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USB版本演进及各种类型介绍

一、USB发展历史

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标识

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接口类型-1

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

  • 传输线缆最大度度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

  • 传输线缆最大度度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日出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

  • 传输线缆最大度度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。以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针脚,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接口类型-2

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!

二、USB传输标准

自1996年USB-IF(USB Implementers Forum)组织发布USB 1.0标准以来,USB标准经历了USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1、USB 3.2多个版本的发展。2019年,USB-IF组织发布了最新的USB4标准,为USB接口带来了全新的标准规范。具体可以看下面这张图示:

USB传输标准

在经历了2019年的第三次改名之后,最终现在的命名是这样的,可以看下面这张图示:

USB传输标准-1

所以说同志们,选购U盘或者硬盘的时候一定要擦亮眼睛,看一下具体是什么标准。有的声称是USB 3.2,但实际上它是USB 3.2 Gen1,也就是最原来的USB3.0标准。不同的标准支持的最大传输速率也是不一样的。

USB传输标准-2

三、USB接口类型

USB接口分为标准USB接口、Mini USB接口和Micro USB接口三种类型。

1、标准USB接口

又分为Type-A和Type-B两种,样貌如下:

USB传输标准-3

其中Type-A和Type-B根据支持的USB标准不同,又可以分为USB 2.0和USB 3.0标准USB接口。根据接口的颜色,我们很容易区分该接口是支持USB 2.0还是支持USB 3.0的。Type-A型接口也是我们日常生活中最常见的USB接口,广泛应用于鼠标、键盘、U盘等设备上,Type-B型则常用于打印机、特殊显示器等设备上。

2、Mini USB接口

Mini USB接口,是一种小型的USB接口,其指标与标准USB相同,但是加入了ID针脚(用于区分设备是主机还是外设),以支持OTG(On The Go,该功能允许在没有主机的情况下,实现设备间的数据传送)功能。Mini USB接口主要分为Mini-A和Mini-B两种,样貌如下:

USB传输标准-4

Mini USB接口由于相对较小的体型,常见于一些小型设备上,比如MP3、MP4、收音机等,某些型号的手机也采用了该接口。

3、Micro USB接口

Micro USB接口,属于Mini USB的下一代规格接口,Micro USB接口的插头采用了不锈钢材料,插拔寿命提高为10000次,相比Mini USB接口,在宽度几乎不变的情况下,高度减半,更为小巧。Micro USB接口也可分为Micro-A和Micro-B两种,样貌如下:

USB传输标准-5

Micro-B类型的USB接口,相信大家都认识,只是不知道它的专业名称,在智能手机发展的前期,绝大多数的智能手机(苹果手机除外)都采用了Micro-B型接口作为充电和数据接口。在USB 3.0标准发布后,Micro-B接口也有了新的造型,相信大家也不陌生,我们购买的支持USB 3.0的移动硬盘盒大部分就采用了该接口。

4、Type-C接口

Type-C接口,是近几年出现的新型USB接口,该接口对于使用者来说,相信最大的好处就是可以正反插拔了吧。

据统计,平均每人每年在插USB上浪费的时间是30分钟!第一次插总是插不进去的,多次插拔到怀疑人生时,最后发现还是第一次的才是对的,后面的N次尝试不过是人生中的小小曲折,有了type-C接口后终于可以一次搞定了。Type-C接口的样貌如下:

USB传输标准-6

最新的USB4标准目前仅支持Type-C接口,同时USB4采用了Thunderbolt协议(俗称雷电接口协议,是由Intel主导开发的接口协议,具有速度快,供电强,可同时兼容雷电、USB、Display Port、PCIe等多种接口/协议的特点),因此,支持USB4标准的Type-C接口也是可以兼容雷电接口的。如此看来,Type-C接口已是大势所趋了。

5、USB 传输标准与接口

最后,一张图总结一下USB传输标准与接口之间的支持关系,供各位小伙伴参考~

USB接口类型

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