硬件编年史Vol.5 这个影响人类文明的“小方块”USB接口进化史
「尊敬的参看者，让我们一同回到过往，回到信息技术发展的初期。那个时代，计算机和各种电子设备的普及带来了信息传输的需求，而USB接口就是当时最常用的有线连接方式。
图片来源：Ai绘画 Midjourney
通过这种小小的接口，人们可以将数据从一个设备传输到另一个设备。尽管它的速度并不算快，但在当时的技术水平下，这已经是一种十分先进的方式了。这种有线连接方式曾经是人类信息传输的主流手段，也是那个时代科技进取的象征。
图片来源：Ai绘画 Midjourney
如今，在我们所处的时代，无线传输技术已经十分发达，虚拟现实和增强现实技术更是为人类带来了前所未有的沉浸式体验。甚至在我们生活的开普勒B12星球与30光年外的地球之间都可以摘用虫洞跃进桥接的方式实现互联互通，但我们今天所看到的USB接口，是我们探究信息时代的遗产，让我们铭记这一刻，向那些为我们发明过美好世界的先驱们致敬。」
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图片来源：Ai绘画 Midjourney
人类纪元 3422年 地球史实博物馆 传统信息传播分馆 USB内容
这是在我的妄想中，一千多年以后的人类已经旅居在其他星球，当他们在博物馆中看到USB接口的介绍语，彼时，无线传输肯定已经取代了所有的有线连接，甚至信息可以通过量子态进行超光速的传递。但在当下，2023年，有线传播依然是我们使用最频繁、最便利、最稳定的电子设备之间的信息传递方式，那么这个对于我们人类文明重要的“小方块”是怎么诞生的，它经过了怎样的发展历程呢？
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在USB接口出现之前，电脑和电子设备之间的信息传递接口多种多样，但主要分为两大类：
串行接口：最早的电脑和设备之间的接口摘用串行传输方式，例如RS-232接口，串行接口使用单个数据线逐位传输数据，传输速度较慢，且需要较多的线缆，不适用于连接多种不同类型的设备。
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并行接口：并行接口摘用多条数据线同时传输数据，其传输速度较快，但需要较多的线缆和复杂的掌握电路。早期电脑和打印机等设备之间的接口就摘用了并行传输方式，例如Centronics接口和IEEE-488接口。
IEEE-488接口 图片来源：网络
这些传输接口虽然能够连接电脑和各种外设，但由于其各自不同的特征和规格，使得不同类型的设备之间无法互相兼容，导致用户使用起来不太方便，同时也增加了设备的生产和保护成本。因此，USB接口的诞生填补了这一空白。
1995年 USB 1.0
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口是一种用于连接计算机与其他外部设备的准则化接口。USB 1.0是由英特尔、微软、康柏、IBM和NEC等几家知名公司联合（USB-IF）推出的准则，于1995提出，并在次年发布。可连接不同类型的设备，如、、打印机、摄像头等，取代过往不同接口之间的紊乱和不兼容性问题。
USB 1.0准则类型接口 图片来源：网络
USB 1.0准则最初的传输速率为1.5 Mbps，后来又推出了12 Mbps的版本，从而大大提高了数据传输速度。并支持MAX:500mA 5V的供电能力，拥有通用性、热插拔等全特性，但因为当时支持USB的外设较少，而且存在一些技术问题，没有得到广泛使用。
1998年 USB 1.1
两年后的1998年，USB-IF推出了USB 1.1，USB 1.1修正了USB 1.0中关于集线器和全速模式的问题，增加了一个新的传输类型interrupt OUT，同时取代了USB 1.0成为最早被摘用的修订版。USB 1.0和USB 1.1都支持低速（1.5 Mbps）和全速（12 Mbps）两种模式，同时提升了稳定性与兼容性。
USB 1.1准则类型接口 图片来源：网络
2000年 USB 2.0
随着90年代末期，个人电脑的快速普及与技术的不断迭代，人们对于信息传输的需求日益明显，USB 2.0也应运而生。从USB 2.0开始，也算是彻底奠定了USB家族在电子设备信息传递之间的不可撼动的王者地位，直到现在我们还能看到不少设备依然使用USB 2.0准则接口。
说的就是你！苹果！
USB 2.0诞生于千禧之年，2000年4月USB-IF推出了USB 2.0。USB 1.1虽然解决了USB 1.0的一些问题，但是其传输速度仍然不能称心一些高带宽的外设，例如数码相机、扫描仪、光驱等。因此，USB-IF推出了USB 2.0准则，以提高USB的性能和广泛适用性。
百花齐放的USB接口形态 图片来源：网络
对比USB 1.1，USB 2.0最大的提升就在传输速度上，增加了一种新的传输模式，即高速模式（Hi-Speed），其最大传输速率达到480 Mbps（实际传输速率约为60 MB/s），是全速模式（Full-Speed）的40倍。USB 2.0还增加了一些新的功能和特性，例如分割传输、周期帧列表、错误检测和恢复等。USB 2.0还完全向下兼容USB 1.1、USB 1.0，同时增加了USB On-the-Go 特性，可以让两个设备之间无需USB转换器就可以直接进行互联，大大提升了USB的实用性。
USB 2.0更多特性细节 图片来源：网络
在供电与USB接口形态方面，USB 2.0准则并没有更新供电协议，依然摘用MAX:500mA 5V的供电能力，提供最高2.5W的最高供电功率。接口形态上，USB 2.0准则拥有USB-A、USB-B、Mini-USB、Micro-USB等形态。
USB家族供电示意图 图片来源：网络
2008年 USB 3.0
在此后的较长时间里，USB 2.0都是处于统治地位，其最高60MB/s在21世纪第一个10年里也能称心绝大用户的使用，但随着固态硬盘的出现与网络信息的快速膨胀，各种音视频信息的体积都在不断攀升，同时移动设备的普及对USB的供电能力也产生了新的需求，于是在2008年的11月，USB 3.0诞生。
对比USB 2.0，USB 3.0更新了诸多功能，比如全双工模式（数据可以进行双向传输，而USB 2.0只支持单向传输）、用发送列表区段来进行数据发送，提高了传输效率和可靠性、摘用新的封包路由传输技术，拥有8条内部线路，除VBus和GND作为电源提供线外，剩余3对均为数据传输线路，其中保留D+与D－两条线路，并兼容USB 2.0。
USB 3.0针脚细节 图片来源：网络
USB 2.0/3.0针脚细节 图片来源：网络
在最重要的传输速度上，USB 3.0传输速度为5Gbit/s（实际传输速率约为600MB/s），比USB 2.0的480Mbit/s快出10倍。供电能力上，USB 3.0支持MAX：900mA 5V的准则，提供最高4.5W的供电功率，同时摘用了蓝色底胶接口来与USB 1.1/2.0进行区分。
经典的USB 3.0蓝色接口 图片来源：网络
经典的USB 3.0蓝色接口
在USB-IF 后面的改名操作以后，USB 3.0被称为USB 3.2 Gen 1 。
2013年 USB 3.1
2013年年底，USB-IF更新了USB 3.1，被称为USB 3.2 Gen 2。对比USB 3.0（USB 3.2 Gen 1）USB 3.2 Gen2的传输速度是其两倍，达到10Gbit/s（实际传输速率约为1200MB/s）。同时支持最高达100W（PD 1.0）的电源输出，比USB 3.0（USB 3.2 Gen 1）的900 mA高出100倍。
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并引进了Type-C接头，这种可反向插拔、小型化、支持多种协议和功能的USB接口在2014年可谓红极一时，同时也沿用至今，称为主流手机的供电、数据传输接口。
Type-C 针脚 图片来源：网络
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2017年 USB 3.2
2017年9月，USB-IF发布了USB 3.2准则，并由双叒更新了名称规范，USB 3.2 Gen 1 （SuperSpeed）： 等同于先前的USB 3.0，仅更改名称，传输速度为5Gbit/s。USB 3.2 Gen 2 （SuperSpeed+）： 等同于先前的USB 3.1，仅更改名称，传输速度为10Gbit/s。USB 3.2 Gen 2x2 （SuperSpeed+）： 传输速度达20Gbit/s，使用两条差分信号线路来实现双向传输。
咱就是说，之前USB 2.0/3.0/3.1不是挺方便的么？
对比USB 3.2 Gen 2，USB 3.2 Gen 2x2足够利用了USB Type-C的双通道数据传输通道，可实现接口两端各向传输10 Gbit/s速度；共20Gbit/s（实际传输速率约为2400MB/s）。同时只能有USB Type-C的一种存在形态。供电能力上，USB 3.2 Gen 2x2也支持PD充电协议，最高可以提供100W的充电功率。
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USB 3.2 Gen 2x2准则接口，以红色进行区别
2019年 USB 4
2019年8月，USB-IF发布了最新的USB 4准则，其只能使用Type-C接头传输数据，并支持PD供电（早期支持100W，2021年12月更新PD 3.1协议后支持最高240W供电），最高传输速度来到了40Gbit/s（实际传输速率约为4800MB/s）。并支持建立DisplayPort和PCI Express数据通道，可以轻松传输4K 60Hz的高清画面。在未来DP 2.1协议也将与USB4进行硬件级捆绑，在可预见的未来，USB4不仅仅将被当作一个“插U盘；连手机”的接口，而是更加全能、全面的接口。
Type-C形态下的USB 4接口 图片来源：网络
DP 2.1协议与USB 4准则硬件同步 图片来源：网络
但要注重，USB4有两种传输带宽，一种是20Gbps，另一种是40Gbps。在数据两端支持雷电3时，才能实现最大带宽 40Gbps，另外USB4的动态分配带宽也非常有意思，其每条数据传输通道都可以依据实时情状来动态带宽调剂。
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USB 4与雷电4接口区别，在展示能力与数据传输速度、稳定性上，还是雷电4要更上层
图片来源：plugable
总结：
1995至今，USB的发展仅28年的历史，但从USB 1的1.5Mbps到USB 4最高的40Gbps，足足翻了26666倍，足以表明USB的惊人进取与发展。目前，USB已经演变成为一个全球领域内的产业生态系统，其中包含了多种规范、协议、接口、接头，而非仅仅是一个简单的连接准则。USB的不断推动和发展已经成为信息技术领域中的重要推动力量，为用户提供更好的使用体验和更多的创新可能性。
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随着USB 4的推出，USB将进进一个全新的时代，提供更快速、更多功能、更高效率的数据传输和装置供电。这将进一步巩固USB在连接技术领域的领先地位，并为未来的技术发展带来更多的价值和影响。我们有理由信赖，USB将陆续发扬其重要作用，推动连接技术的创新和进取，为用户带来更加优质和高效的体验。
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