. Hlavními rozdíl je tak větší počet pinů a modrý plast, který je pro USB 3.0 typický. To typ B je proti typu B u USB 2.0 o něco větší a přibyl mu nad hranou se skoseným rohy výstupek nebo chcete-li brada, ve které jsou umístěny další piny. To však bohužel znemožňuje možnost jeho použití do zásuvky staršího typu. Opačně to však jde. Zástrčku USB 2.0 typu B můžete zasunout do zásuvky USB 3.0 typu.

Zcela nekompatibilní se staršími verzemi je tak pouze MicroUSB 3.0 type B, který je vybavený deseti piny a je tak mnohem širší než předchozí microUSB 2.0. Setkat se s ním můžete zejména u externích disků a další elektroniky, která vyžaduje v malých rozměrech extrémní rychlost.

Budoucnost je zřejmě bezdrátová

Alternativou a možná i budoucností USB je bezdrátová technologie Wireless USB (WUSB, Certified Wireless USB), která nabízí stejné možnosti propojení zařízení jako klasické USB, ale obejde se přitom bez kabelů a k přenosu dat používá frekvenční rozsah od 3,1 GHz do 10,6 GHz.

Specifikace WUSB byla dokončena v roce 2005 a v roce 2008 se objevují na trhu první výrobky. Tato technologie se nicméně v konkurenci Wi-Fi a Bluetooth jen těžko prosazuje.

WUSB funguje na stejném principu jako standardní USB. To znamená, že zde jedno zařízení vystupuje jako master (host) a k němu se připojují další zařízení v pozici klienta. Také zde může být až 127 připojených zařízení a maximální přenosová rychlost odpovídá té u standardu USB 2.0 tedy 480 Mbit/s. V praxi však hodně záleží na vzdálenosti mezi zařízeními a této rychlosti dosahuje maximálně na vzdálenost tří metrů. Ve vzdálenosti 10 metrů je to v optimálních podmínkách již pouze 110 Mbit/s.