什么是 USB？

引言

USB（通用串行总线）旨在标准化数字相机、指示设备、键盘和摄像机等外围设备的连接。然而，USB 也被一些设备使用，包括磁盘驱动器、打印机、PDA 和网络适配器连接到个人电脑，用于通信和供电。它被许多设备广泛使用，并在很大程度上取代了并行端口和串行端口等接口。对于便携式设备，USB 连接器已取代了其他类型的电池充电器。

什么是 USB？

USB 是一种常见的计算机端口，它是通用串行总线（Universal Serial Bus）的缩写，允许计算机与外围设备或其他设备之间进行通信。它是当今计算机中最常见的接口，可用于连接 打印机、扫描仪、键盘、鼠标、游戏控制器、数码相机、外部硬盘驱动器和闪存驱动器。USB 取代了各种接口，如并行端口和串行端口，因为它用途广泛，并且提供更好的电力支持。通过一个 USB 端口，借助几个 USB 集线器，最多可以连接 127 个外围设备，尽管这需要相当大的灵活性。

USB 旨在实现热插拔和增强即插即用功能。即插即用功能使系统能够在无需重新启动计算机的情况下自动检测和配置设备，而热插拔功能允许新外围设备的更换和移除。在智能手机和平板电脑等设备中，USB 也可能用于供电和为电池充电。它的第一个版本 1.0 于1996 年 1 月推出。随后，英特尔、康柏、微软和其他公司迅速采用了这一行业标准。

USB 版本 1 提供了两种最适合慢速 I/O 设备的速率：1.5 Mb/s 和 12 Mb/s。USB 版本 2 向后兼容较慢的 USB 设备，并提供高达 480 Mb/s 的速度。

USB 之前

只要有计算机，就需要将其连接到输入、输出和 存储设备。其中一些设备（如硬盘和视频显示器）可能集成在计算机本身中。所有其他设备，包括打印机、相机、网络设备、实验室传感器等，都必须连接，即使它们物理上是分开的。过去，直到现在，大多数设备都是通过电缆连接到计算机的，尽管其中一些连接是无线的。

利用各种连接技术，计算机与设备之间或反之，会发送数据流，通常是 8 位字节序列。有两种基本技术可以做到这一点：

串行连接：在串行连接中，一次通过一条数据线传输一位（或可能在两个方向上传输）。每个字节的开始由一个特殊标记指示。比特以发送方和接收方同意的实际速率传输，以防止数据丢失。

并行连接：在并行连接中，可以使用多条数据线一次传输一个或多个完整字节。它们必须确保在处理下一组数据位之前完成当前一组数据位，但它们并不以精确的速率工作。

在这些类别中有几种广泛使用的连接器类型。以下是一些示例：

• RS-232 是 20 世纪 70 年代和 80 年代常见的串行连接器，专门用于将终端设备连接到小型计算机。通常，这些连接器的功能在每秒 300 到 2400 位之间。
• Centronics 是一种流行的并行连接器，用于连接小型计算机和打印机。这是为了纪念当时一家重要的打印机制造商。
• IBM PC 及其多个运行 Microsoft 操作系统的克隆机使用了 IBM 串行端口。虽然物理上不同，但 RS-232 的功能相似。
• 在 20 世纪 80 年代和 90 年代，各种微型计算机通过 SCSI（小型计算机串行接口）连接到磁盘和其他高速设备。

USB 历史

USB 的重要性

易于扩展和使用单一接口：由于其通用性，USB 不需要为每个设备单独的硬件规格或连接类型。此外，大多数个人电脑都有三个或四个 USB 端口。如果需要更多 USB 端口，可以使用 USB 集线器添加外部端口。

降低电源和空间复杂性：USB 插座比旧连接器尺寸小。任何带有 USB 连接器的主机设备都可以为外围设备提供 5V DC 电压，范围从 500 mA（USB 1.0 和 2.0）到 900 mA（USB 3.0）。

无需手动配置驱动程序：USB 设备驱动程序只需由主机设备的操作系统安装一次。连接外围设备后，将启动驱动程序来配置外围设备。任何 USB 外围设备在其首次连接到主机时通常会自动加载其设备驱动程序。

USB 的应用

以下是 USB 协议的一些用途：

• 如今，大多数外围设备，如 鼠标、打印机、扫描仪、操纵杆、调制解调器、网络摄像头、键盘、数码相机、存储设备、飞行摇杆、网络适配器以及科学领域的采集设备，都通过 USB 连接到系统。
• 集线器和主机控制器上的计算机是使用 USB 的主要设备。
• 连接 UBB Type-B 的主要用途是连接小型设备（如手机）和 USB 外围设备（如打印机）。
• 它最常用于计算机、视频游戏机和智能手机。

USB 设备列表

如今，有许多不同的 USB 设备可以连接到计算机。一些常见的如下：

• 键盘
• 智能手机
• 平板电脑
• 网络摄像头
• 键盘
• 麦克风
• 鼠标
• 操纵杆
• 闪存盘（又名拇指驱动器）
• Scanner
• 打印机
• 外部驱动器
• iPod 或其他 MP3 播放器
• 数码相机

USB 端口在哪里？

如今，所有计算机都包含至少一个 USB 端口，位于不同位置。下面列出了一些设备上的 USB 端口位置，这可能会对您查找它们有所帮助：

笔记本电脑：笔记本电脑可能在左侧或右侧有一个到四个端口，有些笔记本电脑在笔记本电脑的背面也有端口。

台式机：通常，台式机的前面有 2 到 4 个 USB 端口，背面有 2 到 8 个端口。

平板电脑：在平板电脑上，USB 连接位于充电端口，有时是 USB-C，通常是 micro USB。

智能手机：与平板电脑类似，智能手机上的 USB 端口以 micro USB 或 USB-C 的形式用于数据传输和充电。

USB 连接器类型

USB 连接器有不同的形状和尺寸。此外，USB 连接器还有许多版本，如 Mini USB、Micro USB 等。

1. Mini-USB：Mini USB 用于数码相机和计算机外围设备，分为 A 型、B 型和 AB 型。它也被称为 mini-B，是最常见的接口类型。在最新设备上，Micro-USB 和 USB-C 线缆已在很大程度上取代了 mini-USB。它在两个设备之间传输数据和电力，因为它由同轴电缆制成。此外，它也用于 MP3 播放器、数码相机和移动硬盘。在 mini USB 线缆中，一端是一个小得多的四边形集线器，另一端是一个标准的扁平 USB 集线器。因此，它可以轻松插入移动设备。Mini USB 也可用于在至少有一个 USB 端口的计算机之间传输数据，但主要用于为设备充电。它具有防水和便携性两项优点。
2. Micro-USB：它是 USB（通用串行总线）的缩小版本。它于 2007 年发布，旨在取代 mini-USB，并为连接紧凑型和移动设备（如数码相机、智能手机、GPS 设备、Mp3 播放器和照片打印机）而开发。
   Micro A、micro B 和 micro USB 3 是 Micro-USB 的三种变体。Micro-A 和 Micro-B 的连接器尺寸为 6.85 x 1.8 毫米，但 Micro-A 连接器的最大过模尺寸更大。USB 3 micro 与 micro B 相似，但速度比 micro B 快，因为它在侧面包含额外的引脚，用于双倍的电线。Micro 版本与标准 USB 一样支持热插拔和即插即用，并且 micro-USB 仍然广泛用于电子设备。
3. USB Type-C：在大多数现代新型 Android 智能手机和其他 USB 连接设备上，USB Type-C 线缆是一种相对较新的连接器类型。它用于向计算设备传输数据和电力。与其它形式的 USB 连接相比，USB-C 线缆是可逆的；无论设备是正面向下还是反面向下，都可以插入设备。

USB 传输速度

• USB 1.0 能够支持多达 127 个外围设备，并且作为外部总线标准，它还能支持 12 Mbps 的数据传输速率。
• 2001 年，USB 2.0 由飞利浦、朗讯、微软、惠普、英特尔、NEC 和康柏开发，也被称为高速 USB。它能够支持每秒 60 兆字节或高达 480 Mbps（兆比特每秒）的传输速率。
• 2009 年 11 月，USB 3.0 首次由 Buffalo Technology 提供，也被称为 SuperSpeed USB。但直到 2010 年 1 月，首批认证设备才上市。USB 3.0 的性能和速度提升也有助于改进 USB 2.0 技术、电源管理和带宽容量。
  它包含一项功能，提供两个单向数据路径，可以一次发送和接收数据。它可以支持每秒 640 兆字节或高达 5.0 千兆字节/秒（Gbps）的传输速率。在 USB 3.1 发布后，其名称为了市场营销目的更改为 USB 3.1 Gen1。首批认证设备设计有技嘉和华硕科技的主板。2011 年 4 月，戴尔开始在其 Dell XPS 和 Inspiron 系列计算机中引入 USB 3.0 端口。
• USB 3.1 是 USB 协议的最新版本，于 2013 年 7 月 31 日上市，也被称为 SuperSpeed。它可以支持高达 10 Gbps 的传输速率。如今，USB 3.0 和 3.1 版本被各种设备使用以提高速度和性能。

USB 版本兼容性

USB 端口的每个版本都可以支持任何版本的 USB（通用串行总线），因为它具有向后和向前兼容的能力。例如，设备可以使用 USB 1.1 和 2.0 技术在 3.0 设计中工作。尽管 USB 3.0 具有更高的速度，但较低版本的设备将以其原生的传输速度运行。因此，如果一个 USB 3.1 设备连接到 USB 2.0 端口，其最大传输速率将限制为 2.0 端口的速率。

USB（通用串行总线）如何工作？

计算机总线是一个传输数据在其外部设备和内部组件之间的数据线系统。该术语指的是一个为数据中心或工厂等大型耗能区域分配电力的电子汇流排。

在 USB 之前，每个外围设备都通过一个专为此目的设计的端口连接到计算机。随着外围设备数量的不断增加，需要一种新的标准化技术来在主控制器和多个设备之间交换数据。

一旦外围设备通过 USB 连接，主计算机将自动识别设备类型并安装必要的驱动程序。

USB 以数据包的形式传输数据，数据包是两个设备之间更小、更易于管理的数据单元。每个数据包传输固定数量的字节或数字信息单元。这可能包含诸如开始和目的地、以及发现的任何异常模式等信息。

以下是如何操作 USB 的说明：

• 批量数据传输：打印机和数码扫描仪使用这种传输方式来处理大量数据。它不具时间敏感性，通常是低优先级传输。如果连接到主计算机的 USB 设备很多，操作可能需要更长时间。
• 用于重要设备连接的小型数据包：键盘和鼠标等外围系统使用此功能发送少量数据。这些广播通常用于满足频繁但重要的需求。远程设备创建请求，并等待主机请求特定信息。如果第一次尝试交易失败，将重试请求。在这里，USB 还会告知您设备状态是否已更改。
• 用于 USB 管理的控制数据包传输：USB 设备通过此数据传输进行配置和管理。在主机向设备发送请求后，数据传输发生。状态检查也使用控制传输。一次只能处理一个控制请求。
• 等时模式下的连续实时数据传输：等时传输用于实时数据，如音频和视频。传输过程中可能会出现错误，但传输不会停止，以便重新发送数据包。然而，这些传输通常涉及数据保真度不重要的场景，例如在传输网络电话（VoIP）呼叫的音频部分时，接收者可能不会注意到。消除这些元素比重新发送数据（可能导致音频问题）要好。

随着设备数量的增加，主机会跟踪所有中断和等时设备请求的总带宽。它们加起来可能会消耗高达 90% 的可用带宽，对于 USB 3.0 是 4.8 千兆字节/秒，对于标准 USB 是 480 兆字节/秒。

当达到 90% 时，主机将停止允许任何更多中断或等时设备访问。当有剩余带宽时，控制数据包和批量传输数据包会使用它，通常至少有 10%。达到此阈值后，一次不能使用超过一个 USB 连接来传输数据。

USB 规范和标准

以下是一些将影响 USB 规范的 USB 标准示例：

USB 支持三种速度：低速（1.5 Mbps）、全速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）。

1) USB 2.0 标准

• 最高数据传输速率为 480 Mbps，是高速 USB。所有连接器都受此 USB 支持。
• 电缆最长可达 5 米。
• 最大充电功率为 15W。

2) USB 3.2 标准

• USB 3 2（第 1 代）的最高数据传输速率为 5Gbps，速度极快。
• 它支持各种连接器，包括 USB 3、USB-A、USB 3 USB-B 和 USB-C。
• 此 USB 的最大电缆长度为 3 米。
• 最大充电功率为 15W。

3) USB 3.2（第 2 代）

• USB 3. 2（第 2 代）是另一种速度极快的 USB，最高数据传输速率为 10Gbps。
• USB 线缆的最大长度为 1 米。
• 还支持各种连接器，包括 USB 3 USB-A、USB 3 USB-B 和 USB-C。
• 其最大充电功率高达 100W。

4) USB 3.2（第 2x2 代）

• USB 3. 2 第 2x2 代的最高数据传输速率为 20Gbps，是速度极快的 USB。
• 此 USB 的最大电缆长度为 1 米。
• 也支持 USB 连接器。
• 其最大充电功率为 100W。

5) Thunderbolt 3 标准

• 此 USB，也称为 Thunderbolt，最高数据传输速率为 40Gbps。
• 对于有源线缆，此 USB 的最大线缆长度为 2 米，对于无源线缆为 0 至 8 米。
• 它与 USB 兼容。
• 最大充电功率为 100W。

6) USB 4 标准

• 此 USB 的最高数据传输速率为 40Gbps，也称为 Thunderbolt 4。
• 对于无源线缆，此 USB 的最大线缆长度为 0-8 米，对于有源线缆为 2 米。
• 支持 USB 连接器。
• 其最大充电功率高达 100W。

USB 的优势

USB 有许多优点，如下所示：

• 多设备接口：USB 的适应性消除了为每个外围设备提供多种连接器类型和硬件的需要。
• 尺寸小巧：USB 插座比并行或 RS232 端口小。不需要外部电源。从一开始，USB 接口就被设计为充当直流电源。通过其 USB 端口，多个主设备可以向外围设备提供 5V DC 电压，从 500mA（USB 1.0 和 2.0）到 900mA（USB 3.0）。
• 速度：USB 比 RS232 和并行端口更快、更高效，因为它具有多种速度模式。速度范围从 1.5 Mbit/s 到 5 Gbit/s。随着 USB 3.1 的发布，速度在 2013 年提高到 10Gbit/s。
• 在安装使用 USB 标准的设备时，操作员需要采取的行动非常少。
• 提供自配置 USB 接口。因此，用户无需配置中断、输入/输出地址、直接内存访问通道或速度或数据格式的接口和设备设置。

USB 的缺点

USB 的一些缺点如下：

• 点对点通信：USB 标准规定外围设备和主机建立连接。两个主机无法建立直接连接。这也适用于外围设备。FireWire 等接口允许外围设备之间进行通信。
• 距离：根据 USB 规范，连接线缆最长可达五米；但是，要扩展连接性，必须使用 USB 集线器。
• 广播：通用串行总线仅支持主机和外围设备之间的单个消息连接，不支持广播。
• USB 使用主从协议和严格的树形拓扑结构来寻址外围设备。

USB 线缆如何工作？

USB 端口是连接线缆到 PC 和其他消费电子设备的常见接口。USB 线缆是一种特制的线，用户可以将其连接到此端口。根据 USB 类型，线缆的两端可能相同，也可能不同。一端连接到主机，另一端连接到外围设备。

USB 线缆可以传输数据和电力。任何 USB 线缆都包含两种类型的线。一组发送数据信号，另一组传输电流。

标准的 USB 2.0 连接由 4 个金属条组成。最外面的两条是电源的正负极。数据传输由中间两条线负责。添加更多数据传输线可提高数据传输速率，而最新的 USB 3.0 连接则通过四条额外的信号线实现了超快速度。

最常用的 USB 设备

可以通过 USB 线缆连接到计算机的设备和外围设备数量正在不断增加，现在可能已有数百万种。以下是最受欢迎的一些：

相机：相机是什么几乎不需要解释。可以说，自从数码相机取代胶片相机以来，USB 线缆一直用于将图像和视频从相机传输到设备。有各种线缆可用于传输高质量的图像和视频。

外部驱动器：也称为外部存储设备。这是一种外部数据存储设备。其最早的例子是磁带驱动器和 软盘。软盘和磁带驱动器是最早的存储设备之一。大多数现代外部硬盘驱动器通过 USB 连接到计算机。

iPod：这款流行的苹果产品也可以通过 USB 端口连接到计算机。您可以向其加载多达 10000 首歌曲和视频。

麦克风：USB 麦克风不仅对于录制乐器和人声非常有用，而且对于播客和进行 Skype 面试也很有用。

扫描设备：一种通过光学扫描文本文件和其他对象将其转换为数字数据的设备。USB 接口最常用于将扫描件从设备传输到计算机。

平板电脑：一种配备触摸屏的便携式计算机，可用于共享照片、观看电影、进行视频会议和查看演示文稿。使用 USB 线缆，它可以与您的计算机建立直接连接。

常见问题解答 - USB

1. USB 标准是谁开发的？

康柏、DEC、IBM、英特尔、微软、NEC 和北电网络合作开发了 USB。USB 实现者论坛（USB-IF）维护 USB 标准。

2. 目前使用的是哪个 USB 标准？

截至 2019 年，最新的 USB 标准是 USB4。USB4 只能由 USB-C 连接器支持，而不是 mini/micro-USB 连接器的标准。

3. USB 相对于 EIA-232F 有哪些优势？

USB 是一种较新的连接标准，取代了 EIA-232F。USB 是一种更高效的标准，因为它速度更快，功耗更低。

4. 哪种 USB 支持文件传输？

任何类型的 USB 连接器都可以进行设备间的文件传输。Type A 和 Type C 是两种最流行的 USB 连接类型，它们在数据传输速度和功率传输能力方面有所不同。

所使用的 USB 标准版本决定了每个连接的速度和功率容量。例如，第二代 USB 等更高版本比 USB 2.0 等较低版本提供更快的数据传输速率。除了文件传输，某些 USB 连接还可以用于视频播放、音频传输等目的。

5. 手机有哪些 USB 类型可用？

Micro USB 和 Type-C USB 是与手机兼容的几种 USB 类型。Type-C USB 因其更快的充电速度和可逆设计而越来越受欢迎，用户无需在插入之前翻转它们。虽然 Type-C 线缆通常是较新型号的推荐选择，但两种类型的线缆都可以用于将数据从手机传输到计算机。

6. 有哪些类型的 USB 端口？

存在不同类型的 USB 端口，每种都有独特的功能和速度。最受欢迎的类型是 **USB A** 端口，它将设备连接到计算机，并且存在于大多数计算机上。USB B，它更大，用于连接打印机或扫描仪等外围设备，Mini-USB，它经常用于数码相机等小型设备，Micro-USB，它通常用于手机和平板电脑，以及 USB 3.0，它提供比其他 USB 端口类型更快的数据传输速度，这些都是 USB 端口的类型。