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[分享] 一篇文章让你了解USB的前世今生

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发表于 2016-7-6 15:08:49
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提起USB,肯定是我们在日常工作和生活中最熟悉的,USB 鼠标,USB键盘,USB充电器,U盘等等,总之,USB是我们每天都离不开的东西,但是,就是这个东西,你知道是谁发明的吗?



USB的发展故事

USB发明者,Ajay Bhatt(巴特),据他本人说,“开发这项技术不是为了赚钱。我是为了带来变化,带来大变化的机遇并不常见。”

Ajay Bhatt:尽管名字我们可能不是很了解。他,1990年加盟了Intel的芯片架构团队,担任高级架构师。那时候,计算机完全依赖串口和并口连接外设,诸如鼠标、打印机、手柄之类,速度很慢、驱动复杂,还经常不能同时工作。为了解决这些问题,Bhatt提出了“通用串行总线”(Universal Serial Bus),简称USB,单独一个“通用”接口完全替代串口和并口。当时只有Intel 公司对Ajay Bhatt 的想法感兴趣,并给予他研发技术和资金上的支援,Intel 的处理器也在第一时间支援USB 传输技术。

由于USB 是应用在不同装置的传输技术,初期推广时并不顺利,Ajay Bhatt 首次向微软、苹果等公司推广这一技术时,这些公司没有表现出太多兴趣。第一款相容USB 技术的产品是苹果在1998 年8 月推出的iMac G3,随后微软宣布Windows 98 支援USB 技术,这项技术才得以很快的推广普及。只有Intel 公司对Ajay Bhatt 的想法感兴趣,并给予他研发技术和资金上的支援,Intel 的处理器也在第一时间支援USB 传输技术。由于USB 是应用在不同装置的传输技术,初期推广时并不顺利,Ajay Bhatt 首次向微软、苹果等公司推广这一技术时,这些公司没有表现出太多兴趣。第一款相容USB 技术的产品是苹果在1998 年8 月推出的iMac G3,随后微软宣布Windows 98 支援USB 技术,这项技术才得以很快的推广普及。

USB最初的速度也不快,但是简单方便,尤其是即插即用,而随着技术的进步,USB的速度也在突飞猛进,最新的USB 3.1已经达到10Gbps,还衍生出了Type-C这种不区分正反面的新样式。USB是一个聪明的想法,这种想法旨在创造一种单一的传输接口,而且无需为单独的软盘或硬盘安装驱动程序。巴特表示,科技公司天生害怕破坏现有的兼容性功能,只有英特尔敢于投资他的想法。但是这种应用广泛的技术在发布之初,并没有受苹果、微软等公司支持。而对于USB被开源这件事,Bhatt表示,他完全支持。他认为自己对整个计算机行业的贡献可以弥补这些损失。USB技术让普通用户更加便捷地使用PC,同时也拓宽了整个PC市场。另外,“作为一名工程师,公司已经给予我丰厚的奖励。我在其他地方没法完成这样的工作。我没什么可抱怨的。”巴特说道。

USB的发展史:

很多新技术都是因为旧技术落后出现的,USB也是如此,在USB出现之前计算机身上的接口都非常巨大,连接鼠标需要使用PS/2或串行接口,连接键盘也需要PS/2、苹果Desktop或DIN接口。打印机和扫描仪一般使用的都是老旧且巨大的并行端口,甚至有一些产品需要使用自己专用的拓展卡才可以,它们的通病总结下来就是1、接口少,限制升级。2、造成机箱内连接器和电缆交错布局。3、操作麻烦。4、速度有限。



终于在1994年,Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司成立了USB论坛。1995年11月正式制订了USB 0.9通用串行总线(Universal Serial Bus)规范,而第一版USB 1.0是在1996年出现的,速度只有1.5Mbps;不过新技术的出现不可能让人们很快的适应。

在早期,USB普及非常困难,原因也可以归结为以下几点:

1、USB周边外设与传统周边外设无明显差异。

2、接口空间未预留 (传统的串行通讯接口和LPT打印机占用),需要通过USB转接卡。

3、操作系统支持不够。

4、USB文件观念过于抽象。

USB1.1版本出现,真正拥有了“即插即用”特性

直到两年后的1996年。USB 1.1版本出现,速度(12Mbps)比标准串口约快100倍,支持多个设备的同时连接,而且具有真正的“即插即用”特性。由于具有这些好处,USB受到了外设厂家的普遍青睐。在PC端,但由于缺乏软件及硬件设备的支持,虽然早期电脑上配备了USB接口,但大多都闲置未用。直到1998年后,随着微软在Windows 98中内置了对USB接口的支持模块,加上USB设备的日渐增多,USB接口才逐步走进了实用阶段。

USB取代了谁



上文提到,USB的出现的目的,就是为了替代串口和并口,如果你对电脑熟悉,在USB兴起之前的奔腾和奔腾II时代,计算机身上的接口都非常巨大。比如连接鼠标的PS/2或串行接口,连接键盘的PS/2、苹果Desktop或DIN接口。打印机和扫描仪一般使用的都是老旧且巨大的并行端口,如果你不想使用SCSI,还可以用它们来连接外置存储设备。在计算机上连接游戏手柄或摇杆通常需要游戏接口,在90年代,这种接口只有独立声卡上才有。

这些接口的问题都很明显。它们中的一些需要自己专用的拓展卡,都会占用很大空间,配置和故障排除也很麻烦。但在90年代末,计算机开始加入一对USB接口,通常都在机身背部——它们是USB 1.1接口,最高速度可达12Mbps。配件厂商一开始并没有全部转换到USB接口,但鼠标、键盘、打印机和其他配件开始加入USB的选择,随后将其作为主要接口。

当USB 2.0在新世纪初普及之后,有更多的东西开始被替换。USB闪存淘汰了软盘,也让光盘媒介开始退居次席。USB 2.0让连接外设变得可行——比如Wi-Fi适配器、光驱和以太网接口等等——这些之前都是需要安装到机身内部的。最高480Mbps的传输速度让这一切都成为可能,在这一时期,USB接口开始彻底淘汰掉了台式机和笔记本身上的那些老接口。

随后的USB 3.0将文件传输速度提高到了5Gbps,这也使得上面提到的这些用途变得更加实用——系统备份和传输大型视频文件所用的时间大大减少,802.11ac或千兆以太网适配器的瓶颈也得到了解除。从USB 3.0外置硬盘和U盘上运行操作系统变得很平常,在故障排除或恢复数据时,这样的运行方式更显实用。

USB并不是没有自身问题,但它设法获得并保持了来自技术公司的支持。在将近20年的时间里,基本USB Type-A接口在尺寸和形状上没有发生改变。

USB2.0带其进入辉煌



到了2000年,进入USB2.0时代,随着大量支持USB的个人电脑的普及,USB逐步成为个人电脑的标准接口已经是大势所趋。在主机端,最新推出的个人电脑几乎100%支持USB;而在外设端,使用USB接口的设备也与日俱增,例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。也因此带领USB真正的进入了辉煌时期,当时它最大的优势为:

1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时,不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作,而是直接在电脑工作时,就可以将USB电缆插上使用。

2、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长。

3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘,串口的鼠标键盘,并口的打印机扫描仪,可是有了USB之后,这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接,这时就有了USB鼠标、USB打印机等等。

4、可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口,可以同时连接几个设备

同时在这个时期,USB闪存盘淘汰了软盘,也让光盘媒介开始退居次席。USB 2.0让连接外设变得可行——比如Wi-Fi适配器、光驱和以太网接口等等——这些之前都是需要安装到机身内部的。最高480Mbps的传输速度让这一切都成为可能,在这一时期,USB接口开始彻底淘汰掉了台式机和笔记本身上的那些老接口。

USB 2.0 A型、B型、Mini和Micro接口定义及封装

1、A型USB插头(plug)和A型USB插座(receptacle)



引脚顺序(左侧为Plug,右侧为Receptacle):



封装尺寸(单PIN Receptacle):

2、B型USB插头(plug)和B型USB插座(receptacle)

引脚顺序(左侧为Plug,右侧为Receptacle,注意箭头所指斜口向上,USB端口朝向自己):



引脚定义、封装尺寸均与A型USB引脚说明相同。

封装尺寸(单PIN Receptacle):

3、Mini B型USB插头(plug)和Mini B型USB插座(receptacle)

引脚顺序(左侧为Plug,右侧为Receptacle,注意宽边在上,USB端口朝向自己):

引脚定义:



封装尺寸(Receptacle):

以上部分为USB 2.0规范内容,下面的Micro USB实际上是在2006年才发布的补充规范,由于该接口定义无法后向支持USB 3.0协议,故仍然归于USB 2.0协议包。

4、Micro USB插头和插座

Micro USB补充定义用于蜂窝电话和便携设备的Micro USB接口,比Mini USB接口更小。其中标准A型和标准B型及Mini-B型都是在USB 2.0规范里定义,2006补充的Micro USB规范定义了,补充了以下定义:

Micro-B plug and receptacle

Micro-AB receptacle

Micro-A plug

引脚顺序:

Micro-USB(前面图)从左到右:1、2、3、4、5,引脚定义同Mini-USB:1为V+、2为D-、3为D+、4为ID、5为GND。

USB3.0想取代USB2.0曾面临很多困难

经过了多年的发展,USB 2.0的速度早已经无法满足应用需要,USB 3.0也就应运而生,2008年11月份,由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0 Promoter Group正式宣布该组织负责制定的新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率,可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。最大传输带宽高达5.0Gbps,也就是625MB/s,同时在使用A型的接口时向下兼容。

不过USB3.0也同样面对了旧规格取代新规格的难题,直到2012年以前,各大PC厂商认可的还是USB2.0,各大主板厂商生产的主板接口也大多仍是USB2.0接口,毕竟USB2.0的方案更为稳定。究其原因是多方面的,不过最主要因素还是受制于厂商对于平台更替前融入的滞后和第三方桥接芯片过高的成本,但是随着2012年英特尔在新推出的Ivy Bridge平台中实现原生USB3.0,才直接引领人们进入USB3.0普及时代,随着不断推出的高端主板中加入USB3.0接口。而PC外设厂商的动作也十分迅速,金士顿、西部数据等知名品牌也都纷纷推出了采用USB3.0接口的移动存储产品。

一统平板手机PC?USB3.1出现了

2013年12月3日USB 3.0 Promoter Group正式宣布USB 3.1诞生。也是如今USB的最高规格,其最大优势就是将数据传输速度提升至10Gbps。

USB 3.1作为下一代的USB传输规格,通常被称为“SuperSpeed+”,将在未来替代USB 3.0。

理论上,USB 3.1提供了双信号10Gbps的传输速率,使用了新型的使用128b/132b编码面试的传输损耗率进一步降低。转换为数据,便是能够实现每秒500MB至1.2GB的传输。当然,这是非常理想的状况,那么实际情况呢?

USB 3.1推出后,更是带来了USB 3.1 Type-C的出现,让USB 3.1有望成为新一代手机平板计算机共通接口(在这里我们有必要介绍一下这个接口,USB Type C是为了搭配USB 3.1高传输速度推出的接口,能够正反随便插,大小也与micro-USB相差无几。理论上,USB 3.0 Type C的传输速度能够达到10Gbps。此接口一出现就让人们看到了无限商机,就连两大科技巨头苹果和谷歌,均推出了带有全新一代基于 USB 3.1 规范的 USB Type-C 接口产品 MacBook 和 Chromebook Pixel),除了速度可快,传输速率飙上10Gbps,附加供电更为强大,加上全新USB 3.1 Type-C连接器,无疑让USB 3.1成为最强的外接接口,将大一统未来手机、平板、计算机传输接口,也将让我们更方便来做数字数据的传输,以及提供影音应用,让我们一起迎接USB 3.1的来临吧。

USB 3.0连接器引脚、接口定义及封装尺寸

1、USB 3.0 A型USB插头(plug)和插座(receptacle)



引脚顺序(左侧为Plug,右侧为Receptacle):

引脚定义:

封装尺寸(单PIN Receptacle):



2、USB 3.0 B型USB插头(plug)和插座(receptacle)

引脚顺序(左侧为Plug,右侧为Receptacle,注意箭头所指斜口向上,USB端口朝向自己):

引脚定义:



封装尺 寸(单PIN Receptacle):

3、USB 3.0 Powered-B型USB插头(plug)和插座(receptacle)

引脚顺序(左侧为Plug,右侧为Receptacle,注意宽边在上,USB端口朝向自己):

引脚定义:

封装尺寸(Receptacle):

4、USB 3.0 Micro USB插头和插座

USB 3.0 Micro USB插头和插座变化相当大,而官方的协议文档中,涉及该部分的插图仍然存在模糊情况,这里不再抓图,前面文章介绍过Micro USB接口主要是用于蜂窝电话和便携设备的,体积相比Mini-USB更小。

Micro USB插头和插座分为三种:

USB 3.0 Micro-B型插头和插座

USB 3.0 Micro-A型插头

USB 3.0 Micro-AB型插座

USB 3.0 Micro-B连接器引脚定义:

USB 3.0 Micro-AB/-A连接器引脚定义如下:

TYPE C接口定义及USB3.1标准说明一:TYPE C:此接口为USB-IF协会为减少电子垃圾,接口统一而定义的一种新型接口。

二:USB Type-C具有以下特点:

    最大数据传输速度达到10Gbit/秒。USB3.1 GEN1 5Gbps、USB3.1 GEN2 10Gbps

2.Type-C接口插座端的尺寸约为8.3mm×2.5mm纤薄设计;

3.支持从正反两面均可插入的“正反插”功能,可承受1万次反复插拔;

4.配备Type-C连接器的标准规格连接线可通过3A电流,同时还支持超出现有USB供电能力的“USB PD”可以提供最大100W 的电力。

三:引脚排列:


TYPE-C母座排列

TYPE-C公头排列

四:TYPE-C USB3.1标准三种工作模式:

1:DRP,(主HOST/DEVICE可自由转换,类似电脑或MACBOOK)

2FP:下行端,主HOST端(上拉电阻)

3:UFP:上行端,DEVICE端(下拉电阻)

USB 3.1 与USB Type-C 并非共生规格

即将迎接USB3.1 的全面到来,这一个最普遍在3C 产品上的传输规格,将会带给我们什么样的冲击?首先我们来看看USB3.1 的相关规范。

    兼容USB3.0、USB2.0 连接线材、接口与装置规格

    速度由5Gb/s 提升到10Gb/s

    更新传输数据的编码方式

一样可以向下兼容USB3.0、USB2.0,另外将原来USB3.0 的效能5Gb/s 提升到10Gb/s 这跟Thunderbolt 的10Gb/s 效率一样,但是跟Thunderbolt2 20Gb/s 有一段差距。

※ USB3.1 是USB3.0 的加强版,具有Gen 1 (5Gb/s) 与Gen 2 (10Gb/s) 两种传输速率,就像USB2.0 有low-speed (1.5 Gb/s), full -speed (12 Gb/s) 和high-speed (480 Gb/s) 一样。

USB 协会也一并更新了连接器的规格,推出新一代USB Type-C 连接器,比照Apple Lightning 连接规格一样,都不再有正反面的限制。

USB Type-C

USB Type-C,主要特性如下:

无正反面的区分。

相容过去的USB 2.0、3. 0 与未来USB 规格的连接规范。

支援1万次的插拔。

支援3C 产品充电。( 如果需要用到USB 3.1 PD所制定的大电流的功能,就有必要使用Type C 以及特殊的线材,而原来的Type A/B 皆无法达成。)

USB Type-C 这是USB 协会新制定的连接器规格,USB Type-C 因为是跟随USB3.1 一同发表,所以很多人都误认为USB3.1 一定要使用USB Type-C 的线材连接,才可以达到10Gb/s 的效能,更有人将USB Type-C 写成USB3.1 Type-C,这都是不正确的。

USB3.0 与USB3.1所使用的连接线数是一样的,所以使用USB3.0 的传输线一样可以达到10Gb/s的效能,我们来看看下图的说明。

当然速度越快对线材的品质要求也越高,当你使用USB3.1 产品时,请尽量使用原厂所提供的线材,避免使用到品质不良的线材,造成效能无法提升的状况。

USB Type-C 的连接头同样也可以用在USB3.0 、USB2.0 的连接传输上。

所以不要再认为USB3.1 的产品一定要使用USB Type-C 的连接头,其实只要是USB3.0 的连接头,都具有达到USB3.1 的10Gb/s 效能的能力。

USB未来的挑战

USB面临的最大挑战对手是Thunderbolt,苹果的Mac现在采用了Thunderbolt接口。虽然大多被Mac所用,但Thunderbolt实际上是英特尔所研发和支持的一种标准。第一代Thunderbolt具备最高10Gbps的双向传输速度——这是USB 3.0的两倍。在后者成为大多数PC标配的1-2年前,Thunderbolt就已经问世了。

通过更改数据传输的方式,第二代Thunderbolt控制器的速度提升到了20Gbps。而下一代Thunderbolt据传将对接口进行改变,但速度可达最高40Gbps。而在未来,光纤版的Thunderbolt承诺带来最高100Gbps的速度,但这可能还有好几年要等。

Thunderbolt目前依然处于积极研发的状态,且得到了多家科技巨头的支持。但在和USB的对抗当中,这种接口依然存在FireWire身上的一些问题,其中最主要的就是成本:想要支持Thunderbolt,OEM需要在PC当中加入独立的Thunderbolt控制器,线缆和配件商也需要在自己的产品当中加入额外的芯片才能支持这种接口。

假设USB和Thunderbolt之间的竞争状态不发生重大改变,USB所面临的最大挑战是那些具备相同能力,但却不依赖于线缆的技术。

在许多方面,无线技术已经具备USB的能力了。云端同步服务会保持我们的资料在所有设备之间的更新。蓝牙、NFC、Wi-Fi Direct和AirDrop都能取代USB进行文件传输。Miracast和AirPlay也能让设备无线连接至电视。支持Wi-Fi的打印机甚至是Wi-Fi相机和存储卡如今也已经相当普及了。

这些技术的最大缺陷通常都是速度。如果需要传输大量照片或1080p视频,那么你可能需要等待好一会儿。对比之下,就连USB 2.0都显得更快更稳定。开发者依然需要使用USB将移动设备连接至计算机,而通过Wi-Fi或蓝牙安装Android ROM目前也是办不到的。

即便你从来不把设备连接电脑,你也依然需要使用有线的方式进行充电。无线充电技术虽然已经存在,但这种充电方式也依然存在许多缺陷,比如充电速度慢,标准不统一等等。

即便无线技术兴起,USB也不会很快被淘汰。就像Wi-Fi没有淘汰以太网一样,无线技术也不会取代USB。速度、便捷和兼容性都会保证这种标准长时间地存在于我们的计算机上。

到这里,你们了解USB了吗?可能,你绝对没想到,USB的发展这么曲折,而它的发展又一路有如此动人的故事吧。

总结:这就是USB的今生前世,事实上,截止2015 年11 月15 日USB 技术问世20 周年,全球有超过100 亿台装置正在使用USB传输资料,在移动时代,使用USB的产品也日益增加。可以说,入托Intel或者Bhatt当时不选择开源,或许他们可以舒服的躺在家里数钱。毕竟,他们研制的USB产品,要我们这些使用者提供一些使用费,也是无可厚非的。另外 小小的普及下,除了USB,还有一个英特尔公司给产业的馈赠(Intel的8051现在也过了专利保护期,大家也可以免费使用的)。

评分

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LiuYang + 2 神马都是浮云

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中级技术员

Rank: 4

发表于 2016-8-8 09:07:56
学习了。
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初级技术员

Rank: 3Rank: 3

发表于 2016-11-16 15:43:22
过来学习的
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发表于 2016-11-18 17:58:30

好棒啊
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发表于 2016-12-16 17:03:26
学习了,谢谢!
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发表于 2016-12-18 10:54:27
学习了…………
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发表于 2016-12-19 11:34:32
好贴,好贴啊
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发表于 2018-1-25 09:33:30
为什么我看不到?
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发表于 2018-9-2 09:17:49
虽然usb不会淘汰,但是我觉得usb接口应该变一下,这种接口很不牢固,很多次插拔之后,接口会松动,电压会不稳
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发表于 2019-3-1 11:37:48
好全,顶一下!
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