在寫這篇文章之前，提到USB，我首先想到的也許是手機(jī)充電器或者電腦外設(shè)的方形接口。那么USB是否就可以和這樣一種形態(tài)的接口劃上等號(hào)，當(dāng)我們提到USB我們到底在說什么？為什么看起來如此"截然相似"的連接器給同一個(gè)手機(jī)充電或者傳輸數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)卻是如此迥異？出于這些疑問，春節(jié)期間我搜索整合一些網(wǎng)絡(luò)資源形成了系列文章的第一篇，在這個(gè)過程中也是對(duì)USB的理解煥然一新。
一、什么是USB
Universal Serial Bus，簡稱USB，中文翻譯為通用串行總線，是一種串口總線的標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)的制定組織是USB-IF（USB Implementers Forum ），由英特爾在1995 年與業(yè)界同行成立，旨在支持和推動(dòng)市場與用戶對(duì)USB 兼容外設(shè)的認(rèn)同。
USB規(guī)范第一次是于1995年，由Intel、IBM、Compaq、Microsoft、NEC、Digital、North Telecom等公司組成的USB-IF（USB Implement Forum）共同提出，USB-IF于1996年1月正式提出USB 1.0規(guī)范，2000年制定的USB 2.0數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)480Mbps，之后的USB 3.0最大傳輸高達(dá)5.0Gbps，引入全雙工數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)展到USB 3.1最大數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到10Gbps。
從 1996 年的第一代 USB 1.0 開始到現(xiàn)在最新的 USB4，中間經(jīng)歷了很多版本，也經(jīng)歷過多次改名。
| USB標(biāo)準(zhǔn)演變 |
| 標(biāo)準(zhǔn)版本 | 發(fā)布日期 | 最大傳輸速率 | 電壓電流 | 官方市場代號(hào) |
|---|---|---|---|---|
| USB1.0 | 1996.01 | 1.5Mbps | 5V/500mA | 低速Low Speed |
| USB1.1 | 1998.09 | 12Mbps | 5V/500mA | 全速Full Speed |
| USB2.0 | 2000.04 | 480Mbps | 5V/500mA | 高速High Speed |
| USB3.0 | 2008.11 | 5Gbps | 5V/900mA | 超高速SuperSpeed |
| USB3.1 | 2013.07 | 10Gbps | 5V/12V/20V,最大100W | 超高速SuperSpeed+ |
| USB3.2 | 2017.09 | 20Gbps | 5V/12V/20V,最大100W | 超高速SuperSpeed++ |
| USB4 | 2019.09 | 40Gbps | 5V/12V/20V,最大100W | - |
USB3.1發(fā)布后，以前的 USB 3.0 改名為 USB 3.1 Gen 1 又稱為第一代 USB 3.1；新發(fā)布的 USB 3.1 改名為 USB 3.1 Gen 2 又稱為第二代 USB 3.1。
USB3.2發(fā)布后，第一代 USB 3.1 改名為 USB 3.2 Gen 1 又稱為第一代 USB 3.2；第二代 USB 3.1 改名為 USB 3.2 Gen 2 又稱為第二代 USB 3.2。
新發(fā)布的 USB 3.2 ，叫做 USB 3.2 Gen 2x2 又稱為雙通道第二代 USB 3.2。
USB標(biāo)準(zhǔn)名稱變更
二、USB接口形態(tài)
從1996年1月USB1.0正式發(fā)布至今，USB協(xié)會(huì)（USB Implementers Forum，USB-IF）折騰出來了各式各樣、五花八門的接口形態(tài)：Type A、Type A SuperSpeed、Type B、Type B SuperSpeed、Mini-A、Mini-B、Micro-A、Micro-B、Micro-B SuperSpeed、Type C等等。
Type A/B/C接口及其特點(diǎn)
1、標(biāo)準(zhǔn)USB接口
標(biāo)準(zhǔn)USB接口分為Type-A和Type-B兩種。其中Type-A和Type-B根據(jù)支持的USB標(biāo)準(zhǔn)不同，又可以分為USB 2.0和USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)USB接口。根據(jù)接口的顏色，我們很容易區(qū)分該接口是支持USB 2.0還是支持USB 3.0的。Type-A型接口也是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷腢SB接口，廣泛應(yīng)用于鼠標(biāo)、鍵盤、U盤等設(shè)備上，Type-B型則常用于打印機(jī)、特殊顯示器等設(shè)備上。
USB2.0 Type-A和Type-B連接器外形
下面是其2.0版本的引腳定義。
USB2.0 Type-A和Type-B連接器引腳定義
| 引腳 | 名稱 | 說明 | 接線顏色 |
|---|---|---|---|
| 1 | VCC | +5V電壓 | 紅色 |
| 2 | D- | 數(shù)據(jù)線負(fù)極 | 白色 |
| 3 | D+ | 數(shù)據(jù)線正極 | 綠色 |
| 4 | GND | 接地 | 黑色 |
USB2.0采用單排4針腳設(shè)計(jì)，而USB3.0則采取兩排9針腳設(shè)計(jì)，相比而言USB3.0功能更強(qiáng)大。外觀上的區(qū)別主要有兩點(diǎn)：USB2.0通常是白色或黑色，而USB3.0則調(diào)整為藍(lán)色接口；USB2.0則只標(biāo)記普通的USB通用標(biāo)識(shí)，USB3.0接口部分標(biāo)記會(huì)有“SS”樣式。
相比較于USB2.0，USB3.0提供更高的5.0Gbit/s的超高速傳輸速度，并向下兼容USB2.0的傳輸速率；對(duì)外提供供電電壓仍然為5V，但最大電流達(dá)到了900mA；并且增加了新的電源管理功能，支持待機(jī)、睡眠以及暫定模式，更加省電；同時(shí)引入了全雙工通訊。以下是USB3.0的Type-A和Type-B連接器引腳定義。
USB3.0 Type-A和Type-B連接器引腳定義
| 引腳 | A型連接器 | B型連接器 | 說明 | 接線顏色 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | VBUS | VBUS | 供電 | 紅色 |
| 2 | D- | D- | 2.0數(shù)據(jù)差分對(duì) | 白色 |
| 3 | D+ | D+ | 2.0數(shù)據(jù)差分對(duì) | 綠色 |
| 4 | GND | GND | 電源地 | 黑色 |
| 5 | StdA_SSRX? | StdB_SSTX? | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-接收 | 藍(lán)色 |
| 6 | StdA_SSRX+ | StdB_SSTX+ | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-接收 | 黃色 |
| 7 | GND_DRAIN | GND_DRAIN | 信號(hào)地 | N/A |
| 8 | StdA_SSTX- | StdB_SSRX- | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-發(fā)送 | 紫色 |
| 9 | StdA_SSTX+ | StdB_SSRX+ | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-發(fā)送 | 橙色 |
2、Mini USB接口
Mini USB接口，是一種小型的USB接口，其指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)USB相同，但是加入了ID針腳（用于區(qū)分設(shè)備是主機(jī)還是外設(shè)），以支持OTG（On The Go，該功能允許在沒有主機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送）功能。Mini USB接口主要分為Mini-A和Mini-B兩種，樣貌如下：
USB2.0 Mini-A和Mini-B連接器外形
Mini USB接口由于相對(duì)較小的體型，常見于一些小型設(shè)備上，比如MP3、MP4、收音機(jī)等，某些型號(hào)的手機(jī)也采用了該接口。USB2.0 Mini-A和Mini-B連接器引腳定義
| 針腳 | 名稱 | 說明 | 接線顏色 |
|---|---|---|---|
| 1 | VCC | +5V電壓 | 紅色 |
| 2 | D- | 數(shù)據(jù)線負(fù)極 | 白色 |
| 3 | D+ | 數(shù)據(jù)線正極 | 綠色 |
| 4 | ID | 分為A和B兩種接口 |
A：與地線相連
B：不與地線相連 | none |
| 5 | GND | 接地 | 黑色 |
隨著市場和設(shè)備的變化，到了USB 3.0，基本已經(jīng)見不到Mini USB的身影了（有些定制的Mini USB依然可以滿足USB 3.0的標(biāo)準(zhǔn)要求）。
3、Micro USB接口
Micro USB接口，屬于Mini USB的下一代規(guī)格接口，Micro USB接口的插頭采用了不銹鋼材料，插拔壽命提高為10000次，相比Mini USB接口，在寬度幾乎不變的情況下，高度減半，更為小巧。Micro USB接口也可分為Micro-A和Micro-B兩種。
****USB2.0 Micro-A和Micro-B連接器外形****各針腳定義如下，其中Vbus和GND用于電力傳輸，Data+、Data-用于傳輸數(shù)據(jù)。MicroUSB在安全范圍內(nèi)的最大承載電流為2A，對(duì)MicroUSB線進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)，多出來的觸點(diǎn)用于過更大電流以保證安全。Micro-B出現(xiàn)，由于防呆設(shè)計(jì)的優(yōu)秀，Micro-A也就迅速的被淘汰了。USB2.0 Micro-A和Micro-B引腳定義
| 針腳 | 名稱 | 說明 | 接線顏色 |
|---|---|---|---|
| 1 | VBUS(VCC) | +5V電壓 | 紅色 |
| 2 | D-(DM) | 數(shù)據(jù)線負(fù)極 | 白色 |
| 3 | D+(DP) | 數(shù)據(jù)線正極 | 綠色 |
| 4 | ID | 分為A和B兩種接口 |
A：與地線相連
B：不與地線相連 | none |
| 5 | GND | 接地 | 黑色 |
在智能手機(jī)發(fā)展的前期，絕大多數(shù)的智能手機(jī)（蘋果手機(jī)除外）都采用了Micro-B型接口作為充電和數(shù)據(jù)接口。在USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，Micro-B接口也有了新的造型，我們購買的支持USB 3.0的移動(dòng)硬盤盒大部分就采用了該接口。
USB3.0 Micro-A和Micro-B連接器外形
USB3.0 Micro-B連接器引腳定義
| 針腳 | 名稱 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 1 | VBUS | P | +5V電壓 |
| 2 | D- | IO | 數(shù)據(jù)線負(fù)極 |
| 3 | D+ | IO | 數(shù)據(jù)線正極 |
| 4 | ID | IO | OTG identification(N.C.) |
| 5 | GND | P | 接地 |
| 6 | SSTX- | O | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-發(fā)送 |
| 7 | SSTX+ | O | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-發(fā)送 |
| 8 | GND | P | 接地 |
| 9 | SSRX- | I | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-接收 |
| 10 | SSRX+ | I | 高速數(shù)據(jù)差分對(duì)-接收 |
4、Type-C接口
最近幾年尤屬Type C最為火熱，基本上安卓的手機(jī)沖擊充電和數(shù)據(jù)接口以及配套數(shù)據(jù)線均被Type C統(tǒng)一，甚至是筆記本和平板的接口也都開始趨向于Type C,可以預(yù)見未來這個(gè)接口將積極影響我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>
相比A、B，Type-C有著以下優(yōu)點(diǎn)：①Type-C支持正反插，可以輕松迅速插拔。②Type-C往往支持PD快充，可以節(jié)約時(shí)間。③兼容性好，本身擁有更多的引口，可與DP、HDMI線可以實(shí)現(xiàn)4K超高清視頻傳輸，不用擴(kuò)展塢也能完成投屏。
根據(jù)使用場景的需要Type-C目前有24Pin全功能版本以及閹割后的16Pin和6Pin版本。
****24Pin全功能Type-C接口****
****全功能Type-C插座****
****全功能Type-C插頭****
可以很明顯看出，插口內(nèi)的Pin功能相對(duì)于中心對(duì)稱。公頭插入母頭，無論正反插，引腳功能都完美契合。而且電源VBUS/GND都擁有4個(gè)Pin，最大支持5A電流，在保證高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)也提高了電流承載能力。
全功能Type-C連接器引腳定義
| 針腳 | 名稱 | 功能描述 |
|---|---|---|
| A1 | GND | 接地 |
| A2 | SSTXp1 | SuperSpeed差分信號(hào)#1，TX，正 |
| A3 | SSTXn1 | SuperSpeed差分信號(hào)#1，TX，負(fù) |
| A4 | VBUS | 總線電源 |
| A5 | CC1 | Configuration channel |
| A6 | Dp1 | USB 2.0差分信號(hào)，position 1，正 |
| A7 | Dn1 | USB 2.0差分信號(hào)，position 1，負(fù) |
| A8 | SUB1 | Sideband use (SBU) |
| A9 | VBUS | 總線電源 |
| A10 | SSRXn2 | SuperSpeed差分信號(hào)#2，RX,負(fù) |
| A11 | SSRXp2 | SuperSpeed差分信號(hào)#2，RX,正 |
| A12 | GND | 接地 |
| B1 | VBUS | 接地 |
| B2 | SSTXp1 | SuperSpeed差分信號(hào)#2，TX，正 |
| B3 | SSTXn1 | SuperSpeed差分信號(hào)#2，TX，負(fù) |
| B4 | VBUS | 總線電源 |
| B5 | CC2 | Configuration channel |
| B6 | Dp1 | USB 2.0差分信號(hào)，position 2，正 |
| B7 | Dn1 | USB 2.0差分信號(hào)，position 2，負(fù) |
| B8 | SUB1 | Sideband use (SBU) |
| B9 | VBUS | 總線電源 |
| B10 | SSRXn2 | SuperSpeed差分信號(hào)#1，RX,負(fù) |
| B11 | SSRXp2 | SuperSpeed差分信號(hào)#1，RX,正 |
| B12 | GND | 接地 |
(2) 閹割版16Pin Type-C16Pin TypeC在24Pin的基礎(chǔ)上閹割了USB3.0的TX1/2、RX1/2，保留了SBU1/2、CC1/2、USB2.0的D+D-，除了沒有USB3.0/3.1高速傳輸外，其他別無二致，同樣支持 PD快充、音頻設(shè)備、HDMI傳輸、調(diào)試模式等功能。
我們所說的16Pin TypeC和12Pin TypeC其實(shí)是同一種接口。16Pin一般為接口廠家、封裝的正式名稱，而日常生活中習(xí)慣稱呼為12Pin。這是因?yàn)榻涌谠O(shè)計(jì)時(shí)，將TypeC母座兩端的兩個(gè)Vbus和GND出線都并攏了起來，雖然從口那里看是16條出線，但座子后面的焊盤只有12個(gè)。
(3)閹割版6Pin Type-C
對(duì)于玩具、牙刷等生活用品，產(chǎn)品定位上沒有USB通信的需求，只需要USB取電充電。因此6Pin TypeC僅僅保留Vbus、GND、CC1、CC2。接口兩側(cè)對(duì)稱分布著兩組GND、Vbus，使得防反插功能保留。CC1、CC2用于PD設(shè)備識(shí)別，承載USB-PD的通信，以向供電端請(qǐng)求電源供給。在傳輸電力的同時(shí)，USB數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)受到影響。
