USB

概述

通用串行总线(英语:Universal Serial Bus,缩写:USB)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。

多媒体电脑刚问世时,外接式设备的传输接口各不相同,如打印机只能接LPT、调制解调器只能接RS232、鼠标键盘只能接PS/2等。繁杂的接口系统,加上必须安装驱动程序并重启才能使用的限制,都会造成用户的困扰。因此,创造出一个统一且支持易插拔的外接式传输接口,便成为无可避免的趋势,USB应运而生。

最新一代的USB是USB4,传输速度为40Gbit/s。另外仅有个别的USB Type-A、Micro-B以及新型USB Type-C接头不再分正反。

速率

USB

标准

USB实装论坛负责USB标准制订,其成员包括:苹果电脑、惠普、NEC、微软和英特尔。

2001年底,USB-IF公布USB 2.0规范,与之前的USB 0.9、USB 1.0和USB 1.1一样,该规范完全向下兼容。随后,USB-IF公布USB On-The-Go(USB OTG,当前版本:1.0a)作为USB 2.0规范的补充标准,使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。

USB的连接器分为A、B两种,分别用于主机和设备;其各自的小型化的连接器是Mini-A, Mini-B 和 Micro-A, Micro-B,另外还有Mini-AB(可同时支持Mini-A及Mini-B)的插口。USB 3.1版本中引入了支持正反面不区分插入的C型。

技术指标

当前USB支持5种数据信号速率,USB设备应该在其外壳或者有时是自身上正确标明其使用的速率。USB-IF进行设备认证并为通过兼容测试并支付许可费用的设备提供基本速率(低速和全速)和高速的特殊商标许可。

  • 1.5 Mbps的低速速率。主要用于低速率人机接口设备,例如键盘、鼠标、游戏杆等等。
  • 12 Mbps的全速速率。在USB 2.0之前是曾经是最高速率,后起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率。多个全速设备间可以按照先到先得法则划分带宽;使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见。所有的USB连接端口支持全速速率。
  • 480 Mbps的高速速率。并非所有的USB 2.0设备都是高速的。高速设备插入全速连接端口时应该与全速兼容。而高速连接端口具有所谓事务翻译器(Transaction Translator)功能,能够隔离全速、低速设备与高速之间数据流,但是不会影响供电和串联深度。
  • 5Gbps的超高速速率。相较于现有USB 2.0的480Mbps最高理论速度,USB 3.0可支持到5.0Gbps,是USB 2.0的10倍。若将USB 3.0应用到外置硬盘、U盘或蓝光刻录机等存储设备,将可大幅缩短数据传输时间。
  • 10Gbps的超高速速率+。USB 3.1 Gen2最高10Gbps理论速度,是USB 3.0的两倍。

机械和电子标准

接口一览表

标准USB接口

USB信号使用分别标记为D+和D- 的双绞线传输,它们各自使用半双工的差分信号并协同工作,以抵消长导线的电磁干扰。

编码方式

USB使用NRZI编码方式:当数据为0时,电平翻转;数据为1时,电平不翻转。为了防止出现过长时间电平不变化现象,在发送数据时采用位填充处理。具体过程如下:当遇见连续6个高电平时,就强制插入一个0。经过位填充后的数据由串行接口引擎(SIE)将数据串行化和NRZI编码后,发送到USB的差分数据线上。接收端完成的过程和发送端刚好相反。

软件架构

一个USB主机通过Hub链可以连接多个设备。由于理论上一个物理设备可以承担多种功能,例如路由器同时也可以是一个SD卡读卡器,USB的术语中设备(Device)指的是功能(Functions)。集线器(Hub)由于作用特殊,按照正式的观点并不认为是Function。直接连接到主机的Hub是根(root)Hub。

USB接头

接头是由USB协会所指定,接头的设计一方面为了支持众多USB的基本需求,另一方面也避免以往许多类似串行接头所出现的问题。

  • 接头设计的相当耐用。许多以往使用的接头较脆弱,即使受力不大,有时针脚或零件也会折弯甚至断裂。而USB接头的金属导电部分周围有塑料作为保护,而且整个连接部分被金属的保护套围住,因此USB接头不论插拔,都不容易受损。由于金属保护套和外围塑料护套的保护,需要较大的力量才能造成USB接头明显的损坏。
  • 具有防呆设计,方向相反的插头不可能插到插座里,方向正反很容易感觉出来。所以不可能把USB接口插错。
  • 接头能相对便宜地大量生产。
  • 在USB网络中,接头被强制使用定向拓扑。USB不支持环形网络,因此不兼容的USB设备之间接口也不兼容。不像其他通讯系统(如RJ-45电缆)不能使用转换插头,防止环形USB网络产生。
  • 适度的插拔力。USB电缆和小型USB设备能被插口卡住(不需要夹子、螺丝或者其他接口那样的锁扣)。只需要适当力量插拔即可连接周边设备。
  • 由于接头的构造,在将USB插头插入USB座时,插头外面的金属保护套会先接触到USB座内对应的金属部分,之后插头内部的四个触点才会接触到USB座。金属保护套会连接到系统的地线,提供路径使静电可以放电,避免因静电通过电子零件而造成损坏。
  • USB电缆最长允许5米,更长的距离需要HUB。