Мобильные интерфейсы завтрашнего дня: USB Type-C и не только – THG.RU

Мобильные интерфейсы | Введение

Проблемы совместимости различных устройств на уровне интерфейсов существовали всегда, и не только в области вычислительной техники или гаджетов. Достаточно вспомнить поучительные истории о соперничестве кассет Betamax против VHS, дисков HD DVD против Blu-ray, беспроводных сетей WiMAX против LTE/4G, а также многочисленных, ныне почти забытых разновидностей флеш-карт вроде Smart Media, Memory Stick, xD-Picture Card и других против Secure Digital (SD).

В компьютерной отрасли отмирание того или иного интерфейса совсем не обязательно исторически связано с обострением соперничества между продвигавшими тот или иной стандарт компаниями (как во многих выше приведённых примерах). Например, параллельный порт LPT (Line Print Terminal) – он же IEEE 1284/Centronics, самовыпилился в своё время из компьютеров даже не по причине своей громоздкости (хотя, LPT – ещё то зрелище даже у громоздкой мобильной рабочей станции) или даже медлительности. Просто однажды все его функции по работе с периферией стало гораздо удобнее решать с помощью USB и Ethernet.

Тем не менее, индустрия продолжала порождать монстров вроде DVI для настольных ПК или PCMCIA для ноутбуков ровно до тех пор, пока это было допустимо пользователем. Даже мобильным телефонам по мере “взросления” индустрии пришлось пережить жуть несовместимых разъёмов: проприетарный бардак несовместимости закончился лишь после того, как для покупателей отсутствие microUSB стало синонимом неполноценности.

Сегодня локомотивом в развитии вычислительных технологий являются мобильные устройства – планшеты, смартфоны и даже умные часы. Именно они определяют характеристики интерфейсов, их размеры и в конечном итоге внешний вид. Там, где размеры разъёмов некритичны – например, в секторе настольных ПК или телевизоров, конечно же, можно продолжать развитие крупногабаритных версий, особенно для специфических узкоспециальных целей. Но со временем, при наличии более компактных и удобных версий, смысл в этом постепенно сойдёт на нет.

Мобильные интерфейсы | Интерфейсы на все времена

Древним людям, жившим в эпоху до изобретения USB, приходилось несладко с распределением пучка разнокалиберных кабелей с несовместимыми разъёмами, ведь даже для клавиатуры и мыши приходилось использовать два разных 6-контактных разъёма PS/2. Порт USB – универсальный, последовательный (всего 4 провода), компактный и достаточно быстрый для своего времени, взял на себя большинство функций обмена цифровыми данными, в том числе, подключения клавиатур, мышек, принтеров, сканеров, внешних оптических и дисковых накопителей, картридеров и так далее.

Дополнительным весомым аргументом в пользу использования USB стала возможность “горячего” подключения устройства к уже работающему компьютеру с загруженной ОС. Для PS/2, COM или LPT такая неслыханная дерзость порой каралась выгоранием самого порта. Со временем – особенно после появления версии USB 2.0 со скоростью обмена данными до 480 Мбит/с, дошло до того, что через этот порт научились подключать практически всё, включая внешние звуковые карты, аудио интерфейсы, жёсткие диски, фото- и видеокамеры. После изобретения спецификаций OTG (On-the-Go), интерфейс USB наконец-то избавился от главного своего недостатка – работы только в режиме хост-контроллер. Теперь, благодаря OTG, фотоаппарат или планшет может исполнять как роль “ведущего” при подключении к нему, например, принтера, и в то же время быть “ведомым” при работе с настольным ПК.

В какой-то момент интерфейс USB достиг такого могущества, что с лёгкостью выжил более прогрессивный на то время FireWire, научившийся ещё в 2002 году в редакции IEEE 1394b передавать различные данные, в том числе, по IP-протоколу, со скоростью 800 Мбит/с на расстояния до десятков метров. Однако и USB со временем начал сдавать позиции более грозному, производительному и совершенно невидимому врагу – беспроводным сетям.

Одно время USB даже пытался стать беспроводным, однако проект Wireless USB, несмотря на превосходное техническое обоснование и блестящее исполнение стандарта, так и остался за рамками широкого коммерческого внедрения, попав, как и многие другие “опоздавшие”, под мощный каток достаточно развитых и успешных к тому времени стандартов Wi-Fi и Bluetooth.

Развитие интерфейсов для передачи видео (видеовыходов) происходило по несколько иному сценарию, где основным вектором долгое время оставался переход от аналогового к цифровому сигналу. Незаметно проскочив зачаточные цифровые форматы CGA и EGA, и достаточно быстро пережив “доисторический период” в виде S-Video, компонентных, композитных и других видов аналогового сигнала, компьютерные интерфейсы надолго застряли в эпохе аналогового VGA, представленного в далёком 1987 году и дожившего до наших дней с минимальными изменениями.

Интерфейс DVI (Digital Visual Interface), представленный в 1999 году и способный передавать цифровой и аналоговый сигналы, нашёл широкое распространение среди настольных ПК, но с большим трудом адаптировался даже к ноутбукам. В 2003 году был представлен его наследник – полностью цифровой интерфейс HDMI, который потерял обратную совместимость с VGA, но взамен обзавёлся поддержкой цифрового многоканального аудио, поддержкой более высоких разрешений, и, что немаловажно, более компактными интерфейсными разъёмами.

Для ПК и большинства ноутбуков вполне годился даже полноформатный разъём HDMI, но для планшетов и тем более смартфонов даже micro HDMI оказался слишком громоздким. Именно поэтому дальнейшая эволюция интерфейсов видео пошла не только по пути увеличения поддерживаемого разрешения картинки и скорости обмена данными (DisplayPort, MHL, HDMI 2.0), но также в сторону унификации разъёмов, допускающих использование одного и того же порта как для передачи данных, так и для вывода (а в отдельных случая и для ввода) видео.

Мобильные интерфейсы | Интерфейсы современного гаджета: что нужно для полного счастья?

Первый обязательный проводной интерфейс из списка “по умолчанию” (в смысле – даже не обсуждается) для современного смартфона, планшета или портативного ПК – это аудиовыход на наушники, в идеале – аудио вход-выход для подключения внешней гарнитуры с наушниками и микрофоном. Аудиовыход – это, пожалуй, самый древний пережиток прошлого, поскольку только он дошёл до наших дней в незамутнённом аналоговом виде.

Звук давно и с успехом можно передавать без проводов – через Wi-Fi, или особенно удобный для этого Bluetooth. Звук давно научились передавать по проводам в цифровом виде – через USB, HDMI и все последующие его реинкарнации в виде DisplayPort и MHL. Более того, цифровой звук без каких-либо проблем передаётся в 8-канальной форме, а для аналогового режима по-прежнему потолок – это 2-канальный стерео режим.

Тем не менее, никто не кто рискнёт оставить нас без привычного аудио интерфейса и выпустить мобильный гаджет без привычного 3,5-мм “мини-джека” без серьёзных на то причин.

Второй проводной интерфейс, без которого в некоторых моделях “уже можно”, но в целом пока никак нельзя – это порт для зарядки аккумулятора, который в подавляющем числе современных мобильных устройств объединён с портом передачи данных microUSB. В последнее время наступление беспроводных индукционных устройств для бесконтактной зарядки гаджетов становится всё более мощным и уверенным, но на этом благородном поприще игрокам рынка как всегда мешает неспособность договориться об едином индустриальном стандарте.

Между тем, технологии зарядки по проводам тоже не стоят на месте и постоянно совершенствуются. Например, позволяя зарядить аккумулятор в ускоренном режиме на приемлемые для работы две трети ёмкости (и более) за какие-то полчаса-час. К тому же, у проводных зарядок всегда есть аргумент из категории “ниже пояса”: в процессе зарядки можно запросто продолжать разговор или серфинг по Интернету, разве что немного ограничив свою свободу длиной зарядного кабеля. С беспроводной зарядкой такие фокусы, увы, уже не пройдут.

Третий обязательный интерфейс современного мобильного устройства – это, конечно же, универсальный порт для двустороннего обмена данными. Теоретически, такой порт должен уметь действительно всё – от подключения периферии и внешних накопителей до вывода картинки с очень высоким разрешением на внешний монитор.

Сегодня этим требованиям в максимальной степени соответствует новый стандарт USB 3.1 (SuperSpeed USB), обеспечивающий, в частности, скорость обмена данными до 10 Гбит/с – это вдвое больше, чем у распространённого нынче USB 3.0. Такая скорость, в частности, позволяет передавать несжатый поток 4K-видео вместе с многоканальным аудио.

На практике же для передачи видеосигнала предпочитают использовать отдельный разъём. Для смартфонов и фаблетов этот вопрос, скорее всего, неактуален, но для планшетов, ноутбуков, устройств “два-в-одном” и конвертируемых гаджетах отдельный видеовыход по-прежнему актуален для вывода на большой экран внешнего монитора или телевизора для просмотра видео, или на проектор для проведения презентаций.

Четвертый – уже не обязательный, но полезный интерфейс – это видеовыход. За время своего существования видеовыходы трансформировались, пожалуй, больше и чаще других проводных интерфейсов, что напрямую связано с большим разбросом характеристик внешних экранов. До сих пор многие ПК и ноутбуки оснащаются древним аналоговым VGA, рядом с которым попадаются ещё более громоздкие, но достаточно производительные даже для нашего времени порты DVI.

Эволюция видеовыходов в своё время породила на свет интерфейс HDMI, получивший широкое распространение как первый цифровой порт для одновременной передачи видео и аудио, и завоевавший популярность на волне массового перехода на цифровые ЖК-телевизоры.

К моменту наступления эпохи повсеместной популярности мобильных карманных устройств, ни один из этих видеовыходов оказался не готов из-за слишком крупных и неудобных портов, и даже спешные попытки вывода на рынок мини- и микро- версий разъёмов, в том числе, перспективного стандарта DisplayPort и специально разработанного для мобильных устройств MHL, не особенно отразились на их популярности, внеся на некоторое время лишь неразбериху очередной несовместимости.

Общая картина с актуальными на сегодняшний день интерфейсами для передачи видео представлена в таблице ниже. Как видите, далеко не все из них готовы к работе с мобильными гаджетами, но надежда на унификацию разъёмов и стандартов обмена видеоданными уже просматривается вполне отчётливо.

Вот теперь, разобравшись с нынешней ситуацией и существующими проблемами проводных интерфейсов, мы наконец-то можем перейти к способам их решения. Но перед – для полной ясности, позвольте несколько слов о том, почему же мы до сих пор вообще “цепляемся” за эти провода и не можем без них жить. Хотя все условия для этого уже, казалось бы, есть.

Мобильные интерфейсы | Идеальный беспроводной гаджет

Давайте немного пофантазируем и представим себе, что завтра какой-нибудь лидер индустрии мобильных устройств выпускает на рынок идеальный смартфон, у которого вообще нет ни единого внешнего разъёма. Вот такой весь из себя гладкий обмылочек: только сенсорный экран, и больше ничего – ни единого отверстия, ни единого порта. И даже аккумулятор и SIM-карта для чистоты эксперимента пусть будут несъёмными и бесповоротно “зашитыми” внутрь. В рамках этой статьи мы не будем обсуждать кому такое нужно или сколько это будет стоить, просто представим, реально ли создание такого смартфона в наши дни?

Аудио интерфейс? Да, разумеется, в наличии, подключайте беспроводную Bluetooth-гарнитуру или наушники, или подключайтесь по Wi-Fi для коммуникаций с другой техникой.

Зарядка аккумулятора? Тоже никаких проблем: достаточно положить на ночь свой цифровой обмылочек в соответствующую мыльницу, к утру всё будет заряжено в лучшем виде.

Обмен данными, их хранение и быстрое извлечение? Вообще без проблем: на сегодняшний день для этого есть всё, включая скоростные сети Wi-Fi и 4G/LTE для взаимодействия с периферией, внешними накопителями, мультимедийными устройствами и даже персональными облаками. С бесконтактной аутентификацией и оплатой отлично справляется интерфейс NFC.

Подключение к Wi-Fi с поддержкой DLNA обеспечит мгновенный доступ к любым изображениям, музыке или видео на компьютерах, смартфонах, ноутбуках и бытовой технике в домашней сети, а поддержка Miracast/Wi-Fi Direct и вовсе позволит выводить напрямую видео со звуком с одного устройства на другое.

Список различных технологий вроде Miracast, Chromecast и прочих “кастов” со временем только увеличивается, лишь бы в наличии был скоростной беспроводной доступ, а уж Wi-Fi в свою очередь, развит на сегодняшний день настолько хорошо, что в самой свежей своей коммерческой версии 802.11ac обеспечивает скорость передачи данных в гигабиты в секунду. Таким образом, автоматически снимается вопрос передачи видео с любым качеством картинки, на перспективу – вплоть до 8К с частотой 120 кадров в секунду.

Получается, что создание совсем “голого” смартфона без единого проводного порта уже сегодня – вопрос чисто маркетинговый, никаких технических ограничений для этого нет. Другое дело, готовы ли вы купить такой смартфон и полностью избавиться от проводов? В большинстве случаев – вряд ли. И дело не только в том, что хороший (и бесплатный) Wi-Fi доступен далеко не везде, а в мобильном роуминге гораздо выгоднее использовать SIM-карту местного оператора. Дело порой также в наших привычках, потому что не каждый готов променять свои любимые наушники на беспроводную гарнитуру или перенести личные данные с тщательно оберегаемой флешки в “облако”. Не говоря уж о выше упомянутой проблематике использования смартфона во время его беспроводной зарядки.

Есть ещё ряд традиционных проблем беспроводных интерфейсов – быстрый расход заряда батарейки, “белые пятна” покрытия, нестабильная скорость трафика и порой значительно более длительные задержки, все эти проблемы будут решаться в новых версиях беспроводных интерфейсов.

Так, например, к концу 2016 года ожидается появление новой версии Bluetooth. Пока ещё неизвестно, будет ли новая версия названа Bluetooth 5.0, или речь о дальнейшем продолжении 4.x, но доподлинно известно, что новый транспортный протокол Transport Discovery Service (TDS) позволит различным устройствам связываться со скоростью до 2 Мбит/с. Во многих случаях этого более чем достаточно, а тем временем можно обесточить более энергетически прожорливые LTE/Wi-Fi и значительно сэкономить заряд аккумулятора.

Кстати, об LTE. Следующее, пятое поколение мобильных сетей – 5G, разрабатывается не только ради увеличения максимальной скорости объёма данными, но также с целью снижения энергопотребления клиентских устройств, и, что, может быть, самое важное, для снижения задержек передачи данных даже при плотно забитой сети. Иными словами, смартфоны 5G смогут обеспечить надёжную связь и быстрый обмен данными даже если каждый болельщик на огромном стадионе или участник огромного митинга вдруг задумает передавать потоковое видео в одной и той же сотовой сети.

Мобильные интерфейсы | Проводной интерфейс: почему USB Type-C, а не microUSB, и при чём тут superMHL

Даже наш поверхностный экскурс по истории проводных интерфейсов даёт вполне наглядное представление о том, что прежде чем на свет появился хотя бы какой-то универсальный интерфейс, электронной индустрия успела изрядно наломать дров. Где-то вина целиком и полностью лежит на ряде несговорчивых компаний, тормозивших принятие единого стандарта ради своего собственного проекта, где-то сам рынок оказался не готов к восприятию слишком революционных для своего времени идей, а где-то просто не повезло. Бывает.

И вот перед нами microUSB – простой, компактный, универсальный, но удобный лишь относительно, и к тому же успевший на сегодняшний день изрядно устареть в техническом плане. Прежде всего, microUSB имеет унаследованную от своих предков USB и miniUSB несимметричную конструкцию, так что каждый раз, подключая разъём, приходится искать “правильную сторону” визуально или “методом тыка”.

Новый разъём формата USB Type-C лишён этого недостатка: он симметричен как Apple Lightning, его можно вставить сразу, без выбора стороны, и не крутить на 180 градусов. Конструкция USB Type-C также заведомо разработана в соответствии с требованиями стандарта SuperSpeed USB 3.1, а это автоматически означает поддержку пиковой производительности до 10 Гбит/с.

Наконец, USB Type-C разработан с учётом требований стандарта USB Power Delivery, который уже в версии 2.0 предполагает поддержку тока до 3A для кабелей и до 5A для разъёмов при стандартном напряжении 5 В. “Военная хитрость” спецификаций USB Power Delivery в том, что кроме стандартных +5 В, интерфейс может переключаться в режимы питания напряжением +9 В, + 15 В и даже +20 В. Таким образом, теоретически один интерфейс USB Type-C может обеспечить питание по кабелю мощностью до 100 Вт по формуле 20 В * 5 А. Для реализации такого сценария при стандартном питании +5 В пришлось бы каким-то образом обеспечить толстенную шину для передачи огромного тока в 20 А.

В обновлённой спецификации USB Power Delivery 3.0 также выпущено расширение для обмена сообщениями по коммуникационному каналу USB PD для стандарта USB Type-C и кабелей USB Type-C. В частности, дополнение USB Type-C Bridging обеспечивает обмен данными между USB-хостами и нисходящими портами USB-концентраторов по интерфейсу USB PD.

Разумеется, ничего этого старому доброму microUSB и не снилось, даже в расширенной версии Micro-B SuperSpeed с дополнительной шиной питания. О скоростях обмена данными и удобствах и говорить не приходится: против USB Type-C у microUSB нынче никаких шансов.

Есть, правда, у нынешней реализации интерфейса USB 3.1 с разъёмом USB Type-C один грозный и мощный соперник в виде интерфейса Thunderbolt, объединяющий в себе возможности DisplayPort и PCI Express, и позволяющий в нынешней версии Thunderbolt 2 передавать данные со скоростью до 20 Гбит/с (а в третьей версии, обратно совместимой с PCIe 3.0, HDMI 2.0 и DisplayPort 1.2, и вовсе до 40 Гбит/с).

Однако всё это в любом варианте гораздо дороже чем самый новый USB, в том числе, по причине различных лицензионных отчислений, да и нынешний разъём Thunderbolt всё же крупнее USB Type-C. В результате, Thunderbolt вы скорее увидите у современной стационарной и портативной продукции Apple, в то время как USB Type-C уже встречается у многих смартфонов, планшетов и ноутбуков даже массовых серий. Наконец, для версии Thunderbolt 3 стандартным разъёмом будет как раз USB Type-C.

Однако потенциал интерфейса USB Type-C гораздо больше, чем нежели использование в качестве транспорта для стандарта USB 3.1 SuperSpeed и любых других USB, которые появятся вслед за ним. Здесь следует сделать небольшое отступление, и в нескольких словах объяснить суть работы любого проводного интерфейса (специалисты могут пропустить эти несколько строк базового ликбеза).

Дело в том, что разъёмы, к которым мы подключаем интерфейсный кабель – это всего лишь механика плюс электрические контакты, а сам интерфейс предполагает наличие с каждой стороны приёмника и передатчика (трансивера) для обмена информацией в формате того или иного интерфейсного стандарта.

Итак, в нашем распоряжении универсальные разъёмы USB Type-C, обладающие 24 контактами. Контакты при этом реверсивные, четыре из них используются в качестве “земли”, четыре в качестве питания, две дифференциальные пары служат для передачи данных USB 2.0, четыре пары предназначены для передачи скоростных данных, два контакта служат для определения ориентации кабеля и два для определения полосы пропускания.

Теперь поставим вопрос следующим образом: можно ли использовать такой разъём для передачи чего-нибудь ещё кроме данных стандартов USB? Оказывается, запросто! Разработчики этого стандарта заложили в него поддержку так называемого альтернативного режиме (Alternate Mode) передачи данных, благодаря которому с помощью USB Type-C по тем же кабелям можно передавать сигналы стандарта DisplayPort (от версии DP 1.3 и выше), Mobile High-Definition Link (MHL, от версии 2.0), Thunderbolt (для Thunderbolt 3.0 разъёмы USB Type-C являются одной из утверждённых альтернатив), а также других последовательных протоколов, включая Base-T Ethernet и даже PCI Express.

Более того: совсем недавно, в марте 2016 года, протокол USB Type-C был дополнен поддержкой специальной криптографической аутентификации, предотвращающей проникновение вредоносных программ, а также оберегающий от перегрева техники при использовании нестандартных зарядных устройств. Использование протокола аутентификации позволяет хост-системе определить подлинность подключаемого USB-устройства или блока зарядки непосредственно в момент подключения, до начала процесса передачи данных или зарядки. Для аутентификации USB Type-C используется 128-битная методика криптографического шифрования на основе общепринятых международных криптографических методов сертификационных форматов, цифровой подписи, генерации хэша и случайных чисел.

Про интерфейс Mobile High-Definition Link (MHL) следует упомянуть отдельно и более подробно хотя бы потому, что он один из немногих из списка потенциальных претендентов на будущее в составе мобильных устройств следующих поколений из числа четвёртых по счёту в нашем списке интерфейсов для передачи видео.

Нынешняя версия стандарта MHL 3.0 поддерживает передачу видео с качеством до 4K (Ultra HD, 3840 х 2160) и скоростью до 30 кадров в секунду, что уступает даже HDMI 2.0, но в новой версии superMHL, принятой в начале 2015 года, речь идёт уже о передачи видео с качеством до 8K (7680 х 4320 пикселей!) со скоростью до 120 кадров в секунду, в сопровождении многоканального аудио (HDMI 2.0 – это “все8го лишь” 4K@60p).

Благодаря обратной совместимости, сигнал superMHL можно с успехом передавать через USB Type-C, однако полностью 8K-видео в него “не влезет”, для этого придётся использовать специальные 32-контактные разъёмы и кабели superMHL, тоже, кстати, реверсивные.

Мобильные интерфейсы | Заключение: USB Type-C – наш выбор на обозримое будущее

До тех пор, когда нам действительно понадобится передавать видеопоток 8K со смартфона на телевизор, ещё должно пройти как минимум несколько лет и смениться несколько других стандартов, о которых мы сегодня, возможно ещё даже не догадываемся.

К тому времени, вполне возможно, уже появится новый USB Type-C Mark II. Или что-нибудь станется с superMHL. А может быть, для мобильных устройств наконец-то появится что-то на базе передачи данных по оптоволокну. Словом, или падишах, или ишак, так всегда бывает.

Однако на ближайшие годы наиболее перспективным, удобным и действительно универсальным обещает стать USB Type-C, особенно с учётом совместимости на транспортном уровне с множеством других популярных последовательных стандартов обмена данными.

При разработке механических свойств интерфейса USB Type-C учитывались многие факторы, обеспечивающие баланс прочности для ноутбуков и тонкий профиль для смартфонов. Именно поэтому сечение разъёма USB Type-C составляет всего 8,4 х 2,6 мм. Интерфейс USB Type-C также получил повышенную защиту от электромагнитных и радиочастотных наводок.

Кроме того, для разъёмов этого типа закладывалась повышенная износоустойчивость, изначально заявленная на уровне 10 тысяч циклов включения-отключения. Этого должно с лихвой хватать на весь срок службы любой мобильной электроники.

Не стоит исключать возможности того, что в ближайшее время у USB Type-C появится какой-нибудь конкурент, обладающий более привлекательными возможностями по скорости, удобству использования, габаритам, универсальности и так далее. Такие перспективы можно только приветствовать, хотя на внедрение любой новой технологии даже в наше стремительное время уходят годы. Взять тот же USB Type-C: стандарт придуман давно, а его внедрение по-прежнему идёт очень медленно – гораздо медленнее, чем, например, USB 2.0. И всё же на ближайшие годы прямые конкуренты по всему спектру возможностей USB Type-C пока не просматриваются. По крайней мере, для рынка мобильных устройств.