USB

USB(Universal Serial Bus)中文名称为通用串行总线(Universal Serial Bus)，是一种快速同步传输的双向串行接口标准，用于规范计算机、移动设备等外部设备之间的连接和通信。USB广泛应用于手机、电脑、鼠标、键盘、摄影器材、电视、游戏机、扫描仪、充电器、磁盘等设备，支持各种操作系统windows、MAC、Linux等。

1994年，以Intel为首的七家公司(Intel、Compaq、Microsoft、IBM、北方电信和NEC)共同开发并制定了USB传输协议的初稿。1995年，USB-IF(USB实现者论坛)成立。1996年，USB1.0标准问世，USB标准开始用于供电和数据传输。1998年，USB1.1规范发布，此后，USB标准开始在市场上流行。

2023年，USB标准版本已经经历了四代的发展，最新的标准已经制定到USB4。传输速度从最初的1.5兆比特每秒(Mbps)提升到如今的40 Gbps，最大传输功率可达100W，具备动态带宽资源分配能力。全世界有数十亿台个人电脑使用USB。USB因其方便、速度快、扩展性强，成为很多消费者连接设备的首选。

USB 1.0

在USB诞生之前，外部设备连接电脑面临着很多问题:数据线种类繁多，很多设备使用专用数据线；很多设备不支持即插即用，需要安装扩展卡、跳线和软件驱动。外围设备不能热插拔，需要安装软件后重启系统重新分配系统资源(如I/O地址空间、IRQ中断请求、DMA通道)；昂贵的标准外围连接器和相关的数据线是昂贵的。

为了解决这些问题，1994年，以Intel为首的7家公司(Intel、Compaq、Microsoft、IBM、北方电信、NEC)共同开发制定了USB传输协议的初稿，并于1995年成立了USB-IF这一非盈利组织。

1996年，USB1.0标准问世，理论速度1.5 Mbit/s，绝大多数键盘、鼠标、智能手机、打印机都采用USB标准实现供电和数据传输。同年，USB-IF发布了USB低速缓冲的设计指南，教用户如何深入使用USB。1997年，USB-IF发布了USB-APM交互白皮书，使APM和USB能够协同工作。

USB-IF作为USB的标准化组织，在1998年发布了USB1.1规范，与当时市场上并未广泛使用的USB 1.0不同。USB1.1标准发布后，USB开始逐渐占据主流市场。在USB1.1的规范中，提到了USB1.1的各种特性:高速传输速率12Mbit/s，低速传输速率1.5Mbit/s，支持热插拔，同步和异步传输，内置电源/低压配电装置。最长电缆为5米，最多可支持127台设备。USB的抗干扰能力大大增强。

USB 2.0

2000年发布了USB2.0的规范，完全向下兼容之前的USB版本，传输速率达到480Mbit/s，是一种半双工的数据传输方式。从用户的角度来看，USB 2.0的带宽远高于USB1.1，系统厂商可以用USB 2.0以最经济的方式连接高性能的外部设备，对系统整体成本影响不大。USB2.0的特性注定要取代USB 1.1。同年，USB-IF发布了USB驱动接口规范。10月，推出USB迷你接口。2001年，USB OTG功能发布，使特定的外部设备能够在没有计算机的情况下相互通信。

2003年，USB对Type-B接口进行了改进，将形状改为圆形倒角，接口更加牢固。6月，USB-IF重新命名了USB的规格和标准，将USB 1.0改为USB 2.0低速版，USB 1.1改为USB 2.0全速版，USB 2.0改为USB 2.0高速版。

2007年，USB进入不断更新协议版本和接口的迭代期。USB引入了Micro-USB接口，增加了接口的稳定性。USB充电规范(USB BC)也在同年推出。

USB 3.0

2008年，为了满足用户日益增长的存储需求，由英特尔、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等公司组成的USB 3.0推进组完成了USB 3.0(SuperSpeed USB)标准的发布，传输速率为5.0Gbit/s，最大输出电流为900mA，兼容USB2.0，支持全双工数据传输。

2009年，USB-IF继续发布新产品，开发新的服务内容。USB-IF发布了USB BC1.1，将USB的充电容量提升到5V和1.8A，2010年提升到5V和5A。

2012年7月，USB发布了PD快充协议1.0版本。2013年，USB规范了高速芯片的断开方法。USB 3.1(USB SuperSpeed Gen2)标准也已发布，传输速率达到10Gbit/s，电源标准提升至20V/5A时的100W。

2014年，USB推出了新的Type C接口，支持正反插，最高可输出20V、5A电流。通过这个接口和8月份推出的PD快充协议2.0版本，其供电能力达到100W W，随后，USB-IF更改了协议名称，将USB 3.0更名为USB 3.1Gen1 SuperSpeed，USB 3.1更名为USB 3.1Gen2 SuperSpeed。但是在随后的产品更新中放弃了这个命名方案，引入了新的命名方案。

2015年11月，PD快充协议3.0发布，充电规范没有变化。2017年发布USB 3.2标准，支持USB Type-C下双10Gbit/s通道，速度为20Gbit/s..

USB4

2019年3月，英特尔为USB-IF组织提供了Lightning 3协议技术。随后，USB推进组发布了基于雷电3协议的USB4协议，最大传输速率40Gbit/s，具备动态带宽资源分配能力，支持USB电力输送快充协议。同年，USB-IF重新命名了协议，即USB3.1 Gen 1(原USB3.0)、USB3.1 Gen 2(原USB3.1)和USB 3.2 Gen 2x2。

2021年5月，USB推出PD快充协议3.1版本，最大支持240W，增加了三个可调电压档位，可快速充电。

2022年，USB Promoter Group宣布推出USB4 2.0，通过USB Type-C接口的传输速率达到80 Gbit/s，USB4可以使用最高的USB带宽，扩展USB Type-C接口的性能。基于现有的USB3.2和2.0架构，USB4补充了产品协议。USB4支持与多种终端设备类型动态共享单个高速链路进行数据传输。该规范使主机能够为显示数据流分配最佳比例，并向后兼容USB3.2和USB2.0。

2022年10月，USB-IF带来了全新的命名系统。USB接口将以传输带宽为市场代码统一，如USB4 v2.0对应USB 80Gbps，USB4对应USB 40Gbps。

Ma-USB: Media agnostic，即没有介质限制的USB，是USB-IF启用的新标准，允许无线设备和扩展端口在USB协议下通信，无需物理连接。MA-USB符合USB 3.1、USB 3.0和USB 2.0的规范，利用USB基础设施可以实现千兆无线传输速率。

芯片间USB:芯片间USB是一种芯片间USB(简称IC-USB、USB-IC或HSIC)。它是USB实现者论坛USB 2.0规范的附录，USB-IF也在后来推出了超高速片间USB( SSIC)。USB 2.0高速片间USB(HSIC)实现了芯片之间的互连，针对功耗、成本和复杂度优化了链路，取消了普通USB中传统的模拟收发器，可以降低物理层功耗。

USB-C: USB Type-C是USB-IF在2014年推出的新接口类型，支持正反插，最高可输出20V、5A电流。通过这个接口和8月份推出的PD快充协议2.0版本，其供电能力达到100W，逐渐成为市场上新的主流影音接口。

USB Billboard:USB Billboard是USB Type-C规范的一部分。USB Type-C的连接方式中，有PD充电等使用的替代模式。当设备无法进入替代模式时，它会将该设备识别为USB广告牌设备，以警告用户。

当USB设备连接到主机时，它开始识别USB设备(也称为从设备)。连接/拔出从机的过程称为USB插拔。通用USB接口包括四根线，即Vcc、D+、D-和GND。从机连接到主机后，主机通过D+和D-线上电压和电阻的变化来检测从机是否连接。随后，主机开始识别从机的类型，判断是鼠标、键盘还是其他类型。从设备的描述符集可以帮助主设备识别，描述符集包括从设备的设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等信息。访问由主机设置的描述符的过程称为枚举。在这个过程之后，主机可以使用从机的功能。

从设备将通过等待主设备轮询来发送数据，一些设备将在描述符集中添加关于轮询时间的描述。当主机需要向从机发送数据时，从机需要尽快接收。主机将为每个被访问的从机分配一个设备地址，并通过设备地址访问从机。通过从设备的设备端点，主机可以访问从设备的特定功能。属性在从端的端点描述符集中声明，主端根据属性创建不同的数据通道，使用不同的方式读写数据。

一个完整的主从通信包括两个或三个过程，分别是请求过程(令牌包)、数据过程(数据包)和状态过程(握手包)。主机发送一个令牌包来启动请求过程。当请求过程中需要传输数据时，数据过程开始。最后，数据接收器开始状态处理并结束通信。当没有数据传输要求时，没有数据处理，从机启动状态处理，结束通信。

数据传输

传输速度：USB4和USB 3.2规范共同确定了80 Gbps、40Gbps、20Gbps、10Gbps和5Gbps五种传输速率。供应商必须在产品包装、广告内容和任何其他营销材料中明确传达产品性能信号。

传输方式：USB传输支持四种数据类型:控制信号流、块数据流、中断数据流和实时数据流。对应的传输模式有四种:控制传输模式、批量传输(块传输)模式、中断传输模式和等时传输(同步传输)模式。控制传输、批量传输、中断传输都会在数据传输出错时尝试重发。

下面详细介绍四种传输模式:

控制传输：USB控制传输是USB最基本的数据传输方式，可用于低速、全速、高速和超速USB设备。该方法支持双向传输，用于处理主机的USB设备控制命令、设备状态查询和确认命令，如主机首次检测到USB设备时的配置和设置。USB控制传输适合传输少量数据，对传输的正确性要求严格，对传输时间、传输速率、实时性没有要求。一般来说，USB设备必须支持USB控制传输模式。当USB通电时，任何USB设备都必须支持端点0的默认管道中的控制传输。

批量传输(块传输)：USB BuIk传输是USB接口协议中最重要的数据传输方式，可用于全速、高速和超速USB设备。可以进行单向或双向传输，传输要求正确性的数据。这种传输方式适合传输大量数据，要求传输的正确性，但对传输时间、传输速率、实时性没有要求。一般来说，这种方法常用于数据采集卡、USB打印机、USB扫描仪等设备。这些设备对数据传输的准确性要求很高，但对传输速率没有严格的要求。

USB

中断传输：USB的中断传输可用于低速、全速、高速和超速设备。USB中断传输支持单向传输，适用于传输少量或中等数量的数据，需要固定的事务周期。一般来说，USB鼠标、USB键盘等HID人机交互设备中经常使用USB中断传输。这些设备具有快速响应的要求和对数据的低需求。

同步传输：USB同步传输可用于全速、高速和超速USB设备。支持单向或双向传输，传输连续实时数据。USB同步传输适合传输大量数据，速率恒定，对服务周期有要求，但对正确性没有严格要求。一般来说，USB同步传输常用于MP3、VCD、DVD等对实时性要求较高，数据必须及时发送和接收的音视频设备。

传输元件：USB系统中信息传输的基本单位是包，USB总线上的每次交换至少需要三个包:主机发出一个标志(token)包开始，确定设备地址、端点、传输方向、传输类型等。，后面是发送数据或指示信息的数据包，最后是提供数据接收反馈的握手包，如果有错误需要重传。USB数据传输需要软件、驱动和硬件的配合。从协议处理的角度来看，数据的编码、解码和传输是由各种程序和驱动程序来完成的，主要包括以下四个部分:USB主机程序、USB总线驱动程序、USB主机控制器驱动程序和USB功能设备程序。从硬件处理的角度来看，USB数据的编码、解码和数据传输是由多个USB芯片完成的，主要包括以下三类芯片:USB主控制器芯片、USB集线器芯片和USB功能设备芯片。完整的USB数据传输需要通过上述程序和硬件的合理分工和配合来完成。当USB设备连接到USB总线时，USB设备可以在软件和硬件的支持下实现与USB主机的高速数据通信。

电源：USB已经从数据接口发展到用数据接口给主要的电源提供商提供有限的电源，也就是USB Power Delivery(缩写为USB PD)规范，使USB除了数据传输之外，还能支持同线，提供供电能力。许多设备可以使用USB充电或从USB获取电源。USB支持多种电源模式:开启、暂停和关闭。USB设备可以进入挂起模式，但仍然会唤醒系统。USB已经成为许多小型设备无处不在的电源插座，如手机、平板电脑、便携式扬声器和其他手持设备。用户不仅需要USB来满足数据需求，还需要在不加载驱动程序的情况下简单地为设备提供电源或充电，以实现“传统”的USB功能。根据USB接口供电能力的不同，USB协议分为高功率输出端口和低功率输出端口。它们的供电电压是一样的，不同的是最大输出电流不同，USB接口提供的电源是有限的。在设计USB外设时，需要仔细分析USB外设的最大功率要求，确保在USB协议规定的范围内。另外，考虑到兼容性，最好让USB外设兼顾主机侧的高功率输出口和低功率输出口。对于不同的USB设备，消耗的电量是不同的。在USB总线接口协议中，功率需求通常用单位负载来表示。

从电源的角度来看，典型的USB设备有以下几种。

◆ USB根集线器:直接连接到USB主控制器的USB集线器。

◆ USB总线供电hub:由VBUS直接供电的USB hub外设，带USB接口的GND。

◆ USB自供电hub:使用外接电源的USB hub外设。

◆USB总线供电的小功率设备:VBUS和GND直接使用USB接口供电的USB外设，最大功耗为1单位负载。

◆USB总线供电的大功率设备:VBUS和GND直接使用USB接口供电的USB外设，最大功耗大于1个单位负载。

◆ USB自供电设备:使用外接电源的USB外设。

2021年，USB-IF发布了USB PD3.1版本，结合USB Type-C规范2.1对线缆的要求，将电源从原来的100W(20V 5A)提高到240W，USB供电设备扩展到100W以上。

主从模式：USB设备和USB主机通过USB总线连接。USB的总线是主从式的，主机称为主机，从机(即设备)称为设备。主机之间(USB4.0除外)和从机之间没有互联。在通信过程中，通信是由主机发起的，从机只能被动地接收主机的信号和数据。随着USB的发展，在USB3.0及以后的USB协议标准中，主机增加了通信对象，可以与集线器进行通信。为了增加灵活性，USB开发了USB OTG(On The Go)，它支持主从切换。当同一设备处于不同情况时，可以切换为主设备或从设备。USB OTG线中添加的USB ID线就是用来实现这个目的的。当USB ID线被拉高时，它处于从(设备)模式，当USB ID线接地时，它处于主模式。

总线结构：USB总线呈现树形拓扑。该结构的基本节点是USB主机控制器，USB根集线器连接到USB主机控制器。一个USB Hub可以将一个USB接口扩展成多个USB接口，扩展后的USB接口可以通过USB Hub继续扩展，每个USB接口可以连接一个USB设备。但是集线器不能扩展更多的带宽，只能扩展更多的USB接口。所有连接的USB设备共享USB主机控制器的带宽。当多个USB设备需要更大的带宽时，考虑将它们连接到不同USB主机控制器上的根集线器，以避免带宽不足。

电气特性：USB的电气特性反映了端口驱动电路、传输电平、编码结构、位同步处理和供电方式。USB使用差分信号传输数据。如图，GND是地线，D+和D-是一对差分线，SSTX+和SSTX-是一对差分线，SSRX+和SSRX-是一对差分线。USB2.0只有一对差分线，分别是D+和D-，所以USB2.0是半双工的，不能同时发送和接收数据。USB3.2有两对差分线，分别是SSTX+和SSTX以及SSRX+和SSRX，所以USB3.2是全双工的，可以同时发送和接收数据。USB3.2和USB2.0使用不同的差分线路传输数据，互不干扰，可以同时工作。USB3.2线缆中预留了USB2.0的数据传输通道，实现了与USB2.0的兼容，VBUS线缆使USB主机能够为设备供电，最大输出20V/5A。当USB的信号电平达到一定条件时，就可以发送信号。当数据通过USB传输时，采用NRZI编码方式。所有USB设备的默认电压都是低电压。当器件电压需要由低变高时，可以通过软件控制。USB的电气特性也体现在供电方式上。设备进入挂起状态后，支持省电模式。USB支持两种挂起模式:全挂起，所有USB设备进入挂起状态；选择挂起，只有选定的设备将进入挂起状态。

USB总线有以下优点:

USB为所有USB外设提供单一且易于操作的标准连接类型，使用一个端口和一个中断来降低硬件复杂性和端口占用。考虑到计算机小型化的趋势，USB设计了紧凑型USB接口。

支持热插拔和即插即用用户可以在不重启电脑的情况下连接USB外部设备，实现通信功能。

灵活供电，可以使用USB线供电，也可以通过电池或其他设备供电，还可以组合供电，支持悬浮和唤醒的节能模式。这使得USB外接设备摆脱了电源，如u盘、硬盘等，可以直接通过USB接口获得电源来工作。

宽传输速率范围，适用于不同类型的外设。USB总线技术采用串行输出传输方式，实现更高的数据吞吐量和更多的数据传输。

支持多种传输类型，不同的外设可以根据自己的需求选择不同的传输方式。

具有良好的扩展性，支持多种设备。通过USB Hub扩展，最多可支持127台设备，扩展了USB主机的外部功能扩展能力。

根据接口类型，USB硬件接口有:USB Typea、USB TypeB、Mini USB、Micro USB和USB Type C(Type-c)。USB A型和B型接口只是形状不同，其中A型接口是个人电脑中应用最广泛的接口标准，移动设备一般使用Mini USB接口和Micro USB接口。USB Type C接口更纤薄，传输速率更快，功率传输更强。同时，由于Type C接口可以双面插拔，使用起来更加方便，有潜力取代Micro USB接口，统一手机和平板电脑的接口。USB线由四根线组成，分别标有不同的颜色，其中接地线(GND)为黑色，电源线(VCC)为红色，差分输入线D+(数据+)为绿色，D-(数据-)为白色。

主要应用设备类型：USB协议可以应用于一些支持USB功能的设备。通常，操作系统提供设备类驱动程序，开发者可以直接使用。

存储设备类别：u盘(优盘):u盘，即优盘，利用USB接口存储和读取数据，是一种大容量的移动存储产品，通过USB接口与电脑连接即可即插即用。u盘占用空间小，具有便携、存储数据多、数据传输速度高等优点。

音频设备类别：USB音箱:USB音箱通过USB数据线直接从主板上的USB口输入数字音频信号，经过音箱内置的D/A转换电路处理后输出。USB音箱主要由USB接口、USB数字处理电路、控制电路和多媒体有源音箱组成。使用USB音箱，数字信号在传输过程中不会受到干扰，所以USB音箱可以提高音质，信号纯度高，但是信号的转换精度对音箱的性能影响很大。

HID设备类别：USB键盘和鼠标:传统的电脑键盘和鼠标在电脑开机前必须插上电源。如果设备是在电脑开机后安装的，必须再次开机才能让键盘鼠标正常运行。使用USB键盘鼠标可以解决这个问题，并且不受接口已经被其他设备占用的影响。

打印扫描设备类别：USB扫描仪:USB扫描仪可以加快数据传输速度，USB接口的扫描仪传输速率可以达到每秒12M。安装时，USB扫描仪不需要打开机箱，在速度和安装简单性上满足了用户的需求。

照相机设备类别：USB摄像头:带有USB接口的摄像头可以实现图像的采集和拍摄，拍摄的图像质量高，连接方便，不需要专门的图像采集卡。USB摄像头有很多优点，除了提高画质，还支持热插拔，可以提高数据传输的速度。

集线器设备：USB hub: USB hub，即USB hub，可以用来扩展电脑USB接口。电脑提供的很多USB接口往往是通过主板上的USB hub芯片开发的。当电脑的USB接口不能满足用户需求时，可以使用USB hub通过USB hub的接口为电脑接入更多的外部设备。