ถอดรหัสมาตรฐาน USB จาก 1.0 ถึง 4.0

(ที่มาของรูปภาพ: Same Sky)

Universal Serial Bus ซึ่งรู้จักกันดีในรูปแบบย่อของ USB เป็นมาตรฐานการเชื่อมต่อระหว่างกันที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดในตลาดปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ผู้คนจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่อยู่นอกวงการวิศวกรรม อาจไม่นึกถึงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับ USB กล่าวง่าย ๆ ว่า “บัส” เป็นวิธีการถ่ายโอนข้อมูลหรือพลังงานในระบบอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างอุปกรณ์ชิ้นต่าง ๆ ในขณะที่คำว่า “ซีเรียล” บ่งชี้ว่าข้อมูลถูกส่งทีละบิตผ่านสายเดียวกัน (หรือสองสามสาย) โดยการทำงานร่วมกันกับ USB ในการสร้างมาตรฐานทางวิศวกรรมที่กำหนดข้อกำหนด "สากล" สำหรับคอนเน็กเตอร์และสายเคเบิลที่ใช้เชื่อมโยงอุปกรณ์ต่าง ๆ ในระบบอิเล็กทรอนิกส์เข้าด้วยกัน

เนื่องจากเป็นวิธีที่ง่ายและสะดวกสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายและการสื่อสารข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ USB จึงมีการพัฒนาขีดความสามารถให้ทำสิ่งต่าง ๆ ได้มากขึ้นนับตั้งแต่เปิดตัวในปี 2539 ก่อนที่จะมีการเปิดตัวในปี 1990 แนวการเชื่อมต่อระหว่างกันเป็นหนึ่งในความซับซ้อนและอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่ช้า ต้องขอบคุณการปรับปรุงและการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องมากกว่า 25 ปี USB และ USB Implementers Forum (USB-IF) ได้สร้างความสามารถในการเชื่อมต่อระหว่างกันที่เหนือความคาดหมายในตอนแรกด้วยความเร็วข้อมูลที่เพิ่มมากขึ้น การถ่ายโอนกำลัง และอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเหล่านี้ จึงมีมาตรฐานใหม่ การปรับปรุงมาตรฐานที่มีอยู่ และรูปแบบการตั้งชื่อที่หลากหลาย ด้วยเหตุนี้ การพยายามรักษามาตรฐาน USB ล่าสุดจึงเป็นงานที่พบกับความสับสนและความขัดแย้ง บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ข้อมูลประวัติโดยละเอียดของมาตรฐาน USB พร้อมชี้แจงข้อตกลงการตั้งชื่อ USB ล่าสุด

การเชื่อมต่อถึงกันก่อน USB

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ภูมิทัศน์ก่อน USB เป็นที่หนึ่งที่มีอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่ช้าเป็นบรรทัดฐาน ซึ่งมักจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 100 กิโลไบต์ (kB) ต่อวินาทีแบบขนานถึง 450 กิโลบิต (kb) ต่อวินาทีสำหรับซีเรียล ผู้ผลิตคอมพิวเตอร์ไม่เพียงแต่ใช้ทั้งพอร์ตอนุกรมและพอร์ตขนานเท่านั้น แต่ยังมีปลั๊ก คอนเนคเตอร์ และสายเคเบิลที่เป็นกรรมสิทธิ์ต่าง ๆ อีกด้วย ซึ่งมักต้องใช้ไดรเวอร์และการ์ดเฉพาะ นอกจากนี้ การฮ็อตสว็อปหรือฮ็อตปลั๊กยังมีจำกัด ทำให้จำเป็นต้องปิดฮาร์ดแวร์ก่อนที่จะเสียบอุปกรณ์ใด ๆ และเปิดฮาร์ดแวร์ขึ้นมาใหม่

USB-IF เริ่มพัฒนามาตรฐาน USB ในปี 1994 โดยมีการเปิดตัวก่อนเผยแพร่หลายรายการ (USB 0.8 และ 0.9) ที่ได้รับการประกาศ แต่ไม่เคยมีวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ในปีพ.ศ. 2538 USB 0.99 ได้ปิดรายการมาตรฐานก่อนวางจำหน่ายและไม่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์อีก

USB 1.0 และ 1.1

USB 1.0 ถือเป็นการเปิดตัวมาตรฐาน USB ครั้งใหญ่ครั้งแรกในปี 2539 โดยมีอัตราการถ่ายโอนข้อมูล 1.5 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) ที่ความเร็วต่ำและ 12 Mbps ที่ความเร็วเต็มที่ แม้ว่า USB 1.0 จะให้ความสะดวกในการแลกเปลี่ยนแบบด่วนและการกำหนดค่าด้วยตนเอง แต่ก็ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็น USB รุ่นแรกที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

สองปีต่อมาในปี 1998 มีการเปิดตัว USB 1.1 แม้ว่าจะตรงกับความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลของ USB 1.0 แต่ก็สามารถทำงานด้วยความเร็วที่ช้าลงสำหรับอุปกรณ์แบนด์วิธที่ต่ำกว่า ด้วยการสร้างแบรนด์ Full Speed USB 1.1 ถูกนำมาใช้อย่างมีชื่อเสียงโดย iMac G3 ของ Apple ซึ่งยุติการใช้พอร์ตอนุกรมและพอร์ตขนาน ซึ่งเป็นการปูทางไปสู่การนำมาตรฐาน USB ไปใช้ในวงกว้างในอนาคต USB 1.0 และ 1.1 ยังระบุการใช้มาตรฐานตัวเชื่อมต่อ USB ทางกายภาพ Type A และ Type B

รูปที่ 1: มาตรฐานตัวเชื่อมต่อ USB Type A และ Type B (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

USB 2.0

จุดเริ่มต้นของศตวรรษที่ 21 นำมาซึ่งความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงขึ้น เนื่องจากการยอมรับในวงกว้างของพีซีและอุปกรณ์ต่อพ่วงต่าง ๆ ดังนั้น USB 2.0 จึงออกสู่ตลาดในเดือนเมษายนปี 2000 มาตรฐานนี้มาพร้อมกับความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลที่ 480 Mbps แต่ข้อจำกัดของบัสลดลงเหลือ 280 Mbps USB 2.0 ได้รับแบรนดิ้ง High Speed และเข้ากันได้กับมาตรฐานก่อนหน้าและความเร็ว 1.5 หรือ 12 Mbps ณ จุดนี้ การใช้ USB เป็นแหล่งพลังงานเริ่มเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้น และมาตรฐานทางไฟฟ้าให้พลังงานสูงถึง 500 mA ที่ 5 V

USB 2.0 ยังแนะนำ USB On-the-Go ซึ่งให้ความสามารถในการโต้ตอบกับอุปกรณ์สองเครื่องโดยไม่ต้องใช้โฮสต์ USB แยกต่างหาก จนถึงตอนนี้ การเชื่อมต่อ USB มักจะอยู่ระหว่างโฮสต์ (คอมพิวเตอร์) และอุปกรณ์ต่อพ่วง (เมาส์ คีย์บอร์ด อุปกรณ์ดนตรี ฯลฯ)

ในแง่ของมาตรฐานตัวเชื่อมต่อทางกายภาพ USB 2.0 เข้ากันได้กับตัวเชื่อมต่อ USB Type A, B และ C เช่นเดียวกับ Mini และ Micro A และ B อย่างไรก็ตามตัวเชื่อมต่อทางกายภาพของ Micro A & B และ Type C ถูกนำมาใช้หลายปีต่อมาใน 2550 และ 2557 ตามลำดับ

USB 3.0

USB 3.0 ขึ้นไปเป็นที่ที่มาตรฐาน USB ผ่านการทำซ้ำหลายครั้งและเปลี่ยนแปลงรูปแบบการตั้งชื่อของพวกเขา หวังว่าจะลดความสับสน เราจะอ้างถึงมาตรฐานตามชื่อรุ่นดั้งเดิมก่อนที่จะชี้แจงข้อตกลงการตั้งชื่อล่าสุดในรายละเอียดเพิ่มเติม

USB 3.0 เปิดตัวในปี 2008 รองรับการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด 5 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) แต่มีความเร็วที่ใกล้ถึง 3 Gbps แบรนด์ SuperSpeedUSB ที่ให้กับ USB 3.0 เพิ่มสายเชื่อมต่อสี่สายของฮาร์ดแวร์ USB 2.0 เป็นแปดเส้นเป็นสองเท่า และอนุญาตให้ถ่ายโอนข้อมูลแบบสองทิศทาง ในขณะที่ยังคงเข้ากันได้กับ USB 2.0 รุ่นเก่า มาตรฐานนี้ยังเพิ่มความสามารถในการใช้พลังงานเป็น 900 mA ที่ 5 V นอกจากนี้ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือฮาร์ดแวร์เฉพาะของ USB 3.0 เช่น ขั้วต่อ USB 3.0 Type A & B เป็นสีน้ำเงินเพื่อบ่งบอกถึงความเข้ากันได้

ด้วยการเปิดตัวรูปแบบการตั้งชื่อ USB 3.2 ทำให้ USB 3.0 เป็นที่รู้จักในชื่อ USB 3.2 Gen 1

USB 3.1

USB 3.1 เหมือนกับ USB 3.0 เป็นมาตรฐานชั่วคราวที่เปิดตัวในปี 2013 ซึ่งเพิ่มอัตราข้อมูลเป็นสองเท่าเพียง 10 Gbps โดยได้รับแบรนดิ้ง SuperSpeed+ และจนถึงจุดหนึ่งมีหลักการตั้งชื่อแบบสองระดับ: USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) และ USB 3.1 Gen 2 อีกครั้งด้วยการเปิดตัวรูปแบบการตั้งชื่อ USB 3.2 ทำให้ USB 3.1 Gen 2 ถูกเรียกว่า USB 3.2 Gen 2

USB 3.2

เปิดตัวในเดือนกันยายน 2017 มาตรฐาน USB 3.2 แทนที่รูปแบบการตั้งชื่อมาตรฐาน USB 3.0 และ 3.1 ในขณะที่เพิ่มความสามารถข้อมูลระดับที่สามสูงสุด 20 Gbps ฉลาก USB 3.2 Gen 2x2 มาตรฐานนี้ใช้ประโยชน์จากช่องทางการถ่ายโอนข้อมูลแบบสองช่องทางของ USB Type-C® คอนเน็กเตอร์ ซึ่งสามารถส่ง 10 Gbps ในแต่ละทิศทางผ่านคู่สายสองสาย เป็นเรื่องปกติที่จะเห็นสองระดับล่างของมาตรฐาน USB 3.2 ที่ระบุเป็น USB 3.2 Gen 1x1 หรือ USB 3.2 Gen 2x1 ซึ่งให้บริบทเพิ่มเติมกับจำนวนสายข้อมูลที่ใช้

เพื่อความกระจ่างเพิ่มเติม USB-IF ได้จัดเตรียมตราสินค้าที่อัปเดตสำหรับแต่ละระดับซึ่งประกอบด้วยแบรนด์ SuperSpeed USB ที่คุ้นเคย ตามด้วยขีดจำกัดการถ่ายโอนข้อมูล ดังแสดงในตารางที่ 1 ด้านล่าง ชื่อสำรองเหล่านี้มีดังนี้ SuperSpeed USB 5 Gbps, SuperSpeed USB 10 Gbps และ SuperSpeed USB 20 Gbps

ตารางที่ 1: ข้อตกลงการตั้งชื่อ USB 3.2 ที่กำหนดไว้ (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

USB 4.0

ตามโปรโตคอล Thunderbolt 3 USB 4.0 เปิดตัวในเดือนสิงหาคม 2019 ด้วยการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด 40 Gbps และวิธีการถ่ายโอนวิดีโอเฉพาะ มาตรฐาน Power Delivery 3.1 ยังเพิ่มความสามารถด้านพลังงานของ USB ได้ถึง 240 W แม้ว่าในทางเทคนิค มาตรฐาน Power Delivery และ USB 4.0 จะแยกจากกัน แต่ได้รับการพัฒนาควบคู่กันและมักพบร่วมกัน ทั้งสองมาตรฐานล่าสุดใช้อย่างเต็มที่ผ่านความสามารถของฮาร์ดแวร์ทางกายภาพเท่านั้น ขั้วต่อ USB Type C

USB-IF ยังได้ปรับปรุงรูปแบบการตั้งชื่อ USB 4.0 โดยเปลี่ยนเป็น USB4 ด้วยสองระดับต่อไปนี้

• USB4 20 Gbps (ความเร็วข้อมูลตรงกับการตั้งชื่อ)
• USB4 40 Gbps (ความเร็วข้อมูลตรงกับการตั้งชื่อ)

แต่ละระดับสำหรับ USB4 และ USB 3.2 ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้มีโลโก้ใหม่ที่เกี่ยวข้องเพื่อใช้กับผลิตภัณฑ์โดยหวังว่าจะขจัดความสับสนของผู้บริโภคในตลาด อย่างไรก็ตาม ความหลากหลายของชื่อสำหรับมาตรฐาน USB ได้นำเสนอความท้าทายหลายประการ เนื่องจากอุปกรณ์มักถูกอ้างถึงภายใต้รูปแบบการตั้งชื่อแบบเก่า

ตารางที่ 2: หลักการตั้งชื่อ USB ปัจจุบันและโลโก้ที่เกี่ยวข้อง (แหล่งรูปภาพ: อุปกรณ์ CUI)

อนาคตของ USB

หวังว่าบทความนี้จะสามารถกำจัดความสับสนบางอย่างเกี่ยวกับมาตรฐาน USB ในขณะที่ให้ภาพรวมของประวัติศาสตร์ที่พัฒนาอย่างรวดเร็วของความสามารถและฟังก์ชันการทำงานที่ปรับปรุงอยู่ตลอดเวลา วิธีง่าย ๆ ในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงที่พบในสมาร์ทโฟน อุปกรณ์พกพา หรือแม้แต่การใช้งานในอุตสาหกรรมเป็นเรื่องง่าย คอนเน็กเตอร์ USB ที่ใช้ เพื่อการชาร์จเท่านั้น (USB Type C ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานเท่านั้น) โดยไม่มีการถ่ายโอนข้อมูลใด ๆ แม้แต่จะกลายเป็นเรื่องธรรมดา ดูเหมือนว่าปลอดภัยที่จะบอกว่า USB จะยังคงค้นหาการใช้งานและความสามารถใหม่ ๆ ต่อไปในอนาคตและ Same Sky มีวิศวกรที่ครอบคลุมด้วย USB คอนเน็กเตอร์ และ สาย USB ในรูปแบบต่าง ๆ ที่ออกแบบให้ตรงตามมาตรฐาน USB ที่หลากหลาย