Univerzálna sériová zbernica

Univerzálna sériová zbernica (angl. Universal Serial Bus – USB) je štandard sériovej zbernice určenej najmä na pripojenie periférií k počítaču.

Určenie 
Nahrádza skôr používané spôsoby pripojenia (sériový a paralelný port, PS/2, GamePort a pod.) pre bežné druhy periférií – tlačiarne, myši, klávesnice, joysticky, fotoaparáty, modemy atď., ale aj pre prenos dát z USB flash, videokamier a pamäťových kariet, MP3 prehrávačov, externých diskov a externých napaľovacích mechaník.

Pôvodne bol USB navrhnutý pre počítače, ale jeho popularita spôsobila, že dnes je tiež bežnou súčasťou aj video hracích konzol, PDA zariadení, prenosných DVD a média prehrávačov, mobilných telefónov, ale aj zariadení ako sú televízory, domáce stereo zariadenia, autorádiá a pod..

História 
USB vzniklo za spolupráce firiem Hewlett-Packard, Intel, Lucent, NEC, Microsoft a Philips. Jeho dizajn je štandardizovaný spoločnosťou USB Implementers Forum (USB-IF), ktorej členmi sú práve všetky menované spoločnosti. USB vzniklo ako alternatíva pomalých sériových a paralelných portov a prinieslo vyššiu prenosovú rýchlosť a kompatibilitu.

Hlavným zámerom vyvinutia USB bolo práve zbaviť sa všetkých predtým používaných sériových a paralelných portov, pretože neboli dostatočne štandardizované a vyžadovali množstvo ovládačov. 

USB bolo navrhnuté tak, aby periférie mohli byť pripojené Plug and Play (počítačová technológia umožňujúca jednoduchšie rozpoznávanie hardvéru, umožňuje operačným systémom správne zistiť, aký hardvér je v počítači, na základe čoho môže automaticky k tomuto hardvéru nainštalovať či spustiť príslušné ovládače), bez potreby reštartovania či vypnutia počítača pri pripájaní či odpájaní. 

Prvá lastovička – verzia 0.7 vyšla v novembri 1994. V januári 1996 vyšlo USB verzia 1.0 s maximálnou prenosovou rýchlosťou 12 Mbitov za sekundu. Revízia 1.1 vydaná v septembri 1998 napravila niektoré problémy verzie 1.0 spojené hlavne s konektormi. 

Napriek tomu, že USB existovalo, nestretlo sa v počiatočných štyroch rokoch existencie s väčším záujmom výrobcov a užívateľov. K skutočnému širokému využívania významnou mierou prispel v roku 1998 počítač Apple iMac. Tento farebný polopriehľadný počítač bol vybavený iba portami USB a podnietil výrobcov k zvýšenému záujmu o výrobu USB periférií a príslušenstva. Počítačov iMac sa predalo niekoľko miliónov kusov a mimo rozšírenia USB tieto počítače tiež znamenali návrat Apple na stoly bežných spotrebiteľov.

Dlho očakávaný nástupca USB 2.0 s novými výhodami prišiel v apríli 2000. USB-IF ho štandardizovalo na konci roku 2001. Oproti staršej verzii má badateľné zrýchlenie (40-násobné), pričom kompatibilita s USB 1.0 zostala zachovaná. To umožnilo USB preniknúť aj do oblastí, ktoré boli dovtedy z dôvodu nedostatočnej prenosovej rýchlosti pre neho uzavreté a kde dovtedy panovalo IEEE 1394 FireWire. Rýchlosť je 480 Mbps nazývaná tiež Hi-Speed. 

Všetky zariadenia podporujúce nejakú verziu USB sú vždy kompatibilné aj s jeho predchádzajúcimi verziami (tzv. spätná kompatibilita). 
 
Ďalej sú dostupné aj menšie USB prípojky nazývané Mini-A a Mini-B špecifikované ako On-The-Go doplnok k USB 2.0 a momentálne sú vo verzii 1.2. USB-IF taktiež oznámilo 3. januára 2007 ďalšiu menšiu verziu Micro-USB. Tieto verzie sa využívajú hlavne v mobilných telefónoch.

Stručná špecifikácia

Topológia 

USB systém má asymetrický design pozostávajúci z hostiteľského kontroléra a viacerých zariadení spojených v uzavretom cykle. Do cyklu môžu byť zapojené prídavné rozbočovače (), pričom môžu tvoriť až 5-úrovňové stromy na jeden kontrolér. Vďaka kapacite cyklu sa kedysi počítalo s tým, že sa bude toto stromovanie používať a teda že počítač nemusí mať veľa USB portov. Preto staršie počítače majú len jeden alebo dva porty. Ale z ekonomických a technických dôvodov sa cyklenie nikdy nerozšírilo a nové počítače sú vyrábané s väčším počtom USB portov (vyvedených buď z interného rozbočovača, alebo počítač obsahuje viacero USB kontrolérov, ale dnes najčastejšie ide o kombináciu oboch prípadov).

Komunikačná rýchlosť 

USB Implementers Forum (USB-IF), ktoré je zodpovedné za vývoj ale aj za označovanie USB viackrát v minulosti menilo číslovanie verzií USB (napríklad v súčasnosti, v roku 2019, už nie je verzia USB 3.0) a stane sa tak pravdepodobne aj zavedením nového štandardu USB4,  preto pre identifikáciu verzie USB je rozhodujúca maximálna dátová rýchlosť udávaná v Mbit/s. Plast v konektore verzií 3.0 a vyšších je zafarbený na modro. Tieto verzie USB 3.x môžu byť namiesto alebo súčasne s modrým plastom označené aj logom USB SuperSpeed (SS trojzubec)    . Takto bývaj označené napríklad USB zásuvky v notebooku. Verzie USB 3.x sú kompatibilné s predchádzajúcimi (USB 2 a pod.) avšak pre dosiahnutie rýchlosti SuperSpeed (pozri dole Prehľad aktuálneho platného značenia verzií 3.x v tabuľke) treba spojenie konektora a zásuvky určených pre spoločnú dátovú rýchlosť.

V súčasnosti (od 2019) platné značenie verzií USB  

USB 1.0 (1.5 Mbit/s)
USB 1.1 (12 Mbit/s)
USB 2.0 (480 Mbit/s )
USB 3.0. Gen 1 (5 Gbit/s)

USB 3.1. Gen 2 (10 Gbit/s)

USB 3.2. Gen 2x2 (20 Gbit/s) (len s konektormi USB-C)

Historický vývoj značenia 

Low Speed (revízia 1.): rýchlosť 1.5 Mbit/s, ktoré sa najviac využívala na tzv. Human Interface Devices ako sú klávesnice, myši a joysticky,
Full Speed (revízia 1.1): rýchlosť 12 Mbit/s, ktorá bola najrýchlejšia pred uvedením USB 2.0, ale označenie Full Speed môže byť zavádzajúce, pretože najvyššiu rýchlosť dostupnú v súčasnosti majú len pripojenia označené ako Hi Speed,
High Speed (revízia 2.): rýchlosť 480 Mbit/s (60 MB/s).
Super Speed (revízia 3.1. Generation 1, predtým USB 3.0): rýchlosť 5 Gbit/s (625 MB/s).
Super Speed (revízia 3.1. Generation 2, predtým Super Speed +): rýchlosť 10 Gbit/s (1 250 MB/s).

Super Speed (revízia 3.2. Generation 1, predtým Super Speed): rýchlosť 5 Gbit/s

Super Speed 10 Gbps (revízia 3.2. Generation 2, predtým Super Speed +): rýchlosť 10 Gbit/s

Super Speed 20 Gbps (revízia 3.2. Generation 2x2): rýchlosť 20 Gbit/s  - označenie „2x2“ symbolizuje zdvojenie liniek, vďaka čomu sa rýchlosť zdvojnásobí z 10 Gb/s na 20 Gb/s.

Marketingové značenie 
USB-IF je združenie výrobcov a preto majú nové verzie štandardu USB marketingovo lákavé názvy aj keď principiálne vlastnosti sú podobné ako v predchádzajúcej verzii. Mylne, ale veľmi často, sa označuje rýchlosť Full Speed ako USB 1.1 a rýchlosť High Speed ako USB 2.0. Korene tohto omylu sú vo fakte, že rýchlosť High Speed bola zavedená až v špecifikácii verzie 2.0 (ale špecifikácia verzie 2.0 samozrejme definuje aj rýchlosť Full Speed). Tento omyl je často marketingovo zneužitý, keď – fakticky správnym – tvrdením podporuje USB 2.0 sa vyvoláva dojem, že ide o zariadenie komunikujúce rýchlosťou High Speed, aj keď v skutočnosti ide len o rýchlosť Full Speed. USB 3.0 dosahuje cca desaťnásobnú rýchlosť oproti USB 2.0.

Prehľad aktuálneho platného značenia verzií 3.x v tabuľke 
Počnúc štandardom USB 3.2 predstavil USB-IF novú schému pomenovania.  USB-IF odporučila označiť režimy prenosu 5, 10 a 20 Gbit/s ako SuperSpeed ​​USB 5Gbps, SuperSpeed ​​USB 10Gbps a SuperSpeed ​​USB 20Gbps, v uvedenom poradí, teda:

Transfer speed 
Microsoft vo svojom Windows (file) Exploreri (Prieskumníku) uvádza rýchlosť kopírovania (prenosu) súborov nie ako bitovú rýchlosť (v bitoch za sekundu) ale v bytoch za sekundu, prakticky najčastejšie v MB/s. Takto (ako transfer speed) je uvedená aj v predchádzajúcej tabuľke s prepočtom 1 Mbps = 0,125 MB/s alebo 8 Mbps = 1 MB/s, pretože 8 bitov je 1 byte (B).

Káble, konektory, napájanie 
Existujú tieto veľkosti a typy konektorov: štandard, mini a micro, typy “A’, “B”, "C" a “AB” a ich protikusy. 

Typy konektorov boli pridané postupne s vývojom nových USB špecifikácií. Pôvodné (štandard) boli typy A a B série originálnej USB špecifikácie v dvoch prevedeniach ako prípojka = samec (ang. connector) a zásuvka = samica alebo receptor ang. receptacle. Pri USB 2.0 boli pridané Mini-B prípojka a receptor, pri On-The-Go Mini-A a Mini-AB.  

USB-IF potom špecifikovala konektor typu Micro-USB (u nás označované aj ako mikro USB alebo mikro-USB). Štandard Micro-USB pre konektory USB prepojenia definuje menšie veľkosti konektorov praktickejšie u čoraz menších zariadení akými sú mobilné telefóny, PDA a digitálne fotoaparáty. Prenosovým protokolom je štandardné USB s bežnými rýchlosťami. 

USB poskytuje 5 V zdroj napätia na jedinom drôte, z ktorého pripojené zariadenia môžu čerpať energiu. Pôvodne mohli zariadenia prostredníctvom zbernice odoberať prúd maximálne 100 mA, neskôr sa to zvýšilo až do 500 mA. Niektoré osobné počítače občas mávajú napájacie vodiče zbernice vyvedené priamo zo zdroja počítača a USB zariadenie pripojené k počítaču tak môže odoberať i omnoho vyšší prúd. Tento trik zneužívajú napríklad niektoré externé pevné disky, ktorých odber je vyšší než požadovaných 500 mA a ktoré po pripojení k iným počítačom nemusia fungovať.

Využitie 
V súčasnosti sú zariadenia využívajúce USB veľmi rozšírené, vďaka jeho dostupnosti a cene. Veľmi sa rozvíjajú hlavne prenosné pamäťové zariadenia, tzv. USB kľúče, či Flash Drives, pričom jednotlivé spoločnosti sa priam predchádzajú, ktorá ponúkne lepšiu novinku, či už ide o rýchlosť prenosu, kapacitu, veľkosť, cenu či design. 

Čím ďalej tým viac sa rozširuje používanie USB portov na pripojenie tzv. Human Interface Devices, medzi ktoré patria myši, klávesnice či joysticky, aj keď ešte veľmi často nájdeme ich pripojenie pomocou iných, starších portov. 
Pre viaceré zariadenia, ako napr. skenery či digitálne fotoaparáty, sa USB už stalo štandardom. Tiež je veľmi rozšírené pri pripájaní tlačiarní nahradzujúc paralelné porty a uľahčuje tak pripojenie viacerých tlačiarní k jednému počítaču. 

Využitie USB portov je naozaj rôznorodé a výrobcovia často prichádzajú s novými, často bizarnými nápadmi. Keďže zbernica je schopná napájať menšie zariadenia, objavili sa (okrem bežných prenosných pevných diskov) aj zariadenia, ktoré využívajú port len na napájanie – napr. nabíjačky mobilných telefónov a pod. Zvláštnou kategóriou sú zariadenia označované ako USB dekorácie – malé lampičky, ventilátory, ohrievače šálok, či dokonca miniatúrne vysávače.

Možné alternatívy

Zbernice 

Čo sa týka ukladania dát, USB zbernice zďaleka nie sú jedinou, ani najlepšou či najväčšou alternatívou. Primárnymi zbernicami pre interné disky stále zostávajú zbernice ako ATA, Serial ATA či SCSI. USB má však oproti nim jednu dôležitú výhodu, a to jednoduchosť inštalovania a odstraňovania zariadení bez potreby otvárania počítača, čo je užitočné pri použití externých zariadení. Aj preto sa dnes toľko rozširujú USB kľúče. Funkčne sa totiž užívateľovi ukážu ako ďalší interný disk.

Legacy porty 
Pri Human Interface Devices sú síce USB porty tiež už veľmi rozšírené, a preto sú stále zriedkavejšie tzv. legacy porty - dávnejšie, zastarávajúce spôsoby pripojenia ako napr. PS/2 porty. AT konektory klávesnice už však ustúpili do úzadia. Aj iné HID zariadenia postupne migrujú od MIDI, PC game portov či PS/2 k USB. Myši a klávesnice sú dnes často dodávané s malým USB / PS/2  adaptérom, aby mohli byť použité s obidvoma portmi.

Porovnanie USB, FireWire a HDMI 
Najsilnejšou alternatívou USB však je FireWire a HDMI. USB bolo pôvodne vyvinuté len ako doplnok k FireWire (IEEE 1394), ktoré bolo navrhnuté na prepojenie periférií veľkou rýchlosťou. USB pôvodne operovalo pri ďaleko nižších rýchlostiach prenosu, no odkedy výrobcovia FireWire (firma Apple) oznámili spoplatnenie jeho používania, vývojári USB sa rozhodli pokračovať vo vývoji a pokúsiť sa FireWire nahradiť. Aj napriek tomu, že neskôr cena FireWire 4-násobne klesla, pokračovalo sa vo vývine USB 2.0. Intel si vybral podporovať USB 2.0, čo bola silná rana pre FireWire a jeho preniknutie na trh. Dokonca sám Apple dnes svoje iPody vyrába s USB portom na dátový prenos a oboma USB aj FireWire portami na nabíjanie. To dokazuje úspech preniknutia USB na komerčné trhy. Vďaka rýchlemu prenosu dát je FireWire však naďalej štandardným rozhraním dnešných audio a video zariadení, ako aj externých pevných diskov a iných veľmi rýchlych periférií.

V porovnaní so starším FireWire 400 mal USB 2.0 Hi-Speed ešte síce o čosi vyššiu maximálnu rýchlosť prenosu, no v reálnom nasadení dosahuje FireWire 400 omnoho vyššie rýchlosti, čo je dané čipmi a ovládačmi používanými pri implementácii štandardov. Apple vyrába aj zariadenia štandardu IEEE 1394b, tzv. FireWire 800, ktorý poskytuje rýchlosť až do 800 Mbps a je teda až dvakrát rýchlejší ako štandardný FireWire 400. Taktiež umožňuje prenos dát v prípade prepojenia optickým káblom až do vzdialenosti 100 metrov. Maximálna dĺžka kábla pri použití USB 2.0 je pritom iba 5 metrov. 

Pre profesionálov využívajúcich veľké objemy prenášaných dát a vysokej kvality je jednoznačným riešením teda určite FireWire 400 alebo 800. Inak ale zostáva USB stále najrozšírenejším, najlacnejším a najdostupnejším možným riešením.

Wireless USB 
Od roku 2006 existuje aj Wireless USB, bezdrôtová alternatíva schopná komunikovať rýchlosťou 480 Mbit/s na vzdialenosť do troch metrov a rýchlosťou 110 Mbit/s na vzdialenosť do 10 metrov. Operuje v pásmách 3,1 až 10,6 GHz, niektoré z frekvencií však môžu úrady vylúčiť z používania. Tento štandard sa využíva najmä pre herné konzoly, tlačiarne, skenery a pod.

Referencie

Pozri aj 
 Rozbočovač (USB)
 FireWire
 HDMI
 USB-C

Iné projekty 

Zbernice