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컴퓨터 입출력 표준 프로토콜 위키백과, 무료 백과사전
범용 직렬 버스(영어: Universal Serial Bus; USB, 문화어: 범용직렬모선 (일반직렬모선))는 컴퓨터 본체와 다른 장치(주변 기기)를 연결하는 데 쓰이는 입출력 표준 프로토콜의 하나이다.
다른 뜻에 대해서는 USB (동음이의) 문서를 참고하십시오.
비슷한 이름의 UBS에 관해서는 해당 문서를 참고하십시오.
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| 종류 | 버스 | ||
|---|---|---|---|
| 설계자 | 컴팩, DEC, IBM, 인텔, 마이크로소프트, NEC, 노텔 | ||
| 설계일 | 1994년 | ||
| 제조사 | 컴팩, DEC, IBM, 인텔, 마이크로소프트, NEC, 노텔 | ||
| 이전 단자 | 직렬 포트, 병렬 포트, PS/2 커넥터, 게임 포트, 애플 데스크톱 버스 | ||
| 길이 | 5미터 (최대) | ||
| 너비 | 11.5mm (A단자), 8.45mm (B단자) | ||
| 높이 | 4.5mm (A단자), 7.78mm (B단자, v3.0 이전) | ||
| 핫플러그 가능 여부 | 예 | ||
| 외장식 | 예 | ||
| 케이블 | 4줄, USB 3.0은 8줄 | ||
| 핀 수 | 4 (공급 1, 데이터 2, 그라운드 1), USB 3.0은 8 (슈퍼스피드를 위해 4개 추가) | ||
| 신호 | 직류 5V | ||
| 최대 전압 | 5 V(±5%) | ||
| 최대 전류 | 500–900 mA @ 5V (버전에 따라 다름) | ||
| 데이터 신호 | 패킷 데이터 | ||
| 너비 | 1비트 | ||
| 비트레이트 | 1.5/12/480/5,000 Mb/s (버전에 따라 다름) | ||
| 최대 장치 수 | 127 | ||
| 프로토콜 | 직렬 포트 | ||
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| 표준 USB A 단자(왼쪽) 와 B 단자 (오른쪽) | |||
| 핀 1 | 22sVCC (+5V) | ||
| 핀 2 | Data- | ||
| 핀 3 | Data+ | ||
| 핀 4 | Ground | ||
USB는 다양한 유형의 전자 장치 간에 데이터를 교환하고 전원을 공급할 수 있는 산업 표준이다. 이는 아키텍처, 특히 개인용 컴퓨터와 같은 호스트와 주변 장치(예: 컴퓨터 등)와의 데이터 전송 및 전력 공급을 위한 물리적 인터페이스 및 통신 프로토콜을 규정한다. 디스플레이, 키보드, 대용량 저장 장치, 중간 허브와의 연결로 인해 호스트 포트 수가 증가한다.[1]
USB는 원래 직렬 포트, 병렬 포트, 게임 포트, ADB 포트 등 다양한 인터페이스를 대체하여 주변기기와 컴퓨터의 연결을 표준화하기 위해 설계되었다.[2] 이전 버전의 USB는 키보드, 마우스, 카메라, 프린터, 스캐너, 플래시 드라이브, 스마트폰, 게임 콘솔, 보조 배터리 등 다양한 장치에서 일반화되었다.[3] 이는 컴퓨터, 모바일 장치, 주변 장치, 전원 공급 장치 및 다양한 기타 소형 전자 장치의 거의 모든 공통 포트를 대체하는 표준으로 발전했다.
현재 표준에서 USB-C 커넥터는 전원(최대 240W), 디스플레이(예: 디스플레이포트, HDMI) 및 기타 여러 용도를 위한 다양한 커넥터는 물론 이전의 모든 USB 커넥터를 대체한다.
2024년 기준 USB는 USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x, USB4의 4세대 사양으로 구성된다. USB4는 여러 프로토콜을 단일 물리적 인터페이스에 결합하여 USB4 패브릭의 전체 속도와 성능을 동적으로 공유할 수 있도록 설계된 연결 지향 터널링 아키텍처를 통해 데이터 전송 및 전원 공급 기능을 향상시킨다.
USB4는 특히 선더볼트 3 프로토콜, 즉 PCI 익스프레스(PCIe, 로드/저장 인터페이스) 및 디스플레이포트(디스플레이 인터페이스)의 터널링을 지원한다. USB4는 또한 호스트 간 인터페이스를 추가한다.
각 사양 하위 버전은 USB 1.0의 총 1.5 및 12Mbit/s부터 USB4의 80Gbit/s(각 방향)까지 다양한 신호 속도를 지원한다.[4][5][6] USB는 주변 장치에도 전원을 공급한다. 최신 버전의 표준은 배터리 충전 및 최대 240와트(USB-PD)가 필요한 장치에 대한 전력 공급 제한을 확장한다. 수년에 걸쳐 USB(-PD)는 휴대폰과 같은 많은 모바일 장치의 표준 전원 공급 장치 및 충전 형식으로 채택되어 전용 충전기의 필요성이 줄어든다.[7]
직렬 포트, 병렬 포트 등 다양한 기존의 연결 방식을 대체하기 위하여 만들어졌다. 키보드, 마우스, 게임패드, 조이스틱, 스캐너, 디지털 카메라, 프린터, PDA, 저장장치와 같은 다양한 기기를 연결하는 데 사용되며, 이러한 기기 연결의 대부분은 표준 연결 방식을 이용하여 이루어진다. USB는 PC를 위하여 개발되었지만, 지금은 PDA나 비디오 게임 콘솔 등에도 채택되어 사용되며, USB의 전원 공급 기능을 이용한 충전 용도로도 많이 사용된다. 2008년에는 전 세계적으로 약 20억 개의 USB 장치가 있었다.
표준은 USB 임플리멘터스 포럼(USB Implementers Forum; USB-IF)에서 결정하며, 2010년 3월 기준으로 포럼 의장은 인텔사의 제프(Jeff Ravencraft)이다. 컴퓨터 메인보드 시장에서 인텔의 I/O칩 점유율이 압도적[8][9](메릴린치의 2004년 3사분기 보고서에 따르면 62.1%)이기 때문에 소비자 시장에서의 가장 큰 수요를 쥐고 포럼 내의 영향력도 가장 큰 인텔사에서 주도하여 만들어진다.
경쟁 규격으로 언급되는 IEEE 1394가 주로 캠코더에 탑재되어 DV규격으로 주로 사용되는 반면에 USB는 다수의 저가격 기기에 채택되어 있다.
USB는 데이터를 교환하고 전력을 공급하기 위해 주변기기를 개인용 컴퓨터에 연결하는 것을 표준화하도록 설계되었다. 이는 직렬 포트 및 병렬 포트와 같은 인터페이스를 크게 대체했으며 다양한 장치에서 일반화되었다. USB를 통해 연결되는 주변 장치로는 컴퓨터 키보드 및 마우스, 비디오 카메라, 프린터, 휴대용 미디어 플레이어, 모바일(휴대용) 디지털 전화기, 디스크 드라이브 및 네트워크 어댑터 등이 있다.
USB 커넥터는 점점 더 휴대용 장치용 충전 케이블을 대체하고 있다.
USB 커넥터 인터페이스는 호스트, 허브 및 주변 장치에서 발견되는 다양한 레거시 Type-A(업스트림) 및 Type-B(다운스트림) 커넥터의 세 가지 유형으로 분류된다. 최신 Type-C(USB-C) 커넥터(2014년부터 많은 레거시 커넥터를 모두 대체하기 시작했으며 USB4에 적용 가능한 유일한 커넥터임)가 있다.
Type-A 및 Type-B 커넥터는 표준, 미니 및 마이크로 크기로 제공된다. 표준 형식은 가장 크며 주로 데스크탑 및 대형 주변 장비에 사용되었다. Mini-USB 커넥터(Mini-A, Mini-B, Mini-AB)는 모바일 장치용으로 출시되었지만 더 얇은 Micro-USB 커넥터(Micro-A, Micro-B, Micro-AB)로 빠르게 대체되었다. USB-C라고도 알려진 Type-C 커넥터는 USB 전용이 아니며 USB의 유일한 현재 표준이고 USB4에 필요하며 최신 디스플레이포트 및 선더볼트를 포함한 다른 표준에서도 필요하다. 가역적이며 USB를 포함한 다양한 기능과 프로토콜을 지원할 수 있다. 하드웨어 유형(호스트, 주변 장치 또는 허브)에 따라 일부는 필수이고 대부분은 선택 사항이다.[10][11]
USB 사양은 이전 버전과의 호환성을 제공하지만 이로 인해 일반적으로 신호 속도, 제공되는 최대 전력 및 기타 제공되는 기능이 감소한다. USB 1.1 사양은 USB 1.0을 대체한다. USB 2.0 사양은 USB 1.0/1.1과 역호환된다. USB 3.2 사양은 USB 3.1(및 USB 3.0)을 대체하는 동시에 USB 2.0 사양도 포함한다. USB4는 병렬로 작동하는 USB 2.0 버스를 유지하면서 USB 3.2를 "기능적으로 대체"한다.
USB 3.0 사양은 슈퍼스피드(슈퍼스피드 USB라고도 하며 SS로 판매됨)라는 새로운 아키텍처와 프로토콜을 정의했다. 물리적으로 5개의 추가 와이어와 핀이 필요한 전이중 데이터 전송. USB 2.0 아키텍처와 프로토콜을 유지하면서 USB 2.0 이전 버전과의 호환성을 위해 원래의 4핀/와이어를 유지하여 9개의 와이어(커넥터에 9개 또는 10개 핀 있음) 인터페이스, ID 핀은 배선되지 않음).
USB 3.1 사양에서는 슈퍼스피드 아키텍처 및 프로토콜(슈퍼스피드 USB)을 유지하면서 새로운 코딩 스키마(128b/132b 심볼, 10Gbps, Gen 2로도 표기)를 추가하는 추가 슈퍼스피드플러스 아키텍처 및 프로토콜(슈퍼스피드플러스 USB라고도 함)을 사용하여 향상된 슈퍼스피드 시스템을 도입했다. 일정 기간 동안은 슈퍼스피드+(SS+)로 판매되었다.
USB 3.2 사양은 다른 개선 사항 외에도 향상된 슈퍼스피드 시스템에 두 번째 레인을 추가하여 슈퍼스피드플러스 USB 시스템 부분이 Gen 1x2, Gen 2x1 및 Gen 2x2 작동 모드를 구현한다. 그러나 시스템의 슈퍼스피드 USB 부분은 여전히 1레인 Gen 1x1 작동 모드를 구현한다. 따라서 2레인 작업, 즉 USB 3.2 Gen 1x2(10Gbit/s) 및 Gen 2x2(20Gbit/s)는 모든 기능을 갖춘 USB-C에서만 가능하다. 2023년 기준으로서는 구현되는 경우가 다소 드문다. 그러나 인텔은 11세대 SoC 프로세서 모델에 이를 포함하기 시작했지만 애플은 이를 제공하지 않았다. 반면, USB 3.2 Gen 1(x1)(5Gbit/s) 및 Gen 2(x1)(10Gbit/s)은 몇 년 동안 매우 일반적이었다.
| 표준 | USB 1.0 1996 |
USB 1.1 1998 |
USB 2.0 2000 |
USB 2.0 Revised |
USB 3.0 2008 |
USB 3.1 2013 |
USB 3.2 2017 |
USB4 2019 |
USB4 2.0 2022 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 최대 속도 | 현행 마케팅 이름 | Basic-Speed | High-Speed | USB 5Gbps | USB 10Gbps | USB 20Gbps | USB 40Gbps | USB 80Gbps | ||
| 원 표기 | Low-Speed & Full-Speed | SuperSpeed, or SS | SuperSpeed+, or SS+ | SuperSpeed USB 20Gbps | ||||||
| 운용 모드 | USB 3.2 Gen 1x1 | USB 3.2 Gen 2x1 | USB 3.2 Gen 2x2 | USB4 Gen 3x2 | USB4 Gen 4x2 | |||||
| 신호 속도 | 1.5 Mbit/s & 12 Mbit/s | 480 Mbit/s | 5 Gbit/s | 10 Gbit/s | 20 Gbit/s | 40 Gbit/s | 80 Gbit/s | |||
| 단자 | Standard-A |  |
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[rem 1] |
빈칸 | ||||
| Standard-B |  |
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[rem 1] | |||||||
| Mini-A | [rem 2] |  |
빈칸 | |||||||
| Mini-AB[rem 3][rem 4] |  | |||||||||
| Mini-B |  | |||||||||
| Micro-A[rem 5] | [rem 2][rem 6] |  |
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[rem 1] |
빈칸 | |||||
| Micro-AB[rem 3][rem 7] |  |
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[rem 1] | |||||||
| Micro-B |  |
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[rem 1] | |||||||
| Type-C (USB-C) | [rem 6] |  (Enlarged to show detail) | ||||||||
| 비고: |
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USB는 이전의 표준 또는 특별 독점 인터페이스와 비교할 때 개인용 컴퓨터와 휴대폰, 컴퓨터 액세서리 및 모니터와 같은 주변 장치 간의 인터페이스를 단순화하고 개선하기 위해 개발되었다.[12]
컴퓨터 사용자의 관점에서 볼 때 USB 인터페이스는 여러 가지 방법으로 사용 편의성을 향상시킨다.
모든 표준과 마찬가지로 USB는 설계에 여러 제한 사항을 가지고 있다.
제품 개발자의 경우 USB를 사용하려면 복잡한 프로토콜을 구현해야 하며 주변 장치의 "지능형" 컨트롤러가 필요하다. 공개 판매용 USB 장치 개발자는 일반적으로 USB ID를 취득해야 하며 이를 위해서는 USB-IF(USB Implementers Forum)에 수수료를 지불해야 한다. USB 사양을 사용하는 제품 개발자는 USB-IF와 계약을 체결해야 한다. 제품에 USB 로고를 사용하려면 연회비와 해당 기관의 회원 자격이 필요하다.
1994년 컴팩, DEC, IBM, 인텔, 마이크로소프트, NEC, 노텔 등 7개사로 이루어진 그룹에서 USB의 개발을 시작하였다[15]. 목적은 PC의 뒤에 여러 단자들을 제거함으로써 외부 장치들을 PC로 연결하기 쉽게 만드는 것으로, 기존 인터페이스의 이용성 문제를 해결하고 USB에 장착된 모든 장치들의 소프트웨어 구성을 단순케 하며 외부 장치를 위한 데이터 속도를 증가시킬 수 있게 한다.
1.5 Mbit/s (Low speed), 12 Mbit/s (Full speed)가 제공된다.
최대 전송속도는 480 Mbit/s (초당속도 60 MByte/s)
USB 3.2 (Super Speed Plus)은 10 Gbit/s(초당속도 1.25GByte/s)의 전송속도를 내며[16], USB 2.0, USB 3.1 Gen 1과 하위 호환성이 있다. 2013년 7월 26일에 발표되었다.
USB의 가장 윗 부분에는 주 컨트롤러(host controller)가 있고, 이는 루트 허브를 통해 두 개의 USB 단자를 제공한다. 보통 이 단자에 주변 기기를 연결해 사용하며, 포트가 부족하면 허브를 연결하여 더 많은 포트를 마련할 수 있다. 하나의 주 컨트롤러에는 주변 기기를 나뭇가지 모양으로 127개까지 연결할 수 있다. USB 방식으로 연결된 주변 기기는 대부분 핫 스와핑을 지원하며, USB 방식으로 연결된 주변 기기에는 약간의 전력이 함께 공급된다. 따라서 보통은 외부 전원을 이용하지 않고도 주변 기기를 쉽게 사용할 수 있다. USB 2.0의 정격 전류용량은 5 V 500 mA이며, USB 3.2의 정격 전류용량은 5 V 900 mA이다.[17]
연결 단자 속에 4핀 중에서 데이터 전송에 사용되는 2개의 핀은 짧고 전원을 공급해주는 2개의 핀은 길게 되어 있다. 이런 구조적 이점 때문에 연결할 때는 언제나 전원 공급용 핀 2개가 먼저 연결되고 데이터 전송용 핀 2개가 그 후에 연결이 되며, 연결이 해제될 때는 언제나 반대의 순서로 데이터 전송 핀들이 끊어지고 그 후에 전원 공급 핀들이 끊어진다.
이런 이유로 전원 공급과 관련한 2개 핀 중에서 하나는 0이라는 신호에 기준이 되는 접지(ground) 핀인데 접지가 먼저 연결되고 데이터 전송이 시작되거나 끝이 나므로, 연결이 시작되거나 끝나는 시점에 전압과 관련한 노이즈가 기계적으로 최소화된다. USB가 출시되기 전에 시리얼 케이블, 병렬 케이블 기반 프린터 포트보다 전자적으로 안정화된 구조이다.
USB 표준의 이론상 최고 전송 속도는 다음과 같다. 직렬 통신보다 압도적인 빠른 전송의 비결은 하드웨어 기반의 압축 전송 기술이다.
USB 초기에는 Low speed로 연결되는 키보드, 마우스 같은 제품들이 있었지만 이제는 거의 쓰이지 않는다. Full speed의 USB 1.0도 1.1 규격으로 업데이트된 다음 USB 2.0으로 전환되었다. 2010년 초 USB 3.0을 적용한 제품들이 나오기 전에는 대부분 USB 2.0을 사용했다. 그러나 USB의 속도에는 치명적인 제약이 있는데 주 컨트롤러(host controller)에 연결된 기기들 간에는 대역폭을 나누어 쓰게 되므로 장치가 늘어날수록 속도는 현저히 떨어진다.
USB 1.1 표준은 표준 케이블의 최대 길이를 최고 속도 12 Mbit/초에서 최대 5미터, 저속 1.5 Mbit/초에서 최대 길이 3미터로 규정하고 있다.[18][19][20]
USB 2.0은 고속(480 Mbit/초) 기준 최대 케이블 길이가 5미터이다.[20]
USB 3.0 표준은 최대 케이블 길이는 규정하지 않으며 단지 모든 케이블이 전기 사양을 준수할 것을 요구한다: AWG(미국 전선 규격) 26와이어의 구리 케이블에서 실질적인 최대 길이는 3미터이다.[21]
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| (예시)기본 USB 삼지창 로고(The basic USB trident logo) |
USB 트라이던트 로고는 암놈과 숫놈의 결합 위치를 표시하도록 권장된다. 이로써 USB 트라이던트 로고는 암놈과 숫놈의 각각의 고유한 특정 위치를 나타내는 용도로 사용된다.
USB 암놈(female)과 숫놈(male)은 USB 로고가 결합시 같은방향이 되도록 일정하게 설계 및 디자인되어있다. 따라서 USB 암놈(female)의 USB 로고는 숫놈(male)의 USB 로고와 같은 위치에서 결합되도록 놓인다.
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| (예시) USB의 암놈(왼쪽)과 숫놈 (오른쪽) |
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