Het decoderen van de USB standaarden van 1.0 tot 4.0

(Bron afbeelding: Same Sky)

Universal Serial Bus, beter bekend in zijn afgekorte vorm als USB, is waarschijnlijk de meest bekende interconnectienorm op de markt van vandaag. Maar veel mensen, vooral buiten de technische wereld, denken misschien niet na over wat USB inhoudt. Eenvoudig gezegd is "bus" een manier om in een elektronisch systeem gegevens of stroom over te dragen tussen verschillende componenten, terwijl de term "serieel" aangeeft dat de gegevens één bit per keer over dezelfde draad (of enkele draden) worden overgedragen. Samen biedt USB een technische norm die "universele" specificaties vaststelt voor de connectoren en kabels die worden gebruikt om de verschillende apparaten in een elektronisch systeem met elkaar te verbinden.

Als een eenvoudige en handige manier voor interconnectie en datacommunicatie tussen apparaten, is USB geëvolueerd naar veel meer sinds zijn debuut in 1996. Vóór de introductie in de jaren negentig was het interconnectielandschap er een van complexiteit en trage gegevensoverdracht. Dankzij meer dan 25 jaar van gestage verbeteringen en veranderingen hebben USB en het USB Implementers Forum(USB-IF) interconnectiemogelijkheden gecreëerd die verder gaan dan wat oorspronkelijk voor mogelijk werd gehouden, met steeds hogere datasnelheden, stroomoverdracht en meer. Met deze voortdurende verbeteringen zijn echter ook nieuwe normen, updates van bestaande normen en een verscheidenheid aan naamgevingsconventies gekomen. Als gevolg daarvan kan het bijhouden van de nieuwste USB-normen een taak zijn die zowel met verwarring als met tegenstrijdigheden gepaard gaat. Dit artikel wil een gedetailleerde geschiedenis van de USB standaarden geven en tegelijkertijd de laatste USB naamgevingsconventies verduidelijken.

Interconnectie voor USB

Zoals hierboven vermeld was het preUSB-landschap er een waar trage gegevensoverdrachtsnelheden de norm waren, vaak variërend van 100 kilobytes (kB) per seconde voor parallel tot 450 kilobits (kb) per seconde voor serieel. Niet alleen maakten computerfabrikanten gebruik van zowel seriële als parallelle poorten, maar er waren ook allerlei eigen plugs, connectors en kabels waarvoor vaak speciale stuurprogramma's en kaarten nodig waren. Bovendien was hot-swapping of hot-plugging beperkt, zodat de hardware moest worden uitgeschakeld alvorens een apparaat aan te sluiten en weer in te schakelen.

USB-IF begon de ontwikkeling van de USB-standaard in 1994 met verschillende pre-releases (USB 0.8 en 0.9) die werden aangekondigd, maar nooit commercieel verkrijgbaar waren. In 1995 sloot USB 0.99 de lijst van vooraf uitgebrachte standaarden af en was opnieuw niet commercieel verkrijgbaar.

USB 1.0 en 1.1

USB 1.0 markeerde de eerste grote release van de USB-standaarden in 1996 en bood gegevensoverdrachtsnelheden van 1,5 megabits per seconde (Mbps) op lage snelheid en 12 Mbps op volle snelheid. Hoewel USB 1.0 het gemak bood van hot-swapping en zelfconfiguratie, werd het niet algemeen aanvaard als de eerste commercieel beschikbare versie van USB.

Twee jaar later, in 1998, werd USB 1.1 geïntroduceerd. Hoewel het de gegevensoverdrachtmogelijkheden van USB 1.0 evenaarde, kon het ook werken met lagere snelheden voor apparaten met een lagere bandbreedte. Met de naam Full Speed werd USB 1.1 beroemd door Apple's iMac G3, die het gebruik van seriële en parallelle poorten stopzette. Dit maakte de weg vrij voor een bredere toepassing van USB-normen in de toekomst. USB 1.0 en 1.1 specificeerden ook het gebruik van fysieke USB-connectornormen, Type A en Type B.

Afbeelding 1: Type A en Type B USB-connectornormen. (Bron afbeelding: Same Sky)

USB 2.0

Het begin van de 21^e eeuw bracht een toenemende behoefte aan hogere gegevensoverdrachtssnelheden met zich mee als gevolg van de toenemende acceptatie van PC's en hun diverse randapparatuur. Daarom kwam USB 2.0 in april 2000 op de markt. Deze standaard kwam met een gegevensoverdracht van 480 Mbps, maar busbeperkingen verminderden dit tot 280 Mbps. USB 2.0 kreeg de naam High Speed en was achterwaarts compatibel met de vorige standaarden en hun snelheden van 1,5 of 12 Mbps. Op dit punt begon het gebruik van USB als stroombron meer gemeengoed te worden, en de elektrische standaarden boden tot 500 mA stroom bij 5 V.

USB 2.0 introduceerde ook USB On-the-Go, dat de mogelijkheid bood voor twee apparaten om samen te werken zonder de noodzaak van een aparte USB-host. Tot nu toe waren USB-verbindingen altijd tussen een host (een computer) en een randapparaat (een muis, toetsenbord, muziekapparaat, enz.).

In termen van fysieke connectornormen is USB 2.0 compatibel met USB Type A-, B- en C-connectors, evenals Mini en Micro A en B. De fysieke connectors van Micro A & B en Type C werden echter vele jaren later geïntroduceerd, respectievelijk in 2007 en 2014.

USB 3.0

USB 3.0 en verder is waar de USB normen verschillende iteraties en veranderingen in hun naamgeving hebben ondergaan. Om verwarring hopelijk te beperken, verwijzen wij naar de normen met hun oorspronkelijke releasenaam voordat wij de laatste naamgevingsconventies nader toelichten.

USB 3.0, uitgebracht in 2008, ondersteunde gegevensoverdracht tot 5 gigabits per seconde (Gbps), maar bereikte snelheden dichter bij 3 Gbps. Onder de naam SuperSpeedUSB verdubbelde USB 3.0 de vier verbindingslijnen van USB 2.0-hardware tot acht en maakte bidirectionele gegevensoverdracht mogelijk, terwijl het achterwaarts compatibel bleef met USB 2.0. De standaard verhoogde ook de vermogenscapaciteit tot 900 mA bij 5 V. Het is ook belangrijk op te merken dat USB 3.0 specifieke hardware, zoals USB 3.0 Type A & B connectoren, blauw gekleurd zijn om hun compatibiliteit aan te geven.

Met de invoering van USB 3.2 naamgevingsconventies staat USB 3.0 nu bekend als USB 3.2 Gen 1.

USB 3.1

USB 3.1, identiek aan USB 3.0, was een tussentijdse standaard die in 2013 werd uitgebracht en de datasnelheden verdubbelde tot 10 Gbps. Het kreeg de naam SuperSpeed+ en had op een gegeven moment een naamgevingsconventie met twee niveaus: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) en USB 3.1 Gen 2. Met de invoering van de USB 3.2 naamgevingsconventies wordt USB 3.1 Gen 2 nu USB 3.2 Gen 2 genoemd.

USB 3.2

De USB 3.2 standaard, geïntroduceerd in september 2017, verving de USB 3.0 en 3.1 standaard naamgeving conventies, en voegde een derde niveau van data capaciteit toe tot 20 Gbps. Met het label USB 3.2 Gen 2x2 maakt deze standaard volledig gebruik van de dual lane gegevensoverdrachtskanalen van de USB Type-C®-connector, die 10 Gbps in elke richting kan overbrengen over twee draadparen. Het komt ook vaak voor dat de onderste twee niveaus van de USB 3.2 standaard worden aangeduid als USB 3.2 Gen 1x1 of USB 3.2 Gen 2x1, wat gewoon een extra context geeft aan het aantal gebruikte datalijnen.

Voor verdere verduidelijking heeft de USB-IF voor elk niveau een bijgewerkte branding verstrekt die bestaat uit de bekende SuperSpeed USB branding gevolgd door de gegevensoverdrachtslimiet. Zoals aangegeven in tabel 1 hieronder, zijn deze alternatieve namen de volgende: SuperSpeed USB 5 Gbps, SuperSpeed USB 10 Gbps, en SuperSpeed USB 20 Gbps.

Tabel 1: Vastgestelde naamgevingsconventies voor USB 3.2. (Bron afbeelding: Same Sky)

USB 4.0

Op basis van het Thunderbolt 3-protocol is USB 4.0 in augustus 2019 uitgebracht met gegevensoverdracht tot 40 Gbps en een speciale methode voor video-overdracht. De Power Delivery 3.1 standaard verhoogde ook het vermogen van USB tot 240 W. Hoewel Power Delivery standaarden en USB 4.0 technisch gezien gescheiden zijn, werden ze parallel ontwikkeld en komen ze vaak samen voor. Beide recente normen worden alleen volledig benut door de hardwaremogelijkheden van de fysieke USB Type C-connector.

De USB-IF heeft ook de naamgevingsconventies voor USB 4.0 verfijnd en veranderd in USB4 met de volgende twee niveaus:

• USB4 20 Gbps (datasnelheid komt overeen met zijn naamgeving)
• USB4 40 Gbps (datasnelheid komt overeen met de naamgeving)

Aan elk van de eerder genoemde niveaus voor USB4 en USB 3.2 is een nieuw logo gekoppeld voor gebruik op producten in de hoop verwarring bij de consument te voorkomen. De verscheidenheid aan namen voor de USB-normen heeft echter verschillende uitdagingen opgeleverd, aangezien apparaten nog vaak volgens het oude naamgevingsschema worden aangeduid.

Tabel 2: Huidige USB naamgevingsconventies en bijbehorende logo's (Bron afbeelding: Same Sky)

De toekomst van USB

Hopelijk heeft dit artikel wat van de verwarring rond de USB standaarden kunnen ophelderen en tegelijkertijd een blik kunnen werpen op de snel evoluerende geschiedenis van hun steeds beter wordende mogelijkheden en functionaliteit. Deze kleine, kosteneffectieve en eenvoudige manier om randapparatuur aan te sluiten in smartphones, mobiele apparaten en zelfs industriële toepassingen kan gemakkelijk als vanzelfsprekend worden beschouwd. USB-connectors die uitsluitend worden gebruikt voor opladen(USB Type C is ontworpen voor toepassingen met alleen voeding) zonder enige gegevensoverdracht worden zelfs een gangbare praktijk. Het lijkt veilig om te zeggen dat USB tot ver in de toekomst nieuwe toepassingen en mogelijkheden zal blijven vinden en Same Sky heeft ingenieurs onder zich met een reeks USB-connectors en USB-kabels in verschillende vormfactoren die zijn ontworpen om aan meerdere USB-standaarden te voldoen.