解码USB 1．0 至 USB 4．0 标准

作者：Jeff Smoot

通用串行总线可谓是当今市场上最广为人知的互连标准，人们更熟知的却是其缩写形式 USB。然而对于大多数人来说，尤其是非工程领域的人士可能从来不会考虑 USB 的具体含义。简单地说，“总线”是电子系统中不同组件之间传输数据或电源的一种方法，而“串行”一词表明数据是通过同一条或几条线以一次一个比特的方式传输的。总之，USB 是一种工程标准，是针对电子系统中连接各种设备的连接器和电缆而制定的“通用”规范。

作为设备间互连和数据通信的一种简单、方便的方式，USB 自 1996 年首次面市以来，已经发展出了大量的功能。在 20 世纪 90 年代 USB 推出之前，互连方面的数据传输复杂而缓慢。得益于经过 25 年的稳定的改进和改变，USB 和 USB Implementers Forum (USB-IF) 创造的互连能力超出预期，USB 的数据速度、电源传输等都在持续提高。然而，随着这些持续的改进，又出现了新的标准、对现有标准的更新以及各种命名规则。因此，试图跟上最新的 USB 标准可能是一项既混乱又矛盾的任务。本文旨在介绍 USB 标准的详细历史，同时阐明最新的 USB 命名规则。

USB 之前的互连器件

如上所述，在 USB 出现之前数据传输缓慢是常态，传输速率范围通常是从并行传输的每秒 100 kB 到串行传输的每秒 450 kb。计算机制造商不仅使用串行端口和并行端口，而且还有各种专有的插头、连接器和电缆，这些经常需要专门的驱动程序和卡。此外，热插拔功能受限，在插入任何设备和重新打开硬件之前，必须先关闭该硬件。

USB-IF 于 1994 年开始制定 USB 标准，并公布了几个先行版本（USB 0.8 和 0.9），但未投入商用。1995 年，USB 0.99 在先行标准列表中封顶，又一次未实现商用。

USB 1.0 和 USB 1.1

USB 1.0 标志着 1996 年 USB 标准的第一次重大发布，其数据速率为低速 1.5 Mbps 和全速 12 Mbps。尽管 USB 1.0 带来了热插拔和自我配置的便利，但作为首款商用 USB 版本并未得到广泛采用。

USB 1.1 于两年后的 1998 年被推出。虽然与 USB 1.0 的数据传输能力相当，但它也可以适应低带宽设备，以较慢的速度运行。苹果公司的 iMac G3 采用了被称为 全速 的 USB 1.1，并停止使用串行和并行端口，这一动作让 USB 1.1 闻名业界。这为此后 USB 标准的普及铺平了道路。USB 1.0 和 USB 1.1 还规定了实体 USB 连接器的使用标准，即 A 型和 B 型。

图 1：A 型和 B 型 USB 连接器标准。（图片来源：CUI Devices）

USB 2.0

21 世纪初，由于个人电脑及其各种外围设备的广泛普及，对更高数据传输速度的需求日益增加。因此，USB 2.0 在 2000 年 4 月亮相市场。这一标准的数据传输能力为 480 Mbps，但由于受到总线的限制，度降至 280 Mbps。USB 2.0 采用了高速这一名称，并兼容以前的标准且传输速度为 1.5 Mbps 或 12 Mbps。此时，将 USB 用作电源开已始成为更常见的做法，其电气标准是 5V 电压下提供高达 500 mA 的电流。

USB 2.0 还引入了 USB On-the-Go 技术，它实现了两个设备间的互动，而不需要单独的 USB 主机。至此，USB 连接总出现在主机（计算机）和外围设备（鼠标、键盘、音乐设备等）之间。

在实体连接器标准方面，USB 2.0 与 USB Type A、B 和 C 连接器以及 Mini 和 Micro A 和 B 兼容。然而经过多年后，Micro A 和 B 以及 Type C 实体连接器分别于 2007 年和 2014 年推出。

USB 3.0

USB 3.0 及以后的版本是 USB 标准经历了多次迭代和命名规则的改变的结果。为了避免混淆，在更详细地阐明最新的命名规则之前，我们在提到这些标准时采用其最初的发布名称。

2008 年发布的 USB 3.0 支持 5 Gbps 数据传输速度，但实际达到的速度更接近于 3 Gbps。USB 3.0 被称为 SuperSpeedUSB，将 USB 2.0 硬件的四条连接线增加到八条，并允许数据双向传输，同时向后兼容 USB 2.0。该标准还将电源能力提高到 5 V 900 mA。此外还需注意的是，如 USB 3.0 A 型和 B 型连接器等特定型 USB 3.0 硬件用蓝色来表示其兼容性。

随着 USB 3.2 命名规则的引入，USB 3.0 现在被称为 USB 3.2 Gen 1（第 1 代）。

USB 3.1

与 USB 3.0 相同，USB 3.1 是 2013 年发布的一个临时标准，它只是将数据速率提高了一倍，达到 10 Gbps。该标准的名称为 SuperSpeed+，并一度采用了两级命名规则：USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) 和 USB 3.1 Gen 2。同样，随着 USB 3.2 命名规则的引入，USB 3.1 Gen 2 现被称为 USB 3.2 Gen 2。

USB 3.2

2017 年 9 月推出的 USB 3.2 标准取代了 USB 3.0 和 3.1 标准的命名规则，同时增加了第三级数据能力，最高可达 20 Gbps。该标准被称为 USB 3.2 Gen 2x2，它充分利用了 USB Type-C® 连接器的双通道数据传输通道，可以在两个线对的每个方向上都达到 10 Gbps 传输速度。我们还经常看到 USB 3.2 标准下的两个低级标准被列为 USB 3.2 Gen 1x1 或 USB 3.2 Gen 2x1，这只是为所使用的数据线数量增加了背景。

为了进一步阐明，USB-IF 已经为每个低级标准更新了名称，其名称由已熟知的 SuperSpeed USB 名称后加数据传输极限速度构成。如下表 1 所示，这些替代名称如下：SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps 和 SuperSpeed USB 20 Gbps。

表 1：已定义的 USB 3.2 命名规则。（图片来源：CUI Devices）

USB 4.0

基于 Thunderbolt 3 协议的 USB 4.0 于 2019 年 8 月发布，数据传输速度高达 40Gbps 并具有专门的视频传输方法。Power Delivery 3.1 标准还将 USB 的电源能力提高到 240 W。虽然从技术上讲，Power Delivery 标准和 USB 4.0 是分开的，但它们平行发展且经常同时出现。这两种最新标准只有通过实体 USB Type C 连接器的硬件功能才能得以充分利用。

USB-IF 还完善了 USB 4.0 命名规则，将其改为 USB4，且分为以下两级：

· USB4 20 Gbps（数据速度与其命名相符）
· USB4 40 Gbps（数据速度与其命名相符）

上文提及的 USB4 以及 USB 3.2 的每一级都有与之相关的新徽标出现在产品上，希望能消除市场上消费者的任何疑惑。然而，USB 标准的各种名称还是带来了一些麻烦，因为人们仍然经常按照旧的命名方法来称呼设备。

表 2：目前的 USB 命名规则及相应徽标（图片来源：CUI Devices）

USB 的未来

希望这篇文章能消除人们关于 USB 标准的一些困惑，同时简单介绍 USB 标准不断改进的能力和功能的快速发展轨迹。对于这种小型的、具有高性价比的、易于连接智能手机、移动设备，甚至工业应用外围设备的产品，我们很容易想当然。仅用于充电目的的、不会传输任何数据的 USB 连接器（USB Type C 专用于纯电源应用），甚至正在成为普遍做法。可以说，USB 在未来会继续发展出新用途、新功能，CUI Device 为工程师们提供了一系列 USB 连接器和各种外形尺寸的 USB 电缆，以满足多种 USB 标准。