USB-standardien 1.0 – 4.0 dekoodaus

(Kuvan lähde: Same Sky)

Universaali sarjaväylä, Universal Serial Bus, joka tunnetaan paremmin lyhennetyllä nimellä USB, on luultavasti markkinoiden tunnetuin liitäntästandardi. Monet ihmiset, erityisesti insinööriyhteisön ulkopuolella, eivät kuitenkaan välttämättä lainkaan ajattele mitä USB sisältää. Yksinkertaisesti sanottuna "väylä" on tapa siirtää dataa tai sähkövirtaa elektronisessa järjestelmässä eri komponenttien välillä, kun taas termi "sarja" tarkoittaa, että data siirretään bitti kerrallaan samaa johtoa (tai muutamaa johtoa) pitkin. USB-standardit tarjoavat yhdessä teknisen standardin, joka määrittelee "universaalit" vaatimukset liittimille ja kaapeleille, joita käytetään elektronisen järjestelmän eri laitteiden yhdistämiseen.

USB on yksinkertainen ja kätevä tapa liittää laitteita toisiinsa ja välittää tietoa, mutta se on kehittynyt paljon 1996 tapahtuneen esittelynsä jälkeen ja pystyy nykyään paljoon muuhunkin. Ennen kuin se esiteltiin 1990-luvulla, liitäntävaihtoehdot olivat monimutkaisia ja tiedonsiirtonopeudet hitaita. Yli 25 vuotta kestäneiden jatkuvien parannusten ja muutosten ansiosta USB ja USB Implementers Forum (USB-IF) ovat luoneet liitäntäominaisuuksia, jotka ovat ylittäneet alun perin ajatellut mahdollisuudet: jatkuvasti kasvaneet tiedonsiirtonopeudet, virransyöttö ja muut ominaisuudet. Näiden jatkuvien parannusten myötä on kuitenkin syntynyt uusia standardeja, päivityksiä olemassa oleviin standardeihin ja erilaisia nimeämiskäytäntöjä. Tämän vuoksi yritys pysyä uusimpien USB-standardien tasalla voi aiheuttaa sekaannusta ja ristiriitoja. Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa yksityiskohtainen kuvaus USB-standardien historiasta ja selventää samalla uusimpia USB-nimityskäytäntöjä.

Kytkennät ennen USB-standardia

Kuten edellä mainittiin, ennen USB-standardia tiedonsiirtonopeudet olivat yleensä hitaita, 100 kilotavusta (kB) sekunnissa (rinnakkainen tiedonsiirto) 450 kilobittiin (kb) sekunnissa (sarjamuotoinen tiedonsiirto). Sen lisäksi, että tietokonevalmistajat käyttivät sekä sarja- että rinnakkaisportteja, käytössä oli myös erilaisia valmistajakohtaisia liittimiä ja kaapeleita, jotka usein vaativat omat ajurinsa ja korttinsa. Lisäksi hot-swapping- tai hot-plugging-toiminnallisuus oli hyvin rajoitettua, joten laite oli sammutettava ennen kuin siihen voitiin yhdistää yhtään laitetta ja vasta sen jälkeen se voitiin käynnistää uudelleen.

USB-IF aloitti USB-standardin kehittämisen vuonna 1994 ja julkaisi siitä useita esiversioita (USB 0.8 ja 0.9), mutta näitä ei koskaan ollut kaupallisesti saatavilla. Vuonna 1995 USB 0.99 oli viimeinen esijulkaistu standardi, mutta sitäkään ei ollut kaupallisesti saatavilla.

USB 1.0 ja 1.1

USB 1.0 oli ensimmäinen merkittävä USB-standardien julkaisu vuonna 1996, ja sen tiedonsiirtonopeus oli 1,5 megabittiä sekunnissa (Mbps) alhaisella nopeudella ja 12 Mbps täydellä nopeudella. Vaikka USB 1.0 tarjosi hot-swapping- ja itsekonfigurointiominaisuudet, sitä ei otettu laajalti käyttöön ensimmäisenä kaupallisesti saatavilla olevana USB-versiona.

Kaksi vuotta myöhemmin, vuonna 1998, esiteltiin USB 1.1. Vaikka se tarjosikin saman tiedonsiirtokapasiteetin kuin USB 1.0, se pystyi käyttämään myös hitaampia nopeuksia kommunikoidessaan kaistanleveydeltään alhaisempien laitteiden kanssa. USB 1.1 brändättiin nimelle Full Speed, ja se sai paljon huomiota Applen iMac G3:ssa, josta poistettiin sarja- ja rinnakkaisportit. Tämä tasoitti tietä USB-standardien laajemmalle käyttöönotolle. USB 1.0 ja 1.1 määrittelivät käyttöön myös fyysiset USB-liitäntästandardit, A-tyypin ja B-tyypin.

Kuva 1: A-tyypin ja B-tyypin USB-liitäntästandardit. (Kuvan lähde Same Sky)

USB 2.0

2000-luvun alku toi mukanaan kasvavan tarpeen suuremmille tiedonsiirtonopeuksille, koska tietokoneet ja niiden erilaiset oheislaitteet yleistyivät. Siksi USB 2.0 tuli markkinoille huhtikuussa 2000. Tämän standardin tiedonsiirtokapasiteetti oli 480 Mbit/s, mutta väylärajoitukset laskivat sen tasolle 280 Mbit/s. USB 2.0:lle annettiin nimi High Speed, ja se oli taaksepäin yhteensopiva aiempien standardien ja niiden nopeuksien 1,5 tai 12 Mbit/s kanssa. Tässä vaiheessa USB:n käyttö virtalähteenä alkoi yleistyä, ja sähköstandardit tarjosivat enintään 500 mA jännitteellä 5 V.

USB 2.0 esitteli myös USB On-the-Go -toiminnon, joka mahdollisti kahden laitteen kommunikoinnin keskenään ilman erillistä USB-isäntälaitetta. Tähän asti USB-yhteydet olivat aina isännän (tietokone) ja oheislaitteen (hiiri, näppäimistö, musiikkilaite jne.) välisiä.

Fyysisten liitäntästandardien osalta USB 2.0 on yhteensopiva USB tyypin A-, B- ja C-liittimien sekä Mini- ja Micro-A- ja -B-liittimien kanssa. Micro-A- ja -B-liittimet ja Micro-C-liittimet esiteltiin kuitenkin vasta useita vuosia myöhemmin, vuosina 2007 ja 2014.

USB 3.0

USB 3.0 ja sen jälkeiset USB-standardit ovat käyneet läpi useita iteraatioita ja muutoksia nimeämiskäytäntöihin. Sekaannusten välttämiseksi viittaamme standardeihin niiden alkuperäisellä julkaisunimellä, ennen kuin selvitämme tarkemmin uusimpia nimeämiskäytäntöjä.

Vuonna 2008 julkaistu USB 3.0 tuki tiedonsiirtoa jopa nopeudella 5 gigabittiä sekunnissa (Gbps), mutta todelliset nopeudet olivat lähempänä nopeutta 3 Gbps. Nimellä SuperSpeedUSB kutsuttu USB 3.0 kaksinkertaisti USB 2.0 -laitteen neljä yhteysjohtoa kahdeksaan ja mahdollisti kaksisuuntaisen tiedonsiirron säilyttäen samalla yhteensopivuuden taaksepäin USB 2.0 -standardin kanssa. Standardi myös kasvatti virransyöttökapasiteetin arvoon 900 mA jännitteellä 5 V. On myös tärkeää huomata, että USB 3.0 -standardin mukaiset laitteet, kuten USB 3.0 tyypin A & B -liittimet, ovat väriltään sinisiä, mikä osoittaa niiden yhteensopivuuden.

USB 3.2 -nimeämiskäytäntöjen mukaan USB 3.0 tunnetaan nyt nimellä USB 3.2 Gen 1.

USB 3.1

USB 3.1 on identtinen USB 3.0:n kanssa, ja se oli vuonna 2013 julkaistu väliaikainen standardi, joka yksinkertaisesti kaksinkertaisti tiedonsiirtonopeuden nopeuteen 10 Gbps. Se sai nimekseen SuperSpeed+, ja jossain vaiheessa sillä oli kaksitasoinen nimeämiskäytäntö: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) ja USB 3.1 Gen 2. USB 3.2 -nimeämiskäytäntöjen mukaan USB 3.1 Gen 2 -standardista käytetään nyt nimitystä USB 3.2 Gen 2.

USB 3.2

Syyskuussa 2017 käyttöönotettu USB 3.2 -standardi korvasi USB 3.0- ja 3.1 -standardien nimeämiskäytännöt ja lisäsi samalla tiedonsiirtoon kolmannen tason nopeudella 20 Gbps. Standardille on annettu nimi USB 3.2 Gen 2x2 ja se hyödyntää täysin USB Type-C® -liitännän kaksikaistaisia tiedonsiirtokanavia, jotka pystyvät siirtämään 10 Gbps kumpaankin suuntaan kahdella johtoparilla. On myös yleistä käyttää USB 3.2 -standardin kahdesta alemmasta tasosta nimiä USB 3.2 Gen 1x1 tai USB 3.2 Gen 2x1, mikä kuvaa yksinkertaisella tavalla käytettyjen datajohtojen määrää.

Tehdäkseen asiasta vieläkin selvemmän USB-IF on antanut kullekin tasolle päivitetyn brändinimen, joka koostuu tutusta SuperSpeed USB -tuotemerkistä ja tiedonsiirtonopeudesta. Kuten alla olevassa taulukossa 1 osoitetaan, nämä vaihtoehtoiset nimet ovat: SuperSpeed USB 5 Gbps, SuperSpeed USB 10 Gbps ja SuperSpeed USB 20 Gbps.

Taulukko 1: USB 3.2 -nimeämiskäytäntö (Kuvan lähde: Same Sky)

USB 4.0

Thunderbolt 3 -protokollaan perustuva USB 4.0 esiteltiin elokuussa 2019. Se tarjosi jopa 40 Gbps:n tiedonsiirtonopeuden ja dedikoidun videonsiirtomenetelmän. Power Delivery 3.1 -standardi kasvatti USB-virransyöttökyvyn 240 wattiin (W). Vaikka Power Delivery -virranjakelustandardit ja USB 4.0 ovat teknisesti erillisiä asioita, niitä kehitettiin rinnakkain ja niitä käytetään tavallisesti yhdessä. Kumpaakin uusinta standardia voidaan käyttää täysin määrin hyväksi ainoastaan käytettäessä fyysistä USB Type C -liitintä.

USB-IF on myös tarkentanut USB 4.0:n nimeämiskäytäntöjä ja muuttanut sen nimeksi USB4, jossa on seuraavat kaksi tasoa:

• USB4 20 Gbps (tiedonsiirtonopeus vastaa nimeä)
• USB4 40 Gbps (tiedonsiirtonopeus vastaa nimeä)

Jokaisella USB4- ja aiemmin mainitun USB 3.2 -tasolla on uusi tuotteissa käytettävä logo, joka vähentää mahdollista kuluttajien kokemaa hämmennystä. USB-standardien erilaiset nimet ovat kuitenkin aiheuttaneet useita haasteita, koska laitteisiin viitataan edelleen usein vanhan nimeämisjärjestelmän mukaan.

Taulukko 2: Nykyiset USB-nimeämiskäytännöt ja niitä vastaavat logot (kuvan lähde: Same Sky)

USB:n tulevaisuus

Toivottavasti tämä artikkeli on selventänyt hieman USB-standardeihin liittyvää sekaannusta ja samalla tarjonnut välähdyksen USB-standardien jatkuvasti parantuvien ominaisuuksien ja toimintojen nopeasti kehittyvästä historiasta. Tätä pienikokoista, kustannustehokasta ja helppoa tapaa liittää oheislaitteita älypuhelimiin, mobiililaitteisiin ja jopa teollisiin sovelluksiin on helppo pitää itsestäänselvyytenä. USB-liittimet, joita käytetään pelkästään virransyöttöön (vain virransyöttösovelluksiin suunniteltu USB Type C) ilman tiedonsiirtoa, ovat jopa yleistymässä. On turvallista sanoa, että USB:lle löytyy uusia käyttötapoja ja ominaisuuksia vielä pitkälle tulevaisuuteen, ja Same Sky tarjoaa insinööreille useita USB-liittimiä ja USB-kaapeleita, jotka on suunniteltu toimimaan eri USB-standardien mukaan.