USB，終於一統江湖！_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。04-28 14:02
四分之一世紀以來，USB 端口一直是忠實的老朋友。連接我們的日常小工具和外圍設備併為其供電，我們需要做的就是將它們插入並觀看它們神奇地工作。
隨着時間的推移，插座（socket）發生了變化，但無論你插入什麼，主機似乎總是知道設備是什麼。但這究竟是如何發生的呢？它如何知道何時連接了鼠標而不是打印機？USB 2.0 和 USB 3.2 SuperSpeed 之間有什麼區別？
歡迎來到我們的 USB 內部工作解釋器，看看它是如何在其他人來來去去的情況下存活這麼久的。
鼠標和鍵盤幾乎總是使用串行PS/2端口，每個端口都有一個專用的 6 針端口。打印機和掃描儀通過 25 針連接器連接到並行端口，其他一切都通過經典串行端口連接。
如果您不小心將鼠標插入鍵盤插槽怎麼辦？它只是行不通，因為 PC 不知道插入了錯誤的設備。事實上，這些接口都無法識別設備是什麼：本質上，你會告訴計算機它是什麼，然後手動為其安裝正確的驅動程序。
如果一切順利，在驅動程序安裝後，快速重啓和一點運氣，這就是讓一切正常運行所需的一切。不過，通常情況下，PC 用户需要深入研究 Windows 的控制面板或主板 BIOS 才能使其順利運行。
自然地，消費者想要更好的東西：可以這麼説，“一個端口來統治他們”。一個插座，您可以將設備插入和拔出，而無需重新啓動機器，並且可以立即為您識別和配置設備。
系統供應商也想要更通用的東西，以取代對許多不同插座的需求，並且生產成本更低。多年來，它還需要有待開發和改進的範圍，同時保持向後兼容性。
所以，那時要求不高。
通用串行總線：難得的統一時刻
在計算世界中，行星偶爾會對齊並啓動一個和諧的生產力時期，造福於每個人。這樣的事件發生在 1994 年，當時 Intel、Microsoft、IBM、Compaq、DEC 和 Nortel 組成了一個聯盟，一致認為是時候創建一個新的連接系統來滿足每個人的願望和需求了。
英特爾帶頭進行技術開發，Ajay Bhatt 成為該項目的主要架構師——他將繼續為AGP（加速圖形端口）和PCI Express做同樣的事情。在兩年的時間裏，發佈了完整的規範，以及控制這一切的芯片。
通用串行總線作為串行、並行和 PS/2 端口的替代品而誕生。它以乾淨、簡單的設計而自豪，並提供了很多性能。新系統一開始採用緩慢，直到 1998 年發佈 1.1 版才真正起飛。
微軟還大力宣傳“即插即用”這一短語——一種旨在消除設置計算機和外圍設備的複雜性的 PC 設計理念和系統要求。雖然不是最強大的系統，但 USB 是它的完美典範。
但是，USB 最大的廣告來自於蘋果決定全心投入，併發布了一款將撼動整個 PC 行業的產品。
最初的 iMac於 1998 年 8 月推出，明亮而大膽，是首批所謂的“無遺留” PC 之一。該術語用於表示該機器避開了所有舊端口和設備：其中的所有內容都將是最新的硬件。雖然它一開始並沒有受到評論家的歡迎，但它繼續大量銷售——它的流行使 USB 真正地出現在地圖上，儘管 Windows 計算機在沒有任何讓步的情況下還需要銷售很多年到過去的接口。
USB 規範繼續進行了多次修訂，主要修訂版是 2001 年的 2.0、2008 年的 3.0 和 2022 年發佈的最新 4.0 規範。但我們稍後會回過頭來討論。
現在，讓我們看一下 USB 的實際工作原理。
只是外表很簡單：USB 的工作原理
讓我們首先看一下典型 PC 中連接的總體佈局。
下圖顯示了 Intel Z790 Raptor Lake 系統中的各種設備如何相互通信：
PCH 仍然扮演同樣的角色，儘管現在它有更多的事情要處理。順便説一句，AMD Ryzen CPU 實際上可以直接處理這些任務：它們不需要 PCH/南橋，儘管大多數 Zen 主板都帶有一個額外的控制器，以提供更多的端口和插座。
在 X299 芯片的硅內臟深處是一個稱為USB 主機的部分，它包含兩個關鍵元素：USB控制器和根集線器。前者是一個小型處理器，負責發出所有指令、管理電源傳輸等。像所有此類集成電路一樣，它需要驅動程序才能運行，但這些驅動程序幾乎總是內置在操作系統中。
最新規範允許最多 5 個集線器鏈，雖然這聽起來可能不多，但相同的標準還規定單個 USB 控制器必須支持最多 127 個設備。需要更多？然後只需添加另一個控制器——這實際上是 USB 3.0 標準中的默認要求。
集線器和設備通過一組邏輯管道相互通信，每個連接的外圍設備最多有 32 個通信通道（16 個上游，16 個下游）。不過，大多數只使用少數幾個，並且會在需要時啓用它們。
管道可以根據它們正在做的事情簡單地分類：發送/接收指令或傳輸數據。在後者的情況下，所使用的邏輯系統只向一個方向發送，而指令總是雙向的。
例如，USB 掃描儀只會將數據發送到集線器，而打印機只會接收數據。硬盤驅動器、網絡攝像頭和其他多功能設備兩者兼而有之，因此將有更多活躍的管道工作。
那麼所有這些信息是如何傳輸的呢？
在 USB 1.0 到 2.0 的情況下，僅使用 2 根電線即可完成，這明顯少於舊的並行端口之類的電線。
此規格的連接器包含 4 個引腳：一個用於 5 伏電源，兩個用於數據，一個接地。5 V 引腳提供操作連接器中的電子設備和設備本身所需的所有電流，最高可達以下限制：
USB 2.0 = 2.5 瓦USB 3.0/3.1 = 4.5 瓦USB 3.2/4 = 7.5 瓦
通過電池充電或供電模式，USB 2.0 或更高版本可以繞過這些限制。像這樣使用時，無法傳輸任何數據，但可以提供更多的電力——這是舊端口永遠做不到的。
數據線作為差分對工作——它們之間的電壓模式為主機控制器提供位流。當設備插入 USB 插座時，控制器會檢測到其中一個數據引腳上的電壓變化，這會啓動一個稱為設備枚舉的過程。首先重置外圍設備，以防止其處於不正確的狀態，然後控制器讀取所有相關信息（例如設備類型和最大數據速度）。
USB 設備屬於許多類別之一，每個類別都有一個固定代碼——例如，藍牙適配器屬於無線適配器類別，而帶有力反饋的方向盤是物理接口設備。
一次只能管理一個設備（因此它是串行總線），但控制器可以非常快速地在它們之間切換，給人一種它們都在同時處理的印象。雖然總線不如 SATA 接口快，例如，使用 USB 驅動器的計算機可以從它們啓動，也可以在設備上運行便攜式應用程序，而無需安裝它們。
説到速度，讓我們深入探討通信系統的這一方面。
在 USB 1.0 規範的早期草案中，接口中的數據線設計為僅以一種速度運行：5 MHz。由於線路成對工作，總線為 1 位寬，提供每秒 5 Mbits（或 640 kB/s）的最大帶寬。
這是對古老的串行端口的巨大改進，但低於配置為 ECP 模式 (20 Mbits/s) 的並行端口所能達到的效果。然而，在當時，這種速度會排除很多非常簡單的設備，例如鼠標和鍵盤，因此該規範被擴展為在兩種時鐘速率下工作，提供 1.5 Mbits/s 或 2 Mbits/s 的數據速率。在不遺餘力的藝術許可的情況下，設計師將這些標記為低速和全速。
當 USB 2.0 於 2001 年最終確定時，總線提供了更高的時鐘速率，提供每秒 480 Mbits 的峯值帶寬——還有什麼比“全速”更快？當然是高速。
當 7 年後 3.0 版本出現時，這種命名混亂達到了頂峯。
兩條數據線已經達到了最大容量，要想繼續提高帶寬，就只能增加針腳了。最初的 USB 設計考慮了這樣的變化，這就是為什麼插座相對寬敞且整潔的原因。
這些額外的引腳允許數據同時雙向流動（即雙工模式），並提供每秒 5 Gbits 的理論峯值帶寬——比原始規格高出 400 多倍。由於這些通道位於舊通道上方的空間，USB 3.0 保留了完全向後兼容性。
然後事情開始變得相當愚蠢……
3.1 版於 2013 年推出，擁有更快的數據通道 (10 Gbits/s)，但出於某種原因，此修訂版被標記為USB 3.1 Gen 2。為什麼是2代？因為 3.0 更名為3.1 Gen 1。
當 USB 3.2 規範在 5 年後出現時，幫助制定 USB 標準並達成一致的組織決定 3.2 的更強大功能（高達 20 Gbits/s）需要再次重命名：
USB 3.1 Gen 1 --> USB Gen 3.2 1x1USB 3.1 Gen 2 --> USB Gen 3.2 2x1
新系統在此之上有兩個版本：Gen 3.2 1x2和2x2，其中兩組數據線並行使用。有這麼多不同的規格和速度可用，你會認為會有一個固定的標準來幫助識別事物。但你會想錯了——看看技嘉主板上的這個背板：
製造商可以使用官方徽標來指示它是哪個版本，但由於沒有以任何方式強制使用它們，因此很少有人使用它們。最近發生了另一次重命名活動，建議製造商使用SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等，這凸顯了 USB 變得多麼混亂。
當USB4（這不是打字錯誤，不是 USB 4.0）於 2019 年推出時，人們希望事情會變得更加清晰。可悲的是，速度等級和標籤仍然缺乏明確性。如果有的話，它實際上變得更加混亂，因為它很快宣佈Thunderbolt 3 將集成 USB4 - 實際上變成了同一件事（除非對後者進行一些額外的調整）……
USB 的進一步修訂於 2022 年 8 月以 USB4 2.0 的形式出現，提供更快的數據傳輸速率和改進的向後兼容性。不久之後，又一次嘗試整理命名約定，為 USB 電纜和端口添加了大量新徽標。
這些變化受到歡迎並且早就應該發生，但由於最終無法以任何有意義的方式實施這些變化，製造商和零售商可以將名稱、顏色和徽標與他們的產品混合搭配。
例如，雖然AMD 在其芯片組中使用新系統，但主板供應商不斷髮布舊名稱的新產品。每家公司都正確地做到這一點還需要很多年。
USB 類型：像 A、B、C 一樣簡單？
在設計 USB 時，工程師們希望使系統儘可能簡單易用，從而避免浪費時間嘗試配置所有內容。這個概念被貫徹到插座的格式中——一種形狀用於 USB 主機，另一種形狀用於要連接的設備。它們最終被稱為A 型和B 型連接器。
這背後的想法是，用户可以清楚電纜的哪一端連接到哪裏。不幸的是，設計者還希望系統的實施成本儘可能低，而 Type A 的設計有時會使其難以插入。
第一代 USB 的另一個問題是 B 型插頭對於媒體播放器和手機等小型設備而言過於笨重。因此，當 1.1 版於 1998 年發佈時，引入了縮小版本，稱為Mini-A和Mini-B。它們很快被手機和平板電腦採用，儘管它們也因相當脆弱而出名。
但即使是這些也太大了，一旦智能手機製造商開始尋求更薄的設備。USB 2.0 解決了這個問題，不僅提供了更快的速度，還為我們提供了Micro -A和B連接器。
USB 2.0 還提供了Micro-AB插座（接受 micro-A 和 micro-B 插頭），然後雖然 USB 3.0 的 A 型向後兼容 USB 2.0，但 B 型不是——它在物理上不適合插入 2.0 B 型插座 - 儘管舊電纜可以插入 USB 3.0 B 型連接器。
此外，同樣的規格還具有有點笨重的Micro-B SuperSpeed連接器，這違背了它“微型”的全部目的。
功能失調的舊 USB 連接器系列
所有這些變化都是為了尋求更高的性能（您可以清楚地看到 USB 3.0 中的額外數據引腳）並安撫指導小組中不斷壯大的成員，該指導小組被稱為 USB 實施者論壇 ( USB - IF ) .
顯然需要更好的東西……
製造商和消費者都希望連接器體積小，兩端相同，並提供改進性能的範圍。因此，隨着 USB 3.1（單獨開發）的出現，USB-C插頭誕生了。
它不僅取代了對不同 A/B 插座的要求，還可以以任何方向插入，並用於 USB 以外的連接系統（例如 DisplayPort、HDMI 和 Thunderbolt）。
有了 USB4，與舊插座的聯繫就被徹底拋棄了——它是 USB-C 或什麼都不是——但我們還需要很多年才能與 PC 和其他設備上的 Type A 插座説再見。
你好 USB，我的老朋友
USB 在計算機和其他小工具中得到廣泛採用已經超過 25 年了，雖然最新版本與原始設計幾乎沒有相似之處，但其基本前提仍然適用：插入它，設備就會正常工作。
每一次規範修訂都提供了更高的性能（USB4 2.0 比 1.1 快了近 7,000 倍）並且能夠為設備提供更多的電力（目前高達 100 瓦，在供電模式下使用時）。
USB4 2.0 比 USB 1.1 快近 7,000 倍。
但是 USB 為何或如何持續了這麼久？有沒有更好的可以提供更多帶寬或功率的東西？簡單的答案不是，或者至少不再是。
十二年前，英特爾發佈了Thunderbolt。當時它似乎比 USB 3.0 更具吸引力，具有更大的帶寬和更大的靈活性。如前所述，稱為 Thunderbolt 3 的最新版本現在作為 USB-C 的超集，放棄了其原始連接器 (Mini DisplayPort)，並具有與 USB4 相同的最大帶寬。它提供了更多功能，例如能夠為運行設備提供更多電力，但它並沒有取代 USB，而是本質上被集成到 USB4 中。
