四分之一世紀(jì)以來，USB 端口一直是忠實(shí)的老朋友。連接我們的日常小工具和外圍設(shè)備并為其供電，我們需要做的就是將它們插入并觀看它們神奇地工作。

　　隨著時間的推移，插座（socket）發(fā)生了變化，但無論你插入什么，主機(jī)似乎總是知道設(shè)備是什么。但這究竟是如何發(fā)生的呢？它如何知道何時連接了鼠標(biāo)而不是打印機(jī)？USB 2.0 和 USB 3.2 SuperSpeed 之間有什么區(qū)別？

　　歡迎來到我們的 USB 內(nèi)部工作解釋器，看看它是如何在其他人來來去去的情況下存活這么久的。

　　鼠標(biāo)和鍵盤幾乎總是使用串行PS/2端口，每個端口都有一個專用的 6 針端口。打印機(jī)和掃描儀通過 25 針連接器連接到并行端口，其他一切都通過經(jīng)典串行端口連接。

　　如果您不小心將鼠標(biāo)插入鍵盤插槽怎么辦？它只是行不通，因?yàn)?PC 不知道插入了錯誤的設(shè)備。事實(shí)上，這些接口都無法識別設(shè)備是什么：本質(zhì)上，你會告訴計算機(jī)它是什么，然后手動為其安裝正確的驅(qū)動程序。

　　如果一切順利，在驅(qū)動程序安裝后，快速重啟和一點(diǎn)運(yùn)氣，這就是讓一切正常運(yùn)行所需的一切。不過，通常情況下，PC 用戶需要深入研究 Windows 的控制面板或主板 BIOS 才能使其順利運(yùn)行。

　　自然地，消費(fèi)者想要更好的東西：可以這么說，“一個端口來統(tǒng)治他們”。一個插座，您可以將設(shè)備插入和拔出，而無需重新啟動機(jī)器，并且可以立即為您識別和配置設(shè)備。

　　系統(tǒng)供應(yīng)商也想要更通用的東西，以取代對許多不同插座的需求，并且生產(chǎn)成本更低。多年來，它還需要有待開發(fā)和改進(jìn)的范圍，同時保持向后兼容性。

　　所以，那時要求不高。

　　通用串行總線：難得的統(tǒng)一時刻

　　在計算世界中，行星偶爾會對齊并啟動一個和諧的生產(chǎn)力時期，造福于每個人。這樣的事件發(fā)生在 1994 年，當(dāng)時 Intel、Microsoft、IBM、Compaq、DEC 和 Nortel 組成了一個聯(lián)盟，一致認(rèn)為是時候創(chuàng)建一個新的連接系統(tǒng)來滿足每個人的愿望和需求了。

　　英特爾帶頭進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，Ajay Bhatt 成為該項目的主要架構(gòu)師——他將繼續(xù)為AGP（加速圖形端口）和PCI Express做同樣的事情。在兩年的時間里，發(fā)布了完整的規(guī)范，以及控制這一切的芯片。

　　通用串行總線作為串行、并行和 PS/2 端口的替代品而誕生。它以干凈、簡單的設(shè)計而自豪，并提供了很多性能。新系統(tǒng)一開始采用緩慢，直到 1998 年發(fā)布 1.1 版才真正起飛。

　　修訂版中的更改相當(dāng)小，主要是關(guān)于電源管理和設(shè)備兼容性，但這并不是啟動 USB 應(yīng)用的原因。相反，微軟在 1997 年秋季通過更新將 USB 1.1 支持添加到 Windows 95 中。

　　微軟還大力宣傳“即插即用”這一短語——一種旨在消除設(shè)置計算機(jī)和外圍設(shè)備的復(fù)雜性的 PC 設(shè)計理念和系統(tǒng)要求。雖然不是最強(qiáng)大的系統(tǒng)，但 USB 是它的完美典范。

　　但是，USB 最大的廣告來自于蘋果決定全心投入，并發(fā)布了一款將撼動整個 PC 行業(yè)的產(chǎn)品。

　　最初的 iMac于 1998 年 8 月推出，明亮而大膽，是首批所謂的“無遺留” PC 之一。該術(shù)語用于表示該機(jī)器避開了所有舊端口和設(shè)備：其中的所有內(nèi)容都將是最新的硬件。雖然它一開始并沒有受到評論家的歡迎，但它繼續(xù)大量銷售——它的流行使 USB 真正地出現(xiàn)在地圖上，盡管 Windows 計算機(jī)在沒有任何讓步的情況下還需要銷售很多年到過去的接口。

　　USB 規(guī)范繼續(xù)進(jìn)行了多次修訂，主要修訂版是 2001 年的 2.0、2008 年的 3.0 和 2022 年發(fā)布的最新 4.0 規(guī)范。但我們稍后會回過頭來討論。

　　現(xiàn)在，讓我們看一下 USB 的實(shí)際工作原理。

　　只是外表很簡單：USB 的工作原理

　　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 Z790 Raptor Lake 系統(tǒng)中的各種設(shè)備如何相互通信：

　　您可以在圖表的左下部分看到 USB 端口，它們直接連接到英特爾所謂的 PCH：平臺控制器集線器。在 USB 剛出現(xiàn)的時候，這種芯片通常被稱為南橋，它管理指令和數(shù)據(jù)流向硬盤驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)適配器、音頻芯片等組件。

　　PCH 仍然扮演同樣的角色，盡管現(xiàn)在它有更多的事情要處理。順便說一句，AMD Ryzen CPU 實(shí)際上可以直接處理這些任務(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插座。

　　在 X299 芯片的硅內(nèi)臟深處是一個稱為USB 主機(jī)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，負(fù)責(zé)發(fā)出所有指令、管理電源傳輸?shù)取Ｏ袼写祟惣呻娐芬粯?，它需要?qū)動程序才能運(yùn)行，但這些驅(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(jī)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)備連接到其他集線器，這些集線器又以菊花鏈方式返回到 USB 主機(jī)（圖像頂部的綠色框）。

　　最新規(guī)范允許最多 5 個集線器鏈，雖然這聽起來可能不多，但相同的標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定單個 USB 控制器必須支持最多 127 個設(shè)備。需要更多？然后只需添加另一個控制器——這實(shí)際上是 USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)中的默認(rèn)要求。

　　集線器和設(shè)備通過一組邏輯管道相互通信，每個連接的外圍設(shè)備最多有 32 個通信通道（16 個上游，16 個下游）。不過，大多數(shù)只使用少數(shù)幾個，并且會在需要時啟用它們。

　　管道可以根據(jù)它們正在做的事情簡單地分類：發(fā)送/接收指令或傳輸數(shù)據(jù)。在后者的情況下，所使用的邏輯系統(tǒng)只向一個方向發(fā)送，而指令總是雙向的。

　　例如，USB 掃描儀只會將數(shù)據(jù)發(fā)送到集線器，而打印機(jī)只會接收數(shù)據(jù)。硬盤驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭和其他多功能設(shè)備兩者兼而有之，因此將有更多活躍的管道工作。

　　那么所有這些信息是如何傳輸?shù)哪兀?/p>

　　在 USB 1.0 到 2.0 的情況下，僅使用 2 根電線即可完成，這明顯少于舊的并行端口之類的電線。

　　此規(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)，一個接地。5 V 引腳提供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，最高可達(dá)以下限制：

　　USB 2.0 = 2.5 瓦

　　USB 3.0/3.1 = 4.5 瓦

　　USB 3.2/4 = 7.5 瓦

　　通過電池充電或供電模式，USB 2.0 或更高版本可以繞過這些限制。像這樣使用時，無法傳輸任何數(shù)據(jù)，但可以提供更多的電力——這是舊端口永遠(yuǎn)做不到的。

　　數(shù)據(jù)線作為差分對工作——它們之間的電壓模式為主機(jī)控制器提供位流。當(dāng)設(shè)備插入 USB 插座時，控制器會檢測到其中一個數(shù)據(jù)引腳上的電壓變化，這會啟動一個稱為設(shè)備枚舉的過程。首先重置外圍設(shè)備，以防止其處于不正確的狀態(tài)，然后控制器讀取所有相關(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，每個類別都有一個固定代碼——例如，藍(lán)牙適配器屬于無線適配器類別，而帶有力反饋的方向盤是物理接口設(shè)備。

　　一個非常重要的組是大容量存儲類。最初是為外部硬盤驅(qū)動器和 CD 刻錄機(jī)之類的設(shè)備而設(shè)置的，多年來它已經(jīng)擴(kuò)展到包括閃存棒、數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)——后者的存儲容量有了巨大的增長，并且通常使用 USB 連接來連接將文件傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。

　　一次只能管理一個設(shè)備（因此它是串行總線），但控制器可以非?？焖俚卦谒鼈冎g切換，給人一種它們都在同時處理的印象。雖然總線不如 SATA 接口快，例如，使用 USB 驅(qū)動器的計算機(jī)可以從它們啟動，也可以在設(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，讓我們深入探討通信系統(tǒng)的這一方面。

　　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(yùn)行：5 MHz。由于線路成對工作，總線為 1 位寬，提供每秒 5 Mbits（或 640 kB/s）的最大帶寬。

　　這是對古老的串行端口的巨大改進(jìn)，但低于配置為 ECP 模式 (20 Mbits/s) 的并行端口所能達(dá)到的效果。然而，在當(dāng)時，這種速度會排除很多非常簡單的設(shè)備，例如鼠標(biāo)和鍵盤，因此該規(guī)范被擴(kuò)展為在兩種時鐘速率下工作，提供 1.5 Mbits/s 或 2 Mbits/s 的數(shù)據(jù)速率。在不遺余力的藝術(shù)許可的情況下，設(shè)計師將這些標(biāo)記為低速和全速。

　　當(dāng) USB 2.0 于 2001 年最終確定時，總線提供了更高的時鐘速率，提供每秒 480 Mbits 的峰值帶寬——還有什么比“全速”更快？當(dāng)然是高速。

　　當(dāng) 7 年后 3.0 版本出現(xiàn)時，這種命名混亂達(dá)到了頂峰。

　　兩條數(shù)據(jù)線已經(jīng)達(dá)到了最大容量，要想繼續(xù)提高帶寬，就只能增加針腳了。最初的 USB 設(shè)計考慮了這樣的變化，這就是為什么插座相對寬敞且整潔的原因。

　　這些額外的引腳允許數(shù)據(jù)同時雙向流動（即雙工模式），并提供每秒 5 Gbits 的理論峰值帶寬——比原始規(guī)格高出 400 多倍。由于這些通道位于舊通道上方的空間，USB 3.0 保留了完全向后兼容性。

　　然后事情開始變得相當(dāng)愚蠢......

　　3.1 版于 2013 年推出，擁有更快的數(shù)據(jù)通道 (10 Gbits/s)，但出于某種原因，此修訂版被標(biāo)記為USB 3.1 Gen 2。為什么是2代？因?yàn)?3.0 更名為3.1 Gen 1。

　　當(dāng) USB 3.2 規(guī)范在 5 年后出現(xiàn)時，幫助制定 USB 標(biāo)準(zhǔn)并達(dá)成一致的組織決定 3.2 的更強(qiáng)大功能（高達(dá) 20 Gbits/s）需要再次重命名：

　　USB 3.1 Gen 1 --> USB Gen 3.2 1x1

　　USB 3.1 Gen 2 --> USB Gen 3.2 2x1

　　新系統(tǒng)在此之上有兩個版本：Gen 3.2 1x2和2x2，其中兩組數(shù)據(jù)線并行使用。有這么多不同的規(guī)格和速度可用，你會認(rèn)為會有一個固定的標(biāo)準(zhǔn)來幫助識別事物。但你會想錯了——看看技嘉主板上的這個背板：

　　上圖共有 10 個 USB 端口，涵蓋兩個不同版本的 3.2 規(guī)范和兩種類型的連接器（稍后會詳細(xì)介紹）。顏色編碼和技嘉自己的網(wǎng)站都沒有告訴你它是哪個版本——它們都被標(biāo)記為 USB 3.2，但為什么有些是藍(lán)色的，有些是紅色的？

　　制造商可以使用官方徽標(biāo)來指示它是哪個版本，但由于沒有以任何方式強(qiáng)制使用它們，因此很少有人使用它們。最近發(fā)生了另一次重命名活動，建議制造商使用SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等，這凸顯了 USB 變得多么混亂。

　　當(dāng)USB4（這不是打字錯誤，不是 USB 4.0）于 2019 年推出時，人們希望事情會變得更加清晰?？杀氖?，速度等級和標(biāo)簽仍然缺乏明確性。如果有的話，它實(shí)際上變得更加混亂，因?yàn)樗芸煨糡hunderbolt 3 將集成 USB4 - 實(shí)際上變成了同一件事（除非對后者進(jìn)行一些額外的調(diào)整）......

　　USB 的進(jìn)一步修訂于 2022 年 8 月以 USB4 2.0 的形式出現(xiàn)，提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和改進(jìn)的向后兼容性。不久之后，又一次嘗試整理命名約定，為 USB 電纜和端口添加了大量新徽標(biāo)。

　　這些變化受到歡迎并且早就應(yīng)該發(fā)生，但由于最終無法以任何有意義的方式實(shí)施這些變化，制造商和零售商可以將名稱、顏色和徽標(biāo)與他們的產(chǎn)品混合搭配。

　　例如，雖然AMD 在其芯片組中使用新系統(tǒng)，但主板供應(yīng)商不斷發(fā)布舊名稱的新產(chǎn)品。每家公司都正確地做到這一點(diǎn)還需要很多年。

　　USB 類型：像 A、B、C 一樣簡單？

　　在設(shè)計 USB 時，工程師們希望使系統(tǒng)盡可能簡單易用，從而避免浪費(fèi)時間嘗試配置所有內(nèi)容。這個概念被貫徹到插座的格式中——一種形狀用于 USB 主機(jī)，另一種形狀用于要連接的設(shè)備。它們最終被稱為A 型和B 型連接器。

　　這背后的想法是，用戶可以清楚電纜的哪一端連接到哪里。不幸的是，設(shè)計者還希望系統(tǒng)的實(shí)施成本盡可能低，而 Type A 的設(shè)計有時會使其難以插入。

　　第一代 USB 的另一個問題是 B 型插頭對于媒體播放器和手機(jī)等小型設(shè)備而言過于笨重。因此，當(dāng) 1.1 版于 1998 年發(fā)布時，引入了縮小版本，稱為Mini-A和Mini-B。它們很快被手機(jī)和平板電腦采用，盡管它們也因相當(dāng)脆弱而出名。

　　但即使是這些也太大了，一旦智能手機(jī)制造商開始尋求更薄的設(shè)備。USB 2.0 解決了這個問題，不僅提供了更快的速度，還為我們提供了Micro -A和B連接器。

　　USB 2.0 還提供了Micro-AB插座（接受 micro-A 和 micro-B 插頭），然后雖然 USB 3.0 的 A 型向后兼容 USB 2.0，但 B 型不是——它在物理上不適合插入 2.0 B 型插座 - 盡管舊電纜可以插入 USB 3.0 B 型連接器。

　　此外，同樣的規(guī)格還具有有點(diǎn)笨重的Micro-B SuperSpeed連接器，這違背了它“微型”的全部目的。

　　所有這些變化都是為了尋求更高的性能（您可以清楚地看到 USB 3.0 中的額外數(shù)據(jù)引腳）并安撫指導(dǎo)小組中不斷壯大的成員，該指導(dǎo)小組被稱為 USB 實(shí)施者論壇 ( USB - IF ) .

　　顯然需要更好的東西......

　　制造商和消費(fèi)者都希望連接器體積小，兩端相同，并提供改進(jìn)性能的范圍。因此，隨著 USB 3.1（單獨(dú)開發(fā)）的出現(xiàn)，USB-C插頭誕生了。

　　它不僅取代了對不同 A/B 插座的要求，還可以以任何方向插入，并用于 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（抱歉，USB 3.2 SuperSpeed）多得多——兩條完全專用于 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(dá) 80 Gbits/s 的帶寬。

　　有了 USB4，與舊插座的聯(lián)系就被徹底拋棄了——它是 USB-C 或什么都不是——但我們還需要很多年才能與 PC 和其他設(shè)備上的 Type A 插座說再見。

　　你好 USB，我的老朋友

　　USB 在計算機(jī)和其他小工具中得到廣泛采用已經(jīng)超過 25 年了，雖然最新版本與原始設(shè)計幾乎沒有相似之處，但其基本前提仍然適用：插入它，設(shè)備就會正常工作。

　　每一次規(guī)范修訂都提供了更高的性能（USB4 2.0 比 1.1 快了近 7,000 倍）并且能夠?yàn)樵O(shè)備提供更多的電力（目前高達(dá) 100 瓦，在供電模式下使用時）。

　　USB4 2.0 比 USB 1.1 快近 7,000 倍。

　　但是 USB 為何或如何持續(xù)了這么久？有沒有更好的可以提供更多帶寬或功率的東西？簡單的答案不是，或者至少不再是。

　　十二年前，英特爾發(fā)布了Thunderbolt。當(dāng)時它似乎比 USB 3.0 更具吸引力，具有更大的帶寬和更大的靈活性。如前所述，稱為 Thunderbolt 3 的最新版本現(xiàn)在作為 USB-C 的超集，放棄了其原始連接器 (Mini DisplayPort)，并具有與 USB4 相同的最大帶寬。它提供了更多功能，例如能夠?yàn)檫\(yùn)行設(shè)備提供更多電力，但它并沒有取代 USB，而是本質(zhì)上被集成到 USB4 中。

　　是的，這是一個 USB-C 連接器，但它實(shí)際上是一條 Thunderbolt 電纜

　　還有FireWire，它在某些時候提供了比 USB 2.0 更好的性能并支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸，但是當(dāng) USB 3.0 到來并在包括性能在內(nèi)的許多方面得到改進(jìn)后，F(xiàn)ireWire 不再提供任何明顯的優(yōu)勢，也沒有被廣泛采用。

　　USB 對系統(tǒng)供應(yīng)商和制造商的部分吸引力在于其相對開放的規(guī)范。與 Thunderbolt 或 FireWire 不同，可以制作“USB 3.2”電纜并按原樣出售，但不完全符合規(guī)格中的所有細(xì)節(jié)。例如，它可能不支持全帶寬或提供最大可用功率。

　　雖然這使得此類產(chǎn)品的制造和購買成本低廉，但這確實(shí)意味著在獲得您實(shí)際需要的電纜時它是一個潛在的雷區(qū)。USB 提供多種傳輸速度和電源模式這一事實(shí)使問題進(jìn)一步復(fù)雜化——盡管徽標(biāo)和認(rèn)證有了很大改進(jìn)，但在可預(yù)見的未來仍將如此。

　　舊徽標(biāo)上寫著 USB 3.2 Gen 2x1，但它被宣傳為 3.2 Gen 2x2 - 沒有簡單的方法來分辨它是什么

　　但是，盡管存在松散標(biāo)準(zhǔn)、混亂的命名方案和多種插座類型等缺陷，USB 仍然一如既往地普遍存在。幾乎每臺計算機(jī)外圍設(shè)備都使用它來連接主機(jī)——即使它是無線的，它幾乎肯定會使用 USB 加密狗。

　　總有一天，USB 最終可能會重蹈其前輩的覆轍，但就目前而言，其簡單的吸引力和持續(xù)的發(fā)展將使它繼續(xù)前進(jìn)。一個忠實(shí)的老朋友，確實(shí)如此。