本文来自微信民众号：半导体行业考察（ID：icbank），作者：techspot，题图来自：pixabay

在已往25当中，USB在为电子产物提供毗邻和供电的历程中扮演着主要的角色。随着时间的推移，USB接口发生了转变，但无论用户使用了哪种USB，主机总是能够识别出其所毗邻的装备是什么。

但这到底是怎么发生的呢?它若何知道何时毗邻了鼠标而不是打印机?USB 2.0和USB 3.2的SuperSpeed有什么区别?

在这里，我们将为您先容USB的内部事情原理，以及为什么USB能够镌汰其他手艺而被市场所青睐。

即插即用

故事要从20世纪90年月提及，那时，USB还没有泛起。在谁人时代，飞跃处置器是最盛行的选择，Windows系统是3.1版本，个人电脑照样米色的。那时还没有无线毗邻和云服务，因此打印、复制照片或使用外部存储都需要接纳物理毗邻的方式毗邻到电脑上。

与当今的PC差别，30年前的计算机配备了大量差别的接口和通讯系统。由于每个接口的差异和局限性，使得毗邻并不顺遂。

1个DE-15 VGA插槽，2个DE-9串行端口和1个DB-25并行端口以及2个PS/2毗邻器，泉源：Recycled Goods

鼠标和键盘险些总是使用串行PS/2端口，每个端口都有专用的6针接口。打印机和扫描仪通过25针毗邻器毗邻到并行端口，而其他所有端口则通过经典串行端口毗邻。

若是不小心将鼠标插入键盘接口中会泛起什么情形？由于PC不知道插入了错误的装备，因此它基本无法事情。实际上，这些端口并不能识别出来它所毗邻的装备，用户必须告诉电脑它是什么，然后手动为它安装准确的驱动程序。

若是一切顺遂，在安装驱动程序后快速重启，便可以正常运行。但通常情形下，PC用户需要深入研究Windows的控制面板或主板的BIOS，以使其顺遂运行。

九十年月实验毗邻外围装备的PC用户熟悉的情景。资料泉源：WinWorld

消费者自然希望有更好的器械，即所有外设都可以通过一个接口来运行。您可以在无需重新启动机械的情形下举行插拔，同时，还可以立刻识别和设置其所毗邻的装备。

系统供应商也想要一些更通用的器械，以取代对大量差别接口的需求，并降低生产成本。在保持向后兼容性的同时，还需要在以后的岁月中有开发和改善的空间。

这样看来，那时的需求很简朴。

同心协力的时刻

在计算机的天下中，行业企业联合起来将会发生伟大的能量，来造福整个社会。1994年，Intel，Microsoft，IBM，Compaq，DEC和Nortel一致以为这是建立一种新的毗邻系统的时刻了，因此，这些企业配合建立了一个同盟，来知足市场的愿望和需求。

英特尔向导了这项手艺的开发，Ajay Bhatt成为了项目的主架构师——他还为AGP（加速图形端口）和PCI Express做了同样的事情。在短短两年的时间里，一个完整的规范公布了，同时公布的另有控制芯片。

这样就诞生了通用串行总线——作为串行、并行和PS/2端口的替代品。它拥有清洁、简朴的设计和精彩的性能。然而，新系统的应用在一最先推进的很缓慢，直到1998年1.1版本公布，一切才真正最先。

资料泉源：微软

这个版本的改动相当小，主要是关于电源治理和装备兼容性，这并不是促使USB被市场接纳的主要缘故原由。其主要缘故原由是，微软在1997年秋天的一次更新中在Windows 95添加了USB 1.1支持，这才使得USB有了生长的机遇。

微软还大力推广了“ 即插即用 ” 一词，即PC的设计理念和系统要求，旨在消除设置计算机和外围装备的庞大性。只管不是最壮大的系统，但USB照样它的理想之选。

苹果的全身心投入对USB的推广起到了最显著的效果，昔时，其公布的产物震撼了整个PC行业。

苹果的第一台iMac。资料泉源：维基百科

第一代iMac于1998年8月推出，它既鲜明又勇敢，是第一批所谓的“无传统”的PC之一。该术语用来示意计算机避开了所有旧端口和装备：其所接纳的都是最新的硬件。只管一最先它并没有受到批评者的迎接，但它继续大量销售——它的普及使USB很好地进入了市场，只管他比基于Windows的同类计算机出售早了几年。

USB规范举行了多次修订，其中主要的修订是2001年的2.0、2008年的3.0以及去年公布的最新规范（4.0）。这些我们稍后会再讲。现在，让我们看一下通用串行总线的实际事情原理，以及它能取代其他系统的缘故原由。

外观很简朴

让我们首先看一下典型PC中毗邻的总体布局。

下图显示了Intel X299 Skylake-X系统中的种种装备若何相互通讯：

PCH的平台控制器中枢。资料泉源：Intel

如上图所示，左下方的USB接口可以直接毗邻到Intel称为PCH的平台控制器中枢。在USB首次泛起的日子里，这种芯片通常称为南桥（Southbridge），它可以治理指令和数据流向硬盘，网络适配器，音频芯片等组件。

PCH至今仍然扮演着相同的角色，只管现在它需要处置的事情更多。顺带一提，AMD Ryzen CPU实际上直接处置这些义务：它们不需要PCH/南桥，只管大多数Zen主板都带有一个分外的控制器，以提供更多的端口和接口。

X299芯片的内部深处有一个称为USB主机的部门，它包罗两个要害元素：USB 控制器和根集线器。前者是一个小型处置器，可以公布所有指令，治理电源传输等。像所有此类集成电路一样，它需要驱动程序才气运行，然则这些驱动程序险些总是内置在操作系统中。

根集线器是将USB装备毗邻到计算机的主要阶段，但并非每个系统都以这种方式设置。有时，装备会毗邻到其他集线器，这些集线器又会以菊花链的方式回到USB主机（图像顶部的绿色框）。

最新的规范允许最多5个集线器链，虽然这可能听起来不是许多，同样的尺度还划定一个USB控制器必须支持多达127个装备。若是需要毗邻更多，则只需添加另一个控制器——这实际上是USB 3.0尺度的默认要求。

集线器和装备通过一组逻辑管道相互通讯，每个毗邻的外围装备最多具有32个通讯通道（上游16个，下游16个）。不外，大多数只使用少数几个，而且只在需要时才启用它们。

可以凭据通讯管道的事情对其举行简朴分类：发送/吸收指令或传输数据。对于后者，使用的逻辑系统是单向的，而指令始终是双向的。

例如，USB扫描仪只能将数据发送到集线器，而打印机只能吸收数据。硬盘驱动器，网络摄像头和其他多功效装备两者兼有，因此将有更多流动的管道在运行。

那么所有的这些信息是若何传输？

在USB 1.0到2.0的情形下，只需使用2条线即可完成，这显著少于旧的并行端口。

USB 2.0引脚——接地，数据对，电源

该规格的毗邻器包罗4个引脚：一个用于5伏电源，两个用于数据，另一个则用于接地。5 V引脚提供了操作毗邻器中的电子装备和装备自己所需的所有电流，但最高限制为：

• USB 2.0 = 2.5 W

• USB 3.0/3.1 = 4.5 W

• USB 3.2/4 = 7.5 W

通过USB 2.0或更高版本，或通过电池充电或供电模式来突破这些限制。这样使用时，数据无法传输，但可以提供更多的电能——这是传统端口永远无法做到的。

数据线接纳差对（differential pair）的方式事情——它们两头的电压模式为主机控制器提供比特流。将装备插入USB端口后，控制器会拾取一个数据引脚上的电压转变，这将启动一个称为装备枚举的历程。首先要复位外设，以防止其处于错误状态，然后控制器会读取所有相关信息（例如装备类型和最大数据速率）。

USB装备属于许多种别之一，每个种别都有一个设置代码——例如，蓝牙适配器属于无线适配器种别，而具有力反馈的steering wheel则属于物理接口装备。

最初是为外部硬盘驱动器和CD刻录机之类的装备而设置的，多年来，它已扩展到包罗闪存棒，数码相机和智能手机——后者的存储容量有了伟大的增进，且通常使用USB毗邻将文件传输到计算机中。

一次只能治理一台装备（因此它是串行总线），然则控制器可以在它们之间快速切换，这就让人感受它们是在同一时间处置的。例如，虽然总线的速率不如SATA接口，然则使用USB驱动器的计算机可以从它们启动，也可以从装备上运行便携式应用程序，而无需安装它们。

说到速率，让我们深入领会一下通讯系统的这个方面。

野蛮生长的年月

在USB 1.0规范的早期草案中，接口中的数据线设计为仅以一种速率运行：5 MHz。由于线路成对事情，因此总线自己为1位宽，因此最大带宽为每秒5 Mbit（或640 kB/s）。

这是对传统串行端口所举行的伟大改善，但与在ECP模式（20 Mbits/s）中设置的并行端口所取得的提高相比，它的提高却要小得多。那时，到达这种速率排除了许多异常简朴的装备（例如鼠标和键盘），因此，该规范扩展为以两种时钟速率下举行事情，从而提供 1.5 Mbit/s或 2 Mbits/s的数据速率。由于在规范当中没有明确的表述，因此，设计师将之命名为低速和全速。

当USB 2.0在2001年定版时，总线提供了一个市场异常需要的更高的时钟速率，峰值带宽为 480 Mbit/s——另有什么比“全速”更快呢？当然是高速。7年后，当3.0版本泛起时，这种命名杂乱到达了巅峰。

用于1.1 / 2.0的4个引脚和用于3.0的5个数据引脚

传统的两条数据线所提供的带宽已到达了其最大容量，而继续提高带宽的唯一方式就是增添更多的引脚。最初的USB设计思量到了这种转变，这就是为什么接口都是相对宽敞和整齐的缘故原由。

这些分外的引脚使数据可以同时双向流动（即双工模式），理论峰值带宽为每秒5 Gbits，是原始规格的400倍以上。由于这些通道位于旧通道上方的空间中，因此USB 3.0保留了完全的向后兼容性。

然后接下来的生长就变得很迷幻……

3.1版于2013年推出，拥有更快的数据通道（10 Gbits/s），但由于某种缘故原由，该版本被标记为USB 3.1 Gen 2。为什么是第二代？由于3.0被重命名为3.1 Gen 1。

当USB 3.2规范在5年后问世时，辅助制订并赞成USB尺度的组织决议3.2更壮大的功效（最高 20 Gbits/s）需要重新命名：

• USB 3.1 Gen 1 —— USB Gen 3.2 1×1

• USB 3.1 Gen 2 —— USB Gen 3.2 2×1

新系统在此基础上有两个版本：Gen 3.2 1×2和2×2，其中两组数据线并行使用。有了这么多差别的规格和速率，您会以为会有一个牢固的尺度来辅助识别他们。但我们都错了——看看Gigabyte主板的背板：

总共有10个USB端口，涵盖了3.2版规范的两个差别版本和两种类型的毗邻器（稍后将对此举行详细先容）。颜色编码和Gigabyte自己的网站都没有确切告诉您它是哪个版本——它们都被标记为USB 3.2，然则为什么有些是蓝色而有些是红色？

制造商可以使用官方标识来解释它是哪个版本，但由于这些标识的使用没有被强制执行，因此它们很少被使用。去年的另一项重命名流动(厂家被推荐使用 SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等)只是强调了USB变得何等令人困惑。

当USB4（不是错字，不是USB 4.0）在2019年推出时，人们希望事情会变得加倍清晰。不幸的是，事实并非如此，只管险些看不到USB4装备，但可以一定的是，由于泛起了更多支持差别速率的尺度，使得这种杂乱连续了下去。

像A、B、C一样容易吗？

在设计USB时，工程师希望使系统尽可能地简朴，不必要将时间虚耗在实验设置一切的事情上。这个概念在接口的花样中获得体现——一种形状用于USB主机，另一种形状用于所毗邻的装备。它们最终被称为Type A和Type B。

Type A（左）和 Type B（右）。资料泉源：Lindy

其背后的想法是使用户可以清晰地知道线缆的哪一端将毗邻到哪里。但不幸的是，设计职员还希望该系统的实行成本尽可能低，而Type A的设计有时会很难插入。

第一代USB的另一个问题是，对于小型装备（例如媒体播放器和移动电话），Type B插头太大了。因此，在1998年公布1.1版时，引入了缩小的版本，称为Mini-A和Mini-B。只管它们也因其懦弱而著名，但它们很快被手机和平板电脑接纳了。

但当智能手机制造商最先追求更轻薄的装备时，这些装备也太大了。USB 2.0的泛起解决了这个问题，它不仅提供了更快的速率，而且还提供了Micro-A和B毗邻器。

（Baby micro-B next to Big Daddy Type A. Source: Lindy）

USB 2.0还提供了Micro-AB接口（可以插micro-A和micro-B），虽然USB 3.0的Type A接口可以向后兼容USB 2.0，但Type B接口却不能——它无法插入2.0的Type B接口。

另外一方面，相同规格的Micro-B SuperSpeed毗邻器也有些粗笨，无法到达``微型''的效果。

The dysfunctional family of older USB connectors. 资料泉源：Wikipedia

所有这些转变都是为了追求更多的性能（您可以清晰地看到USB 3.0中的分外数据引脚），通过不停增添产物种类来厚实整个系统，即众所周知的USB Implementers Forum（USB-IF）。

显然，我们需要更好的器械……

制造商和消费者都希望有一个小巧的毗邻器，它对于主机和装备来说都是一样的，而且还能提供更好的性能。因此，随着USB 3.1（单独开发）一起，USB-C插头诞生了。

它不仅取代了对差别A/B接口的要求，还可以按任何偏向插入，而且可用于USB以外的毗邻系统（例如DisplayPort，HDMI和Thunderbolt）。

USB-C毗邻器的数据线比USB 3.0 Type A（对不起，USB 3.2 SuperSpeed）要多得多——其中两个完全专用于USB 2.0支持，另外四组差分对提供双向通讯。这些转变在最新规范中提供了高达 40 Gbits/s的带宽。

有了USB4，与传统接口的联系就永远被抛弃了——要么使用USB-C，要么就什么都不用了——但在我们告辞PC和其他装备上的Type A接口之前，还需要许多年。

USB的一起发展

明年，USB就25岁了，虽然最新版本的USB与最初的设计只有一些相似之处，但它的基本前提仍然适用:即插即用。每一个规范修订都提供了更好的性能（版本4比1.1快3000倍以上），并能够为装备提供更高的功率（现在功率运送模式下的功率可达100瓦）。

然则为什么USB连续了这么长时间？有没有更好的设施可以提供更多的带宽或功率？简朴来说并没有，或者至少现在不是。

十年前，英特尔公布了Thunderbolt。那时，它一定比USB 3.0更具吸引力，具有更大的带宽和更大的灵活性。然则，最新版本仍使用了USB-C毗邻器，而放弃了其原来的专有接口，并具有与USB4相同的最大带宽。它仍然提供更多功效，例如能够提供更多的功率来运行装备，但它不会很快就能取代USB。

说是USB-C毗邻器，但它实际上是Thunderbolt线缆

另有IEEE 1394（更好地称为FireWire）——像Thunderbolt一样，它提供了比USB 2.0和3.0更好的性能，然则由于后者的规范已经举行了更新以改善这些方面，FireWire（以及Thunderbolt）提供的主要优势是以尺度的形式泛起的。

USB对系统供应商和制造商的吸引力的一部门在于它的相对开放的规范。与Thunderbolt和FireWire差别的是，它可以制作一个“USB 3.2”线缆并以此销售，但并不完全符合规格中的所有细节。例如，它可能不支持所有带宽或提供可用的最大功率。

虽然这使得这些产物的制造和购置都很廉价，但当你真正需要线缆的时刻，这确实意味着它是一个潜在的雷区。USB提供了多种传输速率和电源模式，这让问题变得加倍庞大——在可预见的未来，这种情形将会泛起。

然则，只管存在松散的尺度、令人困惑的命名方案和多种类型接口的缺陷，然则，USB仍然像以前一样无处不在。险些每个计算机外设都用它毗邻到主机上——即使是无线的，也险些一定会使用USB dongle。

也许终有一天USB将会被其他手艺所取代，但就现在的市场情形而言，合理的价钱和简朴的诉求和连续不停的改善是促使USB前进的动力。USB确实是一个忠实的老朋友。

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