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【PConline 杂谈】USB，全称为通用串行总线，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I/O接口的技术规范。如今的USB接口可以说已经是最为人们所熟知的一种I/O接口，被广泛地应用于个人电脑和移动电子设备之中。而作为一种通用性极强的技术标准，它的发展也并非我们想象中那么一帆风顺，水到渠成。随着配备最新USB 3.1接口设备的逐渐到来，今天我们就来细说一下USB接口那一段不平凡的演化史。
USB 1.1/1.0：简化复杂的连接方式
在USB接口诞生之前，那时候的计算机大多通过串行接口和并行接口与外部设备交换数据。但问题是，这些接口的传输速率都比较低，有时这些接口甚至还不能同时运行，而随着处理器速度的快速提升，电脑与外部设备之间的接口数据传输速度也需要逐步提高，不然就会成为电脑发展的瓶颈。此外，外部设备的传输接口也不尽相同，如打印机需要用并口、MODEM要使用串口、鼠标键盘要接PS/2口等等。数量繁多的接口种类，还要安装驱动才能正常使用，都容易造成用户的困扰。于是乎，随着PC硬件的发展，人们越来越需要一种适用性广、传输速度快、软件配置简单的外部接口，这就促成了USB（通用串行总线）接口的诞生。1994年，一个由Intel、微软、IBM、NEC、Compaq、DEC、Nortel等公司为成员组成的USB开发者论坛（USB-IF）正式成立。
在1994到1995年间历经多个预发布版本之后，1996年1月，USB 1.0正式版终于发布，它支持两种数据传输速率，一种为1.5Mb/s的低速速率（Low Speed），另一种则是12Mb/s的全速速率（Full Speed）。但作为一种新兴接口，当时支持USB接口设备较少，而且因为延时和供电问题，USB 1.0接口也不支持使用延长线，对比传统的传输接口，USB尚未具备明显的优势。USB 1.1标准在1998年8月发布，着力改进了此前USB HUB方面的问题，理论上最多可支持127个外部设备。同年， PC历史上具有里程碑意义的苹果iMac G3发布，它非常激进地使用了USB接口取代传统的串行和并行接口；Intel也在其主板芯片组上不断加强对USB的支持，这些都为日后USB的普及铺平了道路，也是从此时USB开始逐渐被人们所接受。凭借其易用性、更高的传输速率和其他技术特性，USB终于一举超越先前其他各种接口，直至今天依然是最被广泛使用的接口标准。
正如外部设备催生了USB接口标准，USB的普及同时也推动了其他外部设备的快速发展。已知的第一款正式在市场上销售的U盘，在2000年由新加坡的TREK公司推出，支持USB 1.1标准。现在我们可以轻松地一眼认出这是一个U盘，因为从外观上说它跟目前市面上很多其他的U盘并无大的区别，但它只有8MB大的存储空间；而现在市售的U盘中，我们可以买到容量高达1TB的U盘（嗯没错就是国民老公同款U盘），达到了前者10万倍以上。 针对网友提出的疑问，我们将在这里集中解答： 1、针对1楼网友所提出的问题：USB 3.1 Type-C的大小规格是多少？比micro-b接口大多少？比苹果 Lightning接口大多少？ PConline编辑回复：USB 2.0 Micro-B接口大小为6.85mm*1.8mm，USB 3.0 Micro-B接口大小为12.2mm*1.8mm，Type-C接口大小为8.3mm*2.5mm，苹果Lightning接口大小为6.7mm*1.5mm。 2、针对2楼网友所提出的问题：首个U类产品明显是朗科先做的，还是朗科的专利。 PConline编辑回复：围绕U盘是谁发明这一点有很多的争论，朗科赢得了专利，但就谁先开始生产和销售U盘类产品，从国际上的很多资料记载来看都是Trek。 3、针对11楼网友所提出的问题：苹果的Lightning从设计上来说，比type-c好，可惜苹果不会开放给其他人使用的。 PConline编辑回复：Lightning与Thunderbolt类似，在接头上还配备了专门的芯片，因此可实现的功能也更多，而且尺寸更小巧，但目前尚未支持USB 3.0，故传输速度较慢。相对地，Type-C接口要单纯很多，作用就只有传输数据和供电，生产成本更低，而在设计上屏蔽和保护措施也较Lightning更多。两者对比互有胜负，而从适用性上讲，成本更低的Type-C显然要更高一些。 4、针对14楼网友所提出的问题：20v充手机会怎样？ PConline编辑回复：从第四页的图上可以看到，USB 3.1针对手机设备的充电设计标准应该是5V/2A，20/3A和20V/5A的充电设计主要是针对较大型的笔记本和移动工作站，Type-C接口最大的供电是12V/3A，主要是应用在超极本、轻薄本等设备上，所以应该是看不到20V充手机这种情况的。 USB 2.0：More than PC 不过随着各种外部设备对数据传输速率需求的提高，USB 1.1那12Mb/s的带宽也是越发捉襟见肘，在接入较多外部设备时，多个数据流同时传输容易引发瓶颈效应，为了解决传输速率问题，USB 2.0应运而生。USB 2.0标准在2000年正式发布，加入了40倍于原先全速速率（Full Speed）的高速速率（Hi-Speed），理论带宽达到480Mb/s，同时也向下兼容USB1.1标准的全速速率（因此需要注意的是，并非所有宣称支持USB 2.0的设备都能达到高速速率，也可能是速度较低的全速速率）。由于受制于BOT传输协议和NRZI编码方式，实际USB 2.0的最大传输速度在30~35MB/s之间。
但USB接口的演化并非只有速率变化那么简单。对于体积比较轻薄小巧的外部设备来说，PC上面常见的Type-A接口，显然不太适合。同年10月，USB-IF非常有预见性地发布了Mini A、Mini B接口标准，为USB接口在移动设备上的普及打下了坚实的基础。2007年加入的Micro USB标准，比起Mini USB更加小巧和耐用，目前已经被应用于大部分的移动设备上。
虽然基于技术和市场等原因，曾经也有不少厂商没有使用标准的USB接口，而采用自己设定的一套接口规范（比如Nokia Pop-Port），但如今也只有牛气如苹果，才能继续坚持这样做下去。
另一个USB 2.0后带来的重要变化，就是引入了USB OTG（On-The-Go）作为其补充标准。简单来说，标准的USB使用主从式的架构，USB主机端（PC）为“主”，而USB外部设备为“从”，只有主机端可以调度该链接的设置与数据传输，而外接的USB设备不能够自行启动数据传输，只能回应主机端的指令。OTG的加入改变了这种状况，传统的外部设备也并不一定就只能是外部设备，它们也可以成为主机端。比如，手机、平板等设备在连接电脑时作为外接存储设备存在，但当它们通过OTG与U盘等设备连接时，又能作为主机端，修改和读取U盘内的数据。当然，除了U盘，这些设备还可以是键盘、鼠标、打印机等等很多…… USB诞生的初衷是为了简化电脑和外部设备的连接，但至此USB已经从PC跨越到其他电子产品领域上，并由此衍生出了多种新的应用。 USB 3.0：速度大爆发 随着技术的发展和高清播放时代的来临，就如当初USB 1.1一样，USB 2.0 Hi-Speed 480Mb/s的传输速度逐渐也不能满足我们的需求，于是在2008年，USB-IF又带来了USB 3.0标准。新标准带来了高达5Gb/s（Super Speed）的理论带宽，达到原有USB 2.0 480Mb/s的十倍以上，但同时也向下兼容USB 2.0和1.1标准。
USB 2.0时代使用半双工的传输方式，即只能提供单向的数据传输；而USB 3.0接口增加了在2.0基础上增加了4条线路（一对负责发送，一对负责接收），实现了全双工传输，发送数据和接收数据可以同步进行，从而大大提高了传输带宽。
为了实现更高的传输速度，USB 3.0没有再使用此前的NRZI编码方式，而是引入了被广泛应用于PCIE 2.0、SATA 3.0、光纤通道上的8b/10b编码方式，因此从传输角度上看，比起USB 2.0，USB 3.0反而与PCIE 2.0、SATA 3.0更为相似。这种编码方式是在每8bit数据内插入2bit校验数据，以保证接收端数据能正确还原。当然这种编码方式也会导致数据传输时不能达到理论的最大带宽，实则为5Gb/s的八成，即4Gb/s（500MB/s）。传输协议同样会导致一定的可用带宽损失，不过在实际使用中，仍然能够达到接近400MB/s的极限传输速度。 USB 3.0接口的最大输出电流达到900mA，比起USB 2.0的500mA增加了80%。USB 2.0时代，不少7200转的2.5英寸移动硬盘，都需要使用Y型的USB线材，接入多一个额外的USB接口才能作为补充供电，才能正常运行；而USB 3.0充足的电力供应使单接口就能够驱动更多类似的设备，同时也能缩短移动设备的充电时间。虽然因为速度的提高，数据传输时USB 3.0要比USB 2.0更加耗电，但与此同时传输耗时大大缩短，每1GB数据传输的耗电量要远低于USB 2.0。电源管理方面也更加智能，在USB 3.0中，除了原有的U0（连接）及U3（暂停）外，还加入了U1（待机和快速恢复）和U2（待机和缓慢恢复）两种电源状态，可有效降低设备在不传输或接收数据时的耗电量。
然而，USB 3.0同样存在着一些小问题。虽然在2008年该标准就已正式发布，但直至2012年7系主板推出之后，Intel才正式原生提供对USB 3.0支持。而在USB 3.0普及的前期，接口主要是通过第三方芯片接入主板南桥提供的，通道的速率最大可能只有2.5Gb/s，这还只有USB 3.0的5Gb/s的一半，因此性能受到了一定的限制。
此外，USB 3.0接口在使用时，有可能会对附近使用2.4GHz频段的无线和蓝牙设备造成干扰，从而引起设备信号衰减甚至是失去响应，因此需要使用HUB延长线或是将无线设备接入到离USB 3.0接口较远的接口处，才能解决这个问题。 USB 3.1与Type-C：接口大一统时代来临？
最后我们来谈谈最新的USB 3.1标准。USB 3.1标准于2013年7月发布，最大理论带宽相比3.0时翻了一番，达到10Gb/s（Super Speed+），与第一代的Thunderbolt相同。USB 3.1编码方式从此前的8b/10b换成了128b/132b，带宽损耗率从20%大幅下降到3%左右，换算之后带宽同样超过了1.2GB/s，这也意味着在真实使用中USB 3.1的极限传输速率有望突破每秒1GB。USB 3.1可向下兼容USB 3.0/2.0/1.1等旧标准。
另外，针对USB 3.0时出现的电磁干扰问题， USB 3.1的Type-A接口处加入了金属屏蔽罩和更多的接地弹片，从而有效降低了对附近其他设备的干扰。
虽然像过去的升级一样，USB 3.1同样带来了更高的传输速率，并修复了此前存在的各方面问题，但人们谈论更多的都是随USB 3.1引入的全新Type-C接口。与苹果的Lightning接口相似，Type-C接口取消了曾经的防呆保护设计，因此不分正反均可正常插入使用，免去了辨识插入方向的麻烦。而在尺寸上，8.3mm*2.5mm比标准的Type-A也小了很多，仅比目前常用的USB 2.0 Micro B稍大，因此也特别适合用在各种轻薄设备上面。但是如上图所示，USB 3.1的速度竟然也分了Gen1（5Gb/s）和Gen2（10Gb/s）两个版本，所以并非所有Type-C接口就一定是最大10Gb/s的版本，也可能只有5Gb/s的理论带宽，苹果的New MacBook就是一个很好的例子。
而USB 3.1 Type-C的另一个大卖点就是对移动设备充电能力的的增强。USB 3.1接口下的供电最高允许标准大幅提高到了20V/5A（仅限于Type-A/B），能够提供达100W的供电输出能力。而Type-C的最高标准为12V/3A，36W的充电能力已经足够一些轻薄型笔记本的使用，这也是New MacBook敢于放弃MagSafe而采用Type-C作为充电接口的重要原因。
从功能上看，USB 3.1 Type-C还引入了全新的Alternate Mode（交替模式），这意味着Type-C接口和数据线能传送非USB数据信号。目前Alt Mode已经能够支持DisplayPort 1.3和MHL 3.2规范，而USB-IF同时也在寻求对其他的功能标准的支持，除了视频接口，像以太网等其他接口同样也可以被Type-C支持。
结合以上几点来看，除了带来更多的便利之外，Type-C接口似乎还有很大的野心——凭借这一种新的接口形式实现各种接口功能的大一统。它小巧易用，具备强大的供电能力，还具备扩展更多其他功能的潜力，这些都不得不令人联想到，未来的各种电子设备，只需要配备同样一种接口，即可实现各种各样的功能。而Intel的Thunderbolt接口虽然曾经也有过这样的愿景，功能和性能上也都要比USB 3.1更强，但无奈定位太高，普及程度远不及USB，因此在这方面显然后来居上的USB 3.1要更受业界欢迎。 结语：就像之前说到，USB诞生的初衷是为了简化计算机和外部设备的连接，但至此USB的应用早已不仅仅限于电脑，各种各样的电子设备也早已离不开这种看起来并不复杂的接口。正如其“通用串行总线”之名，USB正在“通用”的道路上越走越远。至于以后USB还会继续衍生出怎样的应用，是否能够一统接口界的江湖，还是让我们拭目而待吧。 |
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2015-04-07 00:15
出处：PConline原创
责任编辑：maihuanzhao
