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USB发展简史:从“通用”走向通用
来源:半导体行业观察 | 作者:龚佳佳 | 发布时间: 2022-09-09 | 1449 次浏览 | 分享到:

“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。


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?


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。


史前期:为通用而生


想必很少有人会知道USB的全称是什么——Universal Serial Bus。“公共汽车”看起来和现在我们所理解的USB风马牛不相及,但从功能上说,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,在大多数人的印象中,公共汽车是将乘客从 A 点运送到 B 点的交通工具,而USB的“通用”则能够将USB标记为可以与任何硬件一起使用的工具。


USB的中文全称为通用串行总线,是一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,从诞生之初就是为了打破设备间的隔阂,从而实现通用这个目的。或许你还记得过去被笨重又繁琐的电脑主机支配的恐惧,五颜六色,令人眼花缭乱的各种接口,音响接口应该是最能快速被找到的一个,其余dvi等接口,哪怕人直接凑在主机面前,或许都很难一下子连接成功。


图源:网络


上世纪八九十年代的人们就时常面临着这种烦恼,各不相同的接口占据了电脑主机大半的位置,难找、难插、难用…再加上主机位置有限,很难添加更多输入端口,进而限制了连接外围设备的数量。即便连接上了外围设备,办公桌上也会摆满了一堆杂乱无章的线组,调制解调器需要一条线、键盘需要一条线,打印机也需要一条又粗又大的线,甚至有时候用户还需要打开计算机并添加硬件来为他们提供所需的通信端口…而种种的这些问题都是由于行业供应商缺乏通用标准而导致的。


“天下苦接口久矣”,消费者亟需一个通用接口来运行外设,系统供应商也需要一个标准来取代对大量不同接口的需求,并降低生产成本。就在这“水深火热”之中,1994年英特尔联合IBM、康柏、微软、NEC、DEC等多家公司联合提出USB传输协议,并于1995年成立了USB-IF组织(USB Implementers Forum),也就是现在的USB标准化组织,目的是支持和加快市场以及消费者对USB兼容外设的采用。


不得不承认,英特尔作为计算机领域中的老大哥,与如今的很多技术都有着千丝万缕的关系。最初有开发通用即插即用通信系统想法的Ajay Bhatt就是英特尔的工程师,作为Bhatt USB想法的首个资助方,英特尔拥有USB技术的全部专利。1990 年代初,Ajay Bhatt与来自康柏、DEC、IBM、微软、NEC和加拿大北电网络的工程师结成了USB开发团队。


其实在USB出现以前,市面上已经有了部分可用的接口技术,比如苹果的IEEE 1394(Firewire火线标准),虽然传输速度快,但却不够通用,应用范围有限,而且1394接口一直没有原生支持,只能靠第三方芯片提供接口,额外增加了使用成本。


USB开发团队在探索了Firewire火线标准、音频接口等技术之后,发现当时现有的技术没有一个可以满足团队的全部要求,尤其是无法满足工程师们希望的价格低廉、能够为外设供电并提供大量带宽等要求。经过不断尝试,开发团队终于在1995年发布了首个USB设计,项目经理Jim Pappas表示,USB 1.0的速度为每秒12兆比特,“比通常个人计算机背板上的任何连接方式都快”。


紧接着,1996年1月,USB-IF组织公布了USB 1.0规范,但由于USB 1.0每秒12兆比特的速度,对于计算机鼠标、操纵杆、键盘和其他带有非屏蔽电缆的附件而言太快了,因此USB 1.0规范有了1.5Mbps和12Mbps两个速度。


然而,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。


发展期:方兴未艾的草莽时代


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发展史 图源:adata


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…


上述提到了Type-C接口,那么这里笔者稍微强调下,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传输标准与接口之间的关系 

图源:中兴文档


成熟期:迎接USB4 X时代


现如今,USB传输标准已经从3.x时代迈向了USB4 X时代,虽然2019年9月就诞生的USB4标准至今还未普及完全,但并不耽误USB-IF推出USB4 2.0规范。


就在9月1日,USB-IF公布,计划在11月举办的USB DecDays上发布USB4 2.0新规范,同时预告USB4 2.0的部分功能特性。据透露,USB4 2.0 版将支持高达 80Gbps 的带宽,是 USB4 1.0 版40 Gbps的两倍,也是当前最快的物理接口速度。USB Promoter Group首席执行官 Brad Saunders 指出,从这种速度提升中受益最大的解决方案,包括更高性能的显示器、存储和基于 USB 的集线器和坞站。


除此之外,由于采用全新物理层架构,USB4 2.0还能让无源USB-C线缆支持40Gbps速率,同时添加了对最新DisplayPort(2.0)和PCIe(5.0)规范的支持。据 Angstronomics 爆料,USB4 Version 2.0 或将支持 PAM3(脉冲幅度调制)数据编码,并带来高达 120Gbps 的非对称传输。


虽然USB4 2.0 版具体特点要等到11月份才能揭晓,但是仅凭上述预告就足以令人惊叹。作为USB4 1.0的升级版本,USB4 2.0确实值得期待。需要注意的是,USB4 1.0与此前的规范相比,整合了雷电3的先进技术,具备了超大带宽的数据传输能力,支持和雷电3同等的视频拓展能力,具备充电功能。在雷电3的加持下,USB4 1.0直接成为了目前功能最全、体积最小、速度最快的物理接口,那么在USB4 1.0基础上的USB4 2.0自然也将成为未来最优异的物理接口。


这里笔者解释下,雷电协议是由英特尔和苹果合作开发,目前已经发展到了第四代,也就是雷电4,其中雷电3作为第三代协议,功能齐全、性能顶级,早在2015年雷电3就开始使用USB Type-C接口,然而由于成本过于昂贵,大部分使用搭载雷电3 的Type-C接口的都是诸如iMac等高端设备,USB4 1.0的推出则彻底改变了雷电3接口标准的巨额成本问题。未来随着USB4 2.0的发布,或许雷电3也将变得更加普及。


一般来说,标准的发布与相关设备的推出之间往往会间隔很长一段时间,以USB Type-C为例,2014年其规范就已宣布,但至今许多笔记本电脑仍然没有USB Type-C接口。据Angstronomics预测,英特尔将在 2023 年通过其第 14 代酷睿“Meteor Lake”平台支持 USB 4 2.0 ,因为英特尔已经通过其媒体暗示支持80 Gbps Thunderbolt 输入/输出接口,至于 AMD则将在 2025 年仅提供支持 USB 4 2.0 的 CPU。换句话说,想到等到USB 4 2.0变成主流接口,仍需要很长时间。


从USB的发展史来看,问世二十多年以来,USB 技术的每次更新都带来了巨大的改变,未来势必也将继续向前发展。


写在最后


或许有人会担心,无线技术会不会成为USB技术的头号劲敌,但从目前来看,短期内,无线技术很难撼动USB的地位。一方面无线技术面临着速度问题的限制,传输大量照片或视频所需的时间远高于使用USB,另一方面虽然无线充电技术已经出现,但是这种充电方式仍然存在许多缺陷,目前大部分电子设备依旧采用有线方式充电。


相较于担忧,我们或许更应该期待USB Type-c接口时代的到来,当一个接口连接所有设备将成为可能,USB离真正的通用也就不远了。