Universal Serial Bus
通用串行总线（英語：Universal Serial Bus，縮寫：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。 多媒體電腦剛問世時，外接式裝置的傳輸介面各不相同，如印表機只能接LPT、數據機只能接RS232、滑鼠鍵盤只能接PS/2等。繁雜的介面系統，加上必須安裝驅動程式並重新開機才能使用的限制，都會造成使用者的困擾。因此，創造出一個統一且支援易插拔的外接式傳輸介面，便成為無可避免的趨勢，USB應運而生。 最新一代的USB是USB4，傳輸速度為40Gbit/s。物理接頭USB Type-A、Type-B接頭分正反面，新型USB Type-C接頭不分正反。[1][2] 概述[编辑] 两个B型USB连接器，mini和全尺寸的，侧视图和正视图，旁边是5美分做对照 USB最初是由英特尔与微软倡導發起，最大的特点是尽可能地实现热插拔和即插即用。当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序，因此其在使用上远比PCI和ISA等总线方便。 USB在速度上远比并行端口（例如EPP、LPT）與串行接口（例如RS-232）等傳統電腦用標準匯流排快上許多。USB 1.1（USB 2.0 FullSpeed）的最大傳輸速率為12Mbps，USB 2.0（USB 2.0 HiSpeed）為480Mbps，USB 3.0（USB 3.2 Gen1） 為 5Gbps，USB 3.1（USB 3.2 Gen2x1） 為 10Gbps，而USB 3.2（USB 3.2 Gen2x2）更达20Gbps，以及近期發表的USB 4.0，其速度可達40Gbps。 USB的设计为非对称式的，它由一个主机控制器和若干通过集线器设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有5级Hub，包括Hub在内，最多可以連接128個設備，因為在設計時是使用7位元定址欄位，二的七次方就等於128，一般人說USB連接127個是指連接（某一設備）時需扣除一個連接主機的USB接頭，而一台计算机可以同时有多个控制器。和SPI-SCSI等标准不同，USB集线器不需要终结器。 USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网卡等部件。对数码相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化与计算机的连接，USB也逐步取代并行接口成为打印机的主流连接方式之一。2004年已经有超过1亿台USB设备；到2007年時，高清晰度数字影片外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他需要更高的传输速率，不過USB3.1和2019年USB4的問世，高解析度數位影片外設和外接式顯示卡也能在USB播放。 现USB标准中，按照速度等级和连接方式分为以下七种版本。注意USB-IF目前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。
标准[编辑]USB开发者论坛负责USB标准制订，其成员包括：苹果公司、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（可同時支持Mini-A及Mini-B）的插口。USB 3.1版本中導入支持正反面不区分插入的C型。 技术细节[编辑]技术指标[编辑]
從左至右： 目前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。
机械和电子标准[编辑]USB机械电子标准一览
标准USB接口[编辑]标准USB线的内部结构，可以看到里面有红、白、绿、黑四根小的导线 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。 标准USB连接器触点
Mini USB接口[编辑]Mini USB除了第4针外，其他接口功能皆與标准USB相同。第4针成为ID，地线在mini-A上连接到第5针，在mini-B可以悬空亦可连接到第5针。 Mini USB连接器触点
Micro USB接口[编辑]2007年1月4日，USB实装论坛颁布Micro-USB的插头标准[3]。该标准将在许多新型智能手机和PDA上替代Mini-USB。Micro-USB插头的插拔寿命为10,000次，比Mini-USB插头高度减半，宽度相差无几。OMTP组织最近宣布，Micro-USB将成为移动设备数据和电源的标准接口[4]。 2009年2月17日，全球行動通訊聯盟協會宣佈在2012年前將使用Micro-USB作為全球統一的標準充電器規格。首批簽署協議的廠商包括：諾基亞、樂金、摩托羅拉、三星、索尼移動、美國電話電報公司、法國電信、西班牙電信、T-Mobile與沃达丰。 编码方式[编辑]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。 軟體架構[编辑]一個USB主機通過Hub鏈可以連接多個設備。由於理論上一個物理設備可以承担多種功能，例如路由器同時也可以是一個SD卡讀卡器，USB的術語中設備（Device）指的是功能（Functions）。集線器（Hub）由於作用特殊，按照正式的觀點並不認為是Function。直接連接到主機的Hub是根（root）Hub。 端點[编辑]設備／功能（和集線器）與管道Pipe（邏輯通道）聯繫在一起，管道把主機控制器和被稱為端點Endpoint的邏輯實體連結起來。管道和比特流（例如UNIX的Pipeline）有著相同的含意，而在USB詞彙中術語端點經常和管道混用，甚至在正式文檔中。 端點（和各自的管道）在每個方向上按照0-15編號，因此一格設備／功能最多有32個活動管道，16個進，16個出。（出(OUT)指離開控制器，而入(IN)指進入主機控制器。）两個方向的端點0總是留給匯流排管理，占用了32個端點中的2個。在管道中，數據使用不同長度的包傳遞，端點可以傳遞的包長度上限一般是字節，所以USB包經常包含的數據量依次有8、16、32、64、128、256、512或者1024字節。 一個端點只能單向（進／出）傳輸數據，自然管道也是單向的。每個USB設備至少有两個端點／管道：他們分别是進出方向的，編號為0，用於控制匯流排上的設備。按照各自的傳輸類型，管道被分為4類：
一旦設備（功能）通過匯流排的Hub附加到主機控制器，主機控制器就給它分配一個主機上唯一的7位地址。主機控制器通過投票分配流量，一般是通過輪詢模式，因此沒有明確向主機控制器請求之前，設備不能傳輸數據。 為了訪問端點，必須獲得一個分層的配置。連接到主機的設備有且僅有一個設備描述符(Device Descriptor)，而設備描述符有若干配置描述符(Configuration Descriptors)。這些配置一般與狀態相對應，例如活躍和節能模式。每個配置描述符有若干接口描述符(Interface Setting)，用於描述設備的一定方面，所以可以被用於不同的用途：如一個相機可能擁有視頻和音頻兩個接口。接口描述符有一個缺省接口設置(Default Interface Setting)和可能多個替代接口設置(Alternate Interface Settings)，它們都擁有如上所述的端點描述符。一個端點能夠在多個接口和替代接口設置之間複用。 HCD (Host Controller Driver)[编辑]包含主機控制器和HUB的硬體為程序員提供了由硬體實現定義的接口主機控制器設備(HCD)。而實際上它在計算機上就是埠和內存映射。 1.0和1.1的標準有两個競爭的HCD實現。康柏的開放主機控制器接口(OHCI)和Intel的通用主機控制器接口(UHCI)。VIA威盛採納了UHCI；其他主要的芯片組多使用OHCI。它們的主要區別是UHCI更加依賴軟體驅動，因此對CPU要求更高，但是自身的硬體會更廉價。它們的並存導致作業系統開發和硬體廠商都必須在兩個方案上開發和測試，從而導致費用上升。因此USB-IF在USB 2.0的設計階段堅持只能有一個實現規範，這就是擴展主機控制器接口(EHCI)。因為EHCI只支持高速傳輸，所以EHCI控制器包括四個虛擬的全速或者慢速控制器。這裡同樣是Intel和Via使用虛擬UHCI，其他一般使用OHCI控制器。 某些版本的Windows上，打開設備管理器，如果設備說明中是否有「增強」("Enhanced")，就能夠確認它是2.0版的。而在Linux系统中，命令lspci能夠列出所有的PCI設備，而USB會分別命名為OHCI、UHCI或者EHCI，列出為32位地址的為EHCI，16位的為OHCI。命令lsusb能夠顯示所有USB設備的訊息。命令dmesg能夠顯示OS啟動時關於USB設備的訊息。 USB封包格式[编辑]USB的封包格式和早期的網際網路封包格式非常相似，要了解USB連接原理就一定要先了解封包格式。 USB封包格式
傳輸協定[编辑]
设备分类[编辑]依附在总线上的设备可以是需要特定的驱动程序的完全定制的设备，也可能属于某个设备类别。这些类别定义设备的行为和接口描述符，这样一个驱动程序可能用于所有此种类别的设备。一般操作系统都为支持这些设备类别，为其提供通用驱动程序。 设备分类由USB设计论坛设备工作组决定，并分配ID。 如果一个设备类型属于整个设备，该设备的描述符的bDeviceClass域保存类别ID；如果它这是设备的一个接口，其ID保存在接口描述符的bInterfaceClass域。他们都占用一个字节，所以最多有253种设备类别。（0x00和0xFF保留）。当bDeviceClass设为0x00，操作系统会检查每个接口的bInterfaceClass以确定其类别。 每种类别可选支持子类别（SubClass）和协议子定义（Protocol subdefinition）。这样可以用于主设备类型的不断修订。 常用设备类别和ID有：
USB接头[编辑]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。
接頭一覽表[编辑]USB接頭配對一覽
電源[编辑]USB接頭默认提供一組5伏特的電壓，可作為相連接USB設備的電源。實際上，設備接收到的電源可能會低於5V，只略高於4V。通过USB PD3.0、QC4等快速充电协议，现有USB接口的最大的可以达到20V，最低3V。 USB-IF規範1.1版定義USB埠最高供電可達到1.5A/1500mA，而最新的1.2版規範更是修正為最大5A/5000mA的供電，但是總和也不得超過5A。 一個USB的HUB最多只能提供500 mA的電流。如此的電流已足以驅動許多電子設備，不過連接在總線供電HUB的所有設備，需要共享500mA的電流額度。一個由總線供電的設備可以使用到它所連接埠上允許輸出的所有電源。 總線供電的HUB可以將電源供給連接在HUB上的所有設備，不過USB的規範只允許總線供電的HUB下游串接一層總線供電的設備，因此，總線供電的HUB下游不允許再串接另一個由總線供電的HUB。許多HUB有外加電源，因此可以提供電源給下游的設備，不會消耗總線上的電源。若設備需要的電壓超過5V，都需要使用外加電源。 相對於之前其他溝通介面僅能傳遞訊息資料，USB插槽本身還能提供5V（伏特）的主動電壓，及0.5A（安培）的電流，因此對於一些小型設備而言，可以不必再外接電源供應裝置，就能直接利用來自USB插槽的電力順利運作。利用這特點，也有廠商開發出適當的排線，將USB拿來當作供電插座般使用，例如作為行動電話的充電器，或是提供小型桌燈及電風扇等的電力需要，反而與原本用來連接電腦用的主要用途無關。 同类标准比较[编辑]USB大容量存储[编辑]USB使用USB大容量存储设备标准实现Storage设备的连接。它最初被用于传统的磁盘和光盘驱动，但是现在已经扩展到支持大量不同的设备。 USB有一个非常重要的优点，那就是它能够在不关闭電腦主機電源的情况下动态的安装和删除USB设备，这使它成为一種有用的外部设备。 在市面也可以找到USB 3.0 Dongle[9]此類小型可插拔式的行動裝置，尺寸如同隨身碟一樣迷你，有廠商推出USB介面的Wi-Fi/藍芽無線Dongle，只要將此Dongle插入液晶電視上，即可透過無線連接方式，將使用者手機、平板、筆電中的影片、照片分享到液晶電視上觀看，市面上已有廠商將Android作業系統直接寫入Dongle，成為多功能電視棒的產品。 相关存储产品包括：主机板、磁碟阵列卡、硬碟外接盒、磁碟阵列系统、NAS网路储存设备、硬碟外接座等等。 人机接口设备（HID）[编辑]USB没有完全取代PS/2键盘鼠标接口，但目前許多主機板都取消了PS/2接口。 使用专用键盘鼠标接口的苹果电脑1999年1月也开始使用USB接口。最初iPod只有IEEE 1394接口；後來在第三代的iPod，蘋果電腦開始支持USB2.0连接，但是還不能用作充電；現在的iPod，已經全面兼容USB，抛弃IEEE 1394接口，只用USB接口充電以及連接電腦主機。 历史[编辑]俗稱「三叉戟」的USB標誌，可標示在電腦、集線器及週邊裝置做為識別之用，不需獲得認證 Pre-Releases[编辑]
USB 1.0[编辑]1996年1月發布，數據傳輸速率為1.5Mbit/s（Low-Speed）和12Mbit/s（Full-Speed）。無預測及通過檢測功能，Full-Speed也難以達成，僅極少數出現在市場上。 USB 1.1[编辑]1998年9月发布，修正1.0版已發現的問題，主要是關於USB Hubs及Full-Speed，最早被采用的修订版。 USB 2.0[编辑]
USB 3.0（USB 3.1 Gen1/USB 3.2 Gen1）[编辑]USB 3.0於2008年11月發布，速度由480Mbps大幅提升到5Gbps。USB 3.0插座通常是藍色的，並向下兼容USB 2.0和USB 1.x。USB 3.0引入了全雙工傳輸，USB 1.x和USB 2.0則是半雙工傳輸。 USB 3.1（USB 3.1 Gen2/USB 3.2 Gen2x1）[编辑]USB3.0推廣小組於2013年7月31日宣佈USB 3.1規格[10]，傳輸速度提升為10Gb/s，比USB3.0的5Gb/s快上一倍，並向下兼容USB 2.0/1.0，如果要得到10Gb/s的傳輸速度仍需在主機、目標端同時具備對應的晶片才能達成，電力供應可高達100瓦。[11] USB 3.2（USB 3.2 Gen2x2）[编辑]USB 3.2的主要技術要點：
速度方面，使用USB 3.2主機連接USB 3.2儲存設備，可以實現兩條通道10Gbps的傳輸速度，理論上也就是相當接近於20Gbps。 USB 3.2向下兼容USB 2.0和USB 1.x。另外，從USB 3.2開始，Type-C是唯一推薦的接口方案。 USB 3.2 Gen 1x2[编辑]USB 3.0（USB 3.1 Gen1）的双通道模式，速度可达10Gbps（每条通道5Gbps）。必須使用USB Type-C接口才能達到10Gbps的速度。 USB 3.2 Gen 2x2[编辑]USB 3.1 Gen2的雙通道模式，速度可達20Gbps（每條通道10Gbps）。必須使用USB Type-C接口才能達到20Gbps的速度。 USB4[编辑]USB4于2019年9月3日发布。[12] USB4計畫整合Thunderbolt 3協定，現有USB 3.2及USB 2.0也向下兼容。[13] USB4支援40Gbps的傳輸速度，但達到40Gbps的速度要求USB資料線、產品支援USB4[14]。Type-C是唯一推薦的介面方案。 USB On-The-Go補充標準[编辑]USB On-The-Go是USB2.0規格的補充標準。它可使USB裝置，例如播放器或手機，從USB周邊裝置變為USB主機，與其他USB裝置連線通訊。 USB Power Delivery[编辑]USB Power Delivery是USB開發者論壇在2012年7月5日發佈的USB充電標準與技術。 扩展[编辑]PictBridge标准可以使得消费者使用的图形设备彼此互通（例如数码相机直接通过打印机输出）。一般它使用USB做为其底层通信协议。 微软的Xbox游戏主机和IBM的UltraPort均使用自身独有的专用接口，有别于标准的USB；不同的是，前者（Xbox）使用的是标准的USB 1.1信号格式，后者则使用标准的USB信号格式，而供电能力也更强。 开源项目USB/IP （页面存档备份，存于互联网档案馆）实现了USB数据包的网络传送，逻辑上将USB数据线无限延长。同时配合无线路由器等手段，可以实现无线USB传输。 無線通用序列匯流排[编辑]参考文献[编辑]
参见[编辑]
外部链接[编辑]
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下列 何者 非 usb 介面 的 特性
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