# USB 各版本区别及基本知识

# USB 简介

USB(Universal Seiral Bus,通用串行总线)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,被广泛地应用于个人计算机和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。

在 1994 年,Compaq,DEC,IBM,Intel,Microsoft,NEC 和 Nortel 七大公司,为了创造出一个统一且支持易插拔的外接式传输接口,来改善计算机刚问世后,许多各不相同的外设接口造成的繁杂而庞大的接口系统,开始了对「通用串行总线」的统一研发。

# 历史版本

在介绍各类不同类型的接头前先来介绍下 USB 的各大历史版本。

# USB 1.0

于 1996 年 1 月正式发布的。数据传输速率为 1.5Mbps(Low-Speed)。不过因为当时支持 USB 的周边装置少的可怜,所以主机板商不太把 USB Port 直接设计在主机板上。

# USB 1.1

修复了许多 1.0 版上发现的问题。最早被采用的修订版。数据传输速率为 12Mbps(Full-Speed)

# USB 2.0

传输速率增加到 480Mbps(实际 280Mbps)

于 2000 年 4 月发布。增加了数据传输速率,可达 480Mbps(现在称作 Hi-Speed),但受限于 BOT 传输协议NRZI 编码方式,实际最高传输速度只有 280Mbps 左右。

在 USB 2.0 中新增了许多最重要的规范,可在 USB.org 上查到:

重要规范细节
  • Mini-A 和 Mini-B Connector ECN:2000 年 10 月发布。
  • 规范 Mini-A 和 Mini-B 的插头及插座标准。注意不要与 Micro-B 插头及插座混淆。
  • Errata as of December 2000:2000 年 12 月发布。
  • Pull-up/Pull-down Resistors ECN:2002 年 5 月发布。
  • Errata as of May 2002:2002 年 5 月发布。
  • Interface Associations ECN:2003 年 5 月发布。
  • 添加新的描述符以便将多重接口关联在在单一设备功能中。
  • Rounded Chamfer ECN:2003 年 10 月发布。
  • 一项针对 Mini-B 接口坚固性的建议性、兼容性改进。
  • Unicode ECN:2005 年 2 月发布。
  • 这项 ECN 指定了字符串可以使用 UTF-16LE 编码。USB 2.0 曾指定可以使用 Unicode,但没有指定编码。
  • Inter-Chip USB Supplement:2006 年 3 月发布。
  • On-The-Go Supplement 1.3:2006 年 12 月发布。
  • USB 直连(USB On-The-Go)允许两个 USb 设备不经独立 USB 主机端直接相互通讯。实际使用中,是其中一个 USB 设备作为其它设备的主机端。
  • Battery Charging Specification 1.0:2007 年 3 月发布。
  • 添加对充电器(有 USB 接口的电源适配器)的支持,当供电端(作为充电器的 USB 主端口)和电池连接时,它允许瞬间通过 100 mA 的电流。如果一个 USB 设备连接到专用充电器或主端口时,最大瞬间电流可达 1.5 A。(该文档并未包含在 USB 2.0 规范中。)
  • Micro-USB Cables and Connectors Specification 1.01:2007 年 4 月发布。
  • Link Power Management Addendum ECN:2007 年 7 月释出。
  • 在启用与待机间增加新的电源模式。当设备处于这个模式时不向其发送指令以减少电源消耗。所以,在启用及睡眠模式间切换要比在启用及待机模式间切换快得多。
  • High-Speed Inter-Chip USB Electrical Specification Revision 1.0:2007 年 9 月发布。

# USB 3.0

采用全双工数据传输,传输速率飙升至 5Gbps,并向下兼容

于 2008 年 11 月发布,速度由 480Mbps 大幅提升到 5Gbps

从 USB 3.0 开始,插座通常是蓝色的,并向下兼容 USB 2.0

USB3.0 引入「全双工数据传输」。5 根线路中 2 根用来发送数据,另 2 根用来接收数据,还有 1 根是地线。也就是说,USB 3.0 可以同步全速地进行读写操作

USB 3.0 的设计在 USB 2.0 的基础上新增了两组数据总线,而为了保证向下兼容,USB 3.0 保留了 USB 2.0 的一组传输总线。在传输协议方面,USB 3.0 除了支持传统的 BOT 协议,还新增了 UASP 协议,可以完全发挥出 5Gbps 的高速带宽优势。

# USB 3.1

这个版本起,供电能力大幅提高

USB 3.0 推广小组于 2013 年 7 月 31 日宣布 USB 3.1 规格,传输速度提升为 10Gbps,比 USB3.0 的 5Gb/s 快上一倍,并向下兼容 USB 2.0/1.0。

如果要得到 10Gb/s 的传输速度仍需在主机、目标端同时具备对应的芯片才能达成,电力供应可高达 100 瓦

# USB 3.2

双通道 10Gbps

USB 3.2 的主要技术要点:

  1. 在现有的 USB Type-C 数据在线实现「双通道」
  2. 继续使用现有的超高速 USB 物理传输率和技术
  3. 一些小的规范更新,确保单双通道无缝切换

速度方面,使用 USB 3.2 主机连接 USB 3.2 存储设备,可以实现两条通道 10Gbps 的传输速度,也就是超过 2.5GB/s

据悉,USB 3.2 因为要求集成 USB 2.0 和 USB 3.1 主控,所以完全向下兼容。

另外,从 USB 3.2 开始,Type-C 将成为唯一推荐的接口方案。

# 各类型 USB

# Mini-USB

USB Mini A 和 USB Mini B

Mini-USB 一般用于数码相机、数码摄像机、测量仪器以及移动硬盘等移动设备。

很多老式的 Android 手机或者平板都是使用的 Mini-USB type B(上图右)

# Micro-USB

USB Type B

Micro-USB 是 USB 2.0 标准的一个便携版本,也是 Mini USB 的第二代规格,很长一段时间,各大 Android 手机厂商使用的都是 Micro-USB 接口

# USB Type A

USB Type A

USB-A 是一款至今使用还非常广泛的接口,在笔记本、主机上都能见到。

虽然 USB-A 的公母接口相同,但是由于一些民间传说「正反设计的相同是为了增加使用寿命,不让你一次性就能插入」,让我们感同身受其设计之难受 😭,好在 Type-C 正在一步步普及。

# USB Type B

USB Type B

USB-B 主要用于数据的「上传」,一般在可移动的设备「但又不那么容易移动」上用到,比如显示器、打印机,扫描仪等。

# USB Type C

USB Type C

USB Type C 这个接口名称是在 USB 3.1 时代之后出现的,该接口的亮点在于更加纤薄的设计更快的传输速度(最高 10Gbps)以及更强悍的电力传输(最高 100W)。见 USB 3.1

虽然 Type-C 和 USB 3.1 经常一起出现,但也不是所有的厂商的 Type-c 接口都是 USB 3.1 标准的,也有许多厂商(如一加、乐视)使用的 Type-C 还是 USB 2.0 标准。所以在购买相关设备之前请看清楚其标准哦。

Type-C 最大的特点是:支持 USB 接口双面插入,主要面向更轻薄更纤细的设备(未来可能统一手机平板甚至电脑的接口,取代 Micro USB 接口,如今 2017 款 MacBook 已经开始使用 Type-C 作为电源接口了)。

Type-C 特点一览

  1. 最大数据传输速度达到 10Gbps,也是 USB 3.1 的标准;

  2. Type-C 接口插座端的尺寸约为 8.3mm×2.5mm 纤薄设计;

  3. 支持从正反两面均可插入的「正反插」功能,可承受 1 万次反复插拔;

  4. 配备 Type-C 连接器的标准规格连接线可通过 3A 电流,同时还支持超出现有 USB 供电能力的 USB PD(USB Power Deliver),可以提供最大 100W 的电力。所以你能用一根 Type-C 数据线同时为显示器 + Macbook 供电。

# 扩展知识

# BOT 传输协议

Bulk-Only Transport,诞生于 1999 年,专为 USB 1.1 所设计,至今最快的 USB 3.2 都可向下兼容这个基本的 BOT 传输协议。

BOT 传输协议属于「半双工传输模式」,即在传输数据作业开始时,外接 USB 3.0 设备与计算机主板(USB 3.0 扩展卡)之间,在同一时间单位内,每次只传输单一指令,所以速度较 UASP 慢。

# NRZI 编码

NRZI(Non return to zero, inverted)翻转不归零制。

NRZI 的发送信号有两种准位,并且在准位信号内也已经夹带了同步时脉信号于内,1 表示电位不变时的传送逻辑,0 表示电位翻转时的传送逻辑。(遇 0 翻转,遇 1 不变)

举个例子:一个资料串流包含的位元依序为 10110010,假设初始状态为 H(一个高位电平信号)。这个比特流就会通过 NRZI 编码转化成 LLHLLLHH

也就是:

  1 0 1 1 0 0 1 0
  0 1 0 0 1 1 0 1 # 反转,因为从最后一位开始读
  ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
H L L H L L L H H

详见:NRZI编码 - 会飞的石头 - CSDN博客

# UASP 传输协议

USAP(USB Attached SCSI Protocol)是 USB-IF(USB Implementers Forum,一些为开发 USB 规格的企业共同成立的一个非营利性机构)为了改良「半双工的 BOT 传输协议」过慢的缺点,将 SCSI 架构改进,所制定的一个新传输协议,与 USB 3.0 一同诞生于 2008 年,让 USB3.0 也能像 SCSI 传输协定的方式传输资料,不需等待上一笔资料传输完成后再进行传输资料的动作。(USAP 属于全双工模式

该协议用于透过 USB 接口连接序列设备,提供大容量储存设备的传输速度高达 20%,并降低 CPU 的利用率、数据延迟和等待时间,USAP 协议提供了高性能主机及设备之间的数据传输。

启动 UASP 虽然能提升传输性能,但也有许多限制,计算机用户必须具备支持 UASP 的「外接 USB 3.0 设备内部」的设备端控制器主板上的主机端控制器驱动程序,三者缺一不可(有的还额外需要安装驱动)。

在 OS 支持度上,使用 Windows 7 的用户若想启动 UASP,必须安装相应的驱动程序,如果用户使用 Windows 8/Mac OS X 10.8.3 以及之后的版本,因为其已内置 UASP 的驱动程序,所以直接原生支持 UASP,如此可省去安装驱动程序的麻烦。

# 参考资料

USB - 维基百科,自由的百科全书

USB-A、USB-B 與 USB-C 分別到底在那裡?一篇給你看過明白 | TechRitual - 香港 No.2 電腦資訊網站

USB Type A/B/C基本知识和各版本区别 - 软件无忧

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USB 2.0传输协议介绍:不能并行的BOT_USB开发中国

UASP 是什么?支持 UASP 的 USB 3.0 有什么用?- 电脑知识 - U 盘量产网

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上次更新: 2018/12/27下午12:53:48