USB基础知识

一、什么是USB？

        USB是英文Universal Serial Bus的缩写，意为通用串行总线。

        USB最初是为了替代许多不同的低速总线（包括并行、串行和键盘连接）而设计的，它以单一类型的总线连接各种不同的类型的设备。USB的发展已经超越了这些低速的连接方式，它现在可以支持几乎所有可以连接到PC上的设备。最新的USB规范修订了理论上高达480Mbps的高速连接。

        作为设备间互连和数据通信的一种简单、方便的方式，小型、具有高性价比、易于连接智能手机、移动设备，甚至工业应用外围设备。

        简单地说，总线是电子系统中不同组件之间传输数据或电源的一种方法；串行表明数据是通过同一条或几条线以一个比特的方式传输的。

        USB 是一种工程标准，是针对电子系统中连接各种设备的连接器和电缆而制定的“通用”规范。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，并逐渐形成了计算机与外设通讯的行业标准。

二、USB相关术语

术语	说明
USB	Universal Serial Bus, 通用串行总线
OTG	On-The-Go
ADB	Android Debug Bridge，Android 调试桥
Gadget	小配件
HCD	Host Controller Driver，主机控制器驱动
UDC	USB Device Controller, USB 设备控制器
HCI	Host Controller Interface，主机控制器接口
EHCI	Enhanced Host Controller Interface，增强型主机控制器接口
OHCI	Open Host Controller Interface，开放式主机控制器接口

三、USB的发展历史

USB 自 1996 年首次面市以来，已经发展出了大量的功能。在 20 世纪 90 年代 USB 推出之前，互连方面的数据传输复杂而缓慢。经过几十年的稳定的改进和改变，USB 和 USB Implementers Forum (USB-IF) 创造的互连能力超出预期，USB 的数据速度、电源传输等都在持续提高。

1. USB 之前的互连器件

        在 USB 出现之前，数据传输缓慢是常态，传输速率范围通常是从并行传输的每秒 100 kB 到串行传输的每秒 450 kb。计算机制造商不仅使用串行端口和并行端口，而且还有各种专有的插头、连接器和电缆，这些经常需要专门的驱动程序和卡。此外，热插拔功能受限，在插入任何设备和重新打开硬件之前，必须先关闭该硬件。

USB-IF 于 1994 年开始制定 USB 标准，并公布了几个先行版本（USB 0.8 和 0.9），但未投入商用。1995 年，USB 0.99 在先行标准列表中封顶，又未实现商用。

2. USB 1.0 和 USB 1.1

        USB 1.0 标志着 1996 年 USB 标准的一次重大发布，其数据速率为低速 1.5 Mbps 和全速 12 Mbps。尽管 USB 1.0 带来了热插拔和自我配置的便利，但作为首款商用 USB 版本并未得到广泛采用。

        USB 1.1 于两年后的 1998 年被推出。虽然与 USB 1.0 的数据传输能力相当，但它也可以适应低带宽设备，以较慢的速度运行。苹果公司的 iMac G3 采用了被称为 全速 的 USB 1.1，并停止使用串行和并行端口，这一动作让 USB 1.1 闻名业界。这为此后 USB 标准的普及铺平了道路。USB 1.0 和 USB 1.1 还规定了实体 USB 连接器的使用标准，即 A 型和 B 型。

3. USB 2.0

        21 世纪初，由于个人电脑及其各种外围设备的广泛普及，对更高数据传输速度的需求日益增加。因此，USB 2.0 在 2000 年 4 月亮相市场。这一标准的数据传输能力为 480 Mbps，但由于受到总线的限制，一度降至 280 Mbps。USB 2.0 采用了高速这一名称，并兼容以前的标准且传输速度为 1.5 Mbps 或 12 Mbps。此时，将 USB 用作电源已开始成为更常见的做法，其电气标准是 5V 电压下提供高达 500 mA 的电流。

        USB 2.0 还引入了 USB On-the-Go 技术，它实现了两个设备间的互动，而不需要单独的 USB 主机。至此，USB 连接总出现在主机（计算机）和外围设备（鼠标、键盘、音乐设备等）之间。

        在实体连接器标准方面，USB 2.0 与 USB Type A、B 和 C 连接器以及 Mini 和 Micro A 和 B 兼容。然而经过多年后，Micro A 和 B 以及 Type C 实体连接器分别于 2007 年和 2014 年推出。

4. USB 3.0

        USB 3.0 及以后的版本是 USB 标准经历了多次迭代和命名规则的改变的结果。为了避免混淆，在更详细地阐明的命名规则之前，我们在提到这些标准时采用其初的发布名称。

        2008 年发布的 USB 3.0 支持 5 Gbps 数据传输速度，但实际达到的速度更接近于 3 Gbps。USB 3.0 被称为 SuperSpeedUSB，将 USB 2.0 硬件的四条连接线增加到八条，并允许数据双向传输，同时向后兼容 USB 2.0。该标准还将电源能力提高到 5 V 900 mA。此外还需注意的是，如 USB 3.0 A 型和 B 型连接器等特定型 USB 3.0 硬件用蓝色来表示其兼容性。

随着 USB 3.2 命名规则的引入，USB 3.0 现在被称为 USB 3.2 Gen 1（第 1 代）。

5. USB 3.1

        与 USB 3.0 相同，USB 3.1 是 2013 年发布的一个临时标准，它只是将数据速率提高了一倍，达到 10 Gbps。该标准的名称为 SuperSpeed+，并一度采用了两级命名规则：USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) 和 USB 3.1 Gen 2。同样，随着 USB 3.2 命名规则的引入，USB 3.1 Gen 2 现被称为 USB 3.2 Gen 2。

6. USB 3.2

        2017 年 9 月推出的 USB 3.2 标准取代了 USB 3.0 和 3.1 标准的命名规则，同时增加了第三级数据能力，可达 20 Gbps。该标准被称为 USB 3.2 Gen 2x2，它充分利用了 USB Type-C? 连接器的双通道数据传输通道，可以在两个线对的每个方向上都达到 10 Gbps 传输速度。我们还经常看到 USB 3.2 标准下的两个低级标准被列为 USB 3.2 Gen 1x1 或 USB 3.2 Gen 2x1，这只是为所使用的数据线数量增加了背景。

7.USB 4.0

        基于 Thunderbolt 3 协议的 USB 4.0 于 2019 年 8 月发布，数据传输速度高达 40Gbps 并具有专门的视频传输方法。Power Delivery 3.1 标准还将 USB 的电源能力提高到 240 W。虽然从技术上讲，Power Delivery 标准和 USB 4.0 是分开的，但它们平行发展且经常同时出现。这两种标准只有通过实体 USB Type C 连接器的硬件功能才能得以充分利用。