細說USB的演化史

USB 1.1/1.0：簡化復雜的連接方式

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，而隨著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、鼠標鍵盤要接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，隨著PC硬件的發展，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年間歷經多個預發布版本之后，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標準在1998年8月發布，著力改進了此前USBHUB方面的問題，理論上最多可支持127個外部設備。同年，PC歷史上具有里程碑意義的蘋果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接口標準，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標準。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盤并無大的區別，但它只有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。

問題1：USB 3.1 Type-C的大小規格是多少？比micro-b接口大多少？比蘋果 Lightning接口大多少？

回復：USB 2.0 Micro-B接口大小為6.85mm*1.8mm，USB 3.0 Micro-B接口大小為12.2mm*1.8mm，Type-C接口大小為8.3mm*2.5mm，蘋果Lightning接口大小為6.7mm*1.5mm。

問題2：首個U類產品明顯是朗科先做的，還是朗科的專利。

回復：圍繞U盤是誰發明這一點有很多的爭論，朗科贏得了專利，但就誰先開始生產和銷售U盤類產品，從國際上的很多資料記載來看都是Trek。

問題3：蘋果的Lightning從設計上來說，比type-c好，可惜蘋果不會開放給其他人使用的。

回復：Lightning與Thunderbolt類似，在接頭上還配備了專門的芯片，因此可實現的功能也更多，而且尺寸更小巧，但目前尚未支持USB 3.0，故傳輸速度較慢。相對地，Type-C接口要單純很多，作用就只有傳輸數據和供電，生產成本更低，而在設計上屏蔽和保護措施也較Lightning更多。兩者對比互有勝負，而從適用性上講，成本更低的Type-C顯然要更高一些。

問題4：20v充手機會怎樣？

回復：從第四頁的圖上可以看到，USB 3.1針對手機設備的充電設計標準應該是5V/2A，20/3A和20V/5A的充電設計主要是針對較大型的筆記本和移動工作站，Type-C接口最大的供電是12V/3A，主要是應用在超極本、輕薄本等設備上，所以應該是看不到20V充手機這種情況的。

USB 2.0：More than PC

　　不過隨著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標準在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標準的全速速率（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接口的演化并非只有速率變化那么簡單。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，顯然不太適合。同年10月，USB-IF非常有預見性地發布了Mini A、Mini B接口標準，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標準，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。

非標準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標準的USB接口，而采用自己設定的一套接口規范（比如Nokia Pop-Port），但如今也只有牛氣如蘋果，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后帶來的重要變化，就是引入了USB OTG（On-The-Go）作為其補充標準。簡單來說，標準的USB使用主從式的架構，USB主機端（PC）為“主”，而USB外部設備為“從”，只有主機端可以調度該鏈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，只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只能是外部設備，它們也可以成為主機端。比如，手機、平板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盤內的數據。當然，除了U盤，這些設備還可以是鍵盤、鼠標、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跨越到其他電子產品領域上，并由此衍生出了多種新的應用。

USB 3.0：速度大爆發

隨著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USB3.0標準。新標準帶來了高達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標準。

USB 3.0新增兩對線路（SDP SignalPair）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，即只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條線路（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、SATA3.0更為相似。這種編碼方式是在每8bit數據內插入2bit校驗數據，以保證接收端數據能正確還原。當然這種編碼方式也會導致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）。傳輸協議同樣會導致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（待機和快速恢復）和U2（待機和緩慢恢復）兩種電源狀態，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同樣存在著一些小問題。雖然在2008年該標準就已正式發布，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頻段的無線和藍牙設備造成干擾，從而引起設備信號衰減甚至是失去響應，因此需要使用HUB延長線或是將無線設備接入到離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

最后我們來談談最新的USB 3.1標準。USB 3.1標準于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等舊標準。

加入屏蔽處理措施避免電磁干擾

另外，針對USB 3.0時出現的電磁干擾問題， 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，并修復了此前存在的各方面問題，但人們談論更多的都是隨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比標準的Type-A也小了很多，僅比目前常用的USB 2.0 Micro B稍大，因此也特別適合用在各種輕薄設備上面。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備充電能力的的增強。USB 3.1接口下的供電最高允許標準大幅提高到了20V/5A（僅限于Type-A/B），能夠提供達100W的供電輸出能力。而Type-C的最高標準為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），這意味著Type-C接口和數據線能傳送非USB數據信號。目前Alt Mode已經能夠支持DisplayPort 1.3和MHL 3.2規范，而USB-IF同時也在尋求對其他的功能標準的支持，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。

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