Konstrukční uspořádání PC –
typy a charakteristiky rozhraní

Úvod – Diferenciální datový pár a základní pojmy

Rozhraní (interface) je fyzická nebo logická vrstva, která spojuje dvě elektronické součásti tak, aby si mohly vyměňovat data. Každé rozhraní definuje mechanické konektory, elektrické úrovně signálů, protokol komunikace a přenosové rychlosti. Tato otázka pokrývá rozhraní, která slouží primárně k připojení úložišť (EIDE, SATA, NVMe) a periferních zařízení (USB, Thunderbolt).

Srovnání šířky kabelů různých rozhraní – přehledná demonstrace fyzického rozdílu mezi rozhraními. Zleva: SCSI kabel (nejširší, plochý páskový kabel s oranžovo-bílými vodiči) – paralení rozhraní pro servery, desítky vodičů. SATA kabel (uprostřed, tenký černý kabel s malým konektorem) – sériové rozhraní s 7 vodiči, dramaticky menší průřez. EIDE/PATA kabel (šedo-bílý plochý kabel, 40 nebo 80 vodičů) – paralení rozhraní pro HDD a optické mechaniky. Rounded EIDE (vpravo, kulatý kabel se svazkem vodičů v černém opletení a modrým konektorem) – stejný počet vodičů jako plochý EIDE, ale svázané do kulatého tvaru pro lepší průtok vzduchu ve skříni. Vizuálně je zřejmé, proč paralelní rozhraní ustoupila sériovým – SATA kabel zabírá zlomek prostoru EIDE.

Klíčovým principem moderních sériových rozhraní je diferenciální datový pár. Každý přenášený bit putuje po dvou vodičích současně – jedním jde signál D+ (originál), druhým D− (jeho přesná inverze). Přijímač odečte D− od D+ a získá čistý signál, zatímco rušení (které se přidá ke oběma vodičům stejně) se odečte a vyruší. Tato technika se nazývá Common Mode Rejection a umožňuje provozovat moderní rozhraní na GHz frekvencích s napětím jen ~0,4 V – v ostrém kontrastu s ISA (5 V, MHz). Diferenciální signálování používají SATA, USB, Thunderbolt i PCIe.

1. EIDE – charakteristika, PIO, DMA, rychlost a EMC

EIDE (Enhanced IDE – Enhanced Integrated Drive Electronics) je rozšíření původního IDE rozhraní, zavedené firmou Western Digital v roce 1994. Aby bylo možné pochopit EIDE, je třeba nejprve vědět, co je IDE a jak vzniklo.

IDE (Integrated Drive Electronics) označuje myšlenku, kdy řadič disku (drive controller) není samostatná karta, ale je integrován přímo do pevného disku. To zjednodušilo zapojení a snížilo cenu. Rozhraní, přes které IDE disk komunikuje se základní deskou, se technicky nazývá ATA (AT Attachment) – konektor byl navržen tak, aby zapadl do AT sběrnice PC. Laicky se tato rozhraní nazývají zaměnitelně IDE nebo ATA, technicky správně je ATA.

PATA (Parallel ATA) je zpětně vytvořený název pro původní paralení ATA, odlišující ho od SATA (Serial ATA), které přišlo později. Tedy: IDE ≈ ATA = PATA, vše označuje totéž rozhraní.

Rozhraní IDE – kabel a konektor – nahoře vlevo schéma 80žilového IDE kabelu s třemi konektory: HOST (zástrčka k základní desce, vpravo), Device0 (Master – primární zařízení, uprostřed) a Device1 (Slave – sekundární zařízení, vlevo). Barevné označení: fialová = A1 konektor (Device1), červená = A2 (Device0), modrá = A3 (HOST). Dole vlevo: 40pinový IDE konektor na základní desce – dva řady pinů, modrý plast, červená značka pro pin 1. Dole uprostřed: foto dvou IDE konektorů na základní desce (Primary a Secondary – dva IDE kanály pro celkem 4 zařízení). Vpravo: plochý 80žilový kabel délky cca 45 cm s modrým HOST konektorem a černým Device konektorem. IDE pevný disk s jumperem konfigurace – fotografie zadní strany 3,5" HDD (Fujitsu) s IDE rozhraním. Uprostřed spodní hrany disku je 40pinový IDE datový konektor (velký černý), vpravo od něj malý 4pinový napájecí Molex konektor. Klíčový prvek: schéma nalepené na krytu disku ukazuje polohy jumperu (malý plastový přemostitelec) pro konfiguraci Device 0 (Master), Device 1 (Slave) a Cable Select. Dole jsou dva separátní jumpery – přemostitelce. Nastavení Masteru/Slave bylo nutné, protože na jednom kabelu mohou být dvě zařízení a musí vědět, kdo má prioritu. Tato ruční konfigurace jumpery bylo jednou z hlavních nevýhod IDE.

EIDE přineslo oproti původnímu IDE tato zlepšení: podporu zařízení přes 528 MB (odstraněno omezení CHS adresování), připojení 4 zařízení (2 kanály × 2 zařízení), podporu CD-ROM a páskových mechanik přes protokol ATAPI, a vyšší přenosové rychlosti přes DMA módy.

Způsob přenosu dat IDE – PIO a DMA – snímek ukazuje definice dvou základních módů přenosu u ATA/EIDE. PIO (Programmed Input and Output) – vlevo tučně. DMA (Direct Memory Access) – vlevo tučně. Vpravo dole označení přenosové rychlosti PATA, například ATA 100 = 100 MB/s.

Proč se PATA přestala dále vyvíjet? Důvodem byl fyzikální limit paralelního přenosu – EMC (Electromagnetic Compatibility – elektromagnetická kompatibilita). EMC popisuje schopnost zařízení fungovat v elektromagnetickém prostředí bez způsobování nebo přijímání rušení.

Při vyšších frekvencích na paralelní sběrnici narůstají dva EMC problémy: Crosstalk (vzájemné elektromagnetické rušení sousedních vodičů – energie z jednoho vodiče se indukuje do sousedního) a Skew (různé vodiče mají různé délky a elektrické vlastnosti, takže bity dorazí v různých časech). Oba efekty rostou s frekvencí a počtem vodičů. Při ATA/133 (33 MHz clock, 32bit data) byl tento limit dosažen – proto se přešlo na sériový SATA s diferenciálním signálováním.

2. FDD – disketová mechanika

FDD (Floppy Disk Drive – disketová mechanika) bylo standardní úložné a přenosové médium PC od konce 70. let do počátku 2000. Připojovala se přes FDD rozhraní – 34pinový plochý kabel, podobný IDE, ale tenčí. Základní desky mívaly jeden FDD konektor.

Disketa je tenký kruhový plát ohebného plastu (polyester) pokrytý magnetickým oxidem železa – stejný princip jako magnetická páska. Celý plát je uzavřen v tuhém plastovém obalu 3,5 palce (89 mm), který ho chrání před prachem a poškozením. Při zasunutí diskety do mechaniky dojde k odemčení krytu a otočná kovová destička v mechanice začne disk roztáčet rychlostí 300 ot/min.

Uvnitř mechaniky jsou dvě čtecí/zápisové hlavy – jedna pro každou stranu diskety. Fungují na stejném principu jako HDD: elektromagnetická cívka vytváří magnetické pole, které magnetizuje nebo čte magnetické domény (oblasti) na povrchu disku. Data jsou uspořádána do soustředných kružnic zvaných stopy (tracks) a každá stopa je rozdělena na sektory. Hlava se pohybuje lineárně ze strany na stranu pomocí krokového motoru – na rozdíl od HDD, kde se pohybuje plynule.

Fyzicky šlo o 3,5" plastové pouzdro (dříve i 5,25" nebo 8"). Kapacita standardní 3,5" HD (High Density) diskety: 1,44 MB. Přenosová rychlost: ~125 kbit/s – tedy necelých 16 KB/s. Toto bylo absolutně nedostatečné pro 2000. léta (webové stránky a software v MB), proto diskety vymizely.

FDD kabel se rozlišuje od IDE tím, že mezi prvním a druhým konektorem je překroucena část vodičů (vodiče 10–16 jsou zkříženy) – tím se Drive A: a Drive B: odliší od identicky jumpingovaných zařízení bez nutnosti ručního nastavení. Základní desky v BIOSu tradičně bootovaly z Drive A: jako první, což bylo důležité pro instalaci OS z disket.

3. SATA – charakteristika, rychlosti, konektory

SATA (Serial ATA – sériový ATA) zavedla organizace Serial ATA International Organization v roce 2003 jako nástupce PATA. Přechod z paralelního na sériový přenos byl revoluční: místo 40 nebo 80 vodičů stačí 7 vodičů (3 diferenciální páry + GND), místo plochého kabelu lze použít tenký ohebný kabel až 1 metr dlouhý.

SATA konektory – základní deska a kabel – vlevo fotografie základní desky ECS Extreme s pěti červenými SATA II 3Gb/s konektory ve svislé poloze a dvěma žlutými ve vodorovné. Červené konektory jsou datové porty (7 pinů), žluté jsou eSATA výstupy na zadní panel. Deska je označena „SATA II 3Gb/s“ – tedy druhá generace SATA s rychlostí 3 Gb/s. Vpravo nahoře fotografie červeného SATA kabelu (7 datových vodičů) se dvěma L-shaped konektory (jeden přímý, jeden pravoúhlý pro lepší management kabelů ve skříni). Vpravo dole schéma průřezu SATA konektoru: větší část je datový SATA Port (7 pinů), menší část napravo je Power (napájecí, 15 pinů). Notch (zářez) mechanicky zabraňuje otočení konektoru.

SATA prošlo třemi hlavními generacemi. Každá zdvojnásobila přenosovou rychlost:

SATA je zpětně i dopředně kompatibilní – starší SATA I disk v SATA III portu funguje, ale pouze rychlostí 150 MB/s. Fyzický konektor je identický pro všechny generace.

4. Hot swap, NCQ, Staggered Spin-Up, Port Multiplier a AHCI

Hot Swap (výměna za chodu) umožňuje připojit nebo odpojit SATA zařízení, zatímco počítač běží – bez nutnosti vypínat systém. To je klíčová funkce pro servery a NAS systémy, kde nesmí dojít k výpadku. Hot Swap vyžaduje podporu v hardwaru (SATA kontrolér), firmwaru (BIOS/UEFI) i operačním systému.

Fyzicky jsou SATA konektory navrženy tak, že při zasunutí se jako první dotknou zemnicí kontakty, pak napájecí, a teprve naposledy datové – tím se předchází poškození elektrostatickým výbojem nebo proudovými rázy.

Princip NCQ (Native Command Queuing) – vizualizace na schematickém průřezu plotny pevného disku. Without NCQ (vlevo, červená trajektorie): host (počítač) posílá požadavky na čtení v pořadí 1, 2, 3, 4 a disk je zpracovává přesně v tomto pořadí. Čtecí/zápisová hlava musí cestovat přes celou plotnu sem a tam – trajektorie tvoří chaotické smyčky. Výsledkem je zbytečný pohyb hlav, čas ztracený otáčením disku na správnou pozici (rotační latence). With NCQ (vpravo, zelená trajektorie): disk přijme všechny požadavky předem a sám rozhodne o optimálním pořadí jejich zpracování. Zpracuje je nejprve 1, pak 3 (leží blíže), pak 2, pak 4 – nebo jinak dle aktuální polohy hlavy a nahrávací plotny. Trajektorie je plynulá a kratší. Výsledkem je snížení seek time (doby hledání) a rotační latence o 20–40 % při multitaskingu.

Pokud je v serveru nebo NAS zařízení zapojeno mnoho SATA disků (10, 20, 30 kusů), při zapnutí by se všechny pokusily roztočit najednou. Každý disk při rozběhu spotřebuje výrazně více proudu než za provozu (proud při startu motoru je 5–10× vyšší). Při 20 discích by špičkový proud mohl přetížit napájecí zdroj.

Staggered Spin-Up (stupňovitý rozběh) řeší tento problém tak, že disky se rozbíhají postupně (jeden po druhém nebo po skupinách), s zpožděním typicky 50–500 ms mezi každým diskem. Tím se rozloží odběrová špička v čase a napájení není přetíženo.

SATA Port Multiplier – schéma – dva diagramy porovnávají standardní SATA zapojení (nahoře) s Port Multiplier zapojením (dole). Nahoře: Host Bus Adapter (HBA – řadič SATA na základní desce nebo PCIe kartě) má 4 porty, každý spojen přímo s jedním HDD kabelem 6Gb/s. Celkem 4 HDD, 4 kabely, 4 porty. Výsledná kapacita zapojení: 4 disky. Dole: Host Bus Adapter má 1 port vedoucí ke čtvercovému bloku „Port Multiplier“. Ten jeden port rozmnoží na 4 výstupy (každý 1,5Gb/3Gb SATA), ke každému je připojen HDD. Celkem za jeden port HBA = 4 disky. Se 4 porty HBA + 4 Port Multipliery = 16 disků (popis dole: „SATA PM connectivity: one port, one cable, four drives; 4-ports = 16 drives“). Port Multiplier je specializovaný čip, který řídí přepínání přístupu – analogie s hubem u Ethernetu. Nevýhoda: 4 disky sdílí šířku pásma jednoho portu.

5. eSATA, mSATA a AHCI

eSATA konektory – vlevo sada eSATA kabelů s oběma typy konektorů. Větší konektor vlevo dole je eSATA female receptacle (zásuvka na zadním panelu PC nebo notebooku) – odolnější provedení než interní SATA, konstruováno pro 5 000 zapojení/odpojení. Menší konektor vpravo je eSATAp (eSATA + USB Power) nebo standardní eSATA zástrčka. Konektory jsou vizuálně podobné SATA, ale fyzicky odlišné – nelze je vzájemně zaměnit (eSATA kabel nelze zapojit do interního SATA portu a naopak). Vpravo fotografie PCIe eSATA rozšiřující karty s kovovou montážní lištou – 4 eSATA porty (vodorovné) a interní SATA konektor (nahoře). Tato karta se zasune do PCIe slotu a přidá eSATA porty k PC, které je nemá nativně.

eSATA (external SATA) je verze SATA pro externí připojení pevných disků a SSD. Fyzicky jde o pevnější konektor navržený pro opakované připojování/odpojování (5 000 cyklů oproti 50 u interního SATA). Kabel je stíněný a může být až 2 metry dlouhý (oproti 1 metru pro interní SATA).

Přenosová rychlost eSATA je stejná jako interního SATA (300 nebo 600 MB/s) – výrazně vyšší než USB 2.0 (60 MB/s). Nevýhoda: eSATA nedodává napájení, takže externí disk potřebuje vlastní napájecí adaptér (nebo se používá eSATAp – kombinovaný eSATA+USB konektor s napájením). Po nástupu USB 3.0 (5 Gb/s) eSATA ztratilo smysl a dnes se téměř nepoužívá.

mSATA SSD – fyzická podoba – vlevo porovnávací fotografie na modrém podkladu s pravítkem. Half-Slim SSD (levý, menší) – starší kompaktní formát SSD pro netbooky. mini-SATA (mSATA) (pravý, větší z levé skupiny) – standardní mSATA modul s Mini PCIe form factorem. Oba jsou od Toshiba, 32nm NAND flash výrobní proces. Pravá fotografie: Transcend TS16GMSA370 mSATA SSD (kapacita 16 GB) – pohled zepředu i zezadu. Zlaté kontakty dole jsou edge connector standardu Mini PCIe, který mSATA přebírá mechanicky (ale elektricky je to SATA, ne PCIe). Deska je cca 50 × 30 mm. Typicky se používal v ultrabooks, NAS zařízeních a průmyslových počítačích.

mSATA (mini-SATA) zavedla organizace SATA-IO v roce 2009 jako kompaktní formát SSD pro ultrathin notebooky, tablety a embedded systémy. Fyzicky přebírá mechanický formát Mini PCIe konektoru (stejný tvar, stejné rozměry 51 × 30 mm), ale elektricky přenáší SATA signál – nelze záměnit s PCIe. Přenosová rychlost je stejná jako SATA III (600 MB/s). mSATA bylo postupně nahrazeno formátem M.2 (viz kapitola 6).

Proč je AHCI důležité? Před AHCI se SATA řadiče provozovaly v IDE compatibility módu – systém je viděl jako staré IDE řadiče. V tomto módu nefungovaly pokročilé SATA funkce jako NCQ a Hot Swap. AHCI mód tyto funkce odemkl.

AHCI definuje: registrový model pro přístup k příkazům, 32 portů (zařízení), frontu příkazů až 32 hluboko (umožňuje NCQ), Hot Plug/Swap, Native Command Queuing (NCQ), a power management příkazů. Každý port má vlastní sadu příkazových slotů, díky čemuž může disk sám optimalizovat pořadí jejich zpracování – to je základ NCQ.

6. NVMe – princip fungování a M.2 slot

I sebyrychlejší SATA SSD naráží na jeden strop: maximálně 600 MB/s propustnost a latenci danou AHCI protokolem. Moderní 3D NAND flash paměť je schopná podstatně vyššího výkonu – ale brzdí ji protokol AHCI, navržený původně pro pomalé HDD. Řešením je NVMe.

Srovnání latencí – SAS, SATA a NVMe – vodorovný sloupcový graf s osou X = Combined Latency v mikrosekundách (us). Napravo čtyři typy zařízení: rotační HDD (horní modrý sloupec, ~2000+ us), enterprise SAS SSD (druhý sloupec, ~100 us), SATA SSD (třetí sloupec, ~75 us) a NVMe PCIe SSD – Intel (spodní, nejkratší sloupec, ~25 us). Každý sloupec je barevně rozdělen na tři složky: modrá = Drive Latency (vlastní latence SSD/HDD), fialová = Controller Latency (latence řadiče – AHCI nebo NVMe), zelená = Software Latency (latence softwaru v OS). U NVMe je fialová a zelená část dramaticky menší – kratší protokol stack a přímé PCIe připojení snižují controller i software latenci. Výsledek: NVMe ~10× nižší latence než SATA. NVMe vs. SATA – výkonnostní srovnání (Samsung) – dvě sady diagramů. Nahoře: SATA (vlevo) ukazuje CPU ↔ Samsung SSD přes jednu obousměrnou šipku (600MB/s). NVMe (vpravo) ukazuje CPU ↔ Samsung SSD přes čtyři obousměrné šipky (4 000MB/s). Uprostřed modrá šipka „7X Bandwidth Improvement“ – 7× vyšší propustnost. Dole: SATA cesta CPU → PCIe → HBA (řadič) → SATA → SSD (dvě přes-rozhranní hopy). NVMe: CPU → PCIe → SSD (jen jeden hop). Uprostřed šipka „3X Latency Improvement“ – 3× nižší latence díky kratší cestě a efektivnějšímu protokolu.

AHCI (pro SATA) byl navržen v době mechanických disků. Má jednu frontu příkazů s maximálně 32 položkami a 1 příkaz za čas. NVMe dovoluje až 65 535 front příkazů, každá s až 65 535 položkami – celkem biliony souběžných požadavků. Tohoto paralelismu NAND flash skutečně využívá, protože flash má tisíce paralelních buněk.

Srovnání NVMe a SATA softwarového stacku – vlevo Samsung 960 PRO (NVMe M.2 SSD, 512 GB) a vpravo WD Blue PC SSD (SATA M.2, 500 GB). Uprostřed diagram „NVMe Conducive to Efficient Stack“ – vlevo Linux NVMe Stack (kratší): User App → VFS → OS scheduling & CTX switch → Block Driver → Device Driver. Vpravo Linux AHCI Stack (delší): User App → VFS → OS scheduling & CTX switch → Block Driver → SCSI/SATA translation → Device Driver (incl. 4 UC reads). Klíčový rozdíl: AHCI stack zahrnuje vrstvu SCSI/SATA překladu (legacy z dob HDD), která přidává latenci. NVMe tuto vrstvu nemá. Sloupcové grafy ukazují: při 1M IOPS NVMe spotřebuje 3,5 CPU jádra a 3 microsekund latence, AHCI spotřebuje 10 CPU jader a 20 microsekund.

NGFF a M.2 – postupné nahrazení mSATA – vlevo fotografie ruky držící mSATA a M.2 (NGFF) karty pro porovnání velikosti. Pravá část: oficální SATA specifikační dokument (NGFF Card Format, Proposed Draft Aug 2012). Schémata dvou velikostí: 51 mm × 30 mm (M.2 2230, typ pro WiFi karty) a 42 mm × 22 mm (M.2 2242, kratší typ). Modrý blok dole: „Smaller, thinner, SSD optimized form factor“. Specifikace podporuje SATA*, 2× PCIe nebo 4× PCIe – tedy M.2 může být elektricky SATA nebo PCIe (NVMe), záleží na implementaci. M.2 Form Factor – specifikace – vlevo nahoře tabulka M.2 Socket 2 vs Socket 3: Socket 2 podporuje SATA a PCIe x2, má Comms Support (WiFi, LTE), max. výkon 2 GB/s; Socket 3 podporuje SATA a PCIe x4, NO Comms, max. výkon 4 GB/s. Vpravo nahoře schémata fyzické velikosti: M.2 2280 (22 × 80 mm – nejrozšířenější, pro notebooky a PC) a M.2 2242 (22 × 42 mm – kratší, pro ultraslimy). Dole Host Socket 2 (s většími odběrovými nožičkami pro WiFi) a Host Socket 3. Dole tři klíče: B key (6 pinů vlevo, pro SATA a PCIe x2, Comms), M key (5 pinů vpravo, pro PCIe x4 = NVMe), B&M key (oba zářezy = univerzální, funguje v obou typech slotů, ale elektricky jen PCIe x2 nebo SATA).

M.2 (dříve NGFF – Next Generation Form Factor) je fyzický formát modulu zavedený v roce 2012, nahrazující mSATA. Na rozdíl od mSATA je M.2 elektricky flexibilní – přes stejný fyzický konektor lze přenášet buď SATA signál, nebo PCIe signál (pro NVMe). To záleží na typu klíče (B-key, M-key, B&M key) a implementaci základní desky.

Nejběžnější formát je M.2 2280 (22 mm šíře × 80 mm délka). Číslo označuje rozměry: první dvě číslice = šíře v mm (vždy 22), další dvě až tři = délka v mm (30, 42, 60, 80, 110). Delší karta = více místa pro flash čipy = vyšší kapacita.

ASRock Z97 Extreme6 – přechodná základní deska (2014) – fotografie high-end základní desky s mnoha oranžovými popisky. Zleva dole: SATA Express (nové hybrídní rozhraní), M.2 Socket 10Gb/s (PCIe Gen2 x2/SATA) (menší slot, Comms), Ultra M.2 Socket 32Gb/s (PCIe Gen3 x4) (velký slot, pro NVMe). Zleva nahoře: eSATA a DisplayPort na zadním panelu. Deska ukazuje přechodné období, kdy výrobci zahrnuli SATA III, SATA Express, M.2 (Socket 2), Ultra M.2 (Socket 3) a eSATA na jednu desku, aby uspokojili uživatele s různými typy disků.

7. USB – verze, konektory, přenosové rychlosti, kompatibilita a fyzická identifikace rychlostí (LS, FS, HS)

USB (Universal Serial Bus – universální sériová sběrnice) zavedlo v roce 1996 konsorcium Intel, Microsoft, IBM, Compaq, DEC, NEC a Nortel. Cílem bylo nahradit chaos proprietárních konektorů (RS-232, PS/2, LPT, Game Port) jedním universálním rozhraním s Plug and Play a napájením zařízení přes kabel.

USB topologie a fyzické specifikace – vlevo hierarchický pyramidový diagram USB topologie: Host (Root Hub) na vrcholu – to je USB řadič v PC (OHCI, UHCI nebo EHCI). Od hostitele vedou větve k Hubům (koncentrátorům) ve vrstvách 1–4. Na posledních úrovních jsou Nody (uzly) – koncová zařízení (klávesnice, myš, flash disk). Celkem USB podporuje až 5 vrstev hubů + host = 7 vrstev a 127 zařízení. Vpravo nahoře přesný technický výkres rozměrů USB Type-A zásuvky (receptacle) – šíře 12,50 ± 0,10 mm, výška 4 piny v jedné řadě. Vpravo dole schéma kabelu délky max. 5 metrů se 4 vodiči: VBus (napájení +5V), D+, D− (diferenciální datový pár – twisted pair), GND (uzemnění). Twisted pair D+/D− zajišťuje odolnost vůči rušení.

Jednou z nejdůležitějších vlastností USB je, že host automaticky detekuje, jak rychlé připojené zařízení je – a celý systém se přizpůsobí. Detekce se provádí elektrickým způsobem pomocí pull-up rezistorů.

Elektrická identifikace rychlostního režimu USB – dvě schémata obvodu. Vlevo: Low Speed Device (LS = Low Speed = 1,5 Mbit/s). Zařízení (DEVICE) má pull-up rezistor 1,5kΩ (5%) zapojený na vodiči D− (záporný vodič datového páru). Host nebo hub (HOST or HUB) má pull-down rezistory 15kΩ na obou D+ i D−. Zařízení při připojení „vytáhne“ D− k +3,3 V skrz 1,5kΩ. Host to detekuje a ví, že připojené zařízení je Low Speed. Vpravo: Full Speed Device (FS = Full Speed = 12 Mbit/s). Situace je zrcadlová: pull-up rezistor 1,5kΩ je na D+ (kladný vodič). Host detekuje D+ vytažené k 3,3 V a ví, že jde o Full Speed zařízení. High Speed (HS = High Speed = 480 Mbit/s) se identifikuje inicializační sekvencí Chirp – nejdříve se připojí jako FS (D+ pull-up), pak proběhne handshake pro detekci HS schopnosti.

Pouhá detekce rychlostního módu je jen první krok. Po připojení USB zařízení proběhne celý proces zvaný enumerace (výčet, přihlášení), při kterém OS zjistí, co za zařízení se připojilo a přiřadí mu adresu a ovladač. Tento proces probíhá automaticky a uživatel ho vidí jako „načítání zařízení“ v oznamovací oblasti Windows.

Enumerace probíhá v těchto krocích: Host pošle reset, zařízení se identifikuje jako Default Address 0, host se zeptá na deskriptory (Descriptor Request) – struktury dat v paměti zařízení, které popisují jeho typ (HID, Mass Storage, Audio...), výrobce, výkon. Host na základě deskriptorů přiřadí zařízení unikátní adresu (1–127) a načte příslušný ovladač z OS nebo jej stáhne. Teprve pak je zařízení připraveno k použití.

USB 3.0 kabel – průřez a vodičové schéma – vlevo kruhový průřez kabelu USB 3.0 (SuperSpeed): vnější plášť (Jacket, modrá), stínění (Braid), Power (napájecí vodič, červená/oranžová), Ground (zemnění, černá), UTP Signal Pair (D+/D− pro USB 2.0 kompatibilitu, žlutá/zelená), SDP Signal Pair ×2 (diferenciální páry SuperSpeed SSTX+/− a SSRX+/−, fialová a bílá). USB 3.0 kabel obsahuje dvě sady vodičů – jednu pro USB 2.0 (zpětná kompatibilita) a druhou pro SuperSpeed. Vpravo schéma vodičů v kabelu: VBus – D+ – D− – SSTX+ – SSTX− – SSRX+ – SSRX− – GND. Vodiče SSTX (SuperSpeed Transmit) a SSRX (SuperSpeed Receive) jsou plně duplexní diferenciální páry pro 5 Gb/s přenos.

USB existuje v mnoha fyzických provedeních konektorů. Nejdůležitější:

• Type-A – obdélníkový host konektor (ve PC, notebooku, nabíječce). Standard USB 2.0 a 3.x. USB 3.0 Type-A je modrý uvnitř.
• Type-B – čtvercový device konektor (tiskárny, skenery, huby).
• Mini-USB – malý konektor pro starší fotoaparáty, GPS. Dnes zastaralý.
• Micro-USB – plochý konektor pro Android telefony 2010–2018. Micro-B: 5 pin (standard), Micro-B SuperSpeed: 10 pin (USB 3.0).
• Type-C – moderní symetrický konektor (2014+). Lze zastrčit oběma stranami (reverzibilní). Přenáší USB 2.0, USB 3.x, USB4, Thunderbolt 3/4, DisplayPort, power delivery (až 240 W).

USB Type-C – specifikace a fyzická podoba – vlevo informační snímek Intel IDF14: rozměry receptacle 8,3 × 2,5 mm, životnost 10 000 cyklů, EMI/RFI potlačení, napájení 3A (standard cable) nebo 5A (konektory). Funkce: podporuje USB 2.0 LS/FS/HS i USB 3.1 Gen1 (5Gbps) a Gen2 (10Gbps), Power Delivery a docking. Vlevo dole kabely: USB 3.1 Standard-A (modrý, vlevo), USB 3.1 Micro-B (modrý, vpravo). Vpravo nahoře: PCIe karta ASUS s jedním USB-C portem – symbol šipek v kruhu = REVERSIBLE (reverzibilní konektor). Vpravo dole: Thunderbolt konektor (s blesk symbolem) – fyzicky identický s USB Type-C, ale jiná funkce.

Všechny verze USB jsou zpětně kompatibilní: USB 3.x zařízení v USB 2.0 portu funguje rychlostí USB 2.0. USB 2.0 zařízení v USB 3.x portu funguje rychlostí USB 2.0. USB Type-C port může fyzicky přijmout jen Type-C konektor, ale s adaptérem lze připojit starší Type-A nebo Micro-B zařízení. USB4 (2019) je kompatibilní s USB 3.2 a Thunderbolt 3.

8. Thunderbolt – princip fungování, verze, konektory

Thunderbolt vyvinuly Intel a Apple. Původně kódové označení „Light Peak“. Cílem bylo vytvořit jedno universální rozhraní, které kombinuje přenos dat (PCIe), video (DisplayPort) a napájení v jediném kabelu – a to při extrémní rychlosti, aby mohlo sloužit jako jediný kabel pro docking station, externí GPU, NVMe SSD i monitor.

Thunderbolt – architektura a princip – vlevo schéma „Thunderbolt Technology – How it Works“: PC (Host) s procesorem Intel obsahuje Thunderbolt Controller čip připojený k PCH přes PCIe x4 a DisplayPort. Z Thunderbolt Controlleru vede kabel k prvnímu perifernému zařízení (Peripheral PCIe 1), z něj pak řetězově k dalšímu zařízení (Peripheral PCIe 2) – tzv. daisy chain topologie. Uprostřed blokový diagram: Intel Processor → PCH → Thunderbolt Controller → 2 Thunderbolt porty (20Gbps max červeně). Pod každým portem jsou další Thunderbolt Controllery pro daisy chain. Z TB Controllerů vedou PCIe a DisplayPort signály k zařízením. Vpravo nahoře: fyzická deska (MacBook logika) s Thunderbolt čipem. Vpravo dole: protokolový stack – Application-Specific Protocol Stacks (PCIe + DisplayPort), Common Transport Layer, Electrical/Optical Layer, Connector and Cable.

Thunderbolt je v podstatě PCIe tunelovaný přes kabel. Thunderbolt Controller vezme PCIe pakety (data pro zařízení) a DisplayPort pakety (video) a zabalí je do Thunderbolt paketů. Ty putují kabelem k Thunderbolt zařízení, kde jsou rozbaleny zpět na PCIe nebo DisplayPort. Zařízení se tedy chová jako by bylo přímo na PCIe sběrnici – s velmi nízkou latencí a plnou šířkou pásma PCIe.

Thunderbolt konektory na MacBooku – vlevo fotografie ruky drží Thunderbolt kabel (miniDP/TB1 konektor se zelenoproudým signalizačním LED) zasunovaný do bočního portu MacBooku Pro. Zelená LED v konektoru svítí, když je detekováno aktivní TB zařízení. Vpravo fotografie boční strany jiného MacBooku Pro – zprava doleva: Ethernet RJ-45 (hranatoá zásuvka), FireWire 800 (kulatá), Thunderbolt (miniDP tvar), USB Type-A (3 porty), SD slot (zcela vpravo). Thunderbolt 1 a 2 používají konektor Mini DisplayPort (miniDP) – fyzicky identický s DisplayPort, ale elektricky multiplexovaný s TB signálem. Thunderbolt – daisy chain topologie – nahoře detail základní desky s dvěma Thunderbolt porty (výřez v červeném kruhu ukazuje dva miniDP-tvaru TB portů vedle sebe). Uprostřed/vpravo velký diagram: základní deska (vlevo dole) má dva Thunderbolt porty. Z každého portu vede řetěz 6 serverových disků (1–6 a 7–12) a monitor. Celkem 12 úložných zařízení + 3 monitory připojeno přes 2 kabely. Logo „Up to 12 Thunderbolt Devices“ vlevo dole. Reálně: každý řetěz může mít max 6 zařízení + displej, ale sdílí šířku pásma daného portu.