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USB各版本基础介绍

硬件工程师炼成之路 2023-08-28 08:01
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1 USB简介

USB大家想必并不陌生，但是你知道USB是从何而来的吗？USB都有哪些版本？USB将来会统一变成什么样？
带着这些问题，硬件花园梳理出各个USB版本的不同与特点，主要体现在硬件接口、传输速率。关注我，回复USB，领取USB技术资料。
1.1 什么是USB

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。

USB标志及海神

1.2 USB标志含义
咦？怎么上图右下角还有个希腊神话的海神波塞冬？
原来USB标志的设计灵感是来源于海神的武器「三叉戟」，一支强有力的三齿鱼叉。就像海神的三叉戟象征着力量一样，USB三叉戟同样象征着与USB相关的技术强大有力！
不过，设计成鱼叉的形状，可能暗示人们拿着自己的USB设备到处乱插（叉）。设计师又对三叉戟的三根尖齿进行了修改，将左右两根的三角形分别改成了圆形和正方形。
箭头表示串行数据，即构成所有信息的位（1和0）；圆圈代表5V，即USB工作的电压；正方形代表接地电压。
这三个不同的形状也意味着，各种不同的外部设备都可以使用USB这一标准进行连接。现在这个图标可以在各类USB线缆的接头及设备插座上看到。

1.3 USB历史

USB接口由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC及Northern Telecom 等计算机公司和通信公司于1995年联合制定，经过近30年的发展，逐渐形成了现在的行业标准。

USB已经迭代了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.x几个版本，最终发展到了现在的USB4；传输速率也从最开始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps！

1.4 USB特点

USB 具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电、协议向下兼容等优点，可以连接键盘、鼠标、大容量存储设备等多种外设，该接口也被广泛用于智能 手机中。

2 USB各版本传输标准

USB传输标准经历了USB1.0/USB1.1->USB2.0->USB3.x->USB4.0的演进。每个版本的标志、传输速率和理论速度如下图。

USB版本概述
从上图可以看出，USB1.0、USB1.1分别对应USB2.0的低速版本Low-Speed、中速版本Full-Speed，USB2.0对应USB2.0 高速High-Speed。
  • USB 1.0 -> USB 2.0 Low-Speed
  • USB 1.1 -> USB 2.0 Full-Speed

  • USB 2.0 -> USB 2.0 High-Speed

从USB3.0开始，可能是借鉴了USB2.0以前的发展经验（命名混乱，后文会提到），USB3.0开始分Gen1、Gen2，小版本的更新归属于Gen1、Gen2，大版本的更新归属于USB3.0、USB3.1、USB3.2（其实还是比较混乱）。
  • USB 3.0 -> USB 3.1 Gen1 -> USB 3.2 Gen1
  • USB 3.1 -> USB 3.1 Gen2 -> USB 3.2 Gen2x1
  • USB 3.2 -> USB 3.2 Gen2x2
发展到今天，最新的版本已经更新到USB4！
  • USB 4 -> USB 4 Gen3x2

2.1 USB1.0

1996年1月15日推出USB1.0接口规范不过因为当时支持 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。

  • 规定低速传输速率为1.5Mbit/s
  • 对外提供供电电压为5V，最大电流500mA
  • 一般适用于鼠标、键盘等低速HID设备。
  • 支持热插

2.2 USB1.1

1998年9月23日对原来的USB1.0进行升级，提出了USB1.1。
  • USB1.1规定了全速传输速率为12Mbit/s,并兼容USB1.0的1.5Mbit/s
  • 传输线缆最大长度3m
  • 对外提供供电电压为5V，最大电流500mA
  • 一般适用于鼠标、键盘、U盘，光驱等。
  • 一个USB接口理论上可以支持127个设备。

2.3 USB2.0

2000年4月27日由USB-IF组织提出了USB2.0总线协议规范。这在当时是很快的传输速度了，但是在今天随便一个移动硬盘都是TB级别的，随便一部2k、4k 的电影也是GB级别，USB 2.0 的传输速度已经不够用了。
  • 具备480Mbit/s的高速传输速率，向下兼容低速1.5Mbit/s和全速12Mit/s
  • 传输线缆最大长度5m
  • 对外提供供电电压为5V，最大电流500mA
  • 通过HUB级联的方式，一个USB接口理论上可以扩展127个USB设备
  • 支持 4种传输方式：控制传输、中断传输、同步传输和块传输。
2.4 USB3.0 /USB 3.1 Gen1 / USB 3.2 Gen1

超高速USB3.0规范于2008年11月17日于USB-IF组织推出。

  • 提供更高的5.0Gbit/s的超高速传输速度，并向下兼容低速1.5Mbits/s、全速12Mbit/s和高速480Mbit/s传输速率

  • 对外提供供电电压为5V，最大电流900mA

  • 传输线缆最大长度3m

  • 增加了新的电源管理功能，支持待机、睡眠以及暂定模式，更加省电。

  • 全双工通讯。
2.5 USB 3.1
2013年，USB 3.1 发布，传输速度达到了 10Gbps。但是从这里开始，USB-IF 开始了魔幻操作，对之前的接口标准重命名了，导致现在接口名称混乱。
以前的 USB 3.0 改名为 USB 3.1 Gen 1 又称为第一代 USB 3.1，新发布的 USB 3.1 改名为 USB 3.1 Gen 2 又称为第二代 USB 3.1。前面提到的 USB 3.0 消失在了历史长河。
  • 速度翻番至10Gbps

  • 新增USB A/V影音传输。更适合作为移动设备的输出接口，尤其是可逆的Type-C。

  • 将供电的最高允许标准提高到了20V/5A，供电100W。

  • 必须使用USB Type-C接口才能达到10Gbps的速度。

2.6 USB 3.2
2017 年，USB 3.2 发布，最高速度达到了 20Gbps。没有错，USB-IF 组织又对接口标准重命名了。

  • 第一代 USB 3.1 改名为 USB 3.2 Gen 1 又称为第一代 USB 3.2，第二代 USB 3.1 改名为 USB 3.2 Gen 2 又称为第二代 USB 3.2。就这样，USB 3.1 也消失在了历史长河。

  • 新发布的 USB 3.2 （传输速度 20Gbps），叫做 USB 3.2 Gen 2x2 又称为双通道第二代 USB 3.2。之所以想出USB 3.2 Gen2x2这样的名字，大概是因为它使用了USB Type-C接口的上下两端全部pin脚，速度得以翻番。

  • USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2x2还各自有一个市场推广命名，分别是SuperSpeed USB、SuperSpeed USB 10Gbps、SuperSpeed USB 20Gbps。

USB 3.x版本
2.7 USB4

2019 年，USB4 发布，分为两个版本，一个是 20Gbps，一个是 40Gbps。物理接口形态统一使用 USB Type-C 接口。

  • 最大支持 40Gbps 带宽

  • 物理接口仅有 USB Type-C 一种

  • 支持动态分配带宽

  • 可选是否支持 Thunderbolt 3，只有这样才能达到最大带宽 40Gbps

  • 需要强制使用 USB-PD 充电协议

为了保证设备兼容性，USB所有协议都向下兼容！这个特点也是USB能广泛应用的一大原因！

3 USB硬件接口

前面说的 USB 2.0、USB 3.1、USB 3.2、USB4 指的都是传输标准，需要依赖于物理接口才能实现传输数据、充电等功能。
USB硬件接口版本如下图：

USB硬件接口版本

USB硬件接口在USB3.2 Gen2x1以前的版本，基本上都存在TypeA/B 、Mini、Micro版本。Mini和Micro版本的出现能够更好地应对轻薄类、移动类产品的应用场景。
在USB Type-C横空出世，解决掉“正反插”的世纪性难题之后，USB将逐步统一到USB Type-C接口上。

3.1 USB Type A/B

USB Type A(左)和USB Type B(右)

USB Type A：该标准一般适用于个人电脑PC中，是应用于最广泛的接口标准

USB Type B：一般用于3.5寸移动硬盘、以及打印机、显示器等连接。

3.2 USB Mini A/B

Mini USB Type A(左)和Mini USB Type B(右)

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。
3.3 USB Micro A/B

微型USB接口，适用于移动设备

Micro USB口是USB 2.0标准的一个便携版本，Mini USB的下一代规格，比早期部分手机使用的Mini USB接口更小。上一代我们的手机的充电接口就是Micro USB接口。

3.4 USB3.1 Type C


USB3.1 Type C接口
为了区分不同的接口协议，通常使用 USB 3.0 协议的 USB-A 接口颜色使用蓝色。
3.5  TYPE C

USB Type C接口

又称 USB-C，作为新一代通用接口，集成 USB 数据、PD 充电、音视频显示输出等功能，有望成为市场的统一接口。它是随着 USB 3.1 （这里特指 USB 3.1 Gen2，现名：USB 3.2 Gen 2，下同）标准被提出来的。

USB4 只有 USB Type-C 一种物理接口。在传输链路上 USB4 分出了不同「隧道」来传输数据，并且能「动态分配带宽」，根据每条「隧道」的实时情况，动态调整每一部分的带宽。目前支持：数据传输（USB 3.2 隧道）、视频传输（DisplayPort 1.4a 隧道）、可选隧道（PCI-E 隧道）三种。

推荐阅读：

1、还在用CAM350吗？

2、USB Type C规范详解

3、USB3.0之硬件关注点

4、USB2.0之硬件关注点

5、我写的东西都在这里了

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