电脑 第9章 USB 电脑 第9章 USB

2024-05-24

一、什么是 USB

USB 是 Universal Serial Bus 的缩写,全称为通用串行总线。

它是一种数据通信方式的接口标准,由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC及Northern Telecom 等计算机公司和通信公司于 1995 年联合制定,并逐渐形成了行业标准。

作为一种高速串行总线,USB 的出色传输速度使其能满足众多高速数据传输需求,因此在众多领域均有广泛应用。

其优势包括供电方式便捷、安装简单、易于扩展、传输方式多样以及出色的兼容性。

USB 接口类型:这是从外形分类,比如 Type-A、Type-B 和 Type-C

USB 传输协议:这是从传输速率分类,比如 USB 1.0、USB 2.0、USB 3.2 Gen1等

即,根据 ABC 字母判断接口,再根据 1234 数字判断速率。

二、USB 接口类型

2.1、分类

根据外形,USB 可分为三大类,分别是 USB Type-A、USB Type-B 和 USB Type-C,其中 USB Type-A 和 USB Type-B 根据大小又可分为 Standard(标准)、Mini(小型)、Micro(微型),USB Type-C 目前只有一种形态,具体如下图:

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上图按 USB 接口类型分类,不难发现,同一接口支持不同协议,其结构也不同,又可以向下细分。

这个在下文传输协议部分有张更直观的图做展示。

2.2、安卓口

Micro Type-B USB 接口(下文简称 Micro USB)也就是我们常说的安卓口,它仅支持 USB2.0。

相信现在很多人仍然保留着老式安卓机,还保留着 Micro USB 接口:

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2.3、Type-C

USB Type-C 接口也就是我们常说的 USB-C 口或简称 C 口,是目前大部分安卓手机以及平板等数码产品使用的接口,这里就不过多展示了。

Type-C 接口不仅限于充电及传输数据,还可作为视频输出接口。

所以现在有一个新的概念叫“全功能 C 口”。

即,并不是所有 C 口都支持“充电+数据传输+视频输出”

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2.4、苹果口

闪电接口,即 Lightning 接口,这是仅苹果公司采用的接口,适用于从 iPhone、iPad 到 Apple Pencil 手写笔、妙控键盘、妙控鼠标等配件的大多数苹果移动设备。

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目前,安卓平台已基本完成 Type-C 充电接口的统一。

欧盟已立法要求在 2024 年底统一手机等便携智能电子设备的充电接口。

iPhone 15 采用USB Type-C接口(即 USB-C 接口)。

三、USB 传输协议

3.1、分类

USB 3.0 系列经历过两次重命名,记着 Gen 后面数字越大,版本越新就可以了。

但同时你也要提防别人用 USB 3.2 来忽悠你: 把 USB 3.0 说成 USB 3.2 Gen1,第一反应好像是 3.2 Gen1 要牛一点,其实就是一种东西不同叫法。

按大类来说,目前 USB 的传输协议分为 USB 2.0、USB 3.2、USB4 三大类。

3.1.1、USB 1.0

USB 1.0 速率太慢,早已被淘汰

3.1.2、USB 2.0

USB 2.0 处于被淘汰的边缘,需注意的是,不是所有 USB 2.0 的传输速度都是 480 Mbps,USB 2.0 又分为低速、全速和高速版:

  • 低速版 1.5Mbps(即 1.5MB/8=192KB/s)

  • 全速版 12Mbps(即 12MB/8=1.5MB/s)

  • 高速版480Mbps(即 480MB/8=60MB/s)

3.1.3、USB 3.0

类似,USB 3.0 也拥有三个版本,分别是 3.2 Gen1、3.2 Gen2×1、3.2 Gen2×2:

  • USB3.2 Gen1 5Gbps(即 5GB/8=640MB/s)

  • USB3.2 Gen2×1 10Gbps( 即10GB/8=1280MB/s)

  • USB3.2 Gen2×2 20Gbps(即 20GB/8=2560MB/s)

3.1.4、USB 4

USB4 相当于 USB3.2+雷电 3 的组合,也就是说你的设备上有 USB4 接口,理论上就能外接雷电 3 的设备。好消息是,最新的 USB4 仅支持 Type-C,且命名非常人性化,通俗易懂,直接采用传输速率大小的方式命名,这才是真正意义上做到了统一:

  • USB4 20Gbps(即 20GB/8=2560MB/s)

  • USB4 40Gbps(即 40GB/8=5120MB/s)

3.2、USB 2.0 和 USB 3.0

3.2.1、USB 2.0

USB2.0 总线协议规范由 USB-IF 组织在 2000 年提出。

它具备高达 480Mbit/s 的传输速率,同时向下兼容低速与全速传输。

此外,USB2.0 还提供了 5V 的供电电压,最大传输距离达到 5 米,且支持通过 HUB 级联扩展至多达127 个 USB 设备。

其传输方式亦十分灵活,包括控制传输、中断传输、同步传输及批量传输等。

3.2.2、USB 2.0

USB3.0 规范由 USB-IF 组织在 2008 年推出。

与 USB2.0 相比,USB3.0 的传输速率有了显著的提升,高达 5.0Gbit/s。

同时,它仍向下兼容 USB2.0 的传输速率,供电电压同样为 5V,但最大电流提升至 900mA。

此外,USB3.0 还引入了新的电源管理功能,使得设备在待机、睡眠及暂停模式下更加省电。

全双工通讯的加入,也进一步提升了其传输效率。

3.2.3、USB 2.0 和 USB 3.0 的区别

首先,从外观上看,USB2.0 通常采用白色或黑色设计,而 USB3.0 则采用了蓝色接口,便于用户进行区分。

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在 USB 插口引脚方面,USB2.0 采用的是 4 针脚设计,相对而言,USB3.0 的 9 针脚设计则显得功能更为强大。

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此外,在 USB 公口的外观上,USB3.0 接口部分会标记有“SS”样式,而 USB2.0 则只标记有普通的USB 通用标识。这一细微差别,也能够帮助用户更快速地识别出两者的不同。

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3.3、闪电协议

我们常说的雷电接口,本质上也是一种传输协议,全程英文名叫做 Thunderbolt。

Thunderbolt 技术融合 PCI Express 和 DisplayPort 两种通信协议:

  • PCI Express 用于数据传输,可以非常方便的进行任何类型设备扩展

  • DisplayPort 用于显示,能同步传输 1080p 乃至超高清视频和最多八声道音频,并且两条通道在传输时都有自己单独的通道,不会产生任何干扰

早期的雷电接口外观和原有 Mini DisplayPort 接口相同,Mini DP 接口的显示器以及 Mini DP 至HDMI/DVI/VGA 等接口的转接头都可在雷电接口上使用,这种雷电接口在早期的 Mac 上使用。

而雷电 3 采用了通用度更高的 Type-C 物理接口,所以更广为人知。

但因为支持雷电 3 接口的设备价格都非常昂贵,所以雷电 3 并没有得到普及。

直到英特尔宣布向 USB 开放雷电协议,于是 USB4 的出现带动了雷电 3 的普及。

雷电 4 则是相较于雷电 3 更强的接口协议,雷电 4 协议并没有开放,这是英特尔留的底牌。

雷电 4 是目前功能最全的协议,无论是传输速度、视频拓展还是充电都是顶级的接口协议(如下图)。

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四、USB 接口转换

不同类型的 USB 接口可通过连接线互相转换,像我们每天给手机充电用的就是 Type-C 转 Type-A 连接线:

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