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潮课堂丨USB的“通用”狂飙之路

潮课堂丨USB的“通用”狂飙之路 浪潮计算机
2023-03-29
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导读:了解技术,少走弯路。


不能否认,如今是一个迈向无线化的数字时代,WiFi、蓝牙、无线充电等技术越来越来侵入21世纪的生活,试图将我们的一切设备都无线化,无孔化,但也得承认:“插入U盘→方向错了→上下转向→发现方向还是错了→再反过来插入”这样尴尬的操作还是在我们的工作生活中时时出现。


这个如今无处不在的USB(The Universal Serial Bus)接口全称为“通用串行总线”,是计算机和电子设备之间连接、通信和供电的标准协议,不知英特尔、微软、IBM等多家公司在1995年制定第一版USB接口标准时,是否预见未来几十年USB会被如此广泛地使用,从而赋予其“通用”之名,键盘、鼠标、智能手机、相机、打印机以及扫描仪等大多使用USB标准来实现供电和数据传输:你既可以通过电脑的USB接口连接手机上网,也可以通过充电宝的USB接口给相机充电——USB就是如此得通用。



今天我们将通过一篇文章的时间,来和各位讨论下我们每天都在使用的U盘和其他设备上的“USB”接口的由来、历史演变,还有它在发展过程中不时出现的“反人类”的命名规则......


  鸿蒙初开    

01


USB出现之前的世界,相信部分读者应该还有些许印象,那时的电脑主机背面主板接口处于“军阀混战”的时代:键盘、鼠标使用不支持热插拔的圆形PS/2接口,打印机需要用极其占空间的并口,外置Modem以及老式摄像头要使用和VGA长得很像使人时不时认错的RS-232串口,游戏手柄也需要部分声卡上专用的Game port接口......




1996年1月,USB历史上第一个正式版本的USB 1.0终于发布,该版本的规定传输速度仅为1.5Mbps,一份20MB的PPT文件通过USB 1.0接口满速传输需要近2分钟。而USB接口在公布之初也不符其“通用”之名,作为90年代的新兴接口,却并不支持当年市场最流行的Win95系统,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,USB此时还未展现出结束乱世的“通用”之威。


1998年9月,USB-IF提出USB 1.1规范来修正USB 1.0,主要是大幅提升了最大频宽,并修正了技术上的小细节,USB 1.1最大传输速度为12Mbps。USB 1.1向下兼容USB 1.0,因此对于一般使用者而言,并不能感受到USB 1.1与USB 1.0的规范差异。


USB 1.1改进如今仍广受好评的USB HUB支持:早期的USB在拓扑结构上是主从结构的系统, 主机一般有一个或多个主控制器(host controller) 和根集线器(root hub)。主控制器主要负责数据处理, 而根集线器则提供主机和设备之间的接口和通路。USB HUB可以在原有的USB口上扩展出更多的USB口, 但是需要注意的是使用USB HUB时并不能扩展出更多的带宽。级连的USB集线器的层数也是有限制的, USB 1.1 规定最多级连4层,理论上一个USB主控最多支持 127 个外部设备, 因为协议规定每个USB设备只具有一个 7bit 的地址 ,其中0为保留地址(所有的拓展坞厂家都该感谢这次更新)。


同年发布的Win98操作系统对USB1.1提供支持,吹响了USB标准向广泛的用户普及的号角。硬件侧,向来在接口层面激进的苹果公司发布了PC历史上具有里程碑意义的苹果iMac G3,在这款产品上干掉了串口、并口等定义PC产业几十年的端口,采用了一种当时还属小众的接口标准,就像它们20年后在12寸MacBook上做的一样(那次他们干掉了机身上所有USB-C以外的USB接口),而Intel也在其主板芯片组上不断加强对USB的支持。


USB作为计算机世界的后起之秀,走上了干掉一个又一个接口的“通用”狂飙之路。



  棋逢对手    

02


USB接口标准的速度在最开始相较于传统RS232串口19200bps的标准传送速率就有了一定的优势,但随着数字技术的发展,USB 1.0也愈加不能满足用户的使用需求,2000年,USB 2.0标准正式发布,理论最大传输速度达到480Mbps,USB-IF组织命名为高速速率(Hi-Speed)。


随着USB2.0带宽的极大增加,USB设备的使用不仅局限在外设链接这类用途上,U盘(USB闪存盘)的出现也标志着基于USB标准的个人大容量外置存储时代的到来,革命性地改变了我们存储和传输数据的方式,USB通用之路上的牺牲者又增加了现今只存在于计算机保存图标上的2.5寸软盘和后期只能用来当咖啡杯架的内置光驱。但此时USB的头顶仍有一片叫做“FireWire(火线)”接口的乌云笼罩。



一些早期Mac用户可能还记得电脑上总有一个很少用上的数据传输接口,这就是苹果公司牵头开发的“FireWire”(火线)接口,旨在为需要的设备提供高速连接。设计之初,FireWire 就是瞄准着取代 SCSI,也就是说它的速率要达到内部硬盘接口的级别,而在1995 年发布的 FireWire 初版最大就支持400 Mbps半双工的速率,可以说在当时碾压了摇篮里啼哭的USB 1.0,直到USB 2.0标准发布之后,才勉强追上了早期FireWire 400的传输速度。


相较于USB标准,FireWire同样支持热拔插、HUB等功能,也同样支持数据和电力的同时传输,还具有更强大(最高45W)的传输功率,同时期USB仅支持最大5V 500Ma电源输出。面对这样一个出身高贵又性能领先的对手,USB给出了它的应对之策:商业模式、持续更新和生态建设。


生而高贵的FireWire有一个致命缺陷:它太贵了。FireWire的高带宽来源于其复杂的主控和电路设计,雪上加霜的是,基于苹果的封闭生态策略,支持FireWire的设备本身的价格也高于市场平均水平,而其他厂家如果想使用FireWire接口还需要向苹果缴纳一笔不菲的专利授权费用。而在后期由FireWire 400升级到 FireWire 800的过程中,FireWire虽然也带来了兼容设计,但 FireWire 400与 FireWire 800之间因为接口形态的不同(多年以后面对USB-C时,用户同样遇到了这个问题......),用户需要付出成本购入转接器。


另一边,USB因其简单的设计和广阔的共建伙伴,采用了无授权费模式,在加上Intel、微软、IBM等USB-IF组织核心成员企业的大力推广,大大加速了USB在计算机行业的普及,更早地建立了自己的“通用”生态,培养了一代用户的使用习惯。面对FireWire的注定失败,苹果很有情怀地在Mac上一直支持FireWire直到10年代,但也很顺应时势地全面开始支持USB。


而在USB 2.0标准发布之后,USB也在不断学习竞争对手的优势,提升用户使用体验,例如USB 2.0标准之后增加的USB On-The-Go(OTG)的补充标准,目的是在没有Host的情况下,实现设备间的数据传送,例如数码相机直接连接到打印机上,通过OTG技术,连接两台设备间的USB口,将拍出的相片立即打印出来;包括近些年出现的可以插在手机上的U盘,同样基于OTG功能实现。



  一路狂飙    

03


走入寻常百姓家的USB 2.0发布8年之间,YouTube成立并被谷歌收购,高清视频格式以及ipod等设备也愈加普及, 面对来势汹汹的高清媒体时代用户的下载、存储以及对于多媒体内容的大量共享需求,在2008年USB-IF也带来了全新理论传输带宽,提高到5Gbps的USB 3.0标准,相较于只能提供单向数据流传输的USB 2.0,USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线,从四针接口变成了九针接口,故而实现了全双工传输,这也是USB 3.0速度猛增的关键原因。



五年之后的2013年1月6日,USB-IF正式宣布要推出新的USB 3.0加强版(即USB 3.1)。2013年7月31日宣布正式开始研发SuperSpeed 10Gbps USB3.1。USB 3.1主要是针对USB 3.0的一些不足做了改进。


首先,理论传输带宽翻倍达到了10Gbps。其次,USB 3.0为8b/10b编码,也就是每传送10bit资料中,只有8bit是真实的资料,剩余的2bit做为检查码。8B/10B(简称8b/10b)最早是在1983年发明的,因此整个频宽会有高达20%(2/10)的损耗,而新的USB 3.1则是使用128b/132b编码,在132bit的资料中,只需使用4bit做为检查码,传输损耗率大幅下降为3%(4/132),所以USB 3.1不仅是提升频宽,连传输效率也增进了不少,这也意味着在真实使用中USB 3.1的极限传输速率突破每秒1GB。


除此之外,在开始时USB标准就为用户提供了5V 500mA的电力传输支持,随着消费类移动设备功耗的不断增加,USB 3.0的供电电流从USB 2.0的500mA提升到了900mA,并且USB PD(USB Power Delivery)快充协议单独发布后,USB实现了更高的电压和电流负载,最新输送的功率最高可达240W,并可以自由地改变电力的输送方向。


但令用户感到折磨的是,USB 3.1发布之初,市面上存在两种USB 3.1:更名后的USB 3.1 Gen 1(实质上就是曾经的USB 3.0的马甲),最高传输速度仍然只有5Gbps;USB 3.1 Gen 2,真正意义上能达到10Gbps的USB 3.1。更不必说USB-IF为我们带来USB 3.2之后,USB 3.1 GEN1改名为USB 3.2 GEN1,USB 3.1 GEN2改名为USB 3.2 GEN2,而USB 3.2则改名为USB 3.2 GEN2x2,支持当时最高的传输速度20Gbps。我们将在下篇文章详细告诉大家如何辨析和识别这些可以称之为“反人类的”命名方式(好消息是USB-IF在2022年全面更新了不同USB版本命名方式,坏消息是还是很难对上号)。


回到USB自身的发展上,2020年9月初,USB Promoter Group 和 USB-IF正式发布了USB4(继续反人类命名,不包含空格也没有小数点,不是USB 4,也不是USB4.0)。在硬件接口上,采用了Type-C的硬件接口,使用双组四个双向通道传输数据。它本质上使用了Intel公司的雷电3(Thunderbolt3)技术,也支持USB标准,能够向下兼容Thunderbolt3、USB 3.2、USB 3.1及USB 2.0等协议。


至此,在传输速度上,USB已经远远甩开当年的所有对手,成为计算机产业在数据传输需求上的通用之选,随着USB4的不断普及,未来USB将在移动设备和虚拟现实头戴式显示器等其他技术的发展中发挥更关键作用,推动VR、工业元宇宙等先驱产业的发展。


USB在技术世界中是一个改变游戏规则的存在,为在设备之间传输数据和电源提供了一种标准和可靠的方式, 打破了设备间的隔阂,让使用不同设备的用户,在同一个数字世界中创造和共享。作为目前人类使用的最广泛的电子接口,USB不断演变和改进的历程也将继续塑造未来多年我们与技术互动的方式以及广阔的计算机产业。


深耕计算机行业多年,浪潮计算机以用户需求为牵引,以前沿技术为支撑,对笔记本、台式机等电脑产品的USB接口进行了精心的设计,能够为用户带来更高效贴心的使用体验


浪潮笔记本产品配备多个USB Type-C接口,支持数据传输、视频输出、对外充电,让大家告别接口使用过程中弄错正反面的尴尬时刻,同时也进一步加快了数据传输的速度。产品也保留了部分USB 3.1 Gen 1接口,以便于用户仍能高效使用原有设备。




浪潮台式机接口丰富,以13.5L台式机为例,产品共配备8个USB接口,连接外设更方便,并且支持并口转接、多串口扩展,扩大外设支持范围,提高接口使用的自由度。


  预告    

04


本篇为大家简要地介绍了USB出现之前的接口世界,以及USB是怎么出现、进化以及初步变成真正的“通用”接口,下篇,我们将为大家带来USB“反人类”的一面,一起来认识认识USB3.2 GEN1, USB3.2 GEN2, USB3.2 GEN2x2,USB4, USB typeA、B、C,MiniUSB、MicroUSB这几位兄弟。


注丨部分图片来自网络



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