USB 相关知识简单科普

还有这个雷电口到底是什么来头

USB 协议性能标准

目前协议名曾用协议名带宽理论速度*
USB 2.0 Low-SpeedUSB 1.01.5 Mbps0.1875 MB/s
USB 2.0 Full-SpeedUSB 1.112 Mbps1.5 MB/s
USB 2.0 High-SpeedUSB 2.0480 Mbps60 MB/s
USB 3.2 Gen1USB 3.0 / USB 3.1 Gen15 Gbps640 MB/s
USB 3.2 Gen2 x1USB 3.1 / USB 3.1 Gen210 Gbps1280 MB/s
USB 3.2 Gen2 x2USB 3.220 Gbps2560 MB/s
USB4 Gen2 x220 Gbps2560 MB/s
USB4 Gen3 x240 Gbps5120 MB/s

* 理论速度为什么光看数字低于带宽的 1 / 8,我在《网速的计算方式》一节中详细说明过。

USB 命名演进过程(USB-IF 真是不干人事)

最初协议名第二次改名第三次改名目前协议名
USB 1.02003 年USB 2.0 Low-Speed
USB 1.12003 年USB 2.0 Full-Speed
USB 2.02003 年USB 2.0 High-Speed
USB 3.02013 年USB 3.1 Gen12019 年USB 3.2 Gen 1
USB 3.12013 年USB 3.1 Gen22019 年USB 3.2 Gen 2 x1
USB 3.22019 年USB 3.2 Gen 2 x2
USB4USB4

USB-IF 起源

1994 年,微软和英特尔倡导发起成立了 USB 开发者论坛(USB Implementers Forum),旨在推进 USB 的技术发展与标准化。

物理接口

USB

Type-A

  • Standard Type-A USB 接口
    • USB 2.0 协议(4 金属触点)
    • USB 3.0 协议(9 金属触点):一般是蓝色,很多人教你区分 2.0 和 3.0 看颜色,其实未必准确(我见过青色的,我 TM),但是看金属触点就靠谱得多了
  • Mini Type-A USB 接口
  • Micro Type-A USB 接口
    • USB 2.0 协议
    • USB 3.0 协议

除了经典的标准 Type-A 熬死了所有后辈,坚挺到了今天。
别的 Type-A 都已经死绝了,以前是用在 MP3 / MP4 上。

我很怀疑现在的年轻人是否知道 MP3,不是 .mp3,是专门播放 .mp3 的硬件。
也许听个歌还有专门的机器对他们来说是一件很难想象的事。
但就是我这代人的童年回忆,我们小学初中哪有什么手机甚至电脑,能玩贪吃蛇就很吊了,整到一台电脑几个小伙伴一个魔塔玩一下午是很平常的事。
半夜躲在被窝里听 MP3 就是最大的乐子之一。发展到 MP4 可以看点 360p 的高清电影,这个时候电子娱乐开始抬头,街上甚至出现了代下歌曲 / 电影的店。
后来还炒过什么 MP5 的概念,再后来出了智能机,就没有然后了,连功能机都没有了。

Type-B

  • Standard Type-B USB 接口:长得很奇葩,方的,一般出现于打印机上
    • USB 2.0 协议(4 金属触点)
    • USB 3.0 协议(9 金属触点,比 2.0 版高一块,但兼容 2.0)
  • Mini Type-B USB 接口(5 金属触点,只有 2.0):出现于功能机(现在叫老年机)上,一些 MP3 / MP4 也挣扎着活到了这个时代
  • Micro Type-B USB 接口
    • USB 2.0 协议(5 金属触点):就是以前老的安卓手机上那种,我还记得我第一部智能机是高中的时候,后来发现我的 USB 口怎么跟别人的不太一样
    • USB 3.0 协议(10 金属触点):就是 2.0 版加宽了一块,常见于老式的移动硬盘*上

* 我以前挂载在树莓派上当微型 NAS 用的那块老希捷就是。
这实属新丐中丐了,树莓派 + 1 T 移动盘,丐到这种程度也不用考虑啥 UPS 了。
结果后来真就遇见一次停电,树莓派屁事没有,硬盘挂了。
上面还有好多好东西,好多天上地下仅此一份的独家记忆,现在想起心还会滴血。
再次强调数据无价,谨慎操作。重要文件尽量做好备份和容灾。

Type-C

俗称的 USB-C,只有这一种形状,最显著的特点支持正反插。
好像有人叫华为口,问题这也不是华为发明的啊,甚至都不是华为引进的*……

* 国内最早用上 Type-C 的手机厂商如果我没记错是下周回国。
没错他们还做过手机,我家还有一部,我大一还是大二用来当过一段时间备用机。
至于性能的话……这么说吧,颜值蛮高。

Type-C 厉害的地方不止正反插实在是太方便了——
这种方便只能用「先进性」来形容,给人类降低了极大的心智负担。稍微想象一下 Type-A 发明三十年来,全人类加一起总共在「为了给 USB 区分正反面」这件事上浪费了多少时间。
——支持正反插还有个好处是拔插受力相对均衡,不管是接口还是插头,使用寿命都比以前的安卓口要长得多。
并且 Type-C 拥有史无前例的 24 个金属触点,这意味着甚至有多的触点用不上。
如此多 I/O 口带来的是超级强大的功能,兼容 USB 2.0 / USB 3.0 / USB4 / 雷电 3 / 雷电 4 / 100W+ 供电都是小意思。
但并不是所有 Type-C 都这么吊,实际上市面流通的大部分 Type-C,包括很多手机大厂的原装数据线,都是阉割后的丐版 Type-C。
全功能 Type-C 要大几百呢,后面讲 USB4 会解释凭什么卖这么贵。
当然了,也不会也一直这么贵。连资本家都忍不了,卖得贵没用,卖得掉才是资本想要的。

通信协议

注意:本文给协议这个分代是我自己想的,我个人是这样理解的。
我并没有能力为这个结论的权威性背书,请悉知。

第一代

起初 - 2003 年2003 年改名后带宽理论速度
USB 1.0USB 2.0 Low-Speed1.5 Mbps0.1875 MB/s
USB 1.1USB 2.0 Full-Speed12 Mbps1.5 MB/s
USB 2.0USB 2.0 High-Speed480 Mbps60 MB/s

第二代

起初 - 2013 年2013 年改名后带宽理论速度
USB 3.0USB 3.1 Gen15 Gbps640 MB/s
USB 3.1USB 3.1 Gen210 Gbps1280 MB/s

第三代

2019 年改名之前目前协议名带宽理论速度
USB 3.1 Gen1USB 3.2 Gen 15 Gbps640 MB/s
USB 3.1 Gen2USB 3.2 Gen 2 x110 Gbps1280 MB/s
USB 3.2USB 3.2 Gen 2 x220 Gbps2560 MB/s

神必的雷电协议

英特尔发现 USB 已经被他们玩坏了,就丢下微软找苹果合作开发了强大的 雷电Thunderbolt 协议。
雷电 1 / 雷电 2 用的 Mini DP,雷电 3 / 雷电 4 才升级到 Type-C 进行一个飞的起。
雷电协议强到什么程度呢,可以让笔记本外接显卡(显卡坞技术),用雷电口外接的显卡进行实时计算并与 CPU 通信。

想想确实很美,但好多人可能听都没听说过,移动硬盘就算了,显卡还能外接来跑的?
事实上也是,由于这个技术需要直通 CPU,英特尔在其中收了一笔高昂的专利授权费用,导致支持这个功能的笔记本价格普遍上天。门槛实在太高了,根本没有市场。
而价格能上天的笔记本就算不是专门的游戏本,打个游戏还是没问题的,反过来其实又用不上外接显卡的雷电协议,这就陷入了 American Chopper Argument Meme 的循环。

英特尔一看,吗的不对劲了,赶紧带着雷电 3 回 USB-IF 找微软,说:
「老婆你看,我出去没有光是鬼混,这不给你带了个娃回来。家里的娃不行,这个娃,彳亍!」
微软一想:反正回来了,算了。凑活过吧,还能离咋地。
再说这个娃确实牛逼,咱们家的基业算是有希望了。

于是 USB-IF 在雷电 3 的基础上推出了免费的 USB4 协议。
英特尔自己想赚钱没成,不得已回去赚口碑,表示「给行业和消费者带来了双赢的局面」。
这就是 USB4 的诞生和「雷电 3 / USB4 互相兼容」的原因。

然后英特尔一扭头又回去找苹果,说:
「果妹,上一个娃属实牛逼,帮忙把市场打开了,咱们再生一个赚大钱吧~」
接着做出了雷电 4,继续搞技术认证,继续收认证费。
这就是雷电 4 的诞生和「雷电 3 / USB4 / 雷电 4 互相兼容」的原因。

功能雷电 3USB4雷电 4
兼容 USB 协议规范USB4USB4USB4
物理接口型号*Type-CType-CType-C
带宽20 | 40 Gbps20 | 40 Gbps40 Gbps
动态分配带宽不支持支持支持
外接显卡支持支持支持
强制开启 DMA* 保护
强制支持充电
视频传输协议Display Port 1.2可选 Display Port 1.4Display Port 1.4
快速充电协议USB PD 3.0USB PD 3.0USB PD 3.0
反向供电最小功率15 W7.5 W15 W

* 注意这是一个充分不必要条件:
USB4 / 雷电协议一定是 Type-C 接口,但 Type-C 接口未必是 USB4 / 雷电协议。
目前市面上的 Type-C 反而大部分是 USB 3.0(或者说各种 USB 3.2 Gen X)。

* 直接内存访问Direct Memory Access:硬件之间不通过 CPU 的数据传输。
减轻了 CPU 的负载压力,毕竟 CPU 需要管理大量系统中断来分配时间片(是这样的吧,我挂过操作系统);并且不再吃 CPU 的性能瓶颈,能跑多快看 DMA 控制器,跑完才会把总线控制权还给 CPU。

第四代

协议名带宽理论速度
USB4 Gen2 x220 Gbps2560 MB/s
USB4 Gen3 x240 Gbps5120 MB/s

总结

  • USB4 只支持 Type-C 接口,所以 USB4 一定是 Type-C,Type-C 就是 USB 的未来
  • 但现在的 Type-C 未必是 USB4,根据目前的市场情况很可能是 USB 3.0
  • 雷电 3 / 雷电 4 / USB4 互相兼容
  • 显卡坞技术想得很美,但长得丑啊
updatedupdated2022-05-012022-05-01