USB，全稱為通用串行總線，是連接計算機系統與外部設備的一種串口總線标準，也是一種I/O接口的技術規範。如今的USB接口可以說已經是最為人們所熟知的一種I/O接口，被廣泛地應用于個人電腦和移動電子設備之中。而作為一種通用性極強的技術标準，它的發展也并非我們想象中那麼一帆風順，水到渠成。随着配備最新USB 3.1接口設備的逐漸到來，今天我們就來細說一下USB接口那一段不平凡的演化史。

USB 1.1/1.0：簡化複雜的連接方式

老式設備中常見的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備交換數據。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，而随着處理器速度的快速提升，電腦與外部設備之間的接口數據傳輸速度也需要逐步提高，不然就會成為電腦發展的瓶頸。此外，外部設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、鼠标鍵盤要接PS/2口等等。數量繁多的接口種類，還要安裝驅動才能正常使用，都容易造成用戶的困擾。于是乎，随着PC硬件的發展，人們越來越需要一種适用性廣、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開發者論壇（USB-IF）正式成立。

iMac G3大膽啟用USB取代傳統接口

在1994到1995年間曆經多個預發布版本之後，1996年1月，USB 1.0正式版終于發布，它支持兩種數據傳輸速率，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，當時支持USB接口設備較少，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，對比傳統的傳輸接口，USB尚未具備明顯的優勢。USB 1.1标準在1998年8月發布，着力改進了此前USB HUB方面的問題，理論上最多可支持127個外部設備。同年，PC曆史上具有裡程碑意義的蘋果iMac G3發布，它非常激進地使用了USB接口取代傳統的串行和并行接口；Intel也在其主闆芯片組上不斷加強對USB的支持，這些都為日後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标準。

TREK拇指盤，首款在市場上銷售的U盤類設備

正如外部設備催生了USB接口标準，USB的普及同時也推動了其他外部設備的快速發展。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标準。現在我們可以輕松地一眼認出這是一個U盤，因為從外觀上說它跟目前市面上很多其他的U盤并無大的區别，但它隻有8MB大的存儲空間；而現在市售的U盤中，我們可以買到容量高達1TB的U盤（嗯沒錯就是國民老公同款U盤），達到了前者10萬倍以上。

USB 2.0：More than PC

不過随着各種外部設備對數據傳輸速率需求的提高，USB 1.1那12Mb/s的帶寬也是越發捉襟見肘，在接入較多外部設備時，多個數據流同時傳輸容易引發瓶頸效應，為了解決傳輸速率問題，USB 2.0應運而生。USB 2.0标準在2000年正式發布，加入了40倍于原先全速速率（Full Speed）的高速速率（Hi-Speed），理論帶寬達到480Mb/s，同時也向下兼容USB1.1标準的全速速率（因此需要注意的是，并非所有宣稱支持USB 2.0的設備都能達到高速速率，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開拓便攜設備市場

但USB接口的演化并非隻有速率變化那麼簡單。對于體積比較輕薄小巧的外部設備來說，PC上面常見的Type-A接口，顯然不太适合。同年10月，USB-IF非常有預見性地發布了Mini A、Mini B接口标準，為USB接口在移動設備上的普及打下了堅實的基礎。2007年加入的Micro USB标準，比起Mini USB更加小巧和耐用，目前已經被應用于大部分的移動設備上。

非标準USB的Nokia Pop-Port、蘋果Lightning接口

雖然基于技術和市場等原因，曾經也有不少廠商沒有使用标準的USB接口，而采用自己設定的一套接口規範（比如Nokia Pop-Port），但如今也隻有牛氣如蘋果，才能繼續堅持這樣做下去。

USB OTG使傳統的從屬設備也能成為主機端

另一個USB 2.0後帶來的重要變化，就是引入了USB OTG（On-The-Go）作為其補充标準。簡單來說，标準的USB使用主從式的架構，USB主機端（PC）為“主”，而USB外部設備為“從”，隻有主機端可以調度該鍊接的設置與數據傳輸，而外接的USB設備不能夠自行啟動數據傳輸，隻能回應主機端的指令。OTG的加入改變了這種狀況，傳統的外部設備也并不一定就隻能是外部設備，它們也可以成為主機端。比如，手機、平闆等設備在連接電腦時作為外接存儲設備存在，但當它們通過OTG與U盤等設備連接時，又能作為主機端，修改和讀取U盤内的數據。當然，除了U盤，這些設備還可以是鍵盤、鼠标、打印機等等很多……

USB誕生的初衷是為了簡化電腦和外部設備的連接，但至此USB已經從PC跨越到其他電子産品領域上，并由此衍生出了多種新的應用。

USB 3.0：速度大爆發

随着技術的發展和高清播放時代的來臨，就如當初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USB 3.0标準。新标準帶來了高達5Gb/s（Super Speed）的理論帶寬，達到原有USB 2.0 480Mb/s的十倍以上，但同時也向下兼容USB 2.0和1.1标準。

USB 3.0新增兩對線路（SDP Signal Pair）使數據可以同時雙向傳輸

USB 2.0時代使用半雙工的傳輸方式，即隻能提供單向的數據傳輸；而USB 3.0接口增加了在2.0基礎上增加了4條引腳（一對負責發送，一對負責接收），實現了全雙工傳輸，發送數據和接收數據可以同步進行，從而大大提高了傳輸帶寬。

8b/10b編碼方式

為了實現更高的傳輸速度，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、SATA 3.0更為相似。這種編碼方式是在每8bit數據内插入2bit校驗數據，以保證接收端數據能正确還原。當然這種編碼方式也會導緻數據傳輸時不能達到理論的最大帶寬，實則為5Gb/s的八成，即4Gb/s（500MB/s）。傳輸協議同樣會導緻一定的可用帶寬損失，不過在實際使用中，仍然能夠達到接近400MB/s的極限傳輸速度。

USB 3.0接口的最大輸出電流達到900mA，比起USB 2.0的500mA增加了80%。USB 2.0時代，不少7200轉的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充足的電力供應使單接口就能夠驅動更多類似的設備，同時也能縮短移動設備的充電時間。雖然因為速度的提高，數據傳輸時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數據傳輸的耗電量要遠低于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（待機和快速恢複）和U2（待機和緩慢恢複）兩種電源狀态，可有效降低設備在不傳輸或接收數據時的耗電量。

USB 3.0擴展卡可能不能完全發揮性能

然而，USB 3.0同樣存在着一些小問題。雖然在2008年該标準就已正式發布，但直至2012年7系主闆推出之後，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闆南橋提供的，通道的速率最大可能隻有2.5Gb/s，這還隻有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備受到USB 3.0幹擾

此外，USB 3.0接口在使用時，有可能會對附近使用2.4GHz頻段的無線和藍牙設備造成幹擾，從而引起設備信号衰減甚至是失去響應，因此需要使用HUB延長線或是将無線設備接入到離USB 3.0接口較遠的接口處，才能解決這個問題。

USB 3.1與Type-C：接口大一統時代來臨？

USB 3.1速度翻一番

最後我們來談談最新的USB 3.1标準。USB 3.1标準于2013年7月發布，最大理論帶寬相比3.0時翻了一番，達到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，換算之後帶寬同樣超過了1.2GB/s，這也意味着在真實使用中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USB 3.0/2.0/1.1等舊标準。

加入屏蔽處理措施避免電磁幹擾

另外，針對USB 3.0時出現的電磁幹擾問題，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備的幹擾。

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，并修複了此前存在的各方面問題，但人們談論更多的都是随USB 3.1引入的全新Type-C接口。與蘋果的Lightning接口相似，Type-C接口取消了曾經的防呆保護設計，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比标準的Type-A也小了很多，僅比目前常用的USB 2.0 Micro B稍大，因此也特别适合用在各種輕薄設備上面。但是如上圖所示，USB 3.1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，也可能隻有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備充電能力的的增強。USB 3.1接口下的供電最高允許标準大幅提高到了20V/5A（僅限于Type-A/B），能夠提供達100W的供電輸出能力。而Type-C的最高标準為12V/3A，36W的充電能力已經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），這意味着Type-C接口和數據線能傳送非USB數據信号。目前Alt Mode已經能夠支持DisplayPort 1.3和MHL 3.2規範，而USB-IF同時也在尋求對其他的功能标準的支持，除了視頻接口，像以太網等其他接口同樣也可以被Type-C支持。

ThunderBolt是很強大，但USB更加親民

結合以上幾點來看，除了帶來更多的便利之外，Type-C接口似乎還有很大的野心——憑借這一種新的接口形式實現各種接口功能的大一統。它小巧易用，具備強大的供電能力，還具備擴展更多其他功能的潛力，這些都不得不令人聯想到，未來的各種電子設備，隻需要配備同樣一種接口，即可實現各種各樣的功能。而Intel的Thunderbolt接口雖然曾經也有過這樣的願景，功能和性能上也都要比USB 3.1更強，但無奈定位太高，普及程度遠不及USB，因此在這方面顯然後來居上的USB 3.1要更受業界歡迎。

結語：就像之前說到，USB誕生的初衷是為了簡化計算機和外部設備的連接，但至此USB的應用早已不僅僅限于電腦，各種各樣的電子設備也早已離不開這種看起來并不複雜的接口。正如其“通用串行總線”之名，USB正在“通用”的道路上越走越遠。至于以後USB還會繼續衍生出怎樣的應用，是否能夠一統接口界的江湖，還是讓我們拭目而待吧。

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