从“即插即用”到无处不在，你对USB了解多少？

在过去的25年里，USB接口一直是我们忠实的老朋友。虽然插口随着时间的推移而改变，但我们插入任何设备时，计算机似乎总是能知道这个设备是什么。但是，它是如何做到的呢？USB2.0和USB3.2 SuperSpeed之间有什么区别呢？

01 即插即用没有的年代

回到20世纪90年代初，USB出现之前的时期。那时候，奔腾处理器是最流行的词汇，Windows最流行的版本为3.1，电脑都是卧室或者塔式白色大机箱。无线网和云服务甚至民用高速宽带都没有，因此打印文件、复制文件或使用外部存储设备，都需要物理连接到计算机上。

30年前的机器拥有大量不同的接口和通信标准。由于每个接口的奇怪和限制，连接外围设备和设备通常是令人沮丧的“专业”体验。

当时鼠标和键盘几乎都使用6针串行PS/2端口。打印机和扫描仪通过25针口连接到并行端口，但是一些廉价打印机也使用9针口。而其他所有设备都通过经典的9针串行端口连接。每种接口的传输速率也是不一样的，而且，都很慢。

如果你不小心把鼠标插到标有键盘符号的PS2口里会怎么样？它不会工作，因为电脑不知道错误的设备已经插入。实际上，这些接口都无法识别设备是什么：你需要手工告诉计算机它是什么，然后手动安装正确的驱动程序。

如果一切顺利，在驱动程序安装、快速重启和一点运气之后你才可以使用他们。然而，更多的时候，用户需要深入到Windows的复杂控制面板或主板BIOS的深处才能让一切顺利运行。

自然而然，消费者想要更好的东西：“一种端口来用所有”，可以随意插拔设备，无需重新启动计算机，并且设备可以立即被识别并为你配置。

02 “通用串行总线”：共识打造USB

1994年，英特尔、微软、IBM、康柏（后被惠普收购）、DEC（98年被惠普收购）和北电网络这些涵盖处理器、芯片组、操作系统、整机、

网络交换设备的巨头企业，破天荒组成了一个联盟，创建一个“统一的新接口标准”。

英特尔负责技术开发，Ajay Bhatt成为该项目的主要架构师，他随后还负责了AGP（加速图形端口）和PCI Express的开发。

在两年内，完整的规格说明书和控制芯片就出台了，“通用串行总线”，也就是大家熟知的USB诞生了，并立即在消费级市场取代了串行、并行和PS/2端口。

1998年USB发布了1.1版本，真正开始起飞：微软通过1997年秋季的更新，将USB 1.1支持添加到Windows 95中，并大力推广“即插即用”（Plug and Play）的口号。

而USB最大的宣传来自于苹果公司：它发布了一款告别米色和旧端口的苹果的第一台iMac——它只支持USB。

USB规范后来进行了几次修订，其中主要的版本是2001年的2.0版、2008年的3.0版和2022年发布的最新的4.0版。

接下来，让我们来看看USB是如何工作的。

03 USB如何工作？

当一个外围设备通过USB连接

时，主机将检测它是什么类型的设备，并自动加载一个允许该设备运行的驱动程序。

数据在两个设备之间以被称为 "数据包 "的少量形式传输。每个数据包都有一定数量的字节，传输包括数据的来源、数据的目的地、数据的长度、已检测到的任何错误的细节。

而USB线能够同时传输电源和数据。为了实现这一点，每条USB电缆都有两组电线。一组传输电流，另一组传输数据信号。

在标准的USB 2.0接口中，你可以看到四个金属条。外面的两根金属条是电源的正极和地线。中央的两条专门用于传输数据。

如果剥开USB线，那么红色是正极线，而咖啡色是地线，蓝色和黄色则是数据线

而在较新的USB 3.0接口中，由于增加了额外的数据传输条，数据传输速度得到提高；四条额外的信号线帮助USB 3.0实现其高速度。

而在电脑端，现代主板（如intel处理器主板的南桥PCH）或者处理器自身内部（例如AMD锐龙处理器），有一个名为USB主机的部分，它包含两个关键组成：USB控制器和根集线器（hub）。

USB控制器（controller）是一个发出所有指令、管理电源传递等的小型处理单元。像所有这样的集成电路一样，它需要驱动程序才能正常工作，但这些驱动程序几乎总是内置于操作系统中了。

而根集线器（root hub）是将USB设备连接到计算机的主要设施。最新的规范允许最多5个集线器链，单个USB控制器必须支持最多127个设备。

集线器和设备通过一组逻辑管道相互通信，每个附加的外围设备最多有32个通信通道（16个上行，16个下行）。大多数只使用一小部分，并在需要时启用。

当主机上电时，设备插入 USB口时，控制器会拾取其中一个数据引脚上的电压变化，启动一个称为设备枚举的过程：首先重置外围设备，以防止其处于不正确的状态，然后控制器读取所有相关信息（例如设备类型和最大数据速度）。查询完连接到总线的所有设备，并为每个设备分配一个地址。

而逻辑管道可以简单地按它们正在做的事情进行分类和管理：发送/接收指令或传输数据。

例如，USB扫描仪只会将数据发送到集线器，而打印机只会接收数据。硬盘、网络摄像头和其他多功能设备同时执行这两项操作。

实际上，这套系统一次只能管理一个设备（因为USB只是串行总线），但控制器可以非常快速地在它们之间切换，给人的印象是它们都是可有同时操作的。

04 不断变化的混乱标准

在USB 1.0规范的早期草案中，接口中的数据线设计为仅以一种速度 运行： 5 MHz。 由于线路成对工作，总线宽度为 1 位，最大带宽为 5 Mbits 每秒（或 640 kB/s）。

当USB 2.0在2001年完成时，总线提供了更高的时钟速率，峰值为每秒480 Mbits的带宽 。还有什么比“全速”更快？当然是“高速”。

这种命名混乱在 7 年后 3.0 版出现时达到了顶峰。

两条数据线已经达到了最大容量，继续提高带宽的唯一方法是添加更多引脚。最初的USB设计考虑到了这样的变化，这就是为什么A接口相对宽敞且没有杂乱的原因。

这些额外的引脚允许数据同时双向流动（即双工模式），并提供5 Gbps的理论峰值带宽。由于这些通道位于旧通道上方的空间中，因此USB 3.0接口保留了完全的向后兼容性。

而3.1版本于2013年推出，拥有更快的数据通道（10 Gbps），但由于某种原因，此修订版被标记为USB 3.1 Gen 2。

为什么是第二代？因为此时把 3.0 更名为 3.1 Gen 1！

而 USB 3.2 规范在 5 年后问世时，USB 标准组织决定，3.2 的进一步功能（高达 20 Gbps）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

看看技嘉主板上的这个IO背板：

总共有 10 个 USB 端口，涵盖 3.2 规范的两个不同版本和两种类型的接口（稍后会详细介绍）。无论是颜色编码还是技嘉自己的网站都没有确切地告诉你它是哪个版本——它们都被标记为USB 3.2，但为什么有些是蓝色的，有些是红色的？

而最近发生了另一项重命名工作，USB组织建议制造商使用SuperSpeed USB 5 Gbps，SuperSpeed USB 10 Gbps等，这只会凸显USB变得多么混乱。

当USB4（这不是错字，不是USB 4.0）在2019年推出时，实际上变得更加混乱，因为USB组织很快就宣布Thunderbolt 3将集成USB4 ……

USB 的进一步修订出现在 2022 年 4 月，以 USB4 2.0 的形式提供更快的数据传输速率和改进的向后兼容性。不久之后，又一次尝试整理命名约定，为USB电缆和端口提供了大量新徽标。

最终，有了USB4，与旧接口的联系被永远放弃了，它是USB-C口标准。

但我们还需要很多年才能告别A口，不是吗？

文章转载自钛师父