細(xì)說USB的演化史
加入技術(shù)交流群
USB 1.1/1.0：簡化復(fù)雜的連接方式
老式設(shè)備中常見的LPT和COM接口已被USB取代
在USB接口誕生之前，那時候的計算機大多通過串行接口和并行接口與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。但問題是，這些接口的傳輸速率都比較低，有時這些接口甚至還不能同時運行，而隨著處理器速度的快速提升，電腦與外部設(shè)備之間的接口數(shù)據(jù)傳輸速度也需要逐步提高，不然就會成為電腦發(fā)展的瓶頸。此外，外部設(shè)備的傳輸接口也不盡相同，如打印機需要用并口、MODEM要使用串口、鼠標(biāo)鍵盤要接PS/2口等等。數(shù)量繁多的接口種類，還要安裝驅(qū)動才能正常使用，都容易造成用戶的困擾。于是乎，隨著PC硬件的發(fā)展，人們越來越需要一種適用性廣、傳輸速度快、軟件配置簡單的外部接口，這就促成了USB（通用串行總線）接口的誕生。1994年，一個由Intel、微軟、IBM、NEC、Compaq、DEC、Nortel等公司為成員組成的USB開發(fā)者論壇（USB-IF）正式成立。
iMac G3大膽啟用USB取代傳統(tǒng)接口
在1994到1995年間歷經(jīng)多個預(yù)發(fā)布版本之后，1996年1月，USB 1.0正式版終于發(fā)布，它支持兩種數(shù)據(jù)傳輸速率，一種為1.5Mb/s的低速速率（Low Speed），另一種則是12Mb/s的全速速率（Full Speed）。但作為一種新興接口，當(dāng)時支持USB接口設(shè)備較少，而且因為延時和供電問題，USB 1.0接口也不支持使用延長線，對比傳統(tǒng)的傳輸接口，USB尚未具備明顯的優(yōu)勢。USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)在1998年8月發(fā)布，著力改進(jìn)了此前USBHUB方面的問題，理論上最多可支持127個外部設(shè)備。同年，PC歷史上具有里程碑意義的蘋果iMac G3發(fā)布，它非常激進(jìn)地使用了USB接口取代傳統(tǒng)的串行和并行接口；Intel也在其主板芯片組上不斷加強對USB的支持，這些都為日后USB的普及鋪平了道路，也是從此時USB開始逐漸被人們所接受。憑借其易用性、更高的傳輸速率和其他技術(shù)特性，USB終于一舉超越先前其他各種接口，直至今天依然是最被廣泛使用的接口標(biāo)準(zhǔn)。
TREK拇指盤，首款在市場上銷售的U盤類設(shè)備
正如外部設(shè)備催生了USB接口標(biāo)準(zhǔn)，USB的普及同時也推動了其他外部設(shè)備的快速發(fā)展。已知的第一款正式在市場上銷售的U盤，在2000年由新加坡的TREK公司推出，支持USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在我們可以輕松地一眼認(rèn)出這是一個U盤，因為從外觀上說它跟目前市面上很多其他的U盤并無大的區(qū)別，但它只有8MB大的存儲空間；而現(xiàn)在市售的U盤中，我們可以買到容量高達(dá)1TB的U盤（嗯沒錯就是國民老公同款U盤），達(dá)到了前者10萬倍以上。
USB 2.0：More than PC
不過隨著各種外部設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸速率需求的提高，USB 1.1那12Mb/s的帶寬也是越發(fā)捉襟見肘，在接入較多外部設(shè)備時，多個數(shù)據(jù)流同時傳輸容易引發(fā)瓶頸效應(yīng)，為了解決傳輸速率問題，USB 2.0應(yīng)運而生。USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)在2000年正式發(fā)布，加入了40倍于原先全速速率（Full Speed）的高速速率（Hi-Speed），理論帶寬達(dá)到480Mb/s，同時也向下兼容USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的全速速率（因此需要注意的是，并非所有宣稱支持USB 2.0的設(shè)備都能達(dá)到高速速率，也可能是速度較低的全速速率）。由于受制于BOT傳輸協(xié)議和NRZI編碼方式，實際USB 2.0的最大傳輸速度在30~35MB/s之間。
Micro B、Mini B開拓便攜設(shè)備市場
但USB接口的演化并非只有速率變化那么簡單。對于體積比較輕薄小巧的外部設(shè)備來說，PC上面常見的Type-A接口，顯然不太適合。同年10月，USB-IF非常有預(yù)見性地發(fā)布了Mini A、Mini B接口標(biāo)準(zhǔn)，為USB接口在移動設(shè)備上的普及打下了堅實的基礎(chǔ)。2007年加入的Micro USB標(biāo)準(zhǔn)，比起Mini USB更加小巧和耐用，目前已經(jīng)被應(yīng)用于大部分的移動設(shè)備上。
非標(biāo)準(zhǔn)USB的Nokia Pop-Port、蘋果 Lightning接口
雖然基于技術(shù)和市場等原因，曾經(jīng)也有不少廠商沒有使用標(biāo)準(zhǔn)的USB接口，而采用自己設(shè)定的一套接口規(guī)范（比如Nokia Pop-Port），但如今也只有牛氣如蘋果，才能繼續(xù)堅持這樣做下去。
USB OTG使傳統(tǒng)的從屬設(shè)備也能成為主機端
另一個USB 2.0后帶來的重要變化，就是引入了USB OTG（On-The-Go）作為其補充標(biāo)準(zhǔn)。簡單來說，標(biāo)準(zhǔn)的USB使用主從式的架構(gòu)，USB主機端（PC）為“主”，而USB外部設(shè)備為“從”，只有主機端可以調(diào)度該鏈接的設(shè)置與數(shù)據(jù)傳輸，而外接的USB設(shè)備不能夠自行啟動數(shù)據(jù)傳輸，只能回應(yīng)主機端的指令。OTG的加入改變了這種狀況，傳統(tǒng)的外部設(shè)備也并不一定就只能是外部設(shè)備，它們也可以成為主機端。比如，手機、平板等設(shè)備在連接電腦時作為外接存儲設(shè)備存在，但當(dāng)它們通過OTG與U盤等設(shè)備連接時，又能作為主機端，修改和讀取U盤內(nèi)的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，除了U盤，這些設(shè)備還可以是鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等等很多……
USB誕生的初衷是為了簡化電腦和外部設(shè)備的連接，但至此USB已經(jīng)從PC跨越到其他電子產(chǎn)品領(lǐng)域上，并由此衍生出了多種新的應(yīng)用。
USB 3.0：速度大爆發(fā)
隨著技術(shù)的發(fā)展和高清播放時代的來臨，就如當(dāng)初USB 1.1一樣，USB 2.0 Hi-Speed 480Mb/s的傳輸速度逐漸也不能滿足我們的需求，于是在2008年，USB-IF又帶來了USB3.0標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)帶來了高達(dá)5Gb/s（Super Speed）的理論帶寬，達(dá)到原有USB 2.0 480Mb/s的十倍以上，但同時也向下兼容USB 2.0和1.1標(biāo)準(zhǔn)。
USB 3.0新增兩對線路（SDP SignalPair）使數(shù)據(jù)可以同時雙向傳輸
USB 2.0時代使用半雙工的傳輸方式，即只能提供單向的數(shù)據(jù)傳輸；而USB 3.0接口增加了在2.0基礎(chǔ)上增加了4條線路（一對負(fù)責(zé)發(fā)送，一對負(fù)責(zé)接收），實現(xiàn)了全雙工傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)可以同步進(jìn)行，從而大大提高了傳輸帶寬。
8b/10b 編碼方式
為了實現(xiàn)更高的傳輸速度，USB 3.0沒有再使用此前的NRZI編碼方式，而是引入了被廣泛應(yīng)用于PCIE 2.0、SATA 3.0、光纖通道上的8b/10b編碼方式，因此從傳輸角度上看，比起USB 2.0，USB 3.0反而與PCIE 2.0、SATA3.0更為相似。這種編碼方式是在每8bit數(shù)據(jù)內(nèi)插入2bit校驗數(shù)據(jù)，以保證接收端數(shù)據(jù)能正確還原。當(dāng)然這種編碼方式也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時不能達(dá)到理論的最大帶寬，實則為5Gb/s的八成，即4Gb/s（500MB/s）。傳輸協(xié)議同樣會導(dǎo)致一定的可用帶寬損失，不過在實際使用中，仍然能夠達(dá)到接近400MB/s的極限傳輸速度。
USB 3.0接口的最大輸出電流達(dá)到900mA，比起USB 2.0的500mA增加了80%。USB 2.0時代，不少7200轉(zhuǎn)的2.5英寸移動硬盤，都需要使用Y型的USB線材，接入多一個額外的USB接口才能作為補充供電，才能正常運行；而USB 3.0充足的電力供應(yīng)使單接口就能夠驅(qū)動更多類似的設(shè)備，同時也能縮短移動設(shè)備的充電時間。雖然因為速度的提高，數(shù)據(jù)傳輸時USB 3.0要比USB 2.0更加耗電，但與此同時傳輸耗時大大縮短，每1GB數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮碾娏恳h(yuǎn)低于USB 2.0。電源管理方面也更加智能，在USB 3.0中，除了原有的U0（連接）及U3（暫停）外，還加入了U1（待機和快速恢復(fù)）和U2（待機和緩慢恢復(fù)）兩種電源狀態(tài)，可有效降低設(shè)備在不傳輸或接收數(shù)據(jù)時的耗電量。
USB 3.0擴展卡可能不能完全發(fā)揮性能
然而，USB 3.0同樣存在著一些小問題。雖然在2008年該標(biāo)準(zhǔn)就已正式發(fā)布，但直至2012年7系主板推出之后，Intel才正式原生提供對USB 3.0支持。而在USB 3.0普及的前期，接口主要是通過第三方芯片接入主板南橋提供的，通道的速率最大可能只有2.5Gb/s，這還只有USB 3.0的5Gb/s的一半，因此性能受到了一定的限制。
使用延長線避免無線設(shè)備受到USB 3.0干擾
此外，USB 3.0接口在使用時，有可能會對附近使用2.4GHz頻段的無線和藍(lán)牙設(shè)備造成干擾，從而引起設(shè)備信號衰減甚至是失去響應(yīng)，因此需要使用HUB延長線或是將無線設(shè)備接入到離USB 3.0接口較遠(yuǎn)的接口處，才能解決這個問題。
USB 3.1與Type-C：接口大一統(tǒng)時代來臨？
USB 3.1速度翻一番
最后我們來談?wù)勛钚碌腢SB 3.1標(biāo)準(zhǔn)。USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)于2013年7月發(fā)布，最大理論帶寬相比3.0時翻了一番，達(dá)到10Gb/s（Super Speed+），與第一代的Thunderbolt相同。USB 3.1編碼方式從此前的8b/10b換成了128b/132b，帶寬損耗率從20%大幅下降到3%左右，換算之后帶寬同樣超過了1.2GB/s，這也意味著在真實使用中USB 3.1的極限傳輸速率有望突破每秒1GB。USB 3.1可向下兼容USB3.0/2.0/1.1等舊標(biāo)準(zhǔn)。
加入屏蔽處理措施避免電磁干擾
另外，針對USB 3.0時出現(xiàn)的電磁干擾問題， USB 3.1的Type-A接口處加入了金屬屏蔽罩和更多的接地彈片，從而有效降低了對附近其他設(shè)備的干擾。
小巧、正反可插的USB 3.1 Type-C接口被寄予厚望
雖然像過去的升級一樣，USB 3.1同樣帶來了更高的傳輸速率，并修復(fù)了此前存在的各方面問題，但人們談?wù)摳嗟亩际请SUSB 3.1引入的全新Type-C接口。與蘋果的Lightning接口相似，Type-C接口取消了曾經(jīng)的防呆保護(hù)設(shè)計，因此不分正反均可正常插入使用，免去了辨識插入方向的麻煩。而在尺寸上，8.3mm*2.5mm比標(biāo)準(zhǔn)的Type-A也小了很多，僅比目前常用的USB 2.0 Micro B稍大，因此也特別適合用在各種輕薄設(shè)備上面。但是如上圖所示，USB3.1的速度竟然也分了Gen1（5Gb/s）和Gen2（10Gb/s）兩個版本，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的理論帶寬，蘋果的New MacBook就是一個很好的例子。
Type-C接口的最大供電為12V/3A
而USB 3.1 Type-C的另一個大賣點就是對移動設(shè)備充電能力的的增強。USB 3.1接口下的供電最高允許標(biāo)準(zhǔn)大幅提高到了20V/5A（僅限于Type-A/B），能夠提供達(dá)100W的供電輸出能力。而Type-C的最高標(biāo)準(zhǔn)為12V/3A，36W的充電能力已經(jīng)足夠一些輕薄型筆記本的使用，這也是New MacBook敢于放棄MagSafe而采用Type-C作為充電接口的重要原因。
Type-C Alt Mode已獲得DisplayPort和MHL支持
從功能上看，USB 3.1 Type-C還引入了全新的Alternate Mode（交替模式），這意味著Type-C接口和數(shù)據(jù)線能傳送非USB數(shù)據(jù)信號。目前Alt Mode已經(jīng)能夠支持DisplayPort 1.3和MHL 3.2規(guī)范，而USB-IF同時也在尋求對其他的功能標(biāo)準(zhǔn)的支持，除了視頻接口，像以太網(wǎng)等其他接口同樣也可以被Type-C支持。
評論