USB發(fā)展簡史，USB傳輸標準與接口之間的關系

“科技改變生活”這句話向來都不是隨便說說的。經過數十年發(fā)展，過去的有些技術已經悄無聲息得融入到我們日常生活中，從某種意義上來說，越是被人們認為是理所應當的存在，越是說明了那些技術對人們生活的重要性，USB就是一個很好的例子。

現如今，應該沒有人會不知道USB的作用吧！手機、平板、耳機、智能手表…這些智能設備的充電、數據傳輸都靠USB接口來完成，很難想象如果沒有USB，這個世界還會不會這樣便捷？

然而，就是這樣一個現在看起來并不起眼的技術，也是經過了二十多年的更迭，才變得如此普遍。

史前期：為通用而生

想必很少有人會知道USB的全稱是什么——Universal Serial Bus?！肮财嚒笨雌饋砗同F在我們所理解的USB風馬牛不相及，但從功能上說，USB確實是和“公交車”一樣的存在。USB 開發(fā)團隊之一的Bala Cadambi此前在提到USB名稱來源時表示，當時開發(fā)團隊希望尋找與用戶可能相關，并且還能用來描述技術的東西來命名，在大多數人的印象中，公共汽車是將乘客從 A 點運送到 B 點的交通工具，而USB的“通用”則能夠將USB標記為可以與任何硬件一起使用的工具。

USB的中文全稱為通用串行總線，是一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規(guī)范，從誕生之初就是為了打破設備間的隔閡，從而實現通用這個目的?；蛟S你還記得過去被笨重又繁瑣的電腦主機支配的恐懼，五顏六色，令人眼花繚亂的各種接口，音響接口應該是最能快速被找到的一個，其余dvi等接口，哪怕人直接湊在主機面前，或許都很難一下子連接成功。

上世紀八九十年代的人們就時常面臨著這種煩惱，各不相同的接口占據了電腦主機大半的位置，難找、難插、難用…再加上主機位置有限，很難添加更多輸入端口，進而限制了連接外圍設備的數量。即便連接上了外圍設備，辦公桌上也會擺滿了一堆雜亂無章的線組，調制解調器需要一條線、鍵盤需要一條線，打印機也需要一條又粗又大的線，甚至有時候用戶還需要打開計算機并添加硬件來為他們提供所需的通信端口…而種種的這些問題都是由于行業(yè)供應商缺乏通用標準而導致的。

“天下苦接口久矣”，消費者亟需一個通用接口來運行外設，系統供應商也需要一個標準來取代對大量不同接口的需求，并降低生產成本。就在這“水深火熱”之中，1994年英特爾聯合IBM、康柏、微軟、NEC、DEC等多家公司聯合提出USB傳輸協議，并于1995年成立了USB-IF組織（USB Implementers Forum），也就是現在的USB標準化組織，目的是支持和加快市場以及消費者對USB兼容外設的采用。

不得不承認，英特爾作為計算機領域中的老大哥，與如今的很多技術都有著千絲萬縷的關系。最初有開發(fā)通用即插即用通信系統想法的Ajay Bhatt就是英特爾的工程師，作為Bhatt USB想法的首個資助方，英特爾擁有USB技術的全部專利。1990 年代初，Ajay Bhatt與來自康柏、DEC、IBM、微軟、NEC和加拿大北電網絡的工程師結成了USB開發(fā)團隊。

其實在USB出現以前，市面上已經有了部分可用的接口技術，比如蘋果的IEEE 1394（Firewire火線標準），雖然傳輸速度快，但卻不夠通用，應用范圍有限，而且1394接口一直沒有原生支持，只能靠第三方芯片提供接口，額外增加了使用成本。

USB開發(fā)團隊在探索了Firewire火線標準、音頻接口等技術之后，發(fā)現當時現有的技術沒有一個可以滿足團隊的全部要求，尤其是無法滿足工程師們希望的價格低廉、能夠為外設供電并提供大量帶寬等要求。經過不斷嘗試，開發(fā)團隊終于在1995年發(fā)布了首個USB設計，項目經理Jim Pappas表示，USB 1.0的速度為每秒12兆比特，“比通常個人計算機背板上的任何連接方式都快”。

緊接著，1996年1月，USB-IF組織公布了USB 1.0規(guī)范，但由于USB 1.0每秒12兆比特的速度，對于計算機鼠標、操縱桿、鍵盤和其他帶有非屏蔽電纜的附件而言太快了，因此USB 1.0規(guī)范有了1.5Mbps和12Mbps兩個速度。

然而，作為一種新興接口，USB在誕生之初并沒有我們想象中那么受人歡迎，一方面是因為支持USB接口的設備較少，另一方面是由于延時和供電問題，使得USB 1.0接口不支持使用延長線，因此與傳統的傳輸接口對比，USB并沒有體現出明顯的優(yōu)勢。

直到1998年，USB 1.1規(guī)范的發(fā)布，改進了此前USB HUB方面的問題，最多能支持127個外部設備，同時市面上也出現了抗干擾能力比較強的磁環(huán)線，USB的長線使用變得可行。當然，更重要的還是來自Win98、蘋果iMac G3、以及英特爾主板芯片組等設備、硬件方面不斷加強的支持，USB迎來了發(fā)展的春天。

發(fā)展期：方興未艾的草莽時代

來自終端的支持是推動USB發(fā)展的強大引擎，尤其是iMac的普及加快了USB進入市場的步伐，再加上USB-IF組織的大力宣傳，越來越多的設備開始搭載USB接口。進入21世紀后，USB規(guī)范進行了多次修訂，命名也進行了多次修改，雖然一度令人摸不著頭腦，但不得不承認，正是在這個野蠻發(fā)展階段，搭載USB接口的設備逐漸呈現出井噴之勢。

USB發(fā)展史 圖源：adata

USB 2.0規(guī)范是于2000年4月發(fā)布，當時隨著外置大容量存儲設備及數碼相機等多媒體設備的日益普及，對接口的傳輸速度要求越來越高，USB 1.1 12Mbps的帶寬已不能滿足應用的需求，在這種背景下，USB 2.0應運而生。相較于1.1版本，USB 2.0最大的特點就是傳輸速度跨越至480 Mbps，并且向下兼容低速1.5 Mbps和全速12 Mbps。此外，USB 2.0還陸續(xù)增加了ECN、OTG等功能，細分了接口類型，并統一了充電標準。

USB 2.0標準的出現，意味著USB技術開始真正成熟起來，支持的設備越來越多，直至2012年，也就是USB 2.0標準推出的12年后，憑借使用方便、穩(wěn)定性高與價格合理等特性，USB 2.0市場占比依舊超90%。

如果說，在USB 2.0時代，USB還有火線標準這一勁敵的話，那么等到2008年USB 3.0發(fā)布后，USB便開始完全獨占市場。2008年初，USB-IF發(fā)布了USB 3.0標準，最大亮點就是，高達5.0 Gbps的超高速傳輸速度，這也成為了壓倒火線的最后一根稻草，蘋果領軍人物賈伯斯對此表示，算了不打了，火線標準就此壽終正寢。

除了超高速傳輸速度，USB 3.0還具備很多優(yōu)勢，比如：對外提供供電電壓仍然為5V，但最大電流達到了900mA；并且增加了新的電源管理功能，支持待機、睡眠以及暫定模式，更加省電；引入了全雙工通訊。

在USB 3.0推出后，2009年技嘉、華碩等主板廠商接連推出USB3.0接口的主板，全力上市推行。此外，金士頓、西部數據、力杰等PC外設廠商也紛紛推出了采用USB3.0接口的移動存儲產品。到了2016年8月，USB-IF組織認證通過了近120種符合USB 3.0規(guī)格的產品，涵蓋了主機板、筆記型計算機、外接式儲存裝置、儲存控制器、硬盤機、PCI Express與ExpressCard擴充卡，以及單獨的芯片等多種產品類型。

相關設備的涌現加速了USB 3.0產業(yè)鏈的成熟，相應的價格也開始落入主流范圍，此后USB 3.0便完全融入到了我們的生活中。

在獨占市場之后，USB-IF組織并沒有停下研發(fā)的腳步，卻同時也開啟了“作妖之路”。2013年，USB 3.1發(fā)布，理論速度可以達到10Gbps，但在發(fā)布后2年，也就是2015年，USB-IF組織便發(fā)布公告稱，將USB 3.0改名為USB 3.1 Gen1，USB 3.1改名為USB 3.1 Gen2，這次改名給消費者帶來了很多麻煩，消費者常常因為一時疏忽而落入奸商的陷阱。

2017年，USB-IF宣布基于USB 3.1改良，推出最新版本規(guī)范USB 3.2，將傳輸速度從10Gbps倍增至20Gbps，由于Type-C接口正反面都能嵌入針腳，所以可以讓傳輸速度攀升2倍。然而，過了2年，2019年USB-IF再次宣布改名，將 USB 3.0、USB 3.1 Gen2的版本命名都統一劃入USB 3.2的行列，三者分別叫做USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2×2，用戶們又開始了新一輪的記憶之路…

上述提到了Type-C接口，那么這里筆者稍微強調下，USB傳輸標準與USB接口之間并沒有絕對的關聯，決定USB最大傳輸速度的不是USB接口的形態(tài)，而是接口支持的USB傳輸標準，即便是使用近幾年出現的新型USB接口Type-C的設備，也可能只支持使用較慢的USB 2.0傳輸標準。

USB傳輸標準與接口之間的關系?

圖源：中興文檔

成熟期：迎接USB4 X時代

現如今，USB傳輸標準已經從3.x時代邁向了USB4 X時代，雖然2019年9月就誕生的USB4標準至今還未普及完全，但并不耽誤USB-IF推出USB4 2.0規(guī)范。

就在9月1日，USB-IF公布，計劃在11月舉辦的USB?DecDays上發(fā)布USB4?2.0新規(guī)范，同時預告USB4?2.0的部分功能特性。據透露，USB4 2.0 版將支持高達 80Gbps 的帶寬，是 USB4 1.0 版40 Gbps的兩倍，也是當前最快的物理接口速度。USB Promoter Group首席執(zhí)行官 Brad Saunders 指出，從這種速度提升中受益最大的解決方案，包括更高性能的顯示器、存儲和基于 USB 的集線器和塢站。

除此之外，由于采用全新物理層架構，USB4 2.0還能讓無源USB-C線纜支持40Gbps速率，同時添加了對最新DisplayPort(2.0)和PCIe(5.0)規(guī)范的支持。據 Angstronomics 爆料，USB4 Version 2.0 或將支持 PAM3（脈沖幅度調制）數據編碼，并帶來高達 120Gbps 的非對稱傳輸。

雖然USB4 2.0 版具體特點要等到11月份才能揭曉，但是僅憑上述預告就足以令人驚嘆。作為USB4 1.0的升級版本，USB4 2.0確實值得期待。需要注意的是，USB4 1.0與此前的規(guī)范相比，整合了雷電3的先進技術，具備了超大帶寬的數據傳輸能力，支持和雷電3同等的視頻拓展能力，具備充電功能。在雷電3的加持下，USB4 1.0直接成為了目前功能最全、體積最小、速度最快的物理接口，那么在USB4 1.0基礎上的USB4 2.0自然也將成為未來最優(yōu)異的物理接口。

這里筆者解釋下，雷電協議是由英特爾和蘋果合作開發(fā)，目前已經發(fā)展到了第四代，也就是雷電4，其中雷電3作為第三代協議，功能齊全、性能頂級，早在2015年雷電3就開始使用USB Type-C接口，然而由于成本過于昂貴，大部分使用搭載雷電3 的Type-C接口的都是諸如iMac等高端設備，USB4 1.0的推出則徹底改變了雷電3接口標準的巨額成本問題。未來隨著USB4 2.0的發(fā)布，或許雷電3也將變得更加普及。

一般來說，標準的發(fā)布與相關設備的推出之間往往會間隔很長一段時間，以USB Type-C為例，2014年其規(guī)范就已宣布，但至今許多筆記本電腦仍然沒有USB Type-C接口。據Angstronomics預測，英特爾將在 2023 年通過其第 14 代酷?！癕eteor Lake”平臺支持 USB 4 2.0 ，因為英特爾已經通過其媒體暗示支持80 Gbps Thunderbolt 輸入/輸出接口，至于 AMD則將在 2025 年僅提供支持 USB 4 2.0 的 CPU。換句話說，想到等到USB 4 2.0變成主流接口，仍需要很長時間。

從USB的發(fā)展史來看，問世二十多年以來，USB 技術的每次更新都帶來了巨大的改變，未來勢必也將繼續(xù)向前發(fā)展。

寫在最后

或許有人會擔心，無線技術會不會成為USB技術的頭號勁敵，但從目前來看，短期內，無線技術很難撼動USB的地位。一方面無線技術面臨著速度問題的限制，傳輸大量照片或視頻所需的時間遠高于使用USB，另一方面雖然無線充電技術已經出現，但是這種充電方式仍然存在許多缺陷，目前大部分電子設備依舊采用有線方式充電。

相較于擔憂，我們或許更應該期待USB Type-c接口時代的到來，當一個接口連接所有設備將成為可能，USB離真正的通用也就不遠了。

編輯：黃飛

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