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USB竟跟公交车有关,这项技术为何能改变世界?
2023-05-11 来源:半导体行业观察
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关键词: USB 连接器 智能设备

现如今,应该没有人会不知道USB的作用吧!手机、平板、耳机、智能手表…这些智能设备的充电、数据传输都靠USB接口来完成,很难想象如果没有USB,这个世界还会不会这样便捷?

“科技改变生活”这句话向来都不是随便说说的。经过数十年发展,过去的有些技术已经悄无声息得融入到我们日常生活中,从某种意义上来说,越是被人们认为是理所应当的存在,越是说明了那些技术对人们生活的重要性。

USB就是一个很好的例子。然而,就是这样一个现在看起来并不起眼的技术,也是经过了二十多年的更迭,才变得如此普遍。




数据传输“公交车”

从功能上说,USB确实是和“公交车”一样的存在。USB 开发团队之一的Bala Cadambi此前在提到USB名称来源时表示,当时开发团队希望寻找与用户可能相关,并且还能用来描述技术的东西来命名。

发明这项技术的人叫Ajay Bhatt,1990年时,他进入Intel,担任晶片架构相关职务。因为驱动程式和硬体的局限性,当时的电脑外接设备没办法同时工作,Ajay就提出了「通用序列汇流排」(Universal Serial Bus)这一概念。

「通用序列汇流排」就是USB。Ajay认为可以用单独一种规格的接口,完全替代串口和并口。Intel认为他的想法很不错,所以大力支持。1995年时,USB 1.0 RRC标准首次发布,除了Intel,IBM、 Microsoft等7个科技界巨擘一起加入倡导,他们还一起创办了非营利组织 USB-IF(开发者论坛)。

虽然Ajay是USB的创造者,苹果却是第一家真正推出兼容USB技术产品的厂商。1993年时,苹果发布了iMac G3,很快Microsoft也让Windows支援USB技术。从那之后,很多电脑厂商在自家产品上采用这项设计,USB也成为了我们熟知的东西。

Ajay表示,他没想过用USB技术赚钱,能够改变世界,他就很开心了。当时Ajay还想过「正反插」的问题,但各大厂商对於USB这项新技术抱有怀疑,如果继续研发「正反插」,需要用到更多的线路和电路零件,这会增加成本,也会降低厂商的信心,所以最后还是不了了之。Ajay认为若一项未经检验的新东西、新技术需要花费高昂的成本,那它可能就很难撬动市场接纳,那这东西再好再便利,你永远都无法让人们去享受到。




USB的发展进程

作为一种新兴接口,USB在诞生之初并没有我们想象中那么受人欢迎,一方面是因为支持USB接口的设备较少,另一方面是由于延时和供电问题,使得USB 1.0接口不支持使用延长线,因此与传统的传输接口对比,USB并没有体现出明显的优势。

直到1998年,USB 1.1规范的发布,改进了此前USB HUB方面的问题,最多能支持127个外部设备,同时市面上也出现了抗干扰能力比较强的磁环线,USB的长线使用变得可行。当然,更重要的还是来自Win98、苹果iMac G3、以及英特尔主板芯片组等设备、硬件方面不断加强的支持,USB迎来了发展的春天。

来自终端的支持是推动USB发展的强大引擎,尤其是iMac的普及加快了USB进入市场的步伐,再加上USB-IF组织的大力宣传,越来越多的设备开始搭载USB接口。进入21世纪后,USB规范进行了多次修订,命名也进行了多次修改,虽然一度令人摸不着头脑,但不得不承认,正是在这个野蛮发展阶段,搭载USB接口的设备逐渐呈现出井喷之势。

USB 2.0规范是于2000年4月发布,当时随着外置大容量存储设备及数码相机等多媒体设备的日益普及,对接口的传输速度要求越来越高,USB 1.1 12Mbps的带宽已不能满足应用的需求,在这种背景下,USB 2.0应运而生。相较于1.1版本,USB 2.0最大的特点就是传输速度跨越至480 Mbps,并且向下兼容低速1.5 Mbps和全速12 Mbps。此外,USB 2.0还陆续增加了ECN、OTG等功能,细分了接口类型,并统一了充电标准。

USB 2.0标准的出现,意味着USB技术开始真正成熟起来,支持的设备越来越多,直至2012年,也就是USB 2.0标准推出的12年后,凭借使用方便、稳定性高与价格合理等特性,USB 2.0市场占比依旧超90%。

如果说,在USB 2.0时代,USB还有火线标准这一劲敌的话,那么等到2008年USB 3.0发布后,USB便开始完全独占市场。2008年初,USB-IF发布了USB 3.0标准,最大亮点就是,高达5.0 Gbps的超高速传输速度,这也成为了压倒火线的最后一根稻草,苹果领军人物贾伯斯对此表示,算了不打了,火线标准就此寿终正寝。

除了超高速传输速度,USB 3.0还具备很多优势,比如:对外提供供电电压仍然为5V,但最大电流达到了900mA;并且增加了新的电源管理功能,支持待机、睡眠以及暂定模式,更加省电;引入了全双工通讯。

在USB 3.0推出后,2009年技嘉、华硕等主板厂商接连推出USB3.0接口的主板,全力上市推行。此外,金士顿、西部数据、力杰等PC外设厂商也纷纷推出了采用USB3.0接口的移动存储产品。到了2016年8月,USB-IF组织认证通过了近120种符合USB 3.0规格的产品,涵盖了主机板、笔记型计算机、外接式储存装置、储存控制器、硬盘机、PCI Express与ExpressCard扩充卡,以及单独的芯片等多种产品类型。

相关设备的涌现加速了USB 3.0产业链的成熟,相应的价格也开始落入主流范围,此后USB 3.0便完全融入到了我们的生活中。

在独占市场之后,USB-IF组织并没有停下研发的脚步,却同时也开启了“作妖之路”。2013年,USB 3.1发布,理论速度可以达到10Gbps,但在发布后2年,也就是2015年,USB-IF组织便发布公告称,将USB 3.0改名为USB 3.1 Gen1,USB 3.1改名为USB 3.1 Gen2,这次改名给消费者带来了很多麻烦,消费者常常因为一时疏忽而落入奸商的陷阱。

2017年,USB-IF宣布基于USB 3.1改良,推出最新版本规范USB 3.2,将传输速度从10Gbps倍增至20Gbps,由于Type-C接口正反面都能嵌入针脚,所以可以让传输速度攀升2倍。然而,过了2年,2019年USB-IF再次宣布改名,将 USB 3.0、USB 3.1 Gen2的版本命名都统一划入USB 3.2的行列,三者分别叫做USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2×2,用户们又开始了新一轮的记忆之路…

不过,USB传输标准与USB接口之间并没有绝对的关联,决定USB最大传输速度的不是USB接口的形态,而是接口支持的USB传输标准,即便是使用近几年出现的新型USB接口Type-C的设备,也可能只支持使用较慢的USB 2.0传输标准。




USB 4.0时代

2022年9月1日,USB宣传组织预告了全新的USB 4.0 Version 2.0(USB 4.0第二版)规范,新版的USB 4.0将使得USB Type-C线和连接器速率提升至80Gbps。具体的规范信息还要等到今年11月西雅图和首尔的USB开发者大会结束后才会公布,不过这份公告中已经透露出了不少令人期待的情报。

USB 4.0第二版将成为目前市面上最快的接口标准之一,甚至超越雷电4和USB 4.0最大40Gbps的速度,达到可怕的80Gbps。在协议隧道的支持上,USB-IF表示新版的USB 4.0将支持更高性能的USB 3.2以及新版的DisplayPort和PCIe。第一版中USB 4.0已经支持到20Gbps(可选速率)的USB 3.2,看来这一版规范将让USB 3.2的速度再创新高。

USB 4.0第二版与此前推出的所有USB标准一样,在向后兼容性上做到了一如既往的优秀,USB 4.0第二版将兼容现有的USB 4.0第一版,以及之前的USB 3.2和USB 2.0。至于对雷电的兼容性,USB 4.0第二版并没有引入对雷电4的兼容,而是仍然像第一版一样,仅仅兼容雷电3。考虑到USB 4.0第一版的规范中,对雷电3的兼容也只是主机和外设的可选项,只有集线器必须兼容,USB 4.0第二版可能也会沿用这一设计。

这样的向后兼容在预期之中,但USB 4.0第二版似乎还留了个惊喜,那就是现有的USB 4.0 40Gbps线在未来可以升级到80Gbps的速度,这一点也被USB-IF的发言人Joe Balich证实。USB-IF并没有解释如何实现这一点的技术原理,不过很明显线材不是限制因素,最大的升级还是在USB 4.0控制器的协议上。


未来也有可能被替代

USB 在计算机和其他小工具中得到广泛采用已经超过 25 年了,虽然最新版本与原始设计几乎没有相似之处,但其基本前提仍然适用:插入它,设备就会正常工作。

每一次规范修订都提供了更高的性能(USB4 2.0 比 1.1 快了近 7,000 倍)并且能够为设备提供更多的电力(目前高达 100 瓦,在供电模式下使用时)。

USB4 2.0 比 USB 1.1 快近 7,000 倍。

但是 USB 为何或如何持续了这么久?有没有更好的可以提供更多带宽或功率的东西?简单的答案不是,或者至少不再是。

十二年前,英特尔发布了Thunderbolt。当时它似乎比 USB 3.0 更具吸引力,具有更大的带宽和更大的灵活性。如前所述,称为 Thunderbolt 3 的最新版本现在作为 USB-C 的超集,放弃了其原始连接器 (Mini DisplayPort),并具有与 USB4 相同的最大带宽。它提供了更多功能,例如能够为运行设备提供更多电力,但它并没有取代 USB,而是本质上被集成到 USB4 中。

还有FireWire,它在某些时候提供了比 USB 2.0 更好的性能并支持全双工数据传输,但是当 USB 3.0 到来并在包括性能在内的许多方面得到改进后,FireWire 不再提供任何明显的优势,也没有被广泛采用。

USB 对系统供应商和制造商的部分吸引力在于其相对开放的规范。与 Thunderbolt 或 FireWire 不同,可以制作“USB 3.2”电缆并按原样出售,但不完全符合规格中的所有细节。例如,它可能不支持全带宽或提供最大可用功率。

虽然这使得此类产品的制造和购买成本低廉,但这确实意味着在获得您实际需要的电缆时它是一个潜在的雷区。USB 提供多种传输速度和电源模式这一事实使问题进一步复杂化——尽管徽标和认证有了很大改进,但在可预见的未来仍将如此。

但是,尽管存在松散标准、混乱的命名方案和多种插座类型等缺陷,USB 仍然一如既往地普遍存在。几乎每台计算机外围设备都使用它来连接主机——即使它是无线的,它几乎肯定会使用 USB 加密狗。

总有一天,USB 最终可能会重蹈其前辈的覆辙,但就目前而言,其简单的吸引力和持续的发展将使它继续前进。