USB 1.0

USB 1.0 — это первая версия универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus), стандарта интерфейса для подключения периферийных устройств к вычислительной технике, разработанная консорциумом компаний Intel, Microsoft, IBM, Compaq, NEC и Digital Equipment Corporation (DEC) в середине 1990-х годов. Спецификация USB 1.0 была официально представлена в январе 1996 года и заложила основу для массового перехода от разрозненных устаревших портов (COM, LPT, PS/2, Game Port) к единому, горячему подключению и универсальному стандарту.

История создания

Предпосылки

К началу 1990-х годов рынок персональных компьютеров столкнулся с проблемой фрагментации интерфейсов. Для подключения мыши, клавиатуры, принтера, модема, джойстика и сканера требовались разные типы разъёмов, часто с различными протоколами и напряжением. Это усложняло конфигурацию, требовало ручного назначения ресурсов (IRQ, DMA) и делало невозможным подключение устройств без выключения питания. Кроме того, скорость передачи данных через последовательный (RS-232) и параллельный (LPT) порты была ограничена (до 115,2 кбит/с и 1,5 Мбайт/с соответственно).

Разработка

В 1994 году семь компаний — Intel, Microsoft, IBM, Compaq, NEC, DEC и Nortel (позже вышедшая из консорциума) — образовали USB Implementers Forum (USB-IF) для разработки единого стандарта. Ключевыми инженерами проекта выступили Аджай Бхатт (Intel), который считается «отцом USB», и Джим П. Харрис (Microsoft). Целью было создание интерфейса, который бы:

• Обеспечивал скорость, достаточную для большинства периферийных устройств (до 12 Мбит/с).
• Поддерживал «горячее» подключение (Plug and Play).
• Позволял подключать до 127 устройств через один порт с использованием концентраторов.
• Передавал питание (5 В, до 500 мА) по тому же кабелю.

Версия 1.0

Первая финальная спецификация USB 1.0 была опубликована 15 января 1996 года. Она определяла два режима скорости:

• Low Speed (низкая скорость) — 1,5 Мбит/с (192 кбайт/с) для устройств ввода (мыши, клавиатуры, джойстики).
• Full Speed (полная скорость) — 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) для более быстрых устройств (принтеры, сканеры, модемы, внешние накопители).

Однако из-за несовершенства драйверов и отсутствия поддержки в операционных системах (Windows 95 OSR2 получила поддержку USB только в 1997 году) массовое внедрение началось с версии USB 1.1, выпущенной в сентябре 1998 года, которая исправила ошибки и улучшила совместимость.

Технические характеристики

Физический интерфейс

USB 1.0 использует четырёхпроводной кабель:

• VBus (+5 В) — питание.
• GND (Ground) — земля.
• D+ (Data Plus) — дифференциальная пара данных (положительный сигнал).
• D- (Data Minus) — дифференциальная пара данных (отрицательный сигнал).

Разъёмы типа A (для хоста) и типа B (для периферии) имеют прямоугольную форму с четырьмя контактами. Кабель экранирован для защиты от электромагнитных помех.

Скорость передачи

• Low Speed: 1,5 Мбит/с (192 кбайт/с). Используется для устройств с низким потреблением трафика (мыши, клавиатуры, трекболы).
• Full Speed: 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с). Используется для принтеров, сканеров, модемов, внешних дисков (до 200 Мбайт), аудиоустройств.

Топология

USB 1.0 поддерживает звездообразную топологию с концентраторами. Максимальное количество устройств — 127 (включая концентраторы). Максимальная длина кабеля между двумя устройствами — 5 метров (для Full Speed) и 3 метра (для Low Speed). Для увеличения расстояния используются концентраторы с ретрансляцией сигнала.

Питание

Порт USB 1.0 обеспечивает напряжение 5 В (±0,25 В) и ток до 500 мА (2,5 Вт). Устройства с низким энергопотреблением (до 100 мА) могут питаться от шины, более мощные (например, внешние жёсткие диски) требуют внешнего источника питания.

Типы передач (транзакций)

USB 1.0 определяет четыре типа передачи данных, оптимизированных под разные задачи:

1. Control Transfers (управляющие) — для настройки и управления устройством (например, запрос дескрипторов, смена конфигурации). Гарантируют доставку, но имеют низкую пропускную способность.
2. Bulk Transfers (массовые) — для больших объёмов данных (принтеры, сканеры, накопители). Гарантируют доставку, но не гарантируют задержку. Занимают всю свободную полосу пропускания.
3. Interrupt Transfers (прерывания) — для устройств, требующих периодического опроса (мыши, клавиатуры). Гарантируют задержку (до 1 мс для Full Speed, до 10 мс для Low Speed) и доставку.
4. Isochronous Transfers (изохронные) — для потоковых данных (аудио, видео, MIDI). Гарантируют задержку, но не гарантируют доставку (отсутствие повторной отправки при ошибке). Полоса пропускания резервируется заранее.

Совместимость и эволюция

USB 1.1

Версия 1.1 (сентябрь 1998) стала первой массово распространённой реализацией. Она устранила ошибки в спецификации, улучшила поддержку драйверов и была включена в Windows 98. Практически все устройства, выпускавшиеся до 2002 года, соответствовали USB 1.1.

USB 2.0 (Hi-Speed)

В апреле 2000 года была представлена USB 2.0, обеспечивающая скорость до 480 Мбит/с (60 Мбайт/с) в режиме Hi-Speed. USB 2.0 обратно совместима с USB 1.x: устройства USB 1.0/1.1 могут работать в портах USB 2.0, но на своей максимальной скорости (12 Мбит/с). Однако при подключении устройства USB 1.x к концентратору USB 2.0, весь порт концентратора может переключаться в режим Full Speed, снижая пропускную способность для других устройств.

USB 3.x

USB 3.0 (2008) и последующие версии (3.1, 3.2, 4.0) обеспечивают скорости от 5 Гбит/с до 40 Гбит/с, но сохраняют обратную совместимость с USB 1.x через дополнительные контакты и протоколы.

Применение

Периферийные устройства

USB 1.0/1.1 стал стандартом для подключения:

• Устройств ввода: мыши, клавиатуры, трекболы, графические планшеты.
• Устройств вывода: принтеры (струйные, лазерные), плоттеры, сканеры.
• Накопителей: внешние жёсткие диски (до 200 Мбайт), флеш-накопители (первые модели, до 256 Мбайт), CD-ROM/DVD-приводы.
• Мультимедиа: веб-камеры (низкого разрешения, до 640×480), микрофоны, колонки, MIDI-контроллеры.
• Коммуникаций: модемы (ADSL, V.90), сетевые адаптеры (Ethernet 10/100 Мбит/с).

Ограничения

• Скорость: 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) недостаточно для передачи видео высокого разрешения, быстрой записи на внешние накопители или работы с современными SSD.
• Длина кабеля: 5 метров без концентратора ограничивает размещение устройств.
• Питание: 500 мА (2,5 Вт) недостаточно для питания мощных устройств (например, внешних жёстких дисков 3,5 дюйма, некоторых принтеров).
• Отсутствие поддержки Plug and Play в ранних ОС: Windows 95 (до OSR2) и Windows NT 4.0 не имели встроенной поддержки USB.

Критика и наследие

На момент выхода USB 1.0 критиковался за низкую скорость (12 Мбит/с против 480 Мбит/с у FireWire 400, разработанного Apple в 1995 году) и сложность реализации. Однако простота, низкая стоимость, поддержка горячего подключения и единый разъём обеспечили его массовое распространение. USB 1.0/1.1 стал основой для последующих стандартов, вытеснив устаревшие интерфейсы (COM, LPT, PS/2, Game Port) к середине 2000-х годов. Спецификация USB 1.0 считается устаревшей, но устройства, соответствующие ей, всё ещё могут работать с современными компьютерами через обратную совместимость.

Интересные факты

• Первое устройство с поддержкой USB — компьютер iMac G3 (1998), который не имел устаревших портов (только USB и FireWire).
• Логотип USB (трезубец) был разработан в 1996 году и символизирует универсальность и мощность.
• USB 1.0 поддерживал только один тип разъёма (A и B), в отличие от более поздних версий, которые добавили Mini-USB, Micro-USB и USB-C.
• Максимальная длина кабеля USB 1.0 (5 метров) обусловлена затуханием сигнала в дифференциальной паре — для USB 2.0 и 3.0 она осталась такой же.

Источники

• USB Implementers Forum (USB-IF). «Universal Serial Bus Specification Revision 1.0». January 15, 1996.
• Intel Corporation. «USB 1.0 Specification: Technical Overview». 1996.
• Microsoft Corporation. «Windows 95 OSR2 USB Support». 1997.
• Compaq, Intel, Microsoft, NEC. «Universal Serial Bus Specification Revision 1.1». September 23, 1998.
• Axelson, J. «USB Complete: The Developer's Guide». 4th ed. Lakeview Research, 2009.
• «История развития USB». Журнал «КомпьютерПресс», № 5, 2000.