影响人类文明的“小圆块” USB接心退化史
「尊敬的参观者,让我们一同回到过去,回到信息技术发展的初期。那个时代,计算机和各种电子设备的普及带来了信息传输的需求,而USB接口就是当时最常用的有线连接方式。
图片来源:Ai绘画 Midjourney
通过这种小小的接口,人们可以将数据从一个设备传输到另一个设备。尽管它的速度并不算快,但在当时的技术水平下,这已经是一种十分先进的方式了。这种有线连接方式曾经是人类信息传输的主流手段,也是那个时代科技进步的象征。
图片来源:Ai绘画 Midjourney
如今,在我们所处的时代,无线传输技术已经十分发达,虚拟现实和增强现实技术更是为人类带来了前所未有的沉浸式体验。甚至在我们生活的开普勒B12星球与30光年外的地球之间都可以采用虫洞跃进桥接的方式实现互联互通,但我们今天所看到的USB接口,是我们探究信息时代的遗产,让我们铭记这一刻,向那些为我们创造过美好世界的先驱们致敬。」
图片来源:Ai绘画 Midjourney
人类纪元 3422年 地球史实博物馆 传统信息传播分馆 USB内容
这是在我的幻想中,一千多年以后的人类已经旅居在其他星球,当他们在博物馆中看到USB接口的介绍语,彼时,无线传输肯定已经取代了所有的有线连接,甚至信息可以通过量子态进行超光速的传递。但在当下,2023年,有线传播依然是我们使用最频繁、最便捷、最稳定的电子设备之间的信息传递方式,那么这个对于我们人类文明重要的 小方块 是怎么诞生的,它经过了怎样的发展历程呢?
图片来源:CUI Devices
在USB接口出现之前,电脑和电子设备之间的信息传递接口多种多样,但主要分为两大类:
串行接口:最早的电脑和设备之间的接口采用串行传输方式,例如RS-232接口,串行接口使用单个数据线逐位传输数据,传输速度较慢,且需要较多的线缆,不适用于连接多种不同类型的设备。
图片来源:网络
并行接口:并行接口采用多条数据线同时传输数据,其传输速度较快,但需要较多的线缆和复杂的控制电路。早期电脑和打印机等设备之间的接口就采用了并行传输方式,例如Centronics接口和IEEE-488接口。
IEEE-488接口 图片来源:网络
这些传输接口虽然能够连接电脑和各种外设,但由于其各自不同的特点和规格,使得不同类型的设备之间无法互相兼容,导致用户使用起来不太方便,同时也增加了设备的生产和维护成本。因此,USB接口的诞生填补了这一空白。
1995年 USB 1.0
USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)接口是一种用于连接计算机与其他外部设备的标准化接口。USB 1.0是由英特尔、微软、康柏、IBM和NEC等几家知名公司联合(USB-IF)推出的标准,于1995提出,并在次年发布。可连接不同类型的设备,如键盘、鼠标、打印机、摄像头等,取代过去不同接口之间的混乱和不兼容性问题。
USB 1.0标准类型接口 图片来源:网络
USB 1.0标准最初的传输速率为1.5 Mbps,后来又推出了12 Mbps的版本,从而大大提高了数据传输速度。并支持MAX:500mA 5V的供电能力,拥有通用性、热插拔等全特性,但因为当时支持USB的外设较少,而且存在一些技术问题,没有得到广泛应用。
1998年 USB 1.1
两年后的1998年,USB-IF推出了USB 1.1,USB 1.1修正了USB 1.0中关于集线器和全速模式的问题,增加了一个新的传输类型interrupt OUT,同时取代了USB 1.0成为最早被采用的修订版。USB 1.0和USB 1.1都支持低速(1.5 Mbps)和全速(12 Mbps)两种模式,同时提升了稳定性与兼容性。
USB 1.1标准类型接口 图片来源:网络
2000年 USB 2.0
随着90年代末期,个人电脑的快速普及与技术的不断迭代,人们对于信息传输的需求日益明显,USB 2.0也应运而生。从USB 2.0开始,也算是彻底奠定了USB家族在电子设备信息传递之间的不可撼动的王者地位,直到现在我们还能看到不少设备依然使用USB 2.0标准接口。
说的就是你!苹果!
USB 2.0诞生于千禧之年,2000年4月USB-IF推出了USB 2.0。USB 1.1虽然解决了USB 1.0的一些问题,但是其传输速度仍然不能满足一些高带宽的外设,例如数码相机、扫描仪、光驱等。因此,USB-IF推出了USB 2.0标准,以提高USB的性能和广泛适用性。
百花齐放的USB接口形态 图片来源:网络
对比USB 1.1,USB 2.0最大的提升就在传输速度上,增加了一种新的传输模式,即高速模式(Hi-Speed),其最大传输速率达到480 Mbps(实际传输速率约为60 MB/s),是全速模式(Full-Speed)的40倍。USB 2.0还增加了一些新的功能和特性,例如分割传输、周期帧列表、错误检测和恢复等。USB 2.0还完全向下兼容USB 1.1、USB 1.0,同时增加了USB On-the-Go 特性,可以让两个设备之间无需USB转换器就可以直接进行互联,大大提升了USB的实用性。
USB 2.0更多特性细节 图片来源:网络
在供电与USB接口形态方面,USB 2.0标准并没有更新供电协议,依然采用MAX:500mA 5V的供电能力,提供最高2.5W的最高供电功率。接口形态上,USB 2.0标准拥有USB-A、USB-B、Mini-USB、Micro-USB等形态。
USB家族供电示意图 图片来源:网络
2008年 USB 3.0
在此后的较长时间里,USB 2.0都是处于统治地位,其最高60MB/s在21世纪第一个10年里也能满足绝大用户的使用,但随着固态硬盘的出现与网络信息的快速膨胀,各种音视频信息的体积都在不断攀升,同时移动设备的普及对USB的供电能力也产生了新的需求,于是在2008年的11月,USB 3.0诞生。
对比USB 2.0,USB 3.0更新了诸多功能,比如全双工模式(数据可以进行双向传输,而USB 2.0只支持单向传输)、用发送列表区段来进行数据发送,提高了传输效率和可靠性、采用新的封包路由传输技术,拥有8条内部线路,除VBus和GND作为电源提供线外,剩余3对均为数据传输线路,其中保留D+与D-两条线路,并兼容USB 2.0。
USB 3.0针脚细节 图片来源:网络
USB 2.0/3.0针脚细节 图片来源:网络
在最重要的传输速度上,USB 3.0传输速度为5Gbit/s(实际传输速率约为600MB/s),比USB 2.0的480Mbit/s快出10倍。供电能力上,USB 3.0支持MAX:900mA 5V的标准,提供最高4.5W的供电功率,同时采用了蓝色底胶接口来与USB 1.1/2.0进行区分。
经典的USB 3.0蓝色接口 图片来源:网络
经典的USB 3.0蓝色接口
在USB-IF 后面的改名操作以后,USB 3.0被称为USB 3.2 Gen 1 。
2013年 USB 3.1
2013年年底,USB-IF更新了USB 3.1,被称为USB 3.2 Gen 2。对比USB 3.0(USB 3.2 Gen 1)USB 3.2 Gen2的传输速度是其两倍,达到10Gbit/s(实际传输速率约为1200MB/s)。同时支持最高达100W(PD 1.0)的电源输出,比USB 3.0(USB 3.2 Gen 1)的900 mA高出100倍。
图片来源:网络
并引入了Type-C接头,这种可反向插拔、小型化、支持多种协议和功能的USB接口在2014年可谓红极一时,同时也沿用至今,称为主流手机的供电、数据传输接口。
Type-C 针脚 图片来源:网络
图片来源:网络
2017年 USB 3.2
2017年9月,USB-IF发布了USB 3.2标准,并由双叒更新了名称规范,USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed): 等同于先前的USB 3.0,仅更改名称,传输速度为5Gbit/s。USB 3.2 Gen 2 (SuperSpeed+): 等同于先前的USB 3.1,仅更改名称,传输速度为10Gbit/s。USB 3.2 Gen 2×2 (SuperSpeed+): 传输速度达20Gbit/s,使用两条差分信号线路来实现双向传输。
咱就是说,之前USB 2.0/3.0/3.1不是挺方便的么?
对比USB 3.2 Gen 2,USB 3.2 Gen 2×2充分利用了USB Type-C的双通道数据传输通道,可实现接口两端各向传输10 Gbit/s速度;共20Gbit/s(实际传输速率约为2400MB/s)。同时只能有USB Type-C的一种存在形态。供电能力上,USB 3.2 Gen 2×2也支持PD充电协议,最高可以提供100W的充电功率。
图片来源:网络
图片来源:网络
USB 3.2 Gen 2×2标准接口,以红色进行区别
2019年 USB 4
2019年8月,USB-IF发布了最新的USB 4标准,其只能使用Type-C接头传输数据,并支持PD供电(早期支持100W,2021年12月更新PD 3.1协议后支持最高240W供电),最高传输速度来到了40Gbit/s(实际传输速率约为4800MB/s)。并支持建立DisplayPort和PCI Express数据通道,可以轻松传输4K 60Hz的高清画面。在未来DP 2.1协议也将与USB4进行硬件级捆绑,在可预见的未来,USB4不仅仅将被当作一个 插U盘;连手机 的接口,而是更加全能、全面的接口。
Type-C形态下的USB 4接口 图片来源:网络
DP 2.1协议与USB 4标准硬件同步 图片来源:网络
但要注意,USB4有两种传输带宽,一种是20Gbps,另一种是40Gbps。在数据两端支持雷电3时,才能实现最大带宽 40Gbps,另外USB4的动态分配带宽也非常有意思,其每条数据传输通道都可以根据实时情况来动态带宽调节。
图片来源:网络
USB 4与雷电4接口区别,在显示能力与数据传输速度、稳定性上,还是雷电4要更上层
图片来源:plugable
总结:
1995至今,USB的发展仅28年的历史,但从USB 1的1.5Mbps到USB 4最高的40Gbps,足足翻了26666倍,足以表明USB的惊人进步与发展。
目前,USB已经演变成为一个全球范围内的产业生态系统,其中包含了多种规范、协议、接口、接头,而非仅仅是一个简单的连接标准。USB的不断推动和发展已经成为信息技术领域中的重要推动力量,为用户提供更好的使用体验和更多的创新可能性。
图片来源:网络
随着USB 4的推出,USB将进入一个全新的时代,提供更快速、更多功能、更高效率的数据传输和装置供电。这将进一步巩固USB在连接技术领域的领先地位,并为未来的技术发展带来更多的价值和影响。我们有理由相信,USB将继续发挥其重要作用,推动连接技术的创新和进步,为用户带来更加优质和高效的体验。
欧盟将由2024年底起,全面要求移动设备统一采用USB-C为标准充电头