聊聊USB
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在人類(lèi)的歷史長(cháng)河中，很少有一種技術(shù)或者傳輸標準能像USB那樣跟我們的生活息息相關(guān)，甚至到了沒(méi)有不行的地步。
USB對于今天的人們來(lái)說(shuō)，就好像是空氣，是水，是我們每天必需但是又熟視無(wú)睹的東西，沒(méi)有多少人知道它從哪來(lái)，也沒(méi)多少人關(guān)心它要往哪去，對于大多數人來(lái)說(shuō)，它平凡得不能再平凡了。
但是，在我們“電子攻城獅”的眼里，它太有趣了，它是目前使用率最高的接口，它是我們身邊林林總總電子設備之間的高速公路。
因此我們必須關(guān)注它，如果有必要，我們還不得不去了解如何才能實(shí)現它。作為一個(gè)USB開(kāi)發(fā)者（電子愛(ài)好者），接下來(lái)我會(huì )為大家揭開(kāi)USB神秘的面紗，帶大家去了解USB是怎么出現并且逐漸演化的，以及在它出現后給我們帶來(lái)了什么。
USB這三個(gè)字母只是縮寫(xiě)，其全稱(chēng)是Universal Serial Bus，翻譯成中文就是串行總線(xiàn)接口。
USB誕生于“亂世”之中，在它出現之前，各種接口層出不窮。如圖1所示，我們可以看到在老式主機（九十年代）的背部這些數量繁多的接口種類(lèi)，它們都有各自的用途，如打印機需要用并口、MODEM要使用串口、鼠標鍵盤(pán)要接PS/2口等等。
這些接口種類(lèi)多、個(gè)頭大，占用了主機相當大的空間，并且必須得安裝驅動(dòng)才能正常使用，這樣不僅給用戶(hù)造成了很大的困擾，還阻礙了電腦往小型化發(fā)展。在這種情況下，人們極其渴望有某種接口能“一統天下”，取代那些用起來(lái)非常不爽的接口。于是乎，隨著(zhù)PC硬件的發(fā)展，一種適用性廣、傳輸速度快、軟件配置簡(jiǎn)單的外部接口——USB就誕生了。
?1 老式主機背部接口
USB最早是在1994年由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC、Nortel這7個(gè)當時(shí)的行業(yè)巨頭推出，他們?yōu)榇诉€專(zhuān)門(mén)成立了USB Implementer Forum（簡(jiǎn)稱(chēng)為USB-IF）的組織，旨在推動(dòng)USB技術(shù)的發(fā)展和普及，這個(gè)組織的官方網(wǎng)址是http://www.usb.org，在開(kāi)發(fā)USB期間我都是在這個(gè)網(wǎng)站下載到官方的資料。
其后，1994年到1995年USB協(xié)議尚處在試驗期，并且在此期間歷經(jīng)了多個(gè)先行版本。1995年Intel公司內部一支負責USB標準研發(fā)的小組率先生產(chǎn)出了第一塊支持USB的集成電路板，這個(gè)小組的重要成員——Ajay Bhatt也因此被稱(chēng)為“USB之父”。
?2 Ajay Bhatt
1996年1月，USB歷史上第一個(gè)正式的版本USB 1.0終于發(fā)布，它支持兩種數據傳輸速率，一種為1.5Mb/s的低速速率（Low Speed），另一種則是12Mb/s的全速速率（Full Speed）。
但作為一種新興接口，當時(shí)支持USB接口設備較少，要知道Win95是不支持USB的。而且因為延時(shí)和供電問(wèn)題，USB 1.0接口也不支持使用延長(cháng)線(xiàn)，對比傳統的傳輸接口，USB尚未具備明顯的優(yōu)勢。
直到1998年USB 1.1標準的發(fā)布，USB才迎來(lái)了真正的春天。USB1.1著(zhù)力改進(jìn)了此前USB HUB方面的問(wèn)題，理論上最多可支持127個(gè)外部設備。
同年，Win98發(fā)布，宣布正式對USB接口提供支持。
隨后，PC歷史上具有里程碑意義的蘋(píng)果iMac G3發(fā)布，它非常激進(jìn)地使用了USB接口取代傳統的串行和并行接口。
Intel也在其主板芯片組上不斷加強對USB的支持，這些都為日后USB的普及鋪平了道路，也是從此時(shí)USB開(kāi)始逐漸被人們所接受。
?3 USB HUB
?4 iMac G3的USB接口
隨著(zhù)各種外部設備對數據傳輸速率需求的提高，USB 1.1那12Mb/s的帶寬也是越發(fā)捉襟見(jiàn)肘，在接入較多外部設備時(shí)，多個(gè)數據流同時(shí)傳輸容易引發(fā)瓶頸效應，為了解決傳輸速率問(wèn)題，USB 2.0應運而生。
USB 2.0標準在2000年正式發(fā)布，加入了40倍于原先全速速率（Full Speed）的高速速率（Hi-Speed），理論帶寬達到480Mb/s，同時(shí)也向下兼容USB1.1標準。當USB 2.0在新世紀初普及之后，有更多的東西開(kāi)始被替換。USB閃存淘汰了軟盤(pán)，也讓光盤(pán)媒介開(kāi)始退居次席。
USB 2.0讓連接外設變得可行——比如Wi-Fi適配器、光驅和以太網(wǎng)接口等等——這些之前都是需要安裝到機身內部的。
最高480Mbps的傳輸速度讓這一切都成為可能，在這一時(shí)期，USB接口開(kāi)始徹底淘汰掉了臺式機和筆記本身上的那些老接口。
然而就當USB要大展拳腳的時(shí)候，移動(dòng)設備的快速發(fā)展讓USB協(xié)議的一個(gè)致命缺點(diǎn)暴露無(wú)遺。在USB標準制定之初，所有的設備都是圍繞主機來(lái)連接的，因此并未考慮設備之間的連接，可是移動(dòng)設備恰好就非常需要這項功能。
為此，在USB2.0標準制定后不久，一個(gè)名為USB On-The-Go的補充標準就誕生了，它對于原來(lái)的USB2.0標準只是做了一點(diǎn)點(diǎn)改變，主要增加了主機協(xié)商機制，這也是為什么我們看到的USB2.0接口有5條線(xiàn)，除了2條電源線(xiàn)和2條數據傳輸線(xiàn)，另外一條就是用來(lái)協(xié)商究竟誰(shuí)來(lái)充當主機的。
?5 OTG應用
高清時(shí)代的來(lái)臨，就如當初USB1.1一樣，USB2.0 Hi-Speed 480Mb/s的傳輸速度逐漸也不能滿(mǎn)足我們的需求。于是在2008年，USB-IF又帶來(lái)了USB3.0標準，新標準將理論傳輸帶寬一下子提高到了5Gb/s。
不同于USB2.0的半雙工傳輸方式，USB3.0新增了4條線(xiàn)路，一對負責發(fā)送，一對負責接收，實(shí)現了全雙工傳輸，從而大大提高了傳輸帶寬。
帶寬的提高解決了更多的問(wèn)題，系統備份和傳輸大型視頻文件所用的時(shí)間大大減少，802.11ac或千兆以太網(wǎng)適配器的瓶頸得到了解除，從USB 3.0外置硬盤(pán)和U盤(pán)上運行操作系統也變得很平常。
從USB2.0到USB3.0的躍進(jìn)不僅體現在速率的提高上，由于兼容設備越來(lái)越多，人們對USB的供電能力有了更大的期望，因此USB3.0的供電電流從USB2.0的500mA提升到了900mA，并且伴隨著(zhù)單獨發(fā)布USB供電標準。
?6 USB3.0連接線(xiàn)橫截面模型
USB3.1，于2013年7月發(fā)布。USB3.1主要是針對USB3.0的一些不足做了改進(jìn)。首先是理論傳輸帶寬翻倍，可以和第一代雷電接口相媲美，達到了10Gb/s。其次，USB 3.1編碼方式從此前的8b/10b換成了128b/132b，帶寬損耗率從20%大幅下降到3%左右，換算之后帶寬同樣超過(guò)了1.2GB/s，這也意味著(zhù)在真實(shí)使用中USB 3.1的極限傳輸速率有望突破每秒1GB。
另外，針對USB 3.0時(shí)出現的電磁干擾問(wèn)題， USB 3.1的Type-A接口處加入了金屬屏蔽罩和更多的接地彈片，從而有效降低了對附近其他設備的干擾。
需要注意的是，USB3.1分高低兩個(gè)版本，低版本USB 3.1 Gen 1實(shí)質(zhì)上就是曾經(jīng)的USB3.0，而高版本USB 3.1 Gen 2才是新推出的能達到10Gb/s的真正意義上的USB3.1。
?7 USB歷代標準
2020年9月初，USB Promoter Group正式發(fā)布了USB4，正式書(shū)寫(xiě)名字不包含空格也沒(méi)有小數點(diǎn)，不是USB 4，也不是USB4.0。USB4規范使用雙鏈路通道，傳輸帶寬達到40Gbps，接口類(lèi)型為雙向USB-C。
USB4的新特性如下：
1. 40 Gbps的最大傳輸速度
USB4分為兩個(gè)版本，分別是USB4 20、USB4 40，分別對應20Gbps、40Gbps兩種傳輸速率。一般電腦上的USB4 均為40Gbps 版本。
2. 能夠和雷電3接口兼容
USB4相當于USB3.2+雷電3的組合，也就是說(shuō)你的設備上有USB4接口，理論上就能外接雷電3的設備。
3. 有動(dòng)態(tài)的帶寬資源分配能力
USB4整合了多個(gè)協(xié)議，可以同時(shí)支持更多設備，也可以同時(shí)用來(lái)外接顯示輸出和傳輸數據。例如，如果僅需要20%的帶寬來(lái)驅動(dòng)1080p顯示器，那么其余80%的帶寬可以用來(lái)干別的事。這在USB 3.2以及之前的時(shí)代是辦不到的。
4. USB4設備將均支持100W USB PD
USB PD就是USB Power Delivery（USB電力傳輸），是目前主流的快充協(xié)議之一，這也是由USB-IF組織制定的，該規范可實(shí)現更高的電壓和電流，輸送的功率最高可達100W，并可以自由的改變電力的輸送方向。
5. 僅可使用USB Type-C接口
USB4僅可通過(guò)USB Type-C接口運行。
6. 可以向后兼容過(guò)去的協(xié)議
USB4可兼容USB 3和USB 2的設備。也就是說(shuō)，它可以向后兼容到以前的協(xié)議標準，不過(guò)USB 1.0和1.1就不支持了，目前市面上還使用這種協(xié)議的設備已經(jīng)幾乎絕跡了。
對于USB的演化，我們能感受到的除了速度的提升，還有就是接口的改變。USB接口演化到現在已經(jīng)是種類(lèi)繁多，如果你不是“專(zhuān)業(yè)人士”，把它們擺在你面前，可能真叫不出它們的名字。
那么現在我就教你怎么識別它們。USB接口都是插頭和插座成對匹配的，插頭在USB連接線(xiàn)上，而插座在主機或者設備上。
我們接觸USB連接線(xiàn)多一些，所以后面我就只以插頭來(lái)介紹。從圖8中可以看出，在USB歷史上一共出現了10種接口。
在USB2.0時(shí)代，這些接口分為標準型、Mini型和Micro型，其中Micro型最小。
我們平時(shí)最常用的組合是USB連接線(xiàn)一端以標準Type-A接口連接電腦，而另一端以Micro-B接口連接設備。
到了USB3.0時(shí)代，由于需要額外的傳輸線(xiàn)同時(shí)又要保持對USB2.0接口的兼容，Type-A、Type-B和Micro-B分別被改造成了圖8中的形狀，我們能很明顯地看到USB2.0插頭也能插入到這些插座上。
但是接下來(lái)的Type-C是個(gè)特例，它果斷拋棄了以往USB接口的形式，不僅將接口做得非常小巧，美感十足（我相信蘋(píng)果MacBook選擇它這就是原因之一），而且可以正反插，從而使我們徹底擺脫了USB一次性插不準這個(gè)世紀難題。
?8 USB 10類(lèi)接口
?9 MacBook Type-C接口
迄今為此，USB統治PC接口已經(jīng)將近20年了，每當有新的需求產(chǎn)生時(shí)，它總是以最合適的方式重新蛻變。那么，想必大家都很好奇，USB究竟進(jìn)化出了哪些“超能力”，使之能夠從眾多的接口中脫穎而出呢？
首先，第一點(diǎn)是可擴展性，在替代了其他的接口后，接入USB接口的設備就會(huì )增多，這樣必然會(huì )出現一個(gè)問(wèn)題——接口數量不夠，怎么辦？
得益于USB的星型拓撲結構，使用USB HUB能很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。
如圖10所示，一個(gè)USB主機最多可以連接127個(gè)設備（沒(méi)誰(shuí)會(huì )同時(shí)用到這么多設備吧）。
USB HUB還有一個(gè)好處就是可以增加連接線(xiàn)的長(cháng)度，USB2.0連接線(xiàn)的最大長(cháng)度只有5米，如果中間連接上5個(gè)USB HUB，那么最多可以延長(cháng)到30米。
?10 USB拓撲結構
第二點(diǎn)是可熱插拔，即插即用，不管什么時(shí)候，只要往電腦上一插設備就能直接正常工作。在USB出現的早期，這點(diǎn)是非常重要的。
第三點(diǎn)是使用靈活方便，USB設備既可以通過(guò)USB線(xiàn)連接主機，也可以直接插在主機上，另外，USB2.0之后的版本都支持OTG功能，這意味著(zhù)USB設備之間也可以互連，例如數碼相機可以直接與打印機連接來(lái)打印照片，手機可以從U盤(pán)讀取各種文件，從而大大拓展了USB技術(shù)的應用范圍。
?11 OTG打印
?12 手機讀取U盤(pán)文件
第四點(diǎn)是速度快，USB協(xié)議最新版的USB 3.1理論最高速率達到10Gbps，這個(gè)速度對于目前的高速設備與主機交換數據已經(jīng)足夠了。USB 3.1新增USB A/V影音傳輸，最高支持4096 x 2304 @30FPS的4K顯示畫(huà)面，4K顯示的規格已和HDMI 1.4一樣，顯示器可望也能借由USB AV 3.1來(lái)顯示4K分辨率。
第五點(diǎn)是成本低，在數據爆炸的今天，不乏各種高速接口，但是相較于其他接口高昂的專(zhuān)利費，USB真的是我們這些普通百姓的福利。其實(shí)當初和USB協(xié)議同時(shí)代出現的還有FireWire（火線(xiàn)），FireWire的速度一直甩USB好幾條街，可最后FireWire還是被淘汰了。其中最大的原因就是FireWire本身成本太高，因為它需要在計算機和外設上安裝自己的控制芯片，在早期，使用FireWire這一名稱(chēng)還需要向蘋(píng)果繳納授權費。
?13 FireWire（火線(xiàn)）
第六點(diǎn)是提供電源，USB設備既可以由自身提供電源，也可以通過(guò)USB線(xiàn)纜由主機提供電源。為應對人們對電子設備功耗和續航力的需求，USB的供電能力在逐漸增強，USB3.0的電力供應從USB2.0的5V/0.5A提升到了5V/0.9A。不過(guò)這還不夠，USB-IF還專(zhuān)門(mén)發(fā)布了電力供應規范——USB Power Delivery，其最新版已經(jīng)將供電的允許標準提高到了20V/5A，這可真是手機和充電寶的福音了。
?14 手機充電寶
第七點(diǎn)，向下兼容，USB3.0（3.1）兼容USB2.0，USB2.0兼容USB1.1（1.0）。這樣帶來(lái)的好處就是舊設備仍然能夠繼續使用，減小了USB升級換代的阻力。
USB的優(yōu)點(diǎn)實(shí)在太多了，我們每天都能感受到USB帶給我們的便利。在新的時(shí)代，它還在不停地朝前發(fā)展。
目前，USB面臨兩個(gè)新的機遇。一個(gè)是大容量設備的傳輸，隨著(zhù)存儲設備比如U盤(pán)、存儲卡、移動(dòng)硬盤(pán)等等容量日益增長(cháng)，USB可以讓這些設備以更短的時(shí)間完成傳輸，更重要的是，電腦系統可以直接從這些設備啟動(dòng)運行，并且手機也可以通過(guò)USB接口來(lái)擴展存儲容量。
另一個(gè)是高帶寬需求，圖像時(shí)代的來(lái)臨對傳輸帶寬有了更高的要求，這也讓我們不得不重新思考怎么才能讓主機和設備更好地連接，USB是一個(gè)理想的選擇，它不僅擁有高達10Gb/s的帶寬，而且USB標準擴展的各種設備類(lèi)可以讓眾多的圖像傳感器直連USB主機，實(shí)時(shí)的圖像傳輸變得非常方便。
USB從一開(kāi)始就承載了人類(lèi)賦予它的使命，每當時(shí)代召喚，它總能挑起重任，一步一步朝著(zhù)更快、更方便、更簡(jiǎn)單統一的方向勇往直前。它的出現是人類(lèi)的福音，我們需要它，正如我們需要太陽(yáng)一樣。作為一名USB開(kāi)發(fā)者，我由衷地贊美它，祝愿它越走越遠。
USB連接了一切，USB正在塑造未來(lái)。
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