在人类的历史长河中，很少有一种技术或者传输标准能像 USB 那样跟我们的生活息息相关，甚至到了没有不行的地步。
USB 对于今天的人们来说，就好像是空气，是水，是我们每天必需但是又熟视无睹的东西，没有多少人知道它从哪来，也没多少人关心它要往哪去，对于大多数人来说，它平凡得不能再平凡了。
但是，在我们“电子攻城狮”的眼里，它太有趣了，它是目前使用率最高的接口，它是我们身边林林总总电子设备之间的高速公路。
因此我们必须关注它，如果有必要，我们还不得不去了解如何才能实现它。作为一个 USB 开发者（电子爱好者），接下来我会为大家揭开 USB 神秘的面纱，带大家去了解 USB 是怎么出现并且逐渐演化的，以及在它出现后给我们带来了什么。

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USB 这三个字母只是缩写，其全称是 Universal Serial Bus，翻译成中文就是串行总线接口。
USB 诞生于“乱世”之中，在它出现之前，各种接口层出不穷。如图 1 所示，我们可以看到在老式主机（九十年代）的背部这些数量繁多的接口种类，它们都有各自的用途，如打印机需要用并口、MODEM 要使用串口、鼠标键盘要接 PS/2 口等等。
这些接口种类多、个头大，占用了主机相当大的空间，并且必须得安装驱动才能正常使用，这样不仅给用户造成了很大的困扰，还阻碍了电脑往小型化发展。在这种情况下，人们极其渴望有某种接口能“一统天下”，取代那些用起来非常不爽的接口。于是乎，随着 PC 硬件的发展，一种适用性广、传输速度快、软件配置简单的外部接口——USB 就诞生了。

USB 最早是在 1994 年由 Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC、Nortel 这 7 个当时的行业巨头推出，他们为此还专门成立了 USB Implementer Forum（简称为 USB-IF）的组织，旨在推动 USB 技术的发展和普及，这个组织的官方网址是 http://www.usb.org，在开发 USB 期间我都是在这个网站下载到官方的资料。

其后，1994 年到 1995 年 USB 协议尚处在试验期，并且在此期间历经了多个先行版本。1995 年 Intel 公司内部一支负责 USB 标准研发的小组率先生产出了第一块支持 USB 的集成电路板，这个小组的重要成员——Ajay Bhatt 也因此被称为“USB 之父”。

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1996 年 1 月，USB 历史上第一个正式的版本 USB 1.0 终于发布，它支持两种数据传输速率，一种为 1.5Mb/s 的低速速率（Low Speed），另一种则是 12Mb/s 的全速速率（Full Speed）。

但作为一种新兴接口，当时支持 USB 接口设备较少，要知道 Win95 是不支持 USB 的。而且因为延时和供电问题，USB 1.0 接口也不支持使用延长线，对比传统的传输接口，USB 尚未具备明显的优势。

直到 1998 年 USB 1.1 标准的发布，USB 才迎来了真正的春天。USB1.1 着力改进了此前 USB HUB 方面的问题，理论上最多可支持 127 个外部设备。

同年，Win98 发布，宣布正式对 USB 接口提供支持。

随后，PC 历史上具有里程碑意义的苹果 iMac G3 发布，它非常激进地使用了 USB 接口取代传统的串行和并行接口。

Intel 也在其主板芯片组上不断加强对 USB 的支持，这些都为日后 USB 的普及铺平了道路，也是从此时 USB 开始逐渐被人们所接受。

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随着各种外部设备对数据传输速率需求的提高，USB 1.1 那 12Mb/s 的带宽也是越发捉襟见肘，在接入较多外部设备时，多个数据流同时传输容易引发瓶颈效应，为了解决传输速率问题，USB 2.0 应运而生。

USB 2.0 标准在 2000 年正式发布，加入了 40 倍于原先全速速率（Full Speed）的高速速率（Hi-Speed），理论带宽达到 480Mb/s，同时也向下兼容 USB1.1 标准。当 USB 2.0 在新世纪初普及之后，有更多的东西开始被替换。USB 闪存淘汰了软盘，也让光盘媒介开始退居次席。

USB 2.0 让连接外设变得可行——比如 Wi-Fi 适配器、光驱和以太网接口等等——这些之前都是需要安装到机身内部的。

最高 480Mbps 的传输速度让这一切都成为可能，在这一时期，USB 接口开始彻底淘汰掉了台式机和笔记本身上的那些老接口。

然而就当 USB 要大展拳脚的时候，移动设备的快速发展让 USB 协议的一个致命缺点暴露无遗。在 USB 标准制定之初，所有的设备都是围绕主机来连接的，因此并未考虑设备之间的连接，可是移动设备恰好就非常需要这项功能。

为此，在 USB2.0 标准制定后不久，一个名为 USB On-The-Go 的补充标准就诞生了，它对于原来的 USB2.0 标准只是做了一点点改变，主要增加了主机协商机制，这也是为什么我们看到的 USB2.0 接口有 5 条线，除了 2 条电源线和 2 条数据传输线，另外一条就是用来协商究竟谁来充当主机的。

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高清时代的来临，就如当初 USB1.1 一样，USB2.0 Hi-Speed 480Mb/s 的传输速度逐渐也不能满足我们的需求。于是在 2008 年，USB-IF 又带来了 USB3.0 标准，新标准将理论传输带宽一下子提高到了 5Gb/s。

不同于 USB2.0 的半双工传输方式，USB3.0 新增了 4 条线路，一对负责发送，一对负责接收，实现了全双工传输，从而大大提高了传输带宽。

带宽的提高解决了更多的问题，系统备份和传输大型视频文件所用的时间大大减少，802.11ac 或千兆以太网适配器的瓶颈得到了解除，从 USB 3.0 外置硬盘和 U 盘上运行操作系统也变得很平常。

从 USB2.0 到 USB3.0 的跃进不仅体现在速率的提高上，由于兼容设备越来越多，人们对 USB 的供电能力有了更大的期望，因此 USB3.0 的供电电流从 USB2.0 的 500mA 提升到了 900mA，并且伴随着单独发布 USB 供电标准。

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USB3.1，于 2013 年 7 月发布。USB3.1 主要是针对 USB3.0 的一些不足做了改进。首先是理论传输带宽翻倍，可以和第一代雷电接口相媲美，达到了 10Gb/s。其次，USB 3.1 编码方式从此前的 8b/10b 换成了 128b/132b，带宽损耗率从 20%大幅下降到 3%左右，换算之后带宽同样超过了 1.2GB/s，这也意味着在真实使用中 USB 3.1 的极限传输速率有望突破每秒 1GB。

另外，针对 USB 3.0 时出现的电磁干扰问题， USB 3.1 的 Type-A 接口处加入了金属屏蔽罩和更多的接地弹片，从而有效降低了对附近其他设备的干扰。

需要注意的是，USB3.1 分高低两个版本，低版本 USB 3.1 Gen 1 实质上就是曾经的 USB3.0，而高版本 USB 3.1 Gen 2 才是新推出的能达到 10Gb/s 的真正意义上的 USB3.1。

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2020 年 9 月初，USB Promoter Group 正式发布了 USB4，正式书写名字不包含空格也没有小数点，不是 USB 4，也不是 USB4.0。USB4 规范使用双链路通道，传输带宽达到 40Gbps，接口类型为双向 USB-C。

USB4 的新特性如下：

1. 40 Gbps 的最大传输速度
   USB4 分为两个版本，分别是 USB4 20、USB4 40，分别对应 20Gbps、40Gbps 两种传输速率。一般电脑上的 USB4 均为 40Gbps 版本。
2. 能够和雷电 3 接口兼容
   USB4 相当于 USB3.2+雷电 3 的组合，也就是说你的设备上有 USB4 接口，理论上就能外接雷电 3 的设备。
3. 有动态的带宽资源分配能力
   USB4 整合了多个协议，可以同时支持更多设备，也可以同时用来外接显示输出和传输数据。例如，如果仅需要 20%的带宽来驱动 1080p 显示器，那么其余 80%的带宽可以用来干别的事。这在 USB 3.2 以及之前的时代是办不到的。
4. USB4 设备将均支持 100W USB PD
   USB PD 就是 USB Power Delivery（USB 电力传输），是目前主流的快充协议之一，这也是由 USB-IF 组织制定的，该规范可实现更高的电压和电流，输送的功率最高可达 100W，并可以自由的改变电力的输送方向。
5. 仅可使用 USB Type-C 接口
   USB4 仅可通过 USB Type-C 接口运行。
6. 可以向后兼容过去的协议

USB4 可兼容 USB 3 和 USB 2 的设备。也就是说，它可以向后兼容到以前的协议标准，不过 USB 1.0 和 1.1 就不支持了，目前市面上还使用这种协议的设备已经几乎绝迹了。

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对于 USB 的演化，我们能感受到的除了速度的提升，还有就是接口的改变。USB 接口演化到现在已经是种类繁多，如果你不是“专业人士”，把它们摆在你面前，可能真叫不出它们的名字。

那么现在我就教你怎么识别它们。USB 接口都是插头和插座成对匹配的，插头在 USB 连接线上，而插座在主机或者设备上。

我们接触 USB 连接线多一些，所以后面我就只以插头来介绍。从图 8 中可以看出，在 USB 历史上一共出现了 10 种接口。

在 USB2.0 时代，这些接口分为标准型、Mini 型和 Micro 型，其中 Micro 型最小。

我们平时最常用的组合是 USB 连接线一端以标准 Type-A 接口连接电脑，而另一端以 Micro-B 接口连接设备。

到了 USB3.0 时代，由于需要额外的传输线同时又要保持对 USB2.0 接口的兼容，Type-A、Type-B 和 Micro-B 分别被改造成了图 8 中的形状，我们能很明显地看到 USB2.0 插头也能插入到这些插座上。

但是接下来的 Type-C 是个特例，它果断抛弃了以往 USB 接口的形式，不仅将接口做得非常小巧，美感十足（我相信苹果 MacBook 选择它这就是原因之一），而且可以正反插，从而使我们彻底摆脱了 USB 一次性插不准这个世纪难题。

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迄今为此，USB 统治 PC 接口已经将近 20 年了，每当有新的需求产生时，它总是以最合适的方式重新蜕变。那么，想必大家都很好奇，USB 究竟进化出了哪些“超能力”，使之能够从众多的接口中脱颖而出呢？

1. 首先，第一点是可扩展性，在替代了其他的接口后，接入 USB 接口的设备就会增多，这样必然会出现一个问题——接口数量不够，怎么办？

   得益于 USB 的星型拓扑结构，使用 USB HUB 能很好地解决了这个问题。

   如图 10 所示，一个 USB 主机最多可以连接 127 个设备（没谁会同时用到这么多设备吧）。

   USB HUB 还有一个好处就是可以增加连接线的长度，USB2.0 连接线的最大长度只有 5 米，如果中间连接上 5 个 USB HUB，那么最多可以延长到 30 米。

   

2. 第二点是可热插拔，即插即用，不管什么时候，只要往电脑上一插设备就能直接正常工作。在 USB 出现的早期，这点是非常重要的。

3. 第三点是使用灵活方便，USB 设备既可以通过 USB 线连接主机，也可以直接插在主机上，另外，USB2.0 之后的版本都支持 OTG 功能，这意味着 USB 设备之间也可以互连，例如数码相机可以直接与打印机连接来打印照片，手机可以从 U 盘读取各种文件，从而大大拓展了 USB 技术的应用范围。

   

4. 第四点是速度快，USB 协议最新版的 USB 3.1 理论最高速率达到 10Gbps，这个速度对于目前的高速设备与主机交换数据已经足够了。USB 3.1 新增 USB A/V 影音传输，最高支持 4096 x 2304 @30FPS 的 4K 显示画面，4K 显示的规格已和 HDMI 1.4 一样，显示器可望也能借由 USB AV 3.1 来显示 4K 分辨率。

5. 第五点是成本低，在数据爆炸的今天，不乏各种高速接口，但是相较于其他接口高昂的专利费，USB 真的是我们这些普通百姓的福利。其实当初和 USB 协议同时代出现的还有 FireWire（火线），FireWire 的速度一直甩 USB 好几条街，可最后 FireWire 还是被淘汰了。其中最大的原因就是 FireWire 本身成本太高，因为它需要在计算机和外设上安装自己的控制芯片，在早期，使用 FireWire 这一名称还需要向苹果缴纳授权费。

   

6. 第六点是提供电源，USB 设备既可以由自身提供电源，也可以通过 USB 线缆由主机提供电源。为应对人们对电子设备功耗和续航力的需求，USB 的供电能力在逐渐增强，USB3.0 的电力供应从 USB2.0 的 5V/0.5A 提升到了 5V/0.9A。不过这还不够，USB-IF 还专门发布了电力供应规范——USB Power Delivery，其最新版已经将供电的允许标准提高到了 20V/5A，这可真是手机和充电宝的福音了。

7. 第七点，向下兼容，USB3.0（3.1）兼容 USB2.0，USB2.0 兼容 USB1.1（1.0）。这样带来的好处就是旧设备仍然能够继续使用，减小了 USB 升级换代的阻力。

USB 的优点实在太多了，我们每天都能感受到 USB 带给我们的便利。在新的时代，它还在不停地朝前发展。

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目前，USB 面临两个新的机遇。

1. 一个是大容量设备的传输，随着存储设备比如 U 盘、存储卡、移动硬盘等等容量日益增长，USB 可以让这些设备以更短的时间完成传输，更重要的是，电脑系统可以直接从这些设备启动运行，并且手机也可以通过 USB 接口来扩展存储容量。
2. 另一个是高带宽需求，图像时代的来临对传输带宽有了更高的要求，这也让我们不得不重新思考怎么才能让主机和设备更好地连接，USB 是一个理想的选择，它不仅拥有高达 10Gb/s 的带宽，而且 USB 标准扩展的各种设备类可以让众多的图像传感器直连 USB 主机，实时的图像传输变得非常方便。

USB 从一开始就承载了人类赋予它的使命，每当时代召唤，它总能挑起重任，一步一步朝着更快、更方便、更简单统一的方向勇往直前。它的出现是人类的福音，我们需要它，正如我们需要太阳一样。作为一名 USB 开发者，我由衷地赞美它，祝愿它越走越远。

USB 连接了一切，USB 正在塑造未来。