小接口中的大学问 ——USB标准概述
初原载于 爱学习的 青春材制
2022-03-04
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当你准备购买一枚新优盘用来交作业/拷课件/做演讲时，面对拥有相同容量，价格却天差地别的USB 2.0 / 3.0优盘，你是否会产生这样一个疑问：仅仅是一个标准代数的不同，对这枚优盘的性能可以产生多大的影响？它们之间的区别是什么？下面就让我们通过这篇文章，共同探索这小小的USB接口中隐藏的大学问吧！
概述
USB是什么？
USB（Universal Serial Bus 通用串行总线），是由Intel领导研发的，于1994年由Intel, Microsoft, IBM, Compaq, DEC和Nortel共同研发的一种新的连接系统，被作为串行、并行和PS/2端口的替代品。现在由USB-IF公司管理。
USB有什么？
自1996年发布了USB 1.0标准至今，USB-IF共推出了4代USB标准，每一代标准都为我们带来了更高速的数据传输和更便捷的使用体验。
达到了前所未有的240 W。同时USB标准始终贯彻了“即插即用”的原则，这使得我们的信息化生活变得方便而又快捷。试想如果每为电脑接入一个新的设备就需重启电脑以安装其驱动程序，使用电子设备将会是一件令人烦躁且痛苦的事情，这便是USB标准所产生的原因之一。
历史
让我们回到最初的问题：USB 2.0 和USB 3.0到底有什么区别？USB4又是什么？为了解答这些疑问，让我们回到USB诞生的年代，一同探寻USB标准发展至今所经历的起承转合。
起：还没有USB的时候
在USB还没有出现的年代，计算机上配备了大量不同的接口，用于连接鼠标、键盘、显示器、扬声器等等外围设备。然而不同设备的接口也各有不同，这导致了计算机上的接口极其复杂并且适用范围狭小。
鼠标和键盘通常使用串行PS/2端口（右1右2），每个端口都有专用的6针接口。打印机和扫描仪通过25针连接器（右3）连接到并行端口，而其他所有端口则通过经典串行端口（左2左3）连接。然而这些端口并不能识别它所连接的设备，用户必须告诉电脑它是什么，然后手动为它安装正确的驱动程序。
用户和制造商都需要一种通用的接口，来简化操作和降低成本。由此，USB应运而生。USB接口连接至电脑的南桥，并在操作系统中预置了驱动程序，这使得用户可以用过USB接口实现更为简易的设备连接操作。
承：USB的诞生和普及
自1996年发布了USB 1.0标准开始，其应用推进的并不顺利。但在1997年秋微软在其Windows 95系统中加入了对USB 1.1的支持后，USB拥有了发展的机会。
同时，微软还大力推广“即插即用”这一概念，并通过USB接口实现。这一概念的实现使得用户不必再手动为新设备安装驱动程序，而是在无需重新启动机器的情况下进行插拔（也就是热插拔），并立即识别和配置其所连接的设备。这一举措极大的方便了用户使用电脑设备，并使得我们现在可以USB接口方便地为电脑连接新的外设（如新购买的鼠标或键盘）并通过优盘快速拷取文件。
而USB得到普及并蓬勃发展，却是在苹果公司于1998年8月推出了它的第一代iMac后。第一代iMac是第一批“无传统”PC，它采用了最新的硬件，并抛弃了所有旧端口和设备。第一代iMac的普及使得USB迅速进入了市场并得到了普及。
转：USB所面临的的问题
然而在USB蓬勃发展的同时，命名混乱的问题也随之产生并愈演愈烈。
在USB 1.0规范中，其最高传输速率仅为1.5 Mbps（即640 kB/s），所以在USB 1.1规范中，传输速率扩展为1.5 Mbps和12Mbps两种速率，但在规范中并未作明确表述。所以工程师们将两种速率分别命名为Low-Speed USB和Full-Speed USB。
当USB 2.0在2001年定版时，峰值带宽为480 Mbps——还有什么比“Full-Speed”更快呢?当然是High-Speed。于是USB 2.0被命名为High-Speed USB。7年后，当3.0版本出现时，这种命名混乱达到了顶峰。
USB 3.0引入了5个额外的引脚，这些额外的引脚使数据可以同时双向流动，理论峰值带宽为5 Gbps。于是，USB 3.0被命名为SuperSpeed USB……
USB 3.1于2013年推出，拥有更快的数据通道（10 Gbps），但由于某种原因，该版本被标记为USB 3.1 Gen 2。因为3.0被重命名为3.1 Gen 1。
当USB 3.2规范在5年后问世时，USB-IF认为需要重新命名，于是：
USB 3.1 Gen 1 → USB 3.2 Gen 1
USB 3.1 Gen 2 → USB 3.2 Gen 2
USB 3.2 → USB 3.2 Gen 2x2
合：一种新的USB标准
在经历了如此混乱的USB 3.0时代后，USB-IF推出了USB4规范。该规范拥有两种传输速率，被分别命名为USB4® 20Gbps和USB4® 40Gbps（看来USB-IF终于词穷了）。
USB4融合了雷电3协议，能同时支持高速数据传输和视频/音频传输，这使得USB4真正具有了替代其他所有接口的潜能。也正因为如此，USB4规范有且仅会有Type-C一种接口界面，这缓解了接口不同所带来的烦恼，但也在某种程度上增加了USB4线缆的制造成本。
值得注意的是，与之前的USB标准不同USB4中间没有空格，官方的解释为删除空格的目的是将重点从版本号转移到品牌名称上，这表明USB4或许将不再进行版本号的迭代。
写在最后
相信在读完这篇文章后，你对于USB协议有了一个基础的认识。限于篇幅原因本文不再讨论各类接口界面间的不同，但附上各USB协议对应接口界面一览表供参考。
通过上表可以得出一个初步的结论：USB 2.0优盘与USB 3.0优盘间的主要区别在于其接口界面的不同，USB 3.0优盘较USB 2.0优盘在接口上多出了5个额外的引脚，这也是判断优盘是否为USB 3.0优盘最简单直接的办法，以供参考。
参考文献：
[1] USB Implementers Forum[DB/OL].https://www.usb.org.
[2]图片源自网络
撰 稿 人：科技协会科创部 陈逸凡 孙本腾 姜诚骜
责任编辑：科技协会执行主席 马浩然
执行编辑：科技协会组宣部 吴培源 李嘉宇
总 编 辑 ： 李晓萌
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