四分之一世紀以來,，USB 端口一直是忠實的老朋友,。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而不是打印機,？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插入鍵盤插槽怎么辦？它只是行不通,，因為 PC 不知道插入了錯誤的設(shè)備,。事實上，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,，快速重啟和一點運氣，這就是讓一切正常運行所需的一切,。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 才能使其順利運行,。
自然地,，消費者想要更好的東西：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,，當時 Intel,、Microsoft、IBM,、Compaq,、DEC 和 Nortel 組成了一個聯(lián)盟，一致認為是時候創(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，負責(zé)發(fā)出所有指令,、管理電源傳輸?shù)?。像所有此類集成電路一樣，它需要?qū)動程序才能運行,，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（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,，但相同的標準還規(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——這實際上是 USB 3.0 標準中的默認要求,。
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控制器提供位流。當設(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 刻錄機之類的設(shè)備而設(shè)置的，多年來它已經(jīng)擴展到包括閃存棒、數(shù)碼相機和智能手機——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,。
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)動器的計算機可以從它們啟動，也可以在設(shè)備上運行便攜式應(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,，但低于配置為 ECP 模式 (20 Mbits/s) 的并行端口所能達到的效果。然而,，在當時,，這種速度會排除很多非常簡單的設(shè)備，例如鼠標和鍵盤,，因此該規(guī)范被擴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)計師將這些標記為低速和全速,。
當 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,？當然是高速。
當 7 年后 3.0 版本出現(xiàn)時,，這種命名混亂達到了頂峰,。
兩條數(shù)據(jù)線已經(jīng)達到了最大容量，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,，此修訂版被標記為USB 3.1 Gen 2,。為什么是2代？因為 3.0 更名為3.1 Gen 1,。
當 USB 3.2 規(guī)范在 5 年后出現(xiàn)時,，幫助制定 USB 標準并達成一致的組織決定 3.2 的更強大功能（高達 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,，你會認為會有一個固定的標準來幫助識別事物。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——它們都被標記為 USB 3.2，但為什么有些是藍色的,，有些是紅色的,？
制造商可以使用官方徽標來指示它是哪個版本，但由于沒有以任何方式強制使用它們,，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?，速度等級和標簽仍然缺乏明確性。如果有的話,，它實際上變得更加混亂,，因為它很快宣布Thunderbolt 3 將集成 USB4 - 實際上變成了同一件事（除非對后者進行一些額外的調(diào)整）......
USB 的進一步修訂于 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。
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施這些變化,，制造商和零售商可以將名稱、顏色和徽標與他們的產(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，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等小型設(shè)備而言過于笨重。因此,，當 1.1 版于 1998 年發(fā)布時,，引入了縮小版本，稱為Mini-A和Mini-B,。它們很快被手機和平板電腦采用,，盡管它們也因相當脆弱而出名。
但即使是這些也太大了,，一旦智能手機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 實施者論壇 ( USB - IF ) .
顯然需要更好的東西......
制造商和消費者都希望連接器體積小，兩端相同,，并提供改進性能的范圍,。因此，隨著 USB 3.1（單獨開發(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 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）并且能夠為設(shè)備提供更多的電力（目前高達 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,，例如能夠為運行設(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 USB 3.0 到來并在包括性能在內(nèi)的許多方面得到改進后,，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,，但這確實意味著在獲得您實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使問題進一步復(fù)雜化——盡管徽標和認證有了很大改進，但在可預(yù)見的未來仍將如此,。
舊徽標上寫著 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，盡管存在松散標準,、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。幾乎每臺計算機外圍設(shè)備都使用它來連接主機——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,。一個忠實的老朋友,，確實如此。
