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细说USB的演化史

发布时间:2019-06-12 08:15 来源:未知 编辑:admin

  ,是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种I/O接口的技术规范。如今的USB接口可以说已经是最为人们所熟知的一种I/O接口,被广泛地应用于个人电脑和移动电子设备之中。而作为一种通用性极强的技术标准,它的发展也并非我们想象中那么一帆风顺,水到渠成。随着配备最新USB 3.1接口设备的逐渐到来,今天我们就来细说一下USB接口那一段不平凡的

  在USB接口诞生之前,那时候的计算机大多通过串行接口和并行接口与外部设备交换数据。但问题是,这些接口的传输速率都比较低,有时这些接口甚至还不能同时运行,而随着处理器速度的快速提升,电脑与外部设备之间的接口数据传输速度也需要逐步提高,不然就会成为电脑发展的瓶颈。此外,外部设备的传输接口也不尽相同,如打印机需要用并口、MODEM要使用串口、鼠标键盘要接PS/2口等等。数量繁多的接口种类,还要安装驱动才能正常使用,都容易造成用户的困扰。于是乎,随着PC硬件的发展,人们越来越需要一种适用性广、传输速度快、软件配置简单的外部接口,这就促成了USB(通用串行总线年,一个由Intel、微软、IBM、NEC、Compaq、DEC、Nortel等公司为成员组成的USB开发者论坛(USB-IF)正式成立。

  在1994到1995年间历经多个预发布版本之后,1996年1月,USB 1.0正式版终于发布,它支持两种数据传输速率,一种为1.5Mb/s的低速速率(Low Speed),另一种则是12Mb/s的全速速率(Full Speed)。但作为一种新兴接口,当时支持USB接口设备较少,而且因为延时和供电问题,USB 1.0接口也不支持使用延长线,对比传统的传输接口,USB尚未具备明显的优势。USB 1.1标准在1998年8月发布,着力改进了此前USBHUB方面的问题,理论上最多可支持127个外部设备。同年,PC历史上具有里程碑意义的苹果iMac G3发布,它非常激进地使用了USB接口取代传统的串行和并行接口;Intel也在其主板芯片组上不断加强对USB的支持,这些都为日后USB的普及铺平了道路,也是从此时USB开始逐渐被人们所接受。凭借其易用性、更高的传输速率和其他技术特性,USB终于一举超越先前其他各种接口,直至今天依然是最被广泛使用的接口标准。

  正如外部设备催生了USB接口标准,USB的普及同时也推动了其他外部设备的快速发展。已知的第一款正式在市场上销售的U盘,在2000年由新加坡的TREK公司推出,支持USB 1.1标准。现在我们可以轻松地一眼认出这是一个U盘,因为从外观上说它跟目前市面上很多其他的U盘并无大的区别,但它只有8MB大的存储空间;而现在市售的U盘中,我们可以买到容量高达1TB的U盘(嗯没错就是国民老公同款U盘),达到了前者10万倍以上。

  回复:围绕U盘是谁发明这一点有很多的争论,朗科赢得了专利,但就谁先开始生产和销售U盘类产品,从国际上的很多资料记载来看都是Trek。

  问题3:苹果的Lightning从设计上来说,比type-c好,可惜苹果不会开放给其他人使用的。

  回复:Lightning与Thunderbolt类似,在接头上还配备了专门的芯片,因此可实现的功能也更多,而且尺寸更小巧,但目前尚未支持USB 3.0,故传输速度较慢。相对地,Type-C接口要单纯很多,作用就只有传输数据和供电,生产成本更低,而在设计上屏蔽和保护措施也较Lightning更多。两者对比互有胜负,而从适用性上讲,成本更低的Type-C显然要更高一些。

  回复:从第四页的图上可以看到,USB 3.1针对手机设备的充电设计标准应该是5V/2A,20/3A和20V/5A的充电设计主要是针对较大型的笔记本和移动工作站,Type-C接口最大的供电是12V/3A,主要是应用在超极本、轻薄本等设备上,所以应该是看不到20V充手机这种情况的。

  不过随着各种外部设备对数据传输速率需求的提高,USB 1.1那12Mb/s的带宽也是越发捉襟见肘,在接入较多外部设备时,多个数据流同时传输容易引发瓶颈效应,为了解决传输速率问题,USB 2.0应运而生。USB 2.0标准在2000年正式发布,加入了40倍于原先全速速率(Full Speed)的高速速率(Hi-Speed),理论带宽达到480Mb/s,同时也向下兼容USB1.1标准的全速速率(因此需要注意的是,并非所有宣称支持USB 2.0的设备都能达到高速速率,也可能是速度较低的全速速率)。由于受制于BOT传输协议和NRZI编码方式,实际USB 2.0的最大传输速度在30~35MB/s之间。

  但USB接口的演化并非只有速率变化那么简单。对于体积比较轻薄小巧的外部设备来说,PC上面常见的Type-A接口,显然不太适合。同年10月,USB-IF非常有预见性地发布了Mini A、Mini B接口标准,为USB接口在移动设备上的普及打下了坚实的基础。2007年加入的Micro USB标准,比起Mini USB更加小巧和耐用,目前已经被应用于大部分的移动设备上。

  虽然基于技术和市场等原因,曾经也有不少厂商没有使用标准的USB接口,而采用自己设定的一套接口规范(比如Nokia Pop-Port),但如今也只有牛气如苹果,才能继续坚持这样做下去。

  另一个USB 2.0后带来的重要变化,就是引入了USB OTG(On-The-Go)作为其补充标准。简单来说,标准的USB使用主从式的架构,USB主机端(PC)为“主”,而USB外部设备为“从”,只有主机端可以调度该链接的设置与数据传输,而外接的USB设备不能够自行启动数据传输,只能回应主机端的指令。OTG的加入改变了这种状况,传统的外部设备也并不一定就只能是外部设备,它们也可以成为主机端。比如,手机、平板等设备在连接电脑时作为外接存储设备存在,但当它们通过OTG与U盘等设备连接时,又能作为主机端,修改和读取U盘内的数据。当然,除了U盘,这些设备还可以是键盘、鼠标、打印机等等很多

  USB诞生的初衷是为了简化电脑和外部设备的连接,但至此USB已经从PC跨越到其他电子产品领域上,并由此衍生出了多种新的应用。

  随着技术的发展和高清播放时代的来临,就如当初USB 1.1一样,USB 2.0 Hi-Speed 480Mb/s的传输速度逐渐也不能满足我们的需求,于是在2008年,USB-IF又带来了USB3.0标准。新标准带来了高达5Gb/s(Super Speed)的理论带宽,达到原有USB 2.0 480Mb/s的十倍以上,但同时也向下兼容USB 2.0和1.1标准。

  USB 2.0时代使用半双工的传输方式,即只能提供单向的数据传输;而USB 3.0接口增加了在2.0基础上增加了4条线路(一对负责发送,一对负责接收),实现了全双工传输,发送数据和接收数据可以同步进行,从而大大提高了传输带宽。

  为了实现更高的传输速度,USB 3.0没有再使用此前的NRZI编码方式,而是引入了被广泛应用于PCIE 2.0、SATA 3.0、光纤通道上的8b/10b编码方式,因此从传输角度上看,比起USB 2.0,USB 3.0反而与PCIE 2.0、SATA3.0更为相似。这种编码方式是在每8bit数据内插入2bit校验数据,以保证接收端数据能正确还原。当然这种编码方式也会导致数据传输时不能达到理论的最大带宽,实则为5Gb/s的八成,即4Gb/s(500MB/s)。传输协议同样会导致一定的可用带宽损失,不过在实际使用中,仍然能够达到接近400MB/s的极限传输速度。

  USB 3.0接口的最大输出电流达到900mA,比起USB 2.0的500mA增加了80%。USB 2.0时代,不少7200转的2.5英寸移动硬盘,都需要使用Y型的USB线材,接入多一个额外的USB接口才能作为补充供电,才能正常运行;而USB 3.0充足的电力供应使单接口就能够驱动更多类似的设备,同时也能缩短移动设备的充电时间。虽然因为速度的提高,数据传输时USB 3.0要比USB 2.0更加耗电,但与此同时传输耗时大大缩短,每1GB数据传输的耗电量要远低于USB 2.0。电源管理方面也更加智能,在USB 3.0中,除了原有的U0(连接)及U3(暂停)外,还加入了U1(待机和快速恢复)和U2(待机和缓慢恢复)两种电源状态,可有效降低设备在不传输或接收数据时的耗电量。

  然而,USB 3.0同样存在着一些小问题。虽然在2008年该标准就已正式发布,但直至2012年7系主板推出之后,Intel才正式原生提供对USB 3.0支持。而在USB 3.0普及的前期,接口主要是通过第三方芯片接入主板南桥提供的,通道的速率最大可能只有2.5Gb/s,这还只有USB 3.0的5Gb/s的一半,因此性能受到了一定的限制。

  此外,USB 3.0接口在使用时,有可能会对附近使用2.4GHz频段的无线和蓝牙设备造成干扰,从而引起设备信号衰减甚至是失去响应,因此需要使用HUB延长线接口较远的接口处,才能解决这个问题。

  最后我们来谈谈最新的USB 3.1标准。USB 3.1标准于2013年7月发布,最大理论带宽相比3.0时翻了一番,达到10Gb/s(Super Speed+),与第一代的Thunderbolt相同。USB 3.1编码方式从此前的8b/10b换成了128b/132b,带宽损耗率从20%大幅下降到3%左右,换算之后带宽同样超过了1.2GB/s,这也意味着在线的极限传输速率有望突破每秒1GB。USB 3.1可向下兼容USB3.0/2.0/1.1等旧标准。

  另外,针对USB 3.0时出现的电磁干扰问题, USB 3.1的Type-A接口处加入了金属屏蔽罩和更多的接地弹片,从而有效降低了对附近其他设备的干扰。

  虽然像过去的升级一样,USB 3.1同样带来了更高的传输速率,并修复了此前存在的各方面问题,但人们谈论更多的都是随USB 3.1引入的全新Type-C接口。与苹果的Lightning接口相似,Type-C接口取消了曾经的防呆保护设计,因此不分正反均可正常插入使用,免去了辨识插入方向的麻烦。而在尺寸上,8.3mm*2.5mm比标准的Type-A也小了很多,仅比目前常用的USB 2.0 Micro B稍大,因此也特别适合用在各种轻薄设备上面。但是如上图所示,USB3.1的速度竟然也分了Gen1(5Gb/s)和Gen2(10Gb/s)两个版本,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的理论带宽,苹果的New MacBook就是一个很好的例子。

  而USB 3.1 Type-C的另一个大卖点就是对移动设备充电能力的的增强。USB 3.1接口下的供电最高允许标准大幅提高到了20V/5A(仅限于Type-A/B),能够提供达100W的供电输出能力。而Type-C的最高标准为12V/3A,36W的充电能力已经足够一些轻薄型笔记本的使用,这也是New MacBook敢于放弃MagSafe而采用Type-C作为充电接口的重要原因。

  从功能上看,USB 3.1 Type-C还引入了全新的Alternate Mode(交替模式),这意味着Type-C接口和数据线能传送非USB数据信号。目前Alt Mode已经能够支持DisplayPort 1.3和MHL 3.2规范,而USB-IF同时也在寻求对其他的功能标准的支持,除了视频接口,像以太网等其他接口同样也可以被Type-C支持。

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