自然醒的博客

USB 科普

· shenfq

什么是 USB?§

USB

维基百科的解释:

通用串行总线(英语:Universal Serial Bus,缩写:USB)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,被广泛地应用于个人计算机和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。

在几年前,市面上常见的 USB 数据线都使用如下结构,一边 USB Type-A(主要用于连接电脑或充电器), 一边 USB Micro-B(主要用来连接手机或其他手持设备),主要还是因为安卓手机普遍使用这种类型的数据线进行充电。

image

image

所以 USB 我们身边随处可见,而且必不可少。但是在 90 年代初期,人们的电脑桌上需要摆放一堆杂乱无章的线(虽然现在依然是一堆线,但好歹接口统一了),当时调制解调器需要一条线、键盘需要一条线,打印机也需要一条又粗又大的线。于是,USB 的发明者阿杰伊-巴特( Ajay Bhatt),开始捣鼓 USB。

阿杰伊-巴特

目前全球有超过 100 亿台设备在使用 USB 数据线,如果每根数据线收取 1 分的专利费,那就赚发了。但是 USB 技术没有赚到任何的钱,因为为 USB 技术提供资助,并且拥有USB技术的全部专利的公司英特尔,它们免费开放了这项技术,不得不说英特尔在这方面还是表现很不错的。

USB 接口类型§

上面说到的 USB Type-A、USB Micro-B 都是指 USB 的接口类型,作为最早开始使用的 USB Type-A 因为成本的考虑并没有做成两面都可插拔的方式,现在来看或许有些遗憾,不过好在 USB Type-C 横空出世,完美的解决了这个问题。

巴特在一次采访中说道: “当年我们做这个接口的时候,就是希望它能够解决 90 年代的线缆连接问题。以前的插头和连接器太多了,很复杂,人们用起来其实并不方便。我是希望能有一个接口,可以帮助一般的家庭能快速把计算机和打印机连接起来,并且能够打印他们需要的东西。只要这个接口足够方便,他们接上就会用,同时也不需要每次都打电话来向我求助,那我觉得这样的接口就足够。要让 USB 接口做到正反插都能兼容,其实并不容易。如果要用上这种设计,那就必须在 USB 接口上嵌入多一倍的电线和电路,那成本也必定要翻倍。”

在上个世纪 USB 接口更多是以普及为主要目标,所以为了让厂商和用户接受,USB 接口的设计采用更低成本的方案也是可以接受的,这个方案也为这个接口带来了普及的机会。

常见的 USB 接口§

除了 USB Type-A 和 USB Type-C 之外,当然也有 USB Type-B ,以及 USB Micro-B,这四种是市面上常见的 USB 接口。

常见 USB 接口

Type-A:标准版USB接口§

最常见的一种USB接口类型,在电脑上常用。

Type-B:打印机设备常用§

打印机上最为常见和流行的一种数据接口类型。

Micro-B:移动设备的USB标准§

Type-B的便携版本,大部分安卓手机中采用的是Micro USB 接口(即 USB Micro-B),这种接口至今仍被广泛地应用在各种移动便携式设备上。

Type-C:USB 接口的未来§

现在的各种笔记本、平板电脑甚至是智能手机都开始使用USB Type-C接口。

其他类型的 USB 接口§

在 Micro-B 接口出现之前,还有一种 Mini-B 接口,又称迷你USB。因为其 T 字型的造型,又被成为 T 字头。

Mini-B

此外,Micro-B 接口因为只兼容 USB 2.0 的协议,后面又出现了一种新的 兼容 USB 3.0 协议的 Micro-B 接口,有时也被称为 Micro-USB 3.0。

Micro-USB 3.0

当然,除了 Micro-B 和 Mini-B,Micro-A 和 Mini-A也是存在的,只是实用性不太广,B 口都是 A 口的改良版。

Mini-USB Micro-USB

Type-C 接口的优势§

  1. 小巧精妙的设计:Type-C 接口的大小约为 8.3*2.5mm,差不多是 Type-A 接口的三分之一;同时可以正反插入,极大的方便了使用者。
  2. 支持 USB 3.1 (关于协议部分在文章后面讲)的全部功能:最大数据传输速度可达到 10Gbit/秒,最大功率可达 100W,不管是在数据还是功率传输上都有十分明显的优势。
  3. 可扩展能力强:一个 USB Type-C 接口,可以承载充电、数据传输、视频传输、投影仪连接等多种功能。

USB 传输协议§

Type-C 火爆的另一个原因就是与 Type-C 接口同时推出的 USB 3.1 标准,该标准极大的改善了数据线的数据传输的体验。

USB 版本历史§

USB 的第一个版本既不是 0.1,也不是 1.0,而是从 0.7 开始的,1994年11月11日发表了USB V0.7版本。

1.0 之前的版本§

USB 1.0§

1998年9月发布。数据传输速率为1.5Mbit/s(Low-Speed)。数据传输速率为12Mbit/s(Full-Speed),修正1.0版已发现的问题。

Full Speed

USB 1.1§

1996年1月发布。数据传输速率为1.5Mbit/s(Low-Speed)。

USB 2.0§

2000年4月发布。数据传输速率为480Mbit/s(现在称作Hi-Speed),但受限于BOT传输协议和NRZI编码方式,实际最高传输速度只有35MByte/s左右。关于 USB 2.0 的其他规范可以在 USB.org 查到。

Hi-Speed

USB 3.0(USB 3.1 Gen1)§

2008年11月发布。速度由480Mbps大幅提升到5Gbps。USB 3.0插座通常是蓝色的,并向下兼容USB 2.0。

SuperSpeed

USB 3.1(USB 3.1 Gen2)§

USB 3.0 推广小组于2013年7月31日宣布USB 3.1规格[10],传输速度提升为10Gb/s,比USB3.0的5Gb/s快上一倍,并向下兼容USB 2.0/1.0,如果要得到10Gb/s的传输速度仍需在主机、目标端同时具备对应的芯片才能达成。

同时,USB 3.1 提高了之前对输出电流的限制,电力供应可高达 100w (20V/5A),也为现在手机的快充提供了支撑。

SuperSpeed+

USB 3.2§

USB 3.2是2017年7月25日 USB开发者论坛(USB Implementers Forum)宣布基于 USB 3.1 改良推出的USB连接接口的最新版本,除了将传输速度从10Gbps倍增至20Gbps。另外,从 USB 3.2 开始,Type-C 将成为唯一推荐的接口方案。

版本对比§

image

Type-C 与 USB 3.1§

因为 USB 3.1 和 Type-C 是同一时间推出,所以很多人以为这是同一个东西,但是实际上并不是。 USB 3.1 只是由 USB开发者论坛(USB Implementers Forum)推出的一种传输协议,而 Type-C 是一种 USB 接口形式。所以,USB 3.1标准也可以用于 Type-A,Micro-USB 接口,只要开发商愿意进行开发,同时 Type-C接口也可以采用USB2.0、USB3.0、USB3.1等传输标准。

Thunderbolt 3§

Thunderbolt 3 简称 “雷电3”,苹果的协议,同样使用 Type-C 接口。Thunderbolt 是苹果公司与 Intel 公司深度合作推出的一种技术,它融合了传统的 PCIE 数据传输技术和 DisplayPort 显示技术。最新的 Thunderbolt 3 将数据传输、视频输出和充电集合至一个小巧的接口中,接口最高带宽可达到 40Gb/s,是USB3.0的8倍,是USB3.1的4倍。

由于雷电 3 与 USB 3.1 都采用了Type C接口规格,看起来几乎完全相同。现在为了更好的区分两者,苹果最新的雷电3数据线上都会带有雷电标志。

雷电3

尽管长得一样,但是两者在协议上还是有很大差距的。

- USB 3.1 Gen2 Thunderbolt 3
传输速度 10Gbps 40Gbps
像素 One 4K Two 4K
功率 100w 100w
支持协议 DisplayPort USB DisplayPort USB Thunderbolt PCI EXpress

USB 4.0?§

因为因特尔既是 USB 开发者论坛成员,又是雷电 3 的制定者,所以USB 4.0 其实就是 USB 兼容版本的 雷电 3。目前 USB 4 标准的全本还在修订中,预计正本今年下半年 正式开机 ,所以大规模应用还需要1年后了。


文中大部分内容参考自 维基百科