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來源：互聯網

USB（Universal Serial Bus）中文名稱為通用串行總線，是一種快速同步傳輸的雙向串行接口標準，用于規范電腦、移動設備等與外部設備的連接和通訊。USB在手機、電腦、鼠標、鍵盤、攝影器材、電視機、游戲機、掃描儀、充電器、磁盤等設備中得到廣泛應用，并支持各種操作系統（windows、MAC、Linux等）。

1994年，以Intel為首的七家公司（Intel、Compaq、微軟、IBM、Northern Telecom、NEC）為主聯合研發和制定了USB傳輸協議的第一個草案。1995年，USB-IF（USB Implementers Forum，即USB執行者論壇）成立。1996年，USB1.0標準問世，USB標準開始用于供電和數據傳輸。1998年，USB1.1規范發布，至此之后USB標準開始在市場上流行。

截至2023年，USB標準版本歷經4代大版本發展，最新標準已經制定至USB4，全世界有約數十億臺個人電腦都在使用USB，由于USB使用便捷、速度快、可擴展性強的特性，USB已經成為許多消費者的設備連接首選。

發展歷程

USB 1.0

在USB誕生之前，外部設備連接到計算機時面臨著多種問題：數據線種類繁多，很多設備使用專用的數據線；很多設備不支持PnP，需要安裝擴展卡、設置跳線以及安裝軟件驅動；外圍設備不能熱插拔，需要在安裝軟件后重啟系統重新分配系統資源（如I/O地址空間、IRQ中斷請求、DMA通道）；成本昂貴，標準外圍設備接插件和相關數據線的成本高昂。

為了解決這些問題，1994年，以英特爾為首的七家公司（Intel、康柏電腦、微軟、IBM、Northern Telecom、NEC顯示器）為主聯合研發和制定了USB傳輸協議的第一個草案，并于1995年成立USB-IF這一非營利性組織。

1996年，USB1.0標準問世，理論速率為1.5Mbit/s，最初僅支持低速模式（Low-Speed），鍵盤、鼠標、智能手機以及打印機等等大多使用USB標準來實現供電和數據傳輸。同年，USB-IF發布了USB低速緩沖器設計指南，傳授用戶深入使用USB的方法。1997年，USB-IF發布了關于USB-APM交互的白皮書，使APM和USB可以協同工作。

作為USB的標準化組織，USB-IF于1998年發布了USB1.1規范，不同于未在市場上廣泛使用的USB 1.0，USB1.1標準發布之后，USB開始逐漸占據主流市場。在USB1.1規范中，提到了USB1.1的各種特性：高速方式的傳輸速率為12Mbit/s，低速方式的傳輸速率為1.5Mbit/s，支持熱插拔、同步和異步傳輸并內置電源/低壓配電裝置，線纜最長5m，最多支持127臺設備。USB的抗干擾能力大大增強。

USB 2.0

USB 2.0規范由USB 1.1規范演變而來，于2000年4月出臺，完全向后兼容之前的USB版本，傳輸速率達到480Mbit/s，理論傳輸速率是USB 1.1的40倍，是半雙工數據傳輸模式。USB 2.0中的“增強主機控制器接口”（EHCI）定義了一個與USB 1.1相兼容的架構，可以用USB 2.0的驅動程序驅動USB 1.1設備。從用戶的角度來看,與USB1.1相比，USB 2.0的帶寬要高得多。系統制造商能夠以最經濟的方式使用USB 2.0來連接高性能外部設備，對整體系統成本幾乎沒有影響。USB2.0的特性注定它會取代USB 1.1。同年，USB-IF發布USB驅動器接口規范。10月，USB MINI接口面市。2001年，USB OTG功能發布，使特定外部設備在沒有電腦的情況下可以互相通訊。

2003年，USB對Type-B接口進行改進，將形狀改為圓形倒角，使接口更加堅固。6月，USB-IF重新命名了USB的規格和標準，把USB 1.0改名為USB 2.0低速（Low-Speed）版，USB 1.1改名為USB 2.0全速（Full-Speed）版，而USB 2.0則改為USB 2.0高速（High-Speed）版。

2007年，USB進入對協議版本和接口不斷更新迭代的時期。USB推出了Micro-USB接口，增加了接口的穩定性。USB充電規格（USB BC）也在同年推出。2009年，Micro-USB被國際電信聯盟（ITU）采納為全球移動電話充電器的通用標準，極大地推動了其在智能手機上的普及。

USB 3.0

2008年11月，為了滿足用戶越來越多的儲存需求量，英特爾、微軟、HP、Texas Instruments、NEC、ST-NXP等公司組成USB 3.0 Promoter Group完成了USB 3.0(SuperSpeed USB)標準的發布，傳輸速率達到5.0Gbit/s，最大輸出電流900mA，兼容USB2.0并支持全雙工數據傳輸。

2009年，USB-IF繼續發布新產品，研發新服務內容。USB-IF發布了USB BC1.1，將USB的充電能力提升到5V、1.8A，2010年則上調至5V、5A。

2012年7月，USB發布了PD快充協議1.0版本。2013年，USB對斷開高速芯片的方法進行規范。USB 3.1(USB SuperSpeed Gen2)標準也開始發布，傳輸速率達到10Gbit/s，供電標準提高至20V/5A的100W。

2014年，USB推出新的Type C接口，支持正反插，最高能輸送20V、5A的電流，通過該接口和8月推出的PD快充協議2.0版本，它的供電能力達到100W。隨后，USB-IF對協議名稱進行更改，將USB 3.0改名為USB 3.1Gen1 SuperSpeed，USB 3.1改名為USB 3.1Gen2 SuperSpeed。但該命名方案在后續的產品更新中又遭到棄用，并推出新的命名方案。

2015年11月，PD快充協議3.0發布，在充電規格上沒有發生變化。2017年，USB 3.2 Gen 2x2發布，在USB Type-C下支持雙10Gbit/s通道，速率達20Gbit/s。

USB4

2019年3月，英特爾為USB-IF組織提供了雷電3協議技術。隨后，USB Promoter Group發布基于雷電3協議開發的USB4協議，最大傳輸率達到40Gbit/s，具備動態帶寬資源分配能力并支持USB 功率 Delivery快充協議。同年，USB-IF又對協議進行改名，將USB3.1 Gen 1（也就是原來的USB3.0）改名為USB 3.2 Gen 1，USB 3.1 Gen 2（即原來的USB3.1）改名為USB 3.2 Gen 2，而USB 3.2則被改名為USB 3.2 Gen 2x2。

2021年5月，USB推出PD快充協議3.1版本，最高支持240W，增加了三種可調節電壓檔位快充。

2022年，USB Promoter Group宣布推出USB4 2.0，通過USB Type-C接口的傳輸速率到達80Gbit/s。USB4可以使用最高的USB帶寬，并擴展USB Type-C接口性能。USB4建立在現有USB3.2和2.0架構的基礎上，對產品協議進行規范補充。USB4支持動態地共享一個具有多個終端設備類型的單一高速鏈接,進行數據傳輸，規范提供了主機為顯示數據流分配最佳尺度的能力，并與USB3.2、USB2.0向下兼容。

2022年10月，USB-IF帶來了全新的命名體系，USB接口將統一以傳輸帶寬為市場代號，如USB4 v2.0對應USB 80Gbps，USB4對應USB 40Gbps。

衍生內容

MA-USB：MA-USB（Media?Agnostic）即無媒介限制?USB，是USB-IF啟用的新標準，允許無線設備和擴充口在USB協議下通信而不需要進行物理連接。MA-USB符合USB?3.1?、USB?3.0?和USB?2.0?規范，可利用USB基礎設施實現千兆級的無線傳輸速率。

InterChip USB：InterChip USB是芯片間USB （簡稱IC-USB、USB-IC或HSIC ）。它是 USB實施者論壇的 USB 2.0 規范的附錄，USB-IF在后續還推出了超高速芯片間USB（ SSIC ）。USB 2.0高速芯片間USB（HSIC）使芯片與芯片之間能夠互聯，針對功耗、成本和復雜性優化了鏈路，消除了普通USB中的傳統模擬收發器，能夠起到降低物理層功耗的作用。

USB-C：USB Type-C是USB-IF于2014年推出新接口類型，支持正反插，徹底解決了用戶在插入USB插頭時反復嘗試的困擾，最高能輸送20V、5A的電流，通過該接口和8月推出的PD快充協議2.0版本，它的供電能力達到100W，已經逐漸成為市場上新的主流音視頻接口。

USB Billboard：USB Billboard是USB Type-C規范內容中的一部分。USB Type-C的連接模式中有一種PD充電等所運用到的替代模式（Alternate Mode），當設備進入替代模式失敗，則會把裝置識別成USB Billboard Device來警示使用者。

運作方式

當USB設備接入主機后，開始識別USB設備（也稱為從機），從機接入/拔出的過程叫做USB插拔。一般的USB接口包括四根線，分別為Vcc、D+、D-、GND。從機接入主機后，主機通過D+、D-線路上電壓、電阻的變化來檢測從機是否接入。隨后，主機開始識別從機的類型，判斷其是鼠標、鍵盤還是其他類型。從機的描述符集合可以幫助主機識別，描述符集合包括了從機的設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等信息。主機訪問描述符集合的過程叫做枚舉，該過程結束后，主機即可使用從機的功能。

從機將以等待主機輪詢的方式來發送數據，部分設備會在描述符集合中加入關于輪詢時間的說明。當主機需要給從機發送數據時，從機則需要盡快接收。主機會給每個接入的從機分配設備地址，通過設備地址來訪問從機。通過從機的設備端點，主機則可以訪問從機的某個特定功能。在從機的端點描述符集合中聲明屬性，主機根據屬性創建不同的數據通道，運用不同的方式來讀寫數據。

主機與從機之間一次完整的通信包括兩個或三個過程，分別包括請求過程（令牌包）、數據過程（數據包）和狀態過程（握手包）。主機發送令牌包開啟請求過程，當請求過程中有數據傳輸的需求，則開啟數據過程，最后由數據接收方開啟狀態過程，結束通信。當沒有數據傳輸需求時，則沒有數據過程，由從機開啟狀態過程，結束通信。

傳輸與供能

數據傳輸

傳輸速率

USB4和USB 3.2規范共同確定了五種傳輸速率：80 Gbps、40Gbps、 20Gbps、 10Gbps和5Gbps。供應商必須在產品包裝、廣告內容和任何其他營銷材料中清楚地傳達產品的性能信號。

為避免消費者混淆，USB-IF 為消費者推薦的術語如下:

傳輸方式

USB傳輸支持4種數據類型：控制信號流、塊數據流、中斷數據流和實時數據流，對應的有四種傳輸方式：控制傳輸方式、批量傳輸（塊傳輸）方式、中斷傳輸方式、等時傳輸（同步傳輸）方式。控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸在數據傳輸錯誤時，都會試圖重發。

以下是對四種傳輸方式的詳細介紹：

控制傳輸

USB控制傳輸（ControI Transfer）是USB最基本的一種數據傳輸方式，可以用于低速、全速、高速和超速USB設備。該方式支持雙向傳輸，用來處理主機的USB設備控制命令、設備狀態查詢及確認命令，如USB設備第一次被主機檢測時的配置、設定。USB控制傳輸適合于傳輸少量的數據，嚴格要求傳輸的正確性，對傳輸時間、傳輸速率和實時性均無要求。一般來說，USB設備必須支持USB控制傳輸方式。USB通電時，任何USB設備都必須在端點0的默認管道中支持控制傳輸。

批量傳輸（塊傳輸）

USB批量傳輸（BuIk Transfer）是USB接口協議中最重要的一種數據傳輸方式，可以用于全速、高速和超速USB設備。可以進行單向或雙向傳輸，用來傳輸要求正確無誤的數據。該傳輸方式適用于傳輸大量的數據，要求傳輸的正確性，但對傳輸時間、傳輸速率和實時性均無要求。一般來說，該方式常應用于數據采集卡、USB打印機、USB掃描儀等設備。這些設備對數據傳輸的正確性要求較高，但對傳輸速率并沒有非常嚴格的要求。

中斷傳輸

USB的中斷傳輸（Interrupt Transfer）可用于低速、全速、高速和超速設備。USB中斷傳輸支持單向傳輸，適用于傳輸少量或者中量的數據，要求具有固定的事務處理周期。一般來說，USB 中斷傳輸常應用于USB鼠標、USB鍵盤等HID人機交互設備中，這些設備有響應快的需求，對數據的需求比較低。

同步傳輸

USB同步傳輸（Isochronous Transfer）可用于全速、高速和超速USB設備。支持單向或雙向傳輸，傳輸連續、實時的數據。USB同步傳輸適合于傳輸大量的、速率恒定的且對服務周期有要求的數據，但對正確性沒有十分嚴格的要求。一般來說，USB 同步傳輸常應用于音頻和視頻類設備，如MP3、VCD和DVD等音視頻播放設備，實時性要求比較高，數據必須及時發送和接收。

傳輸要素

USB系統中信息傳輸的基本單元是包（Packet），USB總線上每一次交換至少需要3個包：主機發出標志（令牌）包開始，確定設備地址、端點、傳輸方向和傳輸類型等，其次是數據包發送數據或指示信息，最后是一個握手包提供數據接收的反饋，如果有誤需要重發。

USB數據傳輸需要軟件、驅動程序和硬件的配合。從協議處理的角度，數據編碼、解碼及傳輸是由各個程序及驅動程序來完成的，主要包括如下4個部分：USB 主機程序、USB總線驅動程序、USB主控制器驅動程序、USB功能設備程序。從硬件處理的角度，USB數據編碼、解碼及數據傳輸是由多個USB芯片來完成的，主要包括如下3類芯片：USB主控制器芯片、USB HUB芯片、USB功能設備芯片。

完整的 USB 數據傳輸需要通過上述程序與硬件的合理分工協作來完成，當 USB 設備連接到USB總線之后，USB設備便可以在軟件及硬件的支持下實現與USB主機的高速數據通信。

電源提供

USB已經從一個數據接口演變為向一個擁有數據接口的主要電源提供者提供有限的電源，即USB 供電（USB Power Delivery，縮寫為USB PD）規范，使USB支持同一根線在傳輸數據外還提供供電能力。許多設備可以使用USB充電或從USB獲得電源。USB支持多種電源模式:打開、掛起和關閉。USB設備可以被置于掛起模式，但仍能喚醒系統。

USB已成為許多小型設備——如手機、平板電腦、便攜式揚聲器和其他手持設備的無處不在的電源插座。用戶不僅需要USB滿足數據方面的要求,還需要簡單地為其設備提供電源或充電,而不需要裝載驅動器,以便實現"傳統的"USB功能。

USB協議中根據USB接口供電能力的不同，分為高功率輸出端口和低功率輸出端口。兩者的供電電壓相同，其區別在于可輸出的最大電流不同，而USB接口提供的電源是有限的。在設計USB外部設備的時候，需要仔細分析USB外設的最大功率需求，確保其在USB協議規定的范圍內。另外，考慮到兼容性，最好使USB外設能夠兼顧主機端的高功率輸出端口和低功率輸出端口。對于不同的USB設備，其消耗的功率不同。

在USB總線接口協議中，往往使用單位負載來表示功率需求量。從供電角度來看，典型的USB設備包括以下幾種。

◆ USB根集線器：直接連接到USB主控制器上的USB集線器。

◆ USB總線供電集線器：直接使用USB接口的VBUS和GND供電的USB集線器外設。

◆ USB自供電集線器：使用外部電源的USB集線器外設。

◆ USB總線供電低功率設備：直接使用USB接口的VBUS和GND供電的USB外設，最大功率消耗為1個單位負載。

◆ USB總線供電高功率設備：直接使用USB接口的VBUS和GND供電的USB外設，最大功率消耗大于1個單位負載。

◆ USB自供電設備：使用外部電源的USB外設。

2021年，USB-IF發布了USB PD3.1版本，結合USB Type-C規范2.1的線纜的要求，供電功率從原來的100W（20V 5A）提高至240W，USB可供電設備擴展至100W以上。

USB總線特點

主從模式

USB設備和USB主機通過USB總線連接。USB的總線是主從模式，主機稱為Host，從機（即設備）稱為Device。主機與主機之間（不包括USB4.0）、從機與從機之間無法進行互聯。在通信過程中，通信由主機發起，從機只能被動接收主機的信號和數據。隨著USB的發展，在USB3.0及之后的USB協議標準，主機增加了通信對象，可以和集線器（Hub）通信。為了增加靈活性，USB又開發了USB OTG（On The Go），USB OTG支持主從切換。當同一個設備在不同場合下，可以切換為主機或從機兩種身份。USB OTG線中增加的USB ID線就用于達成這個目的，當USB ID線上拉時，處于從機（設備）模式，當USB ID線接地時，則處于主機模式。

總線結構

USB總線呈現出樹狀的拓撲結構。該結構的基礎節點是USB Host控制器，連接在USB Host控制器上的是USB根集線器（Root Hub）。USB集線器（Hub）可以使一個USB接口擴展為多個USB接口，擴展出的USB接口可以繼續通過USB集線器（Hub）擴展，每個USB接口都可以接入USB設備。USB總線最多可連接至127個設備，這一限制由USB協議規定的地址空間大小決定。但集線器不能擴展出更多的帶寬，只能擴展出更多的USB接口。所有連接的USB設備共享USB Host控制器的帶寬，當有多個USB設備需要較大帶寬時，可以考慮將它們接到不同USB Host控制器上的根集線器上，以避免帶寬不足。

電氣特性

USB 的電氣特性反映了端口驅動電路、傳輸電平、編碼結構、位同步處理及供電方式。USB使用差分信號傳輸數據，如圖所示，GND是PE線，D+和D-是一對差分線，SSTX+和SSTX-是一對差分線，SSRX+和SSRX-是一對差分線。USB2.0只有一對差分線，即D+、D-，因此USB2.0是半雙工的，不能同時收發數據。USB3.2擁有兩對差分線，即SSTX+和SSTX及SSRX+和SSRX，因此USB3.2是全雙工的，可同時收發數據。USB3.2和USB2.0使用不同的差分線傳輸數據，兩者互不干擾，可同時工作。USB3.2線纜中保留了USB2.0的數據傳輸通道，實現了對USB2.0的兼容。VBUS線使USB主機可以向設備供電，最大可輸出20V/5A。

當USB的信號電平達到一定條件時，則可以發送信號。數據通過USB傳輸時，采用NRZI(None Return Zero Invert，即“0”翻轉非歸零碼)編碼方式。所有USB設備的電壓缺省值為低電壓，當設備電壓需要從低轉為高時，可由軟件控制。USB的電氣特性同樣體現在供電方式上。設備進入掛起狀態后，支持省電模式。USB支持2種類型的掛起方式:全部掛起，所有的 USB 設備進入掛起狀態；選擇掛起，僅被選擇的設備進入掛起狀態。

優點

USB總線具有如下優點：

接口

按接口類型分類，USB硬件接口有：USB TypeA,USB TypeB,Mini USB,Micro USB以及USB Type C（Type-c）。USB Type A和B接口只是形狀區別，其中Type A接口是個人電腦中應用最廣泛的接口標準，Mini USB接口和Micro USB接口一般用于手持移動設備。USB Type C接口則擁有比Micro-USB更薄、更快的傳輸速率和更強的電力傳輸，同時由于Type C接口雙面可插，使用更加便捷，能更好地適配輕薄化的設備設計，有取代 Micro USB接口、統一手機和平板電腦接口之勢。

USB線纜由四條線構成，用不同顏色標記，其中地線（GND）為黑色，電源線（VCC，+5V）為紅色，差分輸入線D+（data+）為綠色、D-（data-）為白色。使用時需確保正確連接電源線，正負極接錯可能導致USB設備損壞或電腦南橋芯片燒毀。

應用領域

主要應用設備種類

USB協議可以應用在一些支持USB功能的設備上，通常由操作系統提供設備類的驅動程序，開發人員可以直接使用。主要的應用設備有以下幾種：

以下是部分USB設備的詳細介紹：

存儲設備類

U盤（USB閃存驅動器）：U盤，即USB閃存驅動器，它使用USB接口進行資料的儲存與讀寫，是一款高容量移動存儲產品，通過USB接口與電腦連接實現即插即用。U盤所占空間小，具有便于攜帶，能存儲較多數據，數據傳輸速度快的優點。

音頻設備類

USB音箱：USB音箱通過USB數據線將數字音頻信號從主板上的USB口直接輸進音箱，再通過音箱內置的D/A轉換電路將信號處理后再輸出。USB音箱主要由USB接口、USB數字處理電路、控制電路和多媒體有源音箱構成。使用USB音箱，數字信號在傳輸過程中不會受到干擾，因此USB音箱可以提高音質，信號具有高純凈度，但信號的轉換精度對音箱的性能影響較大。