一文搞懂USB各個版本的歷史演進(jìn)

1 USB簡介

USB大家想必并不陌生，但是你知道USB是從何而來的嗎？USB都有哪些版本？USB將來會統(tǒng)一變成什么樣？ 帶著這些問題，硬件花園梳理出各個USB版本的不同與特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在硬件接口、傳輸速率。關(guān)注我，回復(fù)USB，領(lǐng)取USB技術(shù)資料。

1.1 什么是USB

USB（Universal Seiral Bus，通用串行總線）是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，被廣泛地應(yīng)用于個人計(jì)算機(jī)和移動設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品，并擴(kuò)展至攝影器材、數(shù)字電視（機(jī)頂盒）、游戲機(jī)等其它相關(guān)領(lǐng)域。

1.2 USB標(biāo)志含義

咦？怎么上圖右下角還有個希臘神話的海神波塞冬？ 原來USB標(biāo)志的設(shè)計(jì)靈感是來源于海神的武器「三叉戟」，一支強(qiáng)有力的三齒魚叉。就像海神的三叉戟象征著力量一樣，USB三叉戟同樣象征著與USB相關(guān)的技術(shù)強(qiáng)大有力！ 不過，設(shè)計(jì)成魚叉的形狀，可能暗示人們拿著自己的USB設(shè)備到處亂插（叉）。設(shè)計(jì)師又對三叉戟的三根尖齒進(jìn)行了修改，將左右兩根的三角形分別改成了圓形和正方形。箭頭表示串行數(shù)據(jù)，即構(gòu)成所有信息的位（1和0）；圓圈代表5V，即USB工作的電壓；正方形代表接地電壓。 這三個不同的形狀也意味著，各種不同的外部設(shè)備都可以使用USB這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接。現(xiàn)在這個圖標(biāo)可以在各類USB線纜的接頭及設(shè)備插座上看到。

1.3 USB歷史

USB接口由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC及Northern Telecom 等計(jì)算機(jī)公司和通信公司于1995年聯(lián)合制定，經(jīng)過近30年的發(fā)展，逐漸形成了現(xiàn)在的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

USB已經(jīng)迭代了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.x幾個版本，最終發(fā)展到了現(xiàn)在的USB4；傳輸速率也從最開始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps！

1.4USB特點(diǎn)

USB 具有傳輸速度快、使用方便、支持熱插拔、連接靈活、獨(dú)立供電、協(xié)議向下兼容等優(yōu)點(diǎn)，可以連接鍵盤、鼠標(biāo)、大容量存儲設(shè)備等多種外設(shè)，該接口也被廣泛用于智能 手機(jī)中。

2 USB各版本傳輸標(biāo)準(zhǔn)

USB傳輸標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了USB1.0/USB1.1->USB2.0->USB3.x->USB4.0的演進(jìn)。每個版本的標(biāo)志、傳輸速率和理論速度如下圖。

USB版本概述

從上圖可以看出，USB1.0、USB1.1分別對應(yīng)USB2.0的低速版本Low-Speed、中速版本Full-Speed，USB2.0對應(yīng)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

從USB3.0開始，可能是借鑒了USB2.0以前的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)（命名混亂，后文會提到），USB3.0開始分Gen1、Gen2，小版本的更新歸屬于Gen1、Gen2，大版本的更新歸屬于USB3.0、USB3.1、USB3.2（其實(shí)還是比較混亂）。

• 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

發(fā)展到今天，最新的版本已經(jīng)更新到USB4！

• USB 4 -> USB 4 Gen3x2

2.1 USB1.0

1996年1月15日推出USB1.0接口規(guī)范不過因?yàn)楫?dāng)時支持 USB 的周邊裝置少的可憐，所以主機(jī)板商不太把 USB Port 直接設(shè)計(jì)在主機(jī)板上。

• 規(guī)定低速傳輸速率為1.5Mbit/s
• 對外提供供電電壓為5V，最大電流500mA
• 一般適用于鼠標(biāo)、鍵盤等低速HID設(shè)備。
• 支持熱插

2.2 USB1.1

1998年9月23日對原來的USB1.0進(jìn)行升級，提出了USB1.1。

• USB1.1規(guī)定了全速傳輸速率為12Mbit/s,并兼容USB1.0的1.5Mbit/s
• 傳輸線纜最大度度3m
• 對外提供供電電壓為5V，最大電流500mA
• 一般適用于鼠標(biāo)、鍵盤、U盤，光驅(qū)等。
• 一個USB接口理論上可以支持127個設(shè)備。

2.3 USB2.0

2000年4月27日由USB-IF組織提出了USB2.0總線協(xié)議規(guī)范。這在當(dāng)時是很快的傳輸速度了，但是在今天隨便一個移動硬盤都是TB級別的，隨便一部2k、4k 的電影也是GB級別，USB 2.0 的傳輸速度已經(jīng)不夠用了。

• 具備480Mbit/s的高速傳輸速率，向下兼容低速1.5Mbit/s和全速12Mit/s
• 傳輸線纜最大度度5m
• 對外提供供電電壓為5V，最大電流500mA
• 通過HUB級聯(lián)的方式，一個USB接口理論上可以擴(kuò)展127個USB設(shè)備
• 支持 4種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和塊傳輸。

2.4 USB3.0 /USB 3.1Gen1 / USB 3.2 Gen1

超高速USB3.0規(guī)范于2008年11月17日出USB-IF組織推出。

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

• 對外提供供電電壓為5V，最大電流900mA

• 傳輸線纜最大度度3m

• 增加了新的電源管理功能，支持待機(jī)、睡眠以及暫定模式，更加省電。

• 全雙工通訊。

2.5 USB 3.1

2013年，USB 3.1 發(fā)布，傳輸速度達(dá)到了 10Gbps。但是從這里開始，USB-IF 開始了魔幻操作，對之前的接口標(biāo)準(zhǔn)重命名了，導(dǎo)致現(xiàn)在接口名稱混亂。以前的 USB 3.0 改名為 USB 3.1 Gen 1 又稱為第一代 USB 3.1，新發(fā)布的 USB 3.1 改名為 USB 3.1 Gen 2 又稱為第二代 USB 3.1。前面提到的 USB 3.0 消失在了歷史長河。

• 速度翻番至10Gbps

• 新增USB A/V影音傳輸。以更適合作為移動設(shè)備的輸出接口，尤其是可逆的Type-C。

• 將供電的最高允許標(biāo)準(zhǔn)提高到了20V/5A，供電100W。

• 必須使用USB Type-C接口才能達(dá)到10Gbps的速度。

2.6 USB 3.2

2017 年，USB 3.2 發(fā)布，最高速度達(dá)到了 20Gbps。沒有錯，USB-IF 組織又對接口標(biāo)準(zhǔn)重命名了。

• 第一代 USB 3.1 改名為 USB 3.2 Gen 1 又稱為第一代 USB 3.2，第二代 USB 3.1 改名為 USB 3.2 Gen 2 又稱為第二代 USB 3.2。就這樣，USB 3.1 也消失在了歷史長河。

• 新發(fā)布的 USB 3.2 （傳輸速度 20Gbps），叫做 USB 3.2 Gen 2x2 又稱為雙通道第二代 USB 3.2。之所以想出USB 3.2 Gen2x2這樣的名字，大概是因?yàn)樗褂昧薝SB Type-C接口的上下兩端全部針腳，速度得以翻番。

• USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2x2還各自有一個市場推廣命名，分別是SuperSpeed USB、SuperSpeed USB 10Gbps、SuperSpeed USB 20Gbps。

USB 3.x版本

2.7 USB4

2019 年，USB4 發(fā)布，分為兩個版本，一個是 20Gbps，一個是 40Gbps。物理接口形態(tài)統(tǒng)一使用 USB Type-C 接口。

• 最大支持 40Gbps 帶寬

• 物理接口僅有 USB Type-C 一種

• 支持動態(tài)分配帶寬

• 可選是否支持 Thunderbolt 3，只有這樣才能達(dá)到最大帶寬 40Gbps

• 需要強(qiáng)制使用 USB-PD 充電協(xié)議

為了保證設(shè)備兼容性，USB所有協(xié)議都向下兼容！這個特點(diǎn)也是USB能廣泛應(yīng)用的一大原因！

3 USB硬件接口

前面說的 USB 2.0、USB 3.1、USB 3.2、USB4 指的都是傳輸標(biāo)準(zhǔn)，需要依賴于物理接口才能實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)、充電等功能。USB硬件接口版本如下圖：

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版本的出現(xiàn)能夠更好地應(yīng)對輕薄類、移動類產(chǎn)品的應(yīng)用場景。 在USB Type-C橫空出世，解決掉“正反插”的世紀(jì)性難題之后，USB將逐步統(tǒng)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：該標(biāo)準(zhǔn)一般適用于個人電腦PC中，是應(yīng)用于最廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)

USB Type B：一般用于3.5寸移動硬盤、以及打印機(jī)、顯示器等連接。

3.2 USB Mini A/B

MiniUSB Type A(左)和Mini USB Type B(右)

一般用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、測量儀器以及移動硬盤等移動設(shè)備。

3.3 USB Micro A/B

微型USB接口，適用于移動設(shè)備

Micro USB口是USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的一個便攜版本，Mini USB的下一代規(guī)格，比早期部分手機(jī)使用的Mini USB接口更小。上一代我們的手機(jī)的充電接口就是Micro USB接口。

3.4 USB3.1 Type C

USB3.1 Type C接口為了區(qū)分不同的接口協(xié)議，通常使用 USB 3.0 協(xié)議的 USB-A 接口顏色使用藍(lán)色。

3.5 TYPE C

USB Type C接口

又稱 USB-C，作為新一代通用接口，集成 USB 數(shù)據(jù)、PD 充電、音視頻顯示輸出等功能，有望成為市場的統(tǒng)一接口。它是隨著 USB 3.1 （這里特指 USB 3.1 Gen2，現(xiàn)名：USB 3.2 Gen 2，下同）標(biāo)準(zhǔn)被提出來的。

USB4 只有 USB Type-C 一種物理接口。在傳輸鏈路上 USB4 分出了不同「隧道」來傳輸數(shù)據(jù)，并且能「動態(tài)分配帶寬」，根據(jù)每條「隧道」的實(shí)時情況，動態(tài)調(diào)整每一部分的帶寬。目前支持：數(shù)據(jù)傳輸（USB 3.2 隧道）、視頻傳輸（DisplayPort 1.4a 隧道）、可選隧道（PCI-E 隧道）三種。