USB » Ako funguje a čo táto skratka znamená?
Aktualizované: 26. 10. 2022 | Doba potrebná na prečítanie: 10 minút
Prístrojov, ktoré by sa obišli bez rozhrania USB alebo inak povedané Universal Serial Bus, nie je veľa. Toto rozhranie zaisťuje prenos dát a napájanie kamier, pamäťových zariadení, počítačových myší, tlačiarní, smartfónov a mnohých ďalších.
Tento nový štandard zaviedli poprední výrobcovia počítačovej techniky (ako napr. Intel) už v roku 1996 – vtedy išlo o USB 1.0. Ten sa medzitým presadil na celom svete a je neustále prispôsobovaný moderným požiadavkám na rozhranie, pokiaľ ide o kompatibilitu a prenosové rýchlosti.
Napríklad USB pamäťové zariadenia alebo externé pevné disky majú čoraz väčšiu kapacitu pamäte. Systémy, ktoré pracujú so stovkami GB (gigabajtov) alebo dokonca s TB (terabajtmi), následne vyžadujú aj zodpovedajúce vysoké prenosové rýchlosti. Len tak je možné zaistiť, aby kopírovanie dát rádovo v niekoľkých GB netrvalo neprijateľne dlho. Preto sa aktuálne používajú aj verzie USB-3 a USB-4. Ako táto technika funguje, aké rozdiely existujú a na čo je treba dávať pozor, o tom sa dočítate v našom radcovi.
Universal Serial Bus stavia na sériovej architektúre. To znamená, že dáta sú prenášané z jedného zariadenia do druhého, bit za bitom, v sérii. To umožňuje prenos dát s vysokou rýchlosťou a nízkou chybovosťou. Okrem toho ušetríme ďalší napájací kábel, pretože rozhranie poslúži aj na prenos energie. Dáta sú okrem toho odosielané a prijímané v oboch smeroch (rozhranie I/O).
Symbol USB: Hostiteľské zariadenie sa spája s periférnymi (koncovými) zariadeniami.
Vo svojich začiatkoch malo zbernicové pripojenie primárno-sekundárnu štruktúru. Existovalo zariadenie primary (alebo host), napríklad notebook alebo počítač, prostredníctvom ktorého ste mohli riadiť prenos dát.
Do jeho USB portu bolo pripojené sekundárne (periférne, koncové) zariadenie, na ktorom sa nachádzajú dáta a ktoré ovláda host. Sem patria tlačiarne, kamery alebo klávesnice.
Keď sú dáta v počítači, môžete ich v prípade potreby odoslať do ďalšieho zariadenia.
Príklad: Chcete si vytlačiť fotografie zo svojho fotoaparátu. Za týmto účelom prenesiete najskôr obrázky z fotoaparátu (secondary) do počítača (primary). Odtiaľ vydáte svojej tlačiarni (secondary) príkaz na tlač.
Po roku 2001 sa štruktúra primary-secondary rozvoľnila. Prenos dát je možný aj medzi dvoma periférnymi zariadeniami. Napríklad fotoaparát môže obrázky odoslať cez USB kábel priamo do tlačiarne alebo je možné dáta zo smartfónu uložiť na USB dátové úložisko. Táto technológia sa nazýva USB On The Go (OTG) a v logu USB je naznačená zelenou šípkou s nápisom „On-The-Go“. Pri tomto druhu prenosu dát spravidla existuje určité obmedzenie dostupných funkcií.
Za normálnych okolností je možné spojiť zariadenie secondary s hostom iba cez port (zásuvku). Avšak vďaka takzvaným hubám (rozbočovačom) je možné pripojiť viac periférnych zariadení súčasne. Pritom treba mať na pamäti, že cez jeden port je na primárnom zariadení možné súčasne pripojiť maximálne 127 periférnych zariadení. Medzi dvoma USB rozhraniami alebo rozbočovačmi by malo byť maximálne 5 metrov, aby bola garantovaná optimálna funkčnosť. Čím viac sú do seba jednotlivé úrovne USB vnorené, tým prenos prebieha pomalšie.
Výhodou týchto rozbočovačov je, že nemusíte prepájať káble, ak používate viac zariadení s USB konektorom. Na počítači bývajú väčšinou maximálne štyri USB porty a tie sa rýchlo obsadia. Pokiaľ cez Universal Serial Bus pripojíte k hostiteľskému zariadeniu myš a klávesnicu, veľa voľných portov vám už nezostane. Spravidla však potrebujete ešte pripojiť tlačiareň, externý pevný disk, fotoaparát, chytrý telefón a pod., a to buď natrvalo alebo aspoň pravidelne.
Vďaka USB rozbočovaču môžete pripojiť mnoho ďalších zariadení.
Týmto by sme mohli ukončiť výklad o tom, ako funguje USB. Ďalšie informácie, ktoré s touto zbernicou súvisia sa týkajú typov konektorov a parametrov prenosu prúdu a dát. Napríklad, tento štandard sa totiž správne nazýva USB 2.0 typ A. Číslo 2.0 znamená prenosový štandard, pokiaľ ide o dáta a prúd, typ A označuje typ konektora.
Vezmite prosím do úvahy, že USB 2.0 je niekedy označovaný aj ako USB-2. To isté platí pre USB 3.0: USB-3.
USB 1.0/1.1
Prenosový štandard USB 1.0/1.1 z roku 1996 bol so svojimi maximálne 12 Mbit/s z dnešného pohľadu veľmi pomalý. Táto rýchlosť prenosu dát bola vtedy ale výrazne vyššia ako u iných bežne používaných rozhraní. Hlavnou výhodou bolo jednoduché používanie a to, že pripojené zariadenia boli okamžite napájané prúdom.
USB 2.0
Štandard USB 2.0 sa objavil v roku 2001 a znamenal veľký prielom. V porovnaní so svojim predchodcom zvýšil prenosovú rýchlosť 40-krát. Dosahoval 480 Mbit/s, takže s ním bolo možné bez problémov pripojiť k počítaču fotoaparáty, klávesnice, myši, tlačiarne alebo aj externé pevné disky. Poskytovaný prúd sa súčasne zvýšil zo 100 mA na 500 mA.
USB 3.0 / USB 3.1 (Gen1)
Ďalší evolučný skok prišiel v roku 2008 so štandardom USB 3.0, ktorý sa od roku 2013 označuje ako USB 3.1 (generácia 1). Oproti USB 2.0 znovu zdvojnásobil rýchlosť, ktorá tak dosiahla 5 Gbit/s. Prúdová zaťažiteľnosť sa navyše zvýšila z 500 mA na 900 mA. So zavedením USB 3.2 sa USB 3.1 (Gen1) premenoval na USB 3.2 Gen 1(x1).
USB 3.1 (Gen2)
Od roku 2013 je k dispozícii štandard USB 3.1 (Gen2), u ktorého bola prenosová rýchlosť zvýšená na 10 Gbit/s. Výrazne sa ale zvýšila aj intenzita prúdu. V súčasnej dobe dosahuje 5 A a pokiaľ ide o napájanie, vyhovie všetkým požiadavkám. So zavedením USB 3.2 sa USB 3.1 (Gen2) premenoval na USB 3.2 Gen 2(x1).
USB 3.2
Ako „skutočný“ USB štandard USB 3.2 je označovaný štandard USB 3.2 Gen 2x2 a predstavený bol v júli 2017. Štandard umožňuje prenosovú rýchlosť až 20 Gbit/s. Pretože prenos prebieha metódou multi lane cez dva páry žíl po 10 Gbit/s v každom smere, sú potrebné konektory USB-C namiesto celosvetovo najrozšírenejších konektorov typu A.
USB4.0
Štandard USB 4 bol predstavený v roku 2019 ako spoločný pokračovateľ USB 3.2 a Thunderbolt 3. Od Thunderboltu prevzal spoločné využívanie šírky pásma, rovnako ako tunelovú architektúru a od USB stromovú štruktúru. V prevedení USB4 Gen 3x2 je dosahovaná rýchlosť 40 Gbit/s (20 Gbit/s na lane). Existujúca štruktúra zbernice umožňuje pripojenie veľkého počtu rôznych periférnych zariadení cez vysoko rýchlostné USB, displej port protokol až po funkcie PCIe. Možné sú dokonca aj prepojenia host-to-host.
USB 1.0 a 1.1 stáli na začiatku vývoja a dnes sa s nimi už takmer nestretneme. Verzia 2.0 z roku 2001 priniesla so sebou výrazné navýšenie prenosu dát a prúdu. Dodnes nájdeme tento štandard v niektorých zariadeniach. Avšak v mnohých prípadoch je táto verzia už nedostačujúca.
Pretože zálohovanie dát generuje veľké množstvo gigabytov (GB). Je už pre verziu 2.0 (Hi-Speed) s maximálnou netto prenosovou rýchlosťou asi 40 Mbyte/s, resp. 320 Mbit/s často na hrane. Netto znamená, že je zohľadnený iba prenos užitočných dát (prenášaných dátových paketov). Riadiace dáta, napríklad pomocné informácie formátov súborov alebo prenosové protokoly, tu nie sú započítané. Správne sa táto netto hodnota nazýva prenosový výkon alebo priepustnosť.
Pre každú prenosovú rýchlosť existuje určitý symbol, napr. SuperSpeed
V uplynulých rokoch sa začal stále častejšie presadzovať štandard 3.2. Pri verzii 3.2 Gen1 (SuperSpeed) je prenosová rýchlosť 480 MByte/s a pri USB 3.2 Gen2 (SuperSpeed+) až 900 MByte/s. USB 3.2 Gen 2x2 je ešte rýchlejší – dosahuje až 1 800MByte/s.
Prehľadná tabuľka rôznych rýchlostí USB
| Označenie | K dispozícii u | Prenosová rýchlosť |
|---|---|---|
| Low Speed | USB 1.0 | 1,5 Mbit/s |
| Full Speed | USB 1.0 | 12 Mbit/s |
| Hi-Speed | USB 2.0 | 480 Mbit/s |
| SuperSpeed | USB3.2 Gen1(x1), predtým USB 3.0/3.1 Gen1 | 5 Gbit/s |
| SuperSpeed+ 10 Gbps | USB3.2 Gen2(x1), predtým USB 3.1 Gen2 | 10 Gbit/s |
| SuperSpeed+ 20 Gbps | USB 3.2 Gen2x2 | 20 Gbit/s |
| USB4 20Gbps | USB 4.0 Gen 2x2 | 20 Gbit/s |
| USB4 40Gbps | USB 4.0 Gen 3x2 | 40 Gbit/s |
Prenos prúdu cez USB
Vedľa dátového prenosu je ďalšou vlastnosťou technológie USB napájanie periférnych zariadení. Rovnako ako sieťová zásuvka dodáva napätie 230 V, USB port bežne poskytuje 5 V. V závislosti na verzii Universal Serial Bus pretekajú káblom rôzne intenzity prúdu, ktoré poskytujú periférnemu zariadeniu rôzne vysoký výkon. Presné čísla nájdete v nasledujúcej tabuľke:
Prehľadná tabuľka rôznych intenzít prúdu USB
| Standard | Napätie | Max. intenzita prúdu | Max. výkon |
|---|---|---|---|
| USB 1.0/1.1 | 5 V | 0,1 A | 0,5 W |
| USB 2.0 | 5 V | 0,5 A | 2,5 W |
| USB 3.0/3.1 (Gen1) | 5 V | 0,9 A | 4,5 W |
| USB 3.1 (Gen2) | 5 V | 3 A | 15 W |
| USB-BC | 5 V | 1,5 A | 7,5 W |
| USB-PD | 5 V, 12 V, 20 V | 5 A | 100 W |
Ďalším stupňom vo vývoji je Battery Charging (USB-BC). Pri 5 voltoch a 1,5 ampéroch na port dosahuje výkon 7,5 wattov. Vďaka tomu sa dajú nabíjať aj tablety a smartfóny.
Ďalšej optimalizácie sa dočkal aj samotný konektor USB-C. Prenos prúdu je u neho možné zvýšiť na 7,5 W pri normálnych a 15 W pri aktívnych kábloch. Takzvané aktívne káble zosilňujú signál.
Ďalšou novinkou vo vývoji je Power Delivery (USB-PD). Mimoriadne vysoký výkon až 100 W vedie k tomu, že ani väčšie periférne zariadenia nepotrebujú žiadny ďalší zdroj napájania. To znamená, že USB kábel napája napríklad tlačiarne alebo monitory, ktoré predtým potrebovali vlastný prívodný kábel.
Napätie rozhrania činí pri USB-PD 5 V. Sériový protokol zabezpečuje, v prípade potreby zvýšenie napätia na 12 V alebo 20 V. Intenzita prúdu zostáva na 5 A. Okrem toho môže napájanie prebiehať v dvoch smeroch. Napájanie teda nezaisťuje iba host pre pripojené USB zariadenie, ale taktiež obrátene.
USB Typ A:
Používa sa napríklad u počítačových myší, klávesníc a USB pamäťových zariadení. Zásuvky a konektory majú často rôzne farby, pričom čierna znamená USB 2.0, modrá USB 3.0 a žltá pre permanentné napájanie aj vo vypnutom stave. Avšak – týmto farebným kódovaním sa neriadia všetci výrobcovia.
Dôležité:
Logo USB musí smerovať nahor, aby bolo možné konektor správne zapojiť do vodorovne umiestnených zdierok.
USB Typ B:
USB 2.0, typ B sa kvôli nízkemu objemu prenášaných dát používa u tlačiarní a skenerov.
Rýchlejší štandard 3.0, typ B nájdeme napríklad u externých pevných diskov.
USB Mini-B:
Tento typ konektora nájdeme väčšinou ešte pri starých mobilných telefónoch, navigáciách a u digitálnych fotoaparátoch.
USB Micro-B:
Tento konektor poskytuje prenosovú rýchlosť verzie 2.0 a býva zabudovaný v smartfónoch alebo malých externých pevných diskoch.
USB Typ C™ bzw. USB-C:
Aby sa napravil chaos medzi najrôznejšími USB konektormi, bol vyvinutý USB, typ C™ (USB-C).
Vďaka svojmu štíhlemu tvaru je vhodný na zabudovanie do plochých USB zariadení.
Navyše môže byť zapojený obojstranne. Už neexistuje tzv. „zlá“ strana. Konektor podporuje všetky doterajšie možnosti prenosu dát, vrátane USB 4.0.
Kto si v minulosti kúpil nový smartfón, notebook alebo digitálny fotoaparát, vždy k nim dostal zodpovedajúcu nabíjačku. Na tom by nebolo nič zlé, akumulátory v mobilných zariadeniach skrátka nabiť musíte. To však ale vo výsledku viedlo k tomu, že sa vám doma hromadilo stále viac nabíjačiek, resp. nabíjacích adaptérov. V závislosti od výrobcu boli nabíjačky vybavené najrôznejšími pripojovacími konektormi. A dokonca ani pri identických konektoroch nedokázal nikto zodpovedne určiť, či bude možné nové mobilné zariadenia rýchlo a spoľahlivo nabíjať aj so staršou nabíjačkou.
Aby sa do existujúceho chaosu vniesol poriadok v nabíjacích kábloch, navrhla Európska únia zákon o zjednotení nabíjacích káblov. Najneskôr od 28. decembra 2024 musia všetci výrobcovia do svojich mobilných zákazníckych zariadení montovať pripojenie USB-C.
V prvom rade sa to týka elektrických drobných spotrebičov, ako sú smartfóny, tablety, mobilné reproduktory, digitálne fotoaparáty, herné konzoly, náhlavné súpravy, slúchadlá, slúchadlá s náhlavným strmeňom, čítačky e-kníh, počítačové klávesnice a myši a taktiež prenosné navigačné systémy. Od roku 2026 budú prípojky USB-C povinné aj pre notebooky.
Po tomto prechode bude možné jeden nabíjací kábel USB-C používať pre viac koncových zariadení. Výrobcovia už preto nemusia nutne ku každému nabíjaciemu produktu prikladať vlastnú nabíjačku. Vďaka tomu bude do budúcna vznikať výrazne menej elektroodpadu. Ale aj zákazníci to budú mať jednoduchšie. Pretože konektor USB-C je možné použiť obojstranne, je aj manipulácia s ním oveľa jednoduchšia.
USB-C – viac než len nabíjanie a výmena dát
USB kábel dokovacej stanice notebooku môže ľahko prenášať výkon 100 W (20 V a 5 A) a tým plynule nabíjať akumulátor v notebooku. Napriek tomu je možné týmto pripojovacím káblom nabíjať aj zariadenia, ktoré sú dimenzované pre nabíjací výkon 10 W (5 V a 2 A). Veľkou výhodou USB-PD je, že sa zariadenia pripojené cez USB-C vzájomne koordinujú. Pritom je presne definované, aký výkon (napätie a prúd) sa má použiť na nabíjanie, resp. pre napájanie a na ktorej strane má byť energia dodávaná.
Ale USB-C neslúži len na prenos energie a dát. Vďaka flexibilnému obsadeniu pinov (Alternate Mode) môžu byť káble USB-C používané taktiež ako náhrada pre káble DVI, DisplayPort, HDMI alebo audio káble.
Prednosti USB štandardu
Kompatibilita
Pokiaľ ide o prenosové štandardy, sú zbernicové zariadenia spätne kompatibilné. Avšak tým sa znižuje prenosová rýchlosť na pomalší štandard 2.0. Pokiaľ máte zásuvku USB 3.0 a konektor USB 2.0, bude táto kombinácia fungovať podľa rovnakého princípu. Prirodzene je potrebné dbať na to, aby išlo o zásuvku a konektor rovnakého typu.
Ovládače
USB zariadenia spravidla nepotrebujú žiadny ručne spúšťaný inštalačný program. Buď nie je potrebný žiadny ovládač alebo sa po zapojení nahrá automaticky.
Rozšírenie
USB káble sú univerzálne použiteľné. Dnes nájdeme USB zásuvku prakticky v každom počítači, Macbooku alebo v inom zariadení.
Napájanie prúdom
Jedným z dôvodov úspešnosti tejto technológie je integrované napájanie. Skutočnosť, že nepotrebujete žiadny ďalší sieťový adaptér, enormne znižuje chaos v kábloch a uľahčuje používanie. Bez ohľadu na parametre USB kábla, je možné týmto spôsobom nabíjať drobné spotrebiče a dokonca aj väčšie zariadenia, ako sú notebooky.
Okamžite použiteľné
Každé zariadenie je okamžite použiteľné podľa princípu hot plug. Periférne zariadenie je možné pripojiť k spustenému zariadeniu kedykoľvek.
Energetický manažment
Od verzie 3.0 bolo optimalizované využívanie energie. Zariadenia, ktoré sa práve nepoužívajú, sa tak automaticky prepínajú do režimu Standby. A predsa je ich možné kedykoľvek aktivovať.
Praktické príklady použitia
USB endoskop.
Spojenie dvoch periférnych zariadení.
USB osciloskop.
Hoci sú tieto rozhrania veľmi praktické, existujú rôzne zdroje chýb, na ktoré treba myslieť.
Dĺžka kábla
Lacné alebo nesprávne spracované káble spôsobujú chyby pri fungovaní. Aj dĺžka kábla zohráva dôležitú úlohu. V prípade USB 2.0 by nemal byť kábel dlhší než 5 metrov a v prípade USB 3.0 viac ako 3 metre, predĺžiť ho je možné pomocou opakovača.
Kompatibilita konektorov
Zatiaľ čo prenosové štandardy sú v mnohých prípadoch kompatibilné, v prípade variantov konektorov tomu tak z dôvodu ich odlišnej konštrukcie nie je. V tomto prípade je potrebný adaptér.
Strata dát pri USB dátových nosičoch
Akonáhle vysunieme USB pamäťové zariadenie alebo externý pevný disk z portu, môže dôjsť k strate dát. Dôvodom je, že sa počítač nachádza ešte vo fáze zápisu, pretože ste napríklad krátko predtým urobili ešte nejakú zmenu v dokumente. Na bezpečné odpojenie hardvéru kliknite pravým tlačidlom myši na počítači vpravo dole, na ikonu USB pamäťového zariadenia. Zobrazia sa všetky pripojené zariadenia. Kliknite na príslušné zariadenie. Následne dostanete správu, že pamäťové zariadenie alebo pevný disk môžete bezpečne odpojiť.
Bezpečnosť
Manipulácia s koncovými zariadeniami je v zásade možná najmä cez čip kontrolóra USB. Tento čip sa nachádza napríklad v USB pamäťových zariadeniach a je možné ho preprogramovať tak, aby do vášho vlastného zariadenia mohol preniknúť malware alebo iný škodlivý softvér. Takto sa šíria vírusy, ktoré poškodzujú operačný systém, taktiež môže dôjsť k odklonu dátovej prevádzky alebo k manipulácii s nastaveniami DNS počítača. Nápravu zaistia napríklad aktuálne antivírusové programy.
Štandard USB-2 znamenal pre Universal Serial Bus prielom, pokiaľ ide o užívateľsky prívetivé rozhranie. Vtedajšia prenosová rýchlosť bola pre radu aplikácií dostatočná. Pretože sa ale pamäťové médiá a veľkosti súborov s postupom času presúvajú od MB (megabajtov) ku GB (gigabajtom), bolo potrebné vytvoriť ešte rýchlejšie rozhranie – USB-3, resp. USB 3.2. Nároky pevných diskov alebo USB pamäťových zariadení sa však i naďalej zvyšovali. Preto výrobcovia vyvinuli ešte väčšie pamäťové médiá, ktorých kapacita sa už nepohybuje v GB, ale v TB (jeden terabajt zodpovedá 1000 gigabajtom).
Aby aj naďalej boli s tým spojené požiadavky na výkonnosť splnené, bol vytvorený formát USB4, ktorý v sebe spája to najlepšie zo sveta USB a výkonnosť rozhrania Thunderbolt. Taktiež v prípade napájania cez USB sa objavili funkčné riešenia a to v podobe USB-PD, vďaka ktorým je možné spoľahlivo napájať, resp. nabíjať aj náročnejšie spotrebiče.
USB káble, USB konektory a zásuvky
Počítačová technika s USB
Vybrané USB zariadenia
USB adaptéry a USB nabíjacie stanice
Hudba prostredníctvom USB
Zásuvky s USB portom