USB，终于一统江湖！
四分之一世纪以来，USB 端口一直是忠实的老朋友。连接我们的日常小工具和外围设备并为其供电，我们需要做的就是将它们插入并观看它们神奇地工作。
随着时间的推移，插座（socket）发生了变化，但无论你插入什么，主机似乎总是知道设备是什么。但这究竟是如何发生的呢？它如何知道何时连接了鼠标而不是打印机？USB 2.0 和 USB 3.2 SuperSpeed 之间有什么区别？
欢迎来到我们的 USB 内部工作解释器，看看它是如何在其他人来来去去的情况下存活这么久的。
一个 DE-15 VGA 插座，两个 DE-9 串行端口和一个 DB-25 并行端口，以及两个 PS/2 连接器。
鼠标和键盘几乎总是使用串行PS/2端口，每个端口都有一个专用的 6 针端口。打印机和扫描仪通过 25 针连接器连接到并行端口，其他一切都通过经典串行端口连接。
如果您不小心将鼠标插入键盘插槽怎么办？它只是行不通，因为 PC 不知道插入了错误的设备。事实上，这些接口都无法识别设备是什么：本质上，你会告诉计算机它是什么，然后手动为其安装正确的驱动程序。
如果一切顺利，在驱动程序安装后，快速重启和一点运气，这就是让一切正常运行所需的一切。不过，通常情况下，PC 用户需要深入研究 Windows 的控制面板或主板 BIOS 才能使其顺利运行。
对于尝试连接外围设备的 90 年代 PC 用户来说，这是一个熟悉的景象
自然地，消费者想要更好的东西：可以这么说，“一个端口来统治他们”。一个插座，您可以将设备插入和拔出，而无需重新启动机器，并且可以立即为您识别和配置设备。
系统供应商也想要更通用的东西，以取代对许多不同插座的需求，并且生产成本更低。多年来，它还需要有待开发和改进的范围，同时保持向后兼容性。
所以，那时要求不高。
通用串行总线：难得的统一时刻
在计算世界中，行星偶尔会对齐并启动一个和谐的生产力时期，造福于每个人。这样的事件发生在 1994 年，当时 Intel、Microsoft、IBM、Compaq、DEC 和 Nortel 组成了一个联盟，一致认为是时候创建一个新的连接系统来满足每个人的愿望和需求了。
英特尔带头进行技术开发，Ajay Bhatt 成为该项目的主要架构师——他将继续为AGP（加速图形端口）和PCI Express做同样的事情。在两年的时间里，发布了完整的规范，以及控制这一切的芯片。
通用串行总线作为串行、并行和 PS/2 端口的替代品而诞生。它以干净、简单的设计而自豪，并提供了很多性能。新系统一开始采用缓慢，直到 1998 年发布 1.1 版才真正起飞。
修订版中的更改相当小，主要是关于电源管理和设备兼容性，但这并不是启动 USB 应用的原因。相反，微软在 1997 年秋季通过更新将 USB 1.1 支持添加到 Windows 95 中。
微软还大力宣传“即插即用”这一短语——一种旨在消除设置计算机和外围设备的复杂性的 PC 设计理念和系统要求。虽然不是最强大的系统，但 USB 是它的完美典范。
但是，USB 最大的广告来自于苹果决定全心投入，并发布了一款将撼动整个 PC 行业的产品。
告别米色和旧端口 - Apple 的第一款 iMac
最初的 iMac于 1998 年 8 月推出，明亮而大胆，是首批所谓的“无遗留” PC 之一。该术语用于表示该机器避开了所有旧端口和设备：其中的所有内容都将是最新的硬件。虽然它一开始并没有受到评论家的欢迎，但它继续大量销售——它的流行使 USB 真正地出现在地图上，尽管 Windows 计算机在没有任何让步的情况下还需要销售很多年到过去的接口。
USB 规范继续进行了多次修订，主要修订版是 2001 年的 2.0、2008 年的 3.0 和 2022 年发布的最新 4.0 规范。但我们稍后会回过头来讨论。
现在，让我们看一下 USB 的实际工作原理。
只是外表很简单：USB 的工作原理
让我们首先看一下典型 PC 中连接的总体布局。
下图显示了 Intel Z790 Raptor Lake 系统中的各种设备如何相互通信：
您可以在图表的左下部分看到 USB 端口，它们直接连接到英特尔所谓的 PCH：平台控制器集线器。在 USB 刚出现的时候，这种芯片通常被称为南桥，它管理指令和数据流向硬盘驱动器、网络适配器、音频芯片等组件。
PCH 仍然扮演同样的角色，尽管现在它有更多的事情要处理。顺便说一句，AMD Ryzen CPU 实际上可以直接处理这些任务：它们不需要 PCH/南桥，尽管大多数 Zen 主板都带有一个额外的控制器，以提供更多的端口和插座。
在 X299 芯片的硅内脏深处是一个称为USB 主机的部分，它包含两个关键元素：USB控制器和根集线器。前者是一个小型处理器，负责发出所有指令、管理电源传输等。像所有此类集成电路一样，它需要驱动程序才能运行，但这些驱动程序几乎总是内置在操作系统中。
根集线器是将 USB 设备连接到计算机的主要阶段，但并非每个系统都以这种方式设置。有时设备连接到其他集线器，这些集线器又以菊花链方式返回到 USB 主机（图像顶部的绿色框）。
最新规范允许最多 5 个集线器链，虽然这听起来可能不多，但相同的标准还规定单个 USB 控制器必须支持最多 127 个设备。需要更多？然后只需添加另一个控制器——这实际上是 USB 3.0 标准中的默认要求。
集线器和设备通过一组逻辑管道相互通信，每个连接的外围设备最多有 32 个通信通道（16 个上游，16 个下游）。不过，大多数只使用少数几个，并且会在需要时启用它们。
管道可以根据它们正在做的事情简单地分类：发送/接收指令或传输数据。在后者的情况下，所使用的逻辑系统只向一个方向发送，而指令总是双向的。
例如，USB 扫描仪只会将数据发送到集线器，而打印机只会接收数据。硬盘驱动器、网络摄像头和其他多功能设备两者兼而有之，因此将有更多活跃的管道工作。
那么所有这些信息是如何传输的呢？
在 USB 1.0 到 2.0 的情况下，仅使用 2 根电线即可完成，这明显少于旧的并行端口之类的电线。
USB 2.0 引脚 – 接地、数据对、电源
此规格的连接器包含 4 个引脚：一个用于 5 伏电源，两个用于数据，一个接地。5 V 引脚提供操作连接器中的电子设备和设备本身所需的所有电流，最高可达以下限制：
USB 2.0 = 2.5 瓦
USB 3.0/3.1 = 4.5 瓦
USB 3.2/4 = 7.5 瓦
通过电池充电或供电模式，USB 2.0 或更高版本可以绕过这些限制。像这样使用时，无法传输任何数据，但可以提供更多的电力——这是旧端口永远做不到的。
数据线作为差分对工作——它们之间的电压模式为主机控制器提供位流。当设备插入 USB 插座时，控制器会检测到其中一个数据引脚上的电压变化，这会启动一个称为设备枚举的过程。首先重置外围设备，以防止其处于不正确的状态，然后控制器读取所有相关信息（例如设备类型和最大数据速度）。
USB 设备属于许多类别之一，每个类别都有一个固定代码——例如，蓝牙适配器属于无线适配器类别，而带有力反馈的方向盘是物理接口设备。
一个非常重要的组是大容量存储类。最初是为外部硬盘驱动器和 CD 刻录机之类的设备而设置的，多年来它已经扩展到包括闪存棒、数码相机和智能手机——后者的存储容量有了巨大的增长，并且通常使用 USB 连接来连接将文件传输到计算机。
一次只能管理一个设备（因此它是串行总线），但控制器可以非常快速地在它们之间切换，给人一种它们都在同时处理的印象。虽然总线不如 SATA 接口快，例如，使用 USB 驱动器的计算机可以从它们启动，也可以在设备上运行便携式应用程序，而无需安装它们。
说到速度，让我们深入探讨通信系统的这一方面。
在 USB 1.0 规范的早期草案中，接口中的数据线设计为仅以一种速度运行：5 MHz。由于线路成对工作，总线为 1 位宽，提供每秒 5 Mbits（或 640 kB/s）的最大带宽。
这是对古老的串行端口的巨大改进，但低于配置为 ECP 模式 (20 Mbits/s) 的并行端口所能达到的效果。然而，在当时，这种速度会排除很多非常简单的设备，例如鼠标和键盘，因此该规范被扩展为在两种时钟速率下工作，提供 1.5 Mbits/s 或 2 Mbits/s 的数据速率。在不遗余力的艺术许可的情况下，设计师将这些标记为低速和全速。
当 USB 2.0 于 2001 年最终确定时，总线提供了更高的时钟速率，提供每秒 480 Mbits 的峰值带宽——还有什么比“全速”更快？当然是高速。
当 7 年后 3.0 版本出现时，这种命名混乱达到了顶峰。
4 个引脚用于 1.1/2.0 和 5 个数据引脚（在背面）用于 3.0
两条数据线已经达到了最大容量，要想继续提高带宽，就只能增加针脚了。最初的 USB 设计考虑了这样的变化，这就是为什么插座相对宽敞且整洁的原因。
这些额外的引脚允许数据同时双向流动（即双工模式），并提供每秒 5 Gbits 的理论峰值带宽——比原始规格高出 400 多倍。由于这些通道位于旧通道上方的空间，USB 3.0 保留了完全向后兼容性。
然后事情开始变得相当愚蠢......
3.1 版于 2013 年推出，拥有更快的数据通道 (10 Gbits/s)，但出于某种原因，此修订版被标记为USB 3.1 Gen 2。为什么是2代？因为 3.0 更名为3.1 Gen 1。
当 USB 3.2 规范在 5 年后出现时，帮助制定 USB 标准并达成一致的组织决定 3.2 的更强大功能（高达 20 Gbits/s）需要再次重命名：
USB 3.1 Gen 1 --> USB Gen 3.2 1x1
USB 3.1 Gen 2 --> USB Gen 3.2 2x1
新系统在此之上有两个版本：Gen 3.2 1x2和2x2，其中两组数据线并行使用。有这么多不同的规格和速度可用，你会认为会有一个固定的标准来帮助识别事物。但你会想错了——看看技嘉主板上的这个背板：
上图共有 10 个 USB 端口，涵盖两个不同版本的 3.2 规范和两种类型的连接器（稍后会详细介绍）。颜色编码和技嘉自己的网站都没有告诉你它是哪个版本——它们都被标记为 USB 3.2，但为什么有些是蓝色的，有些是红色的？
制造商可以使用官方徽标来指示它是哪个版本，但由于没有以任何方式强制使用它们，因此很少有人使用它们。最近发生了另一次重命名活动，建议制造商使用SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等，这凸显了 USB 变得多么混乱。
当USB4（这不是打字错误，不是 USB 4.0）于 2019 年推出时，人们希望事情会变得更加清晰。可悲的是，速度等级和标签仍然缺乏明确性。如果有的话，它实际上变得更加混乱，因为它很快宣布Thunderbolt 3 将集成 USB4 - 实际上变成了同一件事（除非对后者进行一些额外的调整）......
端口标签相同，但为黑色且没有“已认证”部分
USB 的进一步修订于 2022 年 8 月以 USB4 2.0 的形式出现，提供更快的数据传输速率和改进的向后兼容性。不久之后，又一次尝试整理命名约定，为 USB 电缆和端口添加了大量新徽标。
这些变化受到欢迎并且早就应该发生，但由于最终无法以任何有意义的方式实施这些变化，制造商和零售商可以将名称、颜色和徽标与他们的产品混合搭配。
例如，虽然AMD 在其芯片组中使用新系统，但主板供应商不断发布旧名称的新产品。每家公司都正确地做到这一点还需要很多年。
USB 类型：像 A、B、C 一样简单？
在设计 USB 时，工程师们希望使系统尽可能简单易用，从而避免浪费时间尝试配置所有内容。这个概念被贯彻到插座的格式中——一种形状用于 USB 主机，另一种形状用于要连接的设备。它们最终被称为A 型和B 型连接器。
A 型（左）和 B 型（右）
这背后的想法是，用户可以清楚电缆的哪一端连接到哪里。不幸的是，设计者还希望系统的实施成本尽可能低，而 Type A 的设计有时会使其难以插入。
第一代 USB 的另一个问题是 B 型插头对于媒体播放器和手机等小型设备而言过于笨重。因此，当 1.1 版于 1998 年发布时，引入了缩小版本，称为Mini-A和Mini-B。它们很快被手机和平板电脑采用，尽管它们也因相当脆弱而出名。
但即使是这些也太大了，一旦智能手机制造商开始寻求更薄的设备。USB 2.0 解决了这个问题，不仅提供了更快的速度，还为我们提供了Micro -A和B连接器。
Big Daddy Type A 旁边的 Baby micro-B
USB 2.0 还提供了Micro-AB插座（接受 micro-A 和 micro-B 插头），然后虽然 USB 3.0 的 A 型向后兼容 USB 2.0，但 B 型不是——它在物理上不适合插入 2.0 B 型插座 - 尽管旧电缆可以插入 USB 3.0 B 型连接器。
此外，同样的规格还具有有点笨重的Micro-B SuperSpeed连接器，这违背了它“微型”的全部目的。
功能失调的旧 USB 连接器系列
所有这些变化都是为了寻求更高的性能（您可以清楚地看到 USB 3.0 中的额外数据引脚）并安抚指导小组中不断壮大的成员，该指导小组被称为 USB 实施者论坛 ( USB - IF ) .
显然需要更好的东西......
制造商和消费者都希望连接器体积小，两端相同，并提供改进性能的范围。因此，随着 USB 3.1（单独开发）的出现，USB-C插头诞生了。
它不仅取代了对不同 A/B 插座的要求，还可以以任何方向插入，并用于 USB 以外的连接系统（例如 DisplayPort、HDMI 和 Thunderbolt）。
USB-C 连接器的数据线比 USB 3.0 Type A（抱歉，USB 3.2 SuperSpeed）多得多——两条完全专用于 USB 2.0 支持，另外四组差分对提供双向通信。这些变化在最新规范中提供了高达 80 Gbits/s 的带宽。
有了 USB4，与旧插座的联系就被彻底抛弃了——它是 USB-C 或什么都不是——但我们还需要很多年才能与 PC 和其他设备上的 Type A 插座说再见。
你好 USB，我的老朋友
USB 在计算机和其他小工具中得到广泛采用已经超过 25 年了，虽然最新版本与原始设计几乎没有相似之处，但其基本前提仍然适用：插入它，设备就会正常工作。
每一次规范修订都提供了更高的性能（USB4 2.0 比 1.1 快了近 7,000 倍）并且能够为设备提供更多的电力（目前高达 100 瓦，在供电模式下使用时）。
USB4 2.0 比 USB 1.1 快近 7,000 倍。
但是 USB 为何或如何持续了这么久？有没有更好的可以提供更多带宽或功率的东西？简单的答案不是，或者至少不再是。
十二年前，英特尔发布了Thunderbolt。当时它似乎比 USB 3.0 更具吸引力，具有更大的带宽和更大的灵活性。如前所述，称为 Thunderbolt 3 的最新版本现在作为 USB-C 的超集，放弃了其原始连接器 (Mini DisplayPort)，并具有与 USB4 相同的最大带宽。它提供了更多功能，例如能够为运行设备提供更多电力，但它并没有取代 USB，而是本质上被集成到 USB4 中。
是的，这是一个 USB-C 连接器，但它实际上是一条 Thunderbolt 电缆
还有FireWire，它在某些时候提供了比 USB 2.0 更好的性能并支持全双工数据传输，但是当 USB 3.0 到来并在包括性能在内的许多方面得到改进后，FireWire 不再提供任何明显的优势，也没有被广泛采用。
USB 对系统供应商和制造商的部分吸引力在于其相对开放的规范。与 Thunderbolt 或 FireWire 不同，可以制作“USB 3.2”电缆并按原样出售，但不完全符合规格中的所有细节。例如，它可能不支持全带宽或提供最大可用功率。
虽然这使得此类产品的制造和购买成本低廉，但这确实意味着在获得您实际需要的电缆时它是一个潜在的雷区。USB 提供多种传输速度和电源模式这一事实使问题进一步复杂化——尽管徽标和认证有了很大改进，但在可预见的未来仍将如此。
旧徽标上写着 USB 3.2 Gen 2x1，但它被宣传为 3.2 Gen 2x2 - 没有简单的方法来分辨它是什么
但是，尽管存在松散标准、混乱的命名方案和多种插座类型等缺陷，USB 仍然一如既往地普遍存在。几乎每台计算机外围设备都使用它来连接主机——即使它是无线的，它几乎肯定会使用 USB 加密狗。
总有一天，USB 最终可能会重蹈其前辈的覆辙，但就目前而言，其简单的吸引力和持续的发展将使它继续前进。一个忠实的老朋友，确实如此。
👇👇 点击文末【阅读原文】，可查看原文链接！
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第3385期内容，欢迎关注。
推荐阅读
半导体行业观察
『半导体第一垂直媒体』
实时 专业 原创 深度
识别二维码，回复下方关键词，阅读更多
晶圆｜集成电路｜设备｜汽车芯片｜存储｜台积电｜AI｜封装
回复 投稿，看《如何成为“半导体行业观察”的一员 》
回复 搜索，还能轻松找到其他你感兴趣的文章！