在過去25當(dāng)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(shí)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(jī)總是能夠識(shí)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(shí)連接了鼠標(biāo)而不是打印機(jī)?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(chǎng)所青睞。

即插即用

故事要從20世紀(jì)90年代說起，那時(shí)，USB還沒有出現(xiàn)。在那個(gè)時(shí)代，奔騰處理器是最流行的選擇，Windows系統(tǒng)是3.1版本，個(gè)人電腦還是米色的。當(dāng)時(shí)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(chǔ)都需要采用物理連接的方式連接到電腦上。

與當(dāng)今的PC不同，30年前的計(jì)算機(jī)配備了大量不同的接口和通信系統(tǒng)。由于每個(gè)接口的差異和局限性，使得連接并不順利。

鼠標(biāo)和鍵盤幾乎總是使用串行PS/2端口，每個(gè)端口都有專用的6針接口。打印機(jī)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(biāo)插入鍵盤接口中會(huì)出現(xiàn)什么情況？由于PC不知道插入了錯(cuò)誤的設(shè)備，因此它根本無法工作。實(shí)際上，這些端口并不能識(shí)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(dòng)為它安裝正確的驅(qū)動(dòng)程序。

如果一切順利，在安裝驅(qū)動(dòng)程序后快速重啟，便可以正常運(yùn)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(yùn)行。

消費(fèi)者自然希望有更好的東西，即所有外設(shè)都可以通過一個(gè)接口來運(yùn)行。您可以在無需重新啟動(dòng)機(jī)器的情況下進(jìn)行插拔，同時(shí)，還可以立即識(shí)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(duì)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(shí)，還需要在以后的歲月中有開發(fā)和改進(jìn)的空間。

這樣看來，那時(shí)的需求很簡(jiǎn)單。

同心協(xié)力的時(shí)刻

在計(jì)算機(jī)的世界中，行業(yè)企業(yè)聯(lián)合起來將會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，來造福整個(gè)社會(huì)。1994年，Intel，Microsoft，IBM，Compaq，DEC和Nortel一致認(rèn)為這是創(chuàng)建一種新的連接系統(tǒng)的時(shí)候了，因此，這些企業(yè)共同建立了一個(gè)聯(lián)盟，來滿足市場(chǎng)的愿望和需求。

英特爾領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)，Ajay Bhatt成為了項(xiàng)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(shí)間里，一個(gè)完整的規(guī)范發(fā)布了，同時(shí)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(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和出色的性能。然而，新系統(tǒng)的應(yīng)用在一開始推進(jìn)的很緩慢，直到1998年1.1版本發(fā)布，一切才真正開始。

這個(gè)版本的改動(dòng)相當(dāng)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(chǎng)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(jī)會(huì)。

微軟還大力推廣了“ 即插即用 ” 一詞，即PC的設(shè)計(jì)理念和系統(tǒng)要求，旨在消除設(shè)置計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備的復(fù)雜性。盡管不是最強(qiáng)大的系統(tǒng)，但USB還是它的理想之選。

蘋果的全身心投入對(duì)USB的推廣起到了最明顯的效果，當(dāng)年，其發(fā)布的產(chǎn)品震撼了整個(gè)PC行業(yè)。

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(jì)算機(jī)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(píng)者的歡迎，但它繼續(xù)大量銷售——它的普及使USB很好地進(jìn)入了市場(chǎng)，盡管他比基于Windows的同類計(jì)算機(jī)出售早了幾年。

USB規(guī)范進(jìn)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(huì)再講?，F(xiàn)在，讓我們看一下通用串行總線的實(shí)際工作原理，以及它能取代其他系統(tǒng)的原因。

外觀很簡(jiǎn)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(tái)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(shí)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(gè)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(gè)稱為USB主機(jī)的部分，它包含兩個(gè)關(guān)鍵元素：USB 控制器和根集線器。前者是一個(gè)小型處理器，可以發(fā)布所有指令，管理電源傳輸?shù)?。像所有此類集成電路一樣，它需要?qū)動(dòng)程序才能運(yùn)行，但是這些驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)的主要階段，但并非每個(gè)系統(tǒng)都以這種方式設(shè)置。有時(shí)，設(shè)備會(huì)連接到其他集線器，這些集線器又會(huì)以菊花鏈的方式回到USB主機(jī)（圖像頂部的綠色框）。

最新的規(guī)范允許最多5個(gè)集線器鏈，雖然這可能聽起來不是很多，同樣的標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定一個(gè)USB控制器必須支持多達(dá)127個(gè)設(shè)備。如果需要連接更多，則只需添加另一個(gè)控制器——這實(shí)際上是USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)的默認(rèn)要求。

集線器和設(shè)備通過一組邏輯管道相互通信，每個(gè)連接的外圍設(shè)備最多具有32個(gè)通信通道（上游16個(gè)，下游16個(gè)）。不過，大多數(shù)只使用少數(shù)幾個(gè)，并且只在需要時(shí)才啟用它們。

可以根據(jù)通信管道的工作對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分類：發(fā)送/接收指令或傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)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(jī)只能接收數(shù)據(jù)。硬盤驅(qū)動(dòng)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(dòng)的管道在運(yùn)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。

該規(guī)格的連接器包含4個(gè)引腳：一個(gè)用于5伏電源，兩個(gè)用于數(shù)據(jù)，另一個(gè)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(shí)，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(yuǎn)無法做到的。

數(shù)據(jù)線采用差對(duì)（differential pair）的方式工作——它們兩端的電壓模式為主機(jī)控制器提供比特流。將設(shè)備插入U(xiǎn)SB端口后，控制器會(huì)拾取一個(gè)數(shù)據(jù)引腳上的電壓變化，這將啟動(dòng)一個(gè)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(cuò)誤狀態(tài)，然后控制器會(huì)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(gè)類別都有一個(gè)設(shè)置代碼——例如，藍(lán)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。

最初是為外部硬盤驅(qū)動(dòng)器和CD刻錄機(jī)之類的設(shè)備而設(shè)置的，多年來，它已擴(kuò)展到包括閃存棒，數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)——后者的存儲(chǔ)容量有了巨大的增長(zhǎng)，且通常使用USB連接將文件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

一次只能管理一臺(tái)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(shí)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(dòng)器的計(jì)算機(jī)可以從它們啟動(dòng)，也可以從設(shè)備上運(yùn)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(gè)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(jì)為僅以一種速度運(yùn)行：5 MHz。由于線路成對(duì)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(duì)傳統(tǒng)串行端口所進(jìn)行的巨大改進(jìn)，但與在ECP模式（20 Mbits/s）中配置的并行端口所取得的進(jìn)步相比，它的進(jìn)步卻要小得多。當(dāng)時(shí)，達(dá)到這種速度排除了許多非常簡(jiǎn)單的設(shè)備（例如鼠標(biāo)和鍵盤），因此，該規(guī)范擴(kuò)展為以兩種時(shí)鐘速率下進(jìn)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(dāng)中沒有明確的表述，因此，設(shè)計(jì)師將之命名為低速和全速。

當(dāng)USB 2.0在2001年定版時(shí)，總線提供了一個(gè)市場(chǎng)非常需要的更高的時(shí)鐘速率，峰值帶寬為 480 Mbit/s——還有什么比“全速”更快呢？當(dāng)然是高速。7年后，當(dāng)3.0版本出現(xiàn)時(shí)，這種命名混亂達(dá)到了頂峰。

傳統(tǒng)的兩條數(shù)據(jù)線所提供的帶寬已達(dá)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(jì)考慮到了這種變化，這就是為什么接口都是相對(duì)寬敞和整潔的原因。

這些額外的引腳使數(shù)據(jù)可以同時(shí)雙向流動(dòng)（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(biāo)記為USB 3.1 Gen 2。為什么是第二代？因?yàn)?.0被重命名為3.1 Gen 1。

當(dāng)USB 3.2規(guī)范在5年后問世時(shí)，幫助制定并同意USB標(biāo)準(zhǔn)的組織決定3.2更強(qiáng)大的功能（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

新系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上有兩個(gè)版本：Gen 3.2 1×2和2×2，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(huì)認(rèn)為會(huì)有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)來幫助識(shí)別他們。但我們都錯(cuò)了——看看Gigabyte主板的背板：

總共有10個(gè)USB端口，涵蓋了3.2版規(guī)范的兩個(gè)不同版本和兩種類型的連接器（稍后將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)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(gè)版本——它們都被標(biāo)記為USB 3.2，但是為什么有些是藍(lán)色而有些是紅色？

制造商可以使用官方標(biāo)識(shí)來表明它是哪個(gè)版本，但由于這些標(biāo)識(shí)的使用沒有被強(qiáng)制執(zhí)行，因此它們很少被使用。去年的另一項(xiàng)重命名活動(dòng)(廠家被推薦使用 SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等)只是強(qiáng)調(diào)了USB變得多么令人困惑。

當(dāng)USB4（不是錯(cuò)字，不是USB 4.0）在2019年推出時(shí)，人們希望事情會(huì)變得更加清楚。不幸的是，事實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)USB時(shí)，工程師希望使系統(tǒng)盡可能地簡(jiǎn)單，不必要將時(shí)間浪費(fèi)在嘗試配置一切的事情上。這個(gè)概念在接口的格式中得到體現(xiàn)——一種形狀用于USB主機(jī)，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。

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(jì)人員還希望該系統(tǒng)的實(shí)施成本盡可能低，而Type A的設(shè)計(jì)有時(shí)會(huì)很難插入。

第一代USB的另一個(gè)問題是，對(duì)于小型設(shè)備（例如媒體播放器和移動(dòng)電話），Type B插頭太大了。因此，在1998年發(fā)布1.1版時(shí)，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(jī)和平板電腦采用了。

但當(dāng)智能手機(jī)制造商開始追求更輕薄的設(shè)備時(shí)，這些設(shè)備也太大了。USB 2.0的出現(xiàn)解決了這個(gè)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。

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(dá)到``微型''的效果。

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(gè)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(fèi)者都希望有一個(gè)小巧的連接器，它對(duì)于主機(jī)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(dú)開發(fā)）一起，USB-C插頭誕生了。

它不僅代替了對(duì)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(duì)不起，USB 3.2 SuperSpeed）要多得多——其中兩個(gè)完全專用于USB 2.0支持，另外四組差分對(duì)提供雙向通信。這些變化在最新規(guī)范中提供了高達(dá) 40 Gbits/s的帶寬。

有了USB4，與傳統(tǒng)接口的聯(lián)系就永遠(yuǎn)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(zhǎng)

明年，USB就25歲了，雖然最新版本的USB與最初的設(shè)計(jì)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(gè)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?yàn)樵O(shè)備提供更高的功率（目前功率輸送模式下的功率可達(dá)100瓦）。

但是為什么USB持續(xù)了這么長(zhǎng)時(shí)間？有沒有更好的辦法可以提供更多的帶寬或功率？簡(jiǎn)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(dāng)時(shí)，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(yùn)行設(shè)備，但它不會(huì)很快就能取代USB。

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(jìn)行了更新以改進(jìn)這些方面，F(xiàn)ireWire（以及Thunderbolt）提供的主要優(yōu)勢(shì)是以標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)的。

USB對(duì)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(duì)開放的規(guī)范。與Thunderbolt和FireWire不同的是，它可以制作一個(gè)“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(xì)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(gòu)買都很便宜，但當(dāng)你真正需要線纜的時(shí)候，這確實(shí)意味著它是一個(gè)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(huì)出現(xiàn)。

但是，盡管存在松散的標(biāo)準(zhǔn)、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(gè)計(jì)算機(jī)外設(shè)都用它連接到主機(jī)上——即使是無線的，也幾乎肯定會(huì)使用USB dongle。

也許終有一天USB將會(huì)被其他技術(shù)所取代，但就目前的市場(chǎng)情況而言，合理的價(jià)格和簡(jiǎn)單的訴求和持續(xù)不斷的改進(jìn)是促使USB前進(jìn)的動(dòng)力。USB確實(shí)是一個(gè)忠實(shí)的老朋友。

烽巢網(wǎng)注：本文來源于微信公眾號(hào) 半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank），作者：techspot