在過去25當中，USB在為電子產(chǎn)品提供連接和供電的過程中扮演著重要的角色。隨著時間的推移，USB接口發(fā)生了變化，但無論用戶使用了哪種USB，主機總是能夠識別出其所連接的設(shè)備是什么。 但這到底是怎么發(fā)生的呢?它如何知道何時連接了鼠標而不是打印機?USB 2.0和USB 3.2的SuperSpeed有什么區(qū)別? 在這里，我們將為您介紹USB的內(nèi)部工作原理，以及為什么USB能夠淘汰其他技術(shù)而被市場所青睞。

即插即用

故事要從20世紀90年代說起，那時，USB還沒有出現(xiàn)。在那個時代，奔騰處理器是最流行的選擇，Windows系統(tǒng)是3.1版本，個人電腦還是米色的。當時還沒有無線連接和云服務(wù)，因此打印、復(fù)制照片或使用外部存儲都需要采用物理連接的方式連接到電腦上。 與當今的PC不同，30年前的計算機配備了大量不同的接口和通信系統(tǒng)。由于每個接口的差異和局限性，使得連接并不順利。

（1個DE-15 VGA插槽，2個DE-9串行端口和1個DB-25并行端口以及2個PS / 2連接器，來源：Recycled Goods） 鼠標和鍵盤幾乎總是使用串行PS / 2端口，每個端口都有專用的6針接口。打印機和掃描儀通過25針連接器連接到并行端口，而其他所有端口則通過經(jīng)典串行端口連接。 如果不小心將鼠標插入鍵盤接口中會出現(xiàn)什么情況？由于PC不知道插入了錯誤的設(shè)備，因此它根本無法工作。實際上，這些端口并不能識別出來它所連接的設(shè)備，用戶必須告訴電腦它是什么，然后手動為它安裝正確的驅(qū)動程序。 如果一切順利，在安裝驅(qū)動程序后快速重啟，便可以正常運行。但通常情況下，PC用戶需要深入研究Windows的控制面板或主板的BIOS，以使其順利運行。

（九十年代嘗試連接外圍設(shè)備的PC用戶熟悉的景象。資料來源：WinWorld） 消費者自然希望有更好的東西，即所有外設(shè)都可以通過一個接口來運行。您可以在無需重新啟動機器的情況下進行插拔，同時，還可以立即識別和配置其所連接的設(shè)備。 系統(tǒng)供應(yīng)商也想要一些更通用的東西，以取代對大量不同接口的需求，并降低生產(chǎn)成本。在保持向后兼容性的同時，還需要在以后的歲月中有開發(fā)和改進的空間。 這樣看來，那時的需求很簡單。

同心協(xié)力的時刻

在計算機的世界中，行業(yè)企業(yè)聯(lián)合起來將會產(chǎn)生巨大的能量，來造福整個社會。1994年，Intel，Microsoft，IBM，Compaq，DEC和Nortel一致認為這是創(chuàng)建一種新的連接系統(tǒng)的時候了，因此，這些企業(yè)共同建立了一個聯(lián)盟，來滿足市場的愿望和需求。 英特爾領(lǐng)導(dǎo)了這項技術(shù)的開發(fā)，Ajay Bhatt成為了項目的主架構(gòu)師——他還為AGP(加速圖形端口)和PCI Express做了同樣的工作。在短短兩年的時間里，一個完整的規(guī)范發(fā)布了，同時發(fā)布的還有控制芯片。 這樣就誕生了通用串行總線——作為串行、并行和PS/2端口的替代品。它擁有干凈、簡單的設(shè)計和出色的性能。然而，新系統(tǒng)的應(yīng)用在一開始推進的很緩慢，直到1998年1.1版本發(fā)布，一切才真正開始。

（資料來源：微軟） 這個版本的改動相當小，主要是關(guān)于電源管理和設(shè)備兼容性，這并不是促使USB被市場采用的主要原因。其主要原因是，微軟在1997年秋天的一次更新中在Windows 95添加了USB 1.1支持，這才使得USB有了發(fā)展的機會。 微軟還大力推廣了“即插即用”一詞，即PC的設(shè)計理念和系統(tǒng)要求，旨在消除設(shè)置計算機和外圍設(shè)備的復(fù)雜性。盡管不是最強大的系統(tǒng)，但USB還是它的理想之選。 蘋果的全身心投入對USB的推廣起到了最明顯的效果，當年，其發(fā)布的產(chǎn)品震撼了整個PC行業(yè)。

（蘋果的第一臺iMac。資料來源：維基百科） 第一代iMac于1998年8月推出，它既鮮明又大膽，是第一批所謂的“無傳統(tǒng)”的PC之一。該術(shù)語用來表示計算機避開了所有舊端口和設(shè)備：其所采用的都是最新的硬件。盡管一開始它并沒有受到批評者的歡迎，但它繼續(xù)大量銷售——它的普及使USB很好地進入了市場，盡管他比基于Windows的同類計算機出售早了幾年。 USB規(guī)范進行了多次修訂，其中主要的修訂是2001年的2.0、2008年的3.0以及去年發(fā)布的最新規(guī)范（4.0）。這些我們稍后會再講。現(xiàn)在，讓我們看一下通用串行總線的實際工作原理，以及它能取代其他系統(tǒng)的原因。

外觀很簡單

讓我們首先看一下典型PC中連接的總體布局。 下圖顯示了Intel X299 Skylake-X系統(tǒng)中的各種設(shè)備如何相互通信：

如上圖所示，左下方的USB接口可以直接連接到Intel稱為PCH的平臺控制器中樞。在USB首次出現(xiàn)的日子里，這種芯片通常稱為南橋（Southbridge），它可以管理指令和數(shù)據(jù)流向硬盤，網(wǎng)絡(luò)適配器，音頻芯片等組件。 PCH至今仍然扮演著相同的角色，盡管現(xiàn)在它需要處理的事情更多。順帶一提，AMD Ryzen CPU實際上直接處理這些任務(wù)：它們不需要PCH /南橋，盡管大多數(shù)Zen主板都帶有一個額外的控制器，以提供更多的端口和接口。 X299芯片的內(nèi)部深處有一個稱為USB主機的部分，它包含兩個關(guān)鍵元素：USB 控制器和根集線器。前者是一個小型處理器，可以發(fā)布所有指令，管理電源傳輸?shù)取Ｏ袼写祟?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路一樣，它需要驅(qū)動程序才能運行，但是這些驅(qū)動程序幾乎總是內(nèi)置在操作系統(tǒng)中。

根集線器是將USB設(shè)備連接到計算機的主要階段，但并非每個系統(tǒng)都以這種方式設(shè)置。有時，設(shè)備會連接到其他集線器，這些集線器又會以菊花鏈的方式回到USB主機（圖像頂部的綠色框）。 最新的規(guī)范允許最多5個集線器鏈，雖然這可能聽起來不是很多，同樣的標準還規(guī)定一個USB控制器必須支持多達127個設(shè)備。如果需要連接更多，則只需添加另一個控制器——這實際上是USB 3.0標準的默認要求。 集線器和設(shè)備通過一組邏輯管道相互通信，每個連接的外圍設(shè)備最多具有32個通信通道（上游16個，下游16個）。不過，大多數(shù)只使用少數(shù)幾個，并且只在需要時才啟用它們。

（這樣的多功能設(shè)備需要來回移動大量數(shù)據(jù)。） 可以根據(jù)通信管道的工作對其進行簡單分類：發(fā)送/接收指令或傳輸數(shù)據(jù)。對于后者，使用的邏輯系統(tǒng)是單向的，而指令始終是雙向的。 例如，USB掃描儀只能將數(shù)據(jù)發(fā)送到集線器，而打印機只能接收數(shù)據(jù)。硬盤驅(qū)動器，網(wǎng)絡(luò)攝像頭和其他多功能設(shè)備兩者兼有，因此將有更多活動的管道在運行。 那么所有的這些信息是如何傳輸？ 在USB 1.0到2.0的情況下，只需使用2條線即可完成，這明顯少于舊的并行端口。

（USB 2.0引腳——接地，數(shù)據(jù)對，電源） 該規(guī)格的連接器包含4個引腳：一個用于5伏電源，兩個用于數(shù)據(jù)，另一個則用于接地。5 V引腳提供了操作連接器中的電子設(shè)備和設(shè)備本身所需的所有電流，但最高限制為：

USB 2.0 = 2.5 W

USB 3.0/3.1 = 4.5 W

USB 3.2/4 = 7.5 W

通過USB 2.0或更高版本，或通過電池充電或供電模式來突破這些限制。這樣使用時，數(shù)據(jù)無法傳輸，但可以提供更多的電能——這是傳統(tǒng)端口永遠無法做到的。 數(shù)據(jù)線采用差對(differential pair)的方式工作——它們兩端的電壓模式為主機控制器提供比特流。將設(shè)備插入USB端口后，控制器會拾取一個數(shù)據(jù)引腳上的電壓變化，這將啟動一個稱為設(shè)備枚舉的過程。首先要復(fù)位外設(shè)，以防止其處于錯誤狀態(tài)，然后控制器會讀取所有相關(guān)信息（例如設(shè)備類型和最大數(shù)據(jù)速度）。 USB設(shè)備屬于許多類別之一，每個類別都有一個設(shè)置代碼——例如，藍牙適配器屬于無線適配器類別，而具有力反饋的steering wheel則屬于物理接口設(shè)備。

了市場當中。最初是為外部硬盤驅(qū)動器和CD刻錄機之類的設(shè)備而設(shè)置的，多年來，它已擴展到包括閃存棒，數(shù)碼相機和智能手機——后者的存儲容量有了巨大的增長，且通常使用USB連接將文件傳輸?shù)接嬎銠C中。 一次只能管理一臺設(shè)備（因此它是串行總線），但是控制器可以在它們之間快速切換，這就讓人感覺它們是在同一時間處理的。例如，雖然總線的速度不如SATA接口，但是使用USB驅(qū)動器的計算機可以從它們啟動，也可以從設(shè)備上運行便攜式應(yīng)用程序，而無需安裝它們。 說到速度，讓我們深入了解一下通信系統(tǒng)的這個方面。

野蠻發(fā)展的年代

在USB 1.0規(guī)范的早期草案中，接口中的數(shù)據(jù)線設(shè)計為僅以一種速度運行：5 MHz。由于線路成對工作，因此總線本身為1位寬，因此最大帶寬為每秒5 Mbit（或640 kB / s）。 這是對傳統(tǒng)串行端口所進行的巨大改進，但與在ECP模式（20 Mbits / s）中配置的并行端口所取得的進步相比，它的進步卻要小得多。當時，達到這種速度排除了許多非常簡單的設(shè)備（例如鼠標和鍵盤），因此，該規(guī)范擴展為以兩種時鐘速率下進行工作，從而提供1.5 Mbit / s或2 Mbits / s的數(shù)據(jù)速率。由于在規(guī)范當中沒有明確的表述，因此，設(shè)計師將之命名為低速和全速。 當USB 2.0在2001年定版時，總線提供了一個市場非常需要的更高的時鐘速率，峰值帶寬為480 Mbit / s——還有什么比“全速”更快呢?當然是高速。7年后，當3.0版本出現(xiàn)時，這種命名混亂達到了頂峰。

（用于1.1 / 2.0的4個引腳和用于3.0的5個數(shù)據(jù)引腳（背面）） 傳統(tǒng)的兩條數(shù)據(jù)線所提供的帶寬已達到了其最大容量，而繼續(xù)提高帶寬的唯一方法就是增加更多的引腳。最初的USB設(shè)計考慮到了這種變化，這就是為什么接口都是相對寬敞和整潔的原因。 這些額外的引腳使數(shù)據(jù)可以同時雙向流動（即雙工模式），理論峰值帶寬為每秒5 Gbits，是原始規(guī)格的400倍以上。由于這些通道位于舊通道上方的空間中，因此USB 3.0保留了完全的向后兼容性。 然后接下來的發(fā)展就變得很迷幻... 3.1版于2013年推出，擁有更快的數(shù)據(jù)通道（10 Gbits / s），但由于某種原因，該版本被標記為USB 3.1 Gen 2。為什么是第二代？因為3.0被重命名為3.1 Gen 1。 當USB 3.2規(guī)范在5年后問世時，幫助制定并同意USB標準的組織決定3.2更強大的功能（最高20 Gbits / s）需要重新命名：

USB 3.1 Gen 1 -->USB Gen 3.21x1

USB 3.1 Gen 2 -->USB Gen 3.22x1

新系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上有兩個版本：Gen 3.2 1x2和2x2，其中兩組數(shù)據(jù)線并行使用。有了這么多不同的規(guī)格和速度，您會認為會有一個固定的標準來幫助識別他們。但我們都錯了——看看Gigabyte主板的背板：

總共有10個USB端口，涵蓋了3.2版規(guī)范的兩個不同版本和兩種類型的連接器（稍后將對此進行詳細介紹）。顏色編碼和Gigabyte自己的網(wǎng)站都沒有確切告訴您它是哪個版本——它們都被標記為USB 3.2，但是為什么有些是藍色而有些是紅色？ 制造商可以使用官方標識來表明它是哪個版本，但由于這些標識的使用沒有被強制執(zhí)行，因此它們很少被使用。去年的另一項重命名活動(廠家被推薦使用 SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等)只是強調(diào)了USB變得多么令人困惑。 當USB4（不是錯字，不是USB 4.0）在2019年推出時，人們希望事情會變得更加清楚。不幸的是，事實并非如此，盡管幾乎看不到USB4設(shè)備，但可以肯定的是，由于出現(xiàn)了更多支持不同速度的標準，使得這種混亂持續(xù)了下去。

像A，B，C一樣容易嗎？

在設(shè)計USB時，工程師希望使系統(tǒng)盡可能地簡單，不必要將時間浪費在嘗試配置一切的事情上。這個概念在接口的格式中得到體現(xiàn)——一種形狀用于USB主機，另一種形狀用于所連接的設(shè)備。它們最終被稱為Type A和Type B。

（ Type A（左）和 Type B（右）。資料來源：Lindy） 其背后的想法是使用戶可以清楚地知道線纜的哪一端將連接到哪里。但不幸的是，設(shè)計人員還希望該系統(tǒng)的實施成本盡可能低，而Type A的設(shè)計有時會很難插入。 第一代USB的另一個問題是，對于小型設(shè)備（例如媒體播放器和移動電話），Type B插頭太大了。因此，在1998年發(fā)布1.1版時，引入了縮小的版本，稱為Mini-A和Mini-B。盡管它們也因其脆弱而聞名，但它們很快被手機和平板電腦采用了。 但當智能手機制造商開始追求更輕薄的設(shè)備時，這些設(shè)備也太大了。USB 2.0的出現(xiàn)解決了這個問題，它不僅提供了更快的速度，而且還提供了Micro-A和B連接器。

（Baby micro-B next to Big Daddy Type A. Source:Lindy） USB 2.0還提供了Micro-AB接口(可以插micro-A和micro-B)，雖然USB 3.0的Type A接口可以向后兼容USB 2.0，但Type B接口卻不能——它無法插入2.0的Type B接口。 另外一方面，相同規(guī)格的Micro-B SuperSpeed連接器也有些笨重，無法達到``微型''的效果。

（The dysfunctional family of older USB connectors. Source:Wikipedia） 所有這些變化都是為了追求更多的性能（您可以清楚地看到USB 3.0中的額外數(shù)據(jù)引腳），通過不斷增加產(chǎn)品種類來豐富整個體系，即眾所周知的USB Implementers Forum(USB-IF)。 顯然，我們需要更好的東西...... 制造商和消費者都希望有一個小巧的連接器，它對于主機和設(shè)備來說都是一樣的，并且還能提供更好的性能。因此，隨著USB 3.1（單獨開發(fā)）一起，USB-C插頭誕生了。 它不僅代替了對不同A / B接口的要求，還可以按任何方向插入，并且可用于USB以外的連接系統(tǒng)（例如DisplayPort，HDMI和Thunderbolt）。

USB-C連接器的數(shù)據(jù)線比USB 3.0 Type A（對不起，USB 3.2 SuperSpeed）要多得多——其中兩個完全專用于USB 2.0支持，另外四組差分對提供雙向通信。這些變化在最新規(guī)范中提供了高達40 Gbits / s的帶寬。 有了USB4，與傳統(tǒng)接口的聯(lián)系就永遠被拋棄了——要么使用USB-C，要么就什么都不用了——但在我們告別PC和其他設(shè)備上的Type A接口之前，還需要很多年。

USB的一路成長

明年，USB就25歲了，雖然最新版本的USB與最初的設(shè)計只有一些相似之處，但它的基本前提仍然適用:即插即用。每一個規(guī)范修訂都提供了更好的性能(版本4比1.1快3000倍以上)，并能夠為設(shè)備提供更高的功率(目前功率輸送模式下的功率可達100瓦)。 但是為什么USB持續(xù)了這么長時間？有沒有更好的辦法可以提供更多的帶寬或功率？簡單來說并沒有，或者至少現(xiàn)在不是。 十年前，英特爾發(fā)布了Thunderbolt。當時，它肯定比USB 3.0更具吸引力，具有更大的帶寬和更大的靈活性。但是，最新版本仍使用了USB-C連接器，而放棄了其原來的專有接口，并具有與USB4相同的最大帶寬。它仍然提供更多功能，例如能夠提供更多的功率來運行設(shè)備，但它不會很快就能取代USB。

（那是USB-C連接器，但它實際上是Thunderbolt線纜） 還有IEEE 1394（更好地稱為FireWire）——像Thunderbolt一樣，它提供了比USB 2.0和3.0更好的性能，但是由于后者的規(guī)范已經(jīng)進行了更新以改進這些方面，F(xiàn)ireWire(以及Thunderbolt)提供的主要優(yōu)勢是以標準的形式出現(xiàn)的。 USB對系統(tǒng)供應(yīng)商和制造商的吸引力的一部分在于它的相對開放的規(guī)范。與Thunderbolt和FireWire不同的是，它可以制作一個“USB 3.2”線纜并以此銷售，但并不完全符合規(guī)格中的所有細節(jié)。例如，它可能不支持全部帶寬或提供可用的最大功率。 雖然這使得這些產(chǎn)品的制造和購買都很便宜，但當你真正需要線纜的時候，這確實意味著它是一個潛在的雷區(qū)。USB提供了多種傳輸速度和電源模式，這讓問題變得更加復(fù)雜——在可預(yù)見的未來，這種情況將會出現(xiàn)

但是，盡管存在松散的標準、令人困惑的命名方案和多種類型接口的缺陷，但是，USB仍然像以前一樣無處不在。幾乎每個計算機外設(shè)都用它連接到主機上——即使是無線的，也幾乎肯定會使用USB dongle。 也許終有一天USB將會被其他技術(shù)所取代，但就目前的市場情況而言，合理的價格和簡單的訴求和持續(xù)不斷的改進是促使USB前進的動力。USB確實是一個忠實的老朋友。

責(zé)任編輯：xj

原文標題：忠實的老朋友 USB

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