1. USB基础知识介绍
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1. USB基础知识介绍
1. 什么是 USB？
在 1990 年代，办公室桌面是一团乱七八糟的串行、并行和专有线缆。通用串行总线 (USB) 改变了这一切，通过一个小型、廉价的接口简化了计算机连接：USB Type-A (USB-A) 端口/连接器。现在有数十亿的 USB 设备在日常使用中，USB 是笔记本电脑、平板电脑和手机的主要有线接口。
USB 已经通过一系列标准（见表 1）演变而来，这些标准指定了USB线缆如何连接、通信以及为计算机、移动设备和外围设备供电。最新版本是 USB4，与以前的版本一样，它代表了数据传输速度、视频分辨率和功率的又一次飞跃。
2. USB 端口和连接器的类型
在计算机、平板电脑和外围设备上，您通常会找到这三种不同类型的 USB 端口 中的至少一种。在较新的设备上，USB-C 因其体积小、数据传输速度快以及能够承载高达 100W 的功率而受到青睐。USB-C 电缆还可以传输高分辨率 4K 和 8K 视频。Lightning在功能上与 USB-C 类似，但使用不同的连接器。
3. USB-C 通道和速度
要了解 USB 数据传输速率，您需要了解一点 USB-C 连接器的设计。USB Type-C 连接器有四对称为“通道”的引脚，用于传输 (TX) 和接收 (RX) 数据（请参见下面图 1 中突出显示的引脚）。USB 3.0 (5 Gbps) 和 USB 3.1 (10 Gbps) 使用一个 TX 通道和一个 RX 通道，具体取决于连接器的方向。USB 3.2 利用所有四个通道来实现 20 Gbps 的数据速率。
图 1：USB-C 连接器引脚分配
最近为 USB 3.2 采用的命名约定包含速度 x 通道。例如，USB 3.2 Gen 1x2 表示 5 Gbps x 2 通道，连接速度为 10 Gbps
| Specification | Signaling Rate/Lane | Number of Lanes | Aggregate Bandwidth |
|---|---|---|---|
| USB 3.2 Gen 1×1 | 5 Gbps (SuperSpeed) | 1 | 5 Gbps |
| USB 3.2 Gen 2×1 | 10 Gbps (SuperSpeed+) | 1 | 10 Gbps |
| USB 3.2 Gen 1×2 | 5 Gbps (SuperSpeed) | 2 | 10 Gbps |
| USB 3.2 Gen 2×2 | 10 Gbps (SuperSpeed+) | 2 | 20 Gbps |
USB4 Gen 2×2 规范（市场名称 USB4 20Gbps ）和 USB 3.2 Gen 2×2 均提供 20 Gbps 连接。USB4 Gen 3×2 (USB4 40Gbps) 使用不同的数据编码方案来实现每通道 20 Gbps 和双通道模式下的 40 Gbps。
| Specification | Signaling Rate/Lane | Number of Lanes | Aggregate Bandwidth |
|---|---|---|---|
| USB4 Gen 2×2 | 10 Gbps | 2 | 20 Gbps |
| USB4 Gen 3×2 | 20 Gbps | 2 | 40 Gbps |
4. USB4 有什么新功能？
USB 4（官方名称为“USB4”，没有空格）是一个重要的更新，不仅因为它提供了新的功能，而且因为它有助于解决对 USB 3.x 命名的混淆，并且在大多数情况下，它为用户提供了一个可预测的和一致的想象的经验。USB4 协议需要 USB-C 到 USB-C 电缆。
4.1 高达 40Gbps 的数据传输速率： USB4 设备被要求支持 20 Gbps（2.4 GB/秒）。如果他们使用较短的 0.8 米第 3 代(USB4 Gen3 x2)电缆，他们可以选择支持 40 Gbps（4.8 GB/秒）。
4.2 多种数据和显示协议： USB4 通过一种称为协议隧道( called protocol tunneling)的技术支持 USB 3.2、PCIe 和 DisplayPort 1.4a。通过 Alt mode还支持 DisplayPort 和 Thunderbolt 3。
4.3 向后兼容 USB 3.2、USB 2.0 和 Thunderbolt 3： USB4 保持与之前版本的 USB 规范的兼容性，并且由于其 Thunderbolt 3 基础，它也支持 TB3 Alt Mode。
4.4 视频和数据带宽优化： USB 3.2 将固定带宽分配给数据或视频，或者在 DP Alt 模式下，将 100% 的带宽分配给视频。USB4则可以根据实际需要为视频和数据动态分配带宽。
4.5 100 瓦充电：所有 USB4 设备都支持 USB 供电。当设备连接到 USB4 端口时，USB PD 协商“合同(contract)”以提供电力，安全地提供高达 100 W (5A/20V) 的电力。
4.6 什么是协议隧道？
当设备相互通信时，它们使用一种协议进行通信。如果两个设备都能说并理解相同的协议，则可以建立连接。从概念上讲，Protocol Tunneling 使用一种协议创建一个“管道”，并使用它在另一种协议中发送数据。USB4 协议隧道创建一个 USB-C 隧道，可以通过该隧道发送 DisplayPort 或 PCIe 数据。USB4 协议隧道类似于 Alt 模式，但不需要 DP 或 PCIe 控制器。
4.7 什么是 USB4 Fabric？
Fabric（结构）一词是用于描述互连节点网络的隐喻，例如交换机。图示时，纵横交错的图案类似于编织布。USB 实施者论坛组织 (USB-IF) 已采用该术语来描述 USB4 的隧道架构如何动态管理 USB4 路由器之间的连接，以便多个协议可以同时共享结构的资源。
4.7 Apple产品支持USB4吗?
Apple新出的Macbook和Mac Mini将第一次使用它自己的一款基于ARM的处理器，所以对于其是否支持USB4还有一些疑问。然而，Apple已经在其新产品展示其会及时的支持USB4和TBT3.
5. USB 标准
您的 USB 连接将变得更快！与 Thunderbolt™ 3 标准兼容的产品已进入市场。最新一代提供电力传输和双向数据传输，速度比 USB 3.2 Gen 2 快 4 倍，并且可以为个人设备创造前所未有的计算选项。
Chart 1: USB Cable Types, Standards and Speeds
| Standard | Also Known As | Logo | Year Introduced | Connector Types | Max. Data Transfer Speed | Cable Length** |
|---|---|---|---|---|---|---|
| USB 1.1 | Full Speed USB | 1998 | USB-A USB-B |
12 Mbps | 3 m | |
| USB 2.0 | Hi-Speed USB |  |
2000 | USB-A USB-B USB Micro A USB Micro B USB Mini A USB Mini B USB-C* |
480 Mbps | 5 m |
| USB 3.2 Gen 1 | USB 3.0 USB 3.1 Gen 1 SuperSpeed |
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2008 (USB 3.0) 2013 (USB 3.1) |
USB-A USB-B USB Micro B USB-C* |
5 Gbps | 3 m |
| USB 3.2 Gen 2 | USB 3.1 USB 3.1 Gen 2 SuperSpeed+ SuperSpeed 10Gbps |
 |
2013 (USB 3.1) | USB-A USB-B USB Micro B USB-C* |
10 Gbps | 3 m |
| USB 3.2 Gen 2x2 | USB 3.2 SuperSpeed 20Gbps |
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2017 (USB 3.2) | USB-C* | 20 Gbps | 3 m |
| USB 4 | USB4 Gen 2×2 USB4 20Gbps |
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2019 | USB-C* | 20 Gbps | 0.8 m |
| USB 4 | USB4 Gen 3×2 USB4 40Gbps |
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2019 | USB-C* | 40 Gbps | 0.8 m |
* USB-C 更准确地称为 Type C or USB Type C
** 电缆长度是规范涵盖的长度。使用有源电缆可以实现更长的长度，在某些情况下，可以使用更长的无源电缆
USB-C 是否支持 USB 2.0？
它可以，但首先让我们澄清一下 USB-C 和 USB 之间的区别。USB-C 是一种物理连接器，尽管名称如此，但它并不意味着支持任何特定版本的 USB 标准。事实上，USB-C 连接器可用于连接使用其他接口标准的外围设备，例如 Thunderbolt 3。购买 USB-C 数据线时，请务必检查支持的充电功率和 USB 数据速率。支持 USB 2.0 的充电电缆可能比 USB 3.x 和 USB4 电缆更长，但数据传输速率限制为 480 Mbps，并且不支持 alt 模式。
6. USB 连接器标准
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USB A 型几乎每台台式电脑和老式笔记本电脑，以及电视、游戏机和媒体播放器上都有标准的通用连接器。 虽然 USB 3.0 Type-A（蓝色）连接器的内部引脚更多，但外形尺寸相同，因此它可以在任何 Type-A 端口上运行，甚至是 USB 1.1。然而，数据传输将以老一代的速度进行。 |
USB 2.0 |
USB 3.0 |
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USB B 型最常用于将打印机和外部硬盘驱动器连接到台式计算机，Type-B 端口实际上有两种不同的配置。 一个专用于 USB 1.1 和 2.0 速度协议，而另一个用于 USB 3.0 和更高版本的规范。 |
USB 2.0
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USB 3.0
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USB 微型 BMicro-B 连接器有一种用于 USB 2.0 的配置和另一种用于 USB 3.0 及更高版本的配置。 Micro-B 连接器在许多流行的 Android ™智能手机和外置硬盘驱动器上都可以找到。 |
USB 2.0
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USB 3.0 |
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USB Mini-BMini-B 连接最常用于便携式电子设备，例如数码相机、MP3 播放器和一些手机，并且仅 支持 USB 1.1 和 2.0 速度。Mini-B 连接器有四针和五针两种版本。 |
4 针 |
5 针 |
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USB Type-C开发用于支持具有更小、更薄和更轻外形的设备。Type-C 对于智能手机或平板电脑来说足够纤薄， 但对于笔记本电脑来说足够坚固。事实上，许多新的笔记本电脑已经取消了 USB-A 和 RJ45 以太 网端口，并提供 USB-C 作为视频、网络、数据传输和充电的唯一端口。这促使其他协议（包括 Thunderbolt™ 3、DisplayPort、MHL 和 HDMI）采用 USB-C 作为其标准源连接器。 交替模式允许 USB Type-C 连接器上的数据引脚传输其他类型的信号。例如，DisplayPort Alt 模式 （也称为 DP Alt 模式）允许 USB-C 电缆将支持 DP 的笔记本电脑或平板电脑直接连接到具有 USB-C 端口的电视或计算机显示器。 |
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7. USB 端口颜色编码
USB 端口和连接器有时会用颜色编码来指示它们支持的 USB 规格和功能。这些颜色不是 USB 规范要求的，设备制造商之间也不一致。例如，英特尔使用橙色表示充电端口，而工业设备组件制造商选择橙色表示具有强大保留机制的 USB 端口。
Chart 2: Types of USB Port
| Port | Color | Type | USB Specification | Notes |
|---|---|---|---|---|
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White | USB-A or USB-B Micro USB-A |
USB 1.x | |
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Black | USB-A or USB-B Micro USB-B |
USB 2.0 Hi-Speed | |
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Blue | USB-A or USB-B | USB 3.0 SuperSpeed | |
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Teal | USB-A or USB-B | USB 3.1 Gen 1 | |
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Red | Sleep-and-Charge USB-A |
USB 3.1 Gen 2 USB 3.2 |
Usually denotes an "always on" port |
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Yellow | Sleep-and-Charge USB-A |
USB 2.0 or USB 3.0 | Higher power or "always on" port |
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Orange | Sleep-and-Charge USB-A |
USB 3.0 | Charging capable Sometimes charge only |
8. USB Functions
在最基本的层面上，USB 标准只是让主机（例如您的计算机或平板电脑）与外围设备和其他设备进行通信。但随着规范的发展，USB 已不仅仅是一个数据接口。以下是当今许多设备上可用的最新 USB 功能。设备可能支持以下一项或多项功能：
8.1 Power Delivery
单根 USB-C 线缆可提供高达 100W 的功率，无需单独的电源模块。这对于消耗更高功率水平的外围设备特别有用，例如外部硬盘驱动器。但是，并非所有设备或端口都支持 USB Power Delivery；如果您不确定，请查阅您设备的规格表或用户手册。
① 
② 
③ 
④8.2 Battery Charging 1.2
如果您曾经通过 PC 的 USB 端口为手机充电，您就会知道此 USB 功能的用处。BC 1.2 规范定义了一种新型端口，即充电端口，它符合标准，以确保您的电池能够安全、持续地充电。它还允许设备获得比标准 USB 端口更多的电量，从而实现更快的充电。普通 USB 2.0 端口可提供高达 500mA (0.5A) 的电流，而 USB 3.0 端口可提供高达 900mA (0.9A) 的电流。即使在传输数据时，符合 BC 1.2 的端口也可提供高达 1.5A 的电流。它还允许正在充电的设备将其充电要求传达给 USB 充电器，从而确保最佳充电。
8.3 USB On-the-Go
USB OTG 允许智能手机或平板电脑等移动设备充当闪存驱动器、键盘和鼠标等其他 USB 设备的主机。使用 USB OTG，移动设备可以利用外围设备的功能，同时仍然能够连接到计算机并将自身呈现为要在计算机上使用的大容量存储设备。USB OTG 兼容设备需要 OTG 适配器才能连接外围设备。
8.4 DisplayPort Alt Mode
借助 DisplayPort Alt 模式，USB-C 连接器和电缆能够传输 USB 数据和 VGA、DVI、HDMI 或 DisplayPort 视频和/或音频。适配器可用于通过 USB-C 将 DisplayPort 连接到 VGA、DVI、HDMI 和 DisplayPort 显示器。DisplayPort Alt Mode 不需要使用驱动程序，即插即用。
Thunderbolt™ 3 技术在双 DisplayPort 显示器上同时支持生动的 4K 视频分辨率，这是数字标牌和高性能游戏的理想功能。
9. USB Docking
使用智能手机大小的便携式 USB 扩展坞增强 MacBook 或笔记本电脑上的 USB 或 Thunderbolt™ 端口的功能。最新的 Thunderbolt™ 3 扩展坞可提供高达 40 Gbps 的双向数据传输速度，非常适合在设备之间快速传输大型媒体文件。当 Wi-Fi 较弱或不可用时，它们可以提供对有线以太网的访问。它们提供了一种简单的方法，可以将强大的 Thunderbolt™ to HDMI 或 Thunderbolt™ to DisplayPort 功能添加到设备，并支持在两个大型显示器上同时播放真正的 4K 高分辨率视频和数字音频。
