USB(Universal Serial Bus)中文名稱為通用串行總線(Universal Serial Bus)，是一種快速同步傳輸?shù)碾p向串行接口標準，用于規(guī)范計算機、移動設備等外部設備之間的連接和通信。USB廣泛應用于手機、電腦、鼠標、鍵盤、攝影器材、電視、游戲機、掃描儀、充電器、磁盤等設備，支持各種操作系統(tǒng)windows、MAC、Linux等。

1994年，以Intel為首的七家公司(Intel、Compaq、Microsoft、IBM、北方電信和NEC)共同開發(fā)并制定了USB傳輸協(xié)議的初稿。1995年，USB-IF(USB實現(xiàn)者論壇)成立。1996年，USB1.0標準問世，USB標準開始用于供電和數(shù)據(jù)傳輸。1998年，USB1.1規(guī)范發(fā)布，此后，USB標準開始在市場上流行。

2023年，USB標準版本已經(jīng)經(jīng)歷了四代的發(fā)展，最新的標準已經(jīng)制定到USB4。傳輸速度從最初的1.5兆比特每秒(Mbps)提升到如今的40 Gbps，最大傳輸功率可達100W，具備動態(tài)帶寬資源分配能力。全世界有數(shù)十億臺個人電腦使用USB。USB因其方便、速度快、擴展性強，成為很多消費者連接設備的首選。

USB 1.0

在USB誕生之前，外部設備連接電腦面臨著很多問題:數(shù)據(jù)線種類繁多，很多設備使用專用數(shù)據(jù)線；很多設備不支持即插即用，需要安裝擴展卡、跳線和軟件驅(qū)動。外圍設備不能熱插拔，需要安裝軟件后重啟系統(tǒng)重新分配系統(tǒng)資源(如I/O地址空間、IRQ中斷請求、DMA通道)；昂貴的標準外圍連接器和相關(guān)的數(shù)據(jù)線是昂貴的。

為了解決這些問題，1994年，以Intel為首的7家公司(Intel、Compaq、Microsoft、IBM、北方電信、NEC)共同開發(fā)制定了USB傳輸協(xié)議的初稿，并于1995年成立了USB-IF這一非盈利組織。

1996年，USB1.0標準問世，理論速度1.5 Mbit/s，絕大多數(shù)鍵盤、鼠標、智能手機、打印機都采用USB標準實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸。同年，USB-IF發(fā)布了USB低速緩沖的設計指南，教用戶如何深入使用USB。1997年，USB-IF發(fā)布了USB-APM交互白皮書，使APM和USB能夠協(xié)同工作。

USB-IF作為USB的標準化組織，在1998年發(fā)布了USB1.1規(guī)范，與當時市場上并未廣泛使用的USB 1.0不同。USB1.1標準發(fā)布后，USB開始逐漸占據(jù)主流市場。在USB1.1的規(guī)范中，提到了USB1.1的各種特性:高速傳輸速率12Mbit/s，低速傳輸速率1.5Mbit/s，支持熱插拔，同步和異步傳輸，內(nèi)置電源/低壓配電裝置。最長電纜為5米，最多可支持127臺設備。USB的抗干擾能力大大增強。

USB 2.0

2000年發(fā)布了USB2.0的規(guī)范，完全向下兼容之前的USB版本，傳輸速率達到480Mbit/s，是一種半雙工的數(shù)據(jù)傳輸方式。從用戶的角度來看，USB 2.0的帶寬遠高于USB1.1，系統(tǒng)廠商可以用USB 2.0以最經(jīng)濟的方式連接高性能的外部設備，對系統(tǒng)整體成本影響不大。USB2.0的特性注定要取代USB 1.1。同年，USB-IF發(fā)布了USB驅(qū)動接口規(guī)范。10月，推出USB迷你接口。2001年，USB OTG功能發(fā)布，使特定的外部設備能夠在沒有計算機的情況下相互通信。

2003年，USB對Type-B接口進行了改進，將形狀改為圓形倒角，接口更加牢固。6月，USB-IF重新命名了USB的規(guī)格和標準，將USB 1.0改為USB 2.0低速版，USB 1.1改為USB 2.0全速版，USB 2.0改為USB 2.0高速版。

2007年，USB進入不斷更新協(xié)議版本和接口的迭代期。USB引入了Micro-USB接口，增加了接口的穩(wěn)定性。USB充電規(guī)范(USB BC)也在同年推出。

USB 3.0

2008年，為了滿足用戶日益增長的存儲需求，由英特爾、微軟、惠普、德州儀器、NEC、ST-NXP等公司組成的USB 3.0推進組完成了USB 3.0(SuperSpeed USB)標準的發(fā)布，傳輸速率為5.0Gbit/s，最大輸出電流為900mA，兼容USB2.0，支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

2009年，USB-IF繼續(xù)發(fā)布新產(chǎn)品，開發(fā)新的服務內(nèi)容。USB-IF發(fā)布了USB BC1.1，將USB的充電容量提升到5V和1.8A，2010年提升到5V和5A。

2012年7月，USB發(fā)布了PD快充協(xié)議1.0版本。2013年，USB規(guī)范了高速芯片的斷開方法。USB 3.1(USB SuperSpeed Gen2)標準也已發(fā)布，傳輸速率達到10Gbit/s，電源標準提升至20V/5A時的100W。

2014年，USB推出了新的Type C接口，支持正反插，最高可輸出20V、5A電流。通過這個接口和8月份推出的PD快充協(xié)議2.0版本，其供電能力達到100W W，隨后，USB-IF更改了協(xié)議名稱，將USB 3.0更名為USB 3.1Gen1 SuperSpeed，USB 3.1更名為USB 3.1Gen2 SuperSpeed。但是在隨后的產(chǎn)品更新中放棄了這個命名方案，引入了新的命名方案。

2015年11月，PD快充協(xié)議3.0發(fā)布，充電規(guī)范沒有變化。2017年發(fā)布USB 3.2標準，支持USB Type-C下雙10Gbit/s通道，速度為20Gbit/s..

USB4

2019年3月，英特爾為USB-IF組織提供了Lightning 3協(xié)議技術(shù)。隨后，USB推進組發(fā)布了基于雷電3協(xié)議的USB4協(xié)議，最大傳輸速率40Gbit/s，具備動態(tài)帶寬資源分配能力，支持USB電力輸送快充協(xié)議。同年，USB-IF重新命名了協(xié)議，即USB3.1 Gen 1(原USB3.0)、USB3.1 Gen 2(原USB3.1)和USB 3.2 Gen 2x2。

2021年5月，USB推出PD快充協(xié)議3.1版本，最大支持240W，增加了三個可調(diào)電壓檔位，可快速充電。

2022年，USB Promoter Group宣布推出USB4 2.0，通過USB Type-C接口的傳輸速率達到80 Gbit/s，USB4可以使用最高的USB帶寬，擴展USB Type-C接口的性能?；诂F(xiàn)有的USB3.2和2.0架構(gòu)，USB4補充了產(chǎn)品協(xié)議。USB4支持與多種終端設備類型動態(tài)共享單個高速鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸。該規(guī)范使主機能夠為顯示數(shù)據(jù)流分配最佳比例，并向后兼容USB3.2和USB2.0。

2022年10月，USB-IF帶來了全新的命名系統(tǒng)。USB接口將以傳輸帶寬為市場代碼統(tǒng)一，如USB4 v2.0對應USB 80Gbps，USB4對應USB 40Gbps。

Ma-USB: Media agnostic，即沒有介質(zhì)限制的USB，是USB-IF啟用的新標準，允許無線設備和擴展端口在USB協(xié)議下通信，無需物理連接。MA-USB符合USB 3.1、USB 3.0和USB 2.0的規(guī)范，利用USB基礎設施可以實現(xiàn)千兆無線傳輸速率。

芯片間USB:芯片間USB是一種芯片間USB(簡稱IC-USB、USB-IC或HSIC)。它是USB實現(xiàn)者論壇USB 2.0規(guī)范的附錄，USB-IF也在后來推出了超高速片間USB( SSIC)。USB 2.0高速片間USB(HSIC)實現(xiàn)了芯片之間的互連，針對功耗、成本和復雜度優(yōu)化了鏈路，取消了普通USB中傳統(tǒng)的模擬收發(fā)器，可以降低物理層功耗。

USB-C: USB Type-C是USB-IF在2014年推出的新接口類型，支持正反插，最高可輸出20V、5A電流。通過這個接口和8月份推出的PD快充協(xié)議2.0版本，其供電能力達到100W，逐漸成為市場上新的主流影音接口。

USB Billboard:USB Billboard是USB Type-C規(guī)范的一部分。USB Type-C的連接方式中，有PD充電等使用的替代模式。當設備無法進入替代模式時，它會將該設備識別為USB廣告牌設備，以警告用戶。

當USB設備連接到主機時，它開始識別USB設備(也稱為從設備)。連接/拔出從機的過程稱為USB插拔。通用USB接口包括四根線，即Vcc、D+、D-和GND。從機連接到主機后，主機通過D+和D-線上電壓和電阻的變化來檢測從機是否連接。隨后，主機開始識別從機的類型，判斷是鼠標、鍵盤還是其他類型。從設備的描述符集可以幫助主設備識別，描述符集包括從設備的設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等信息。訪問由主機設置的描述符的過程稱為枚舉。在這個過程之后，主機可以使用從機的功能。

從設備將通過等待主設備輪詢來發(fā)送數(shù)據(jù)，一些設備將在描述符集中添加關(guān)于輪詢時間的描述。當主機需要向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，從機需要盡快接收。主機將為每個被訪問的從機分配一個設備地址，并通過設備地址訪問從機。通過從設備的設備端點，主機可以訪問從設備的特定功能。屬性在從端的端點描述符集中聲明，主端根據(jù)屬性創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)通道，使用不同的方式讀寫數(shù)據(jù)。

一個完整的主從通信包括兩個或三個過程，分別是請求過程(令牌包)、數(shù)據(jù)過程(數(shù)據(jù)包)和狀態(tài)過程(握手包)。主機發(fā)送一個令牌包來啟動請求過程。當請求過程中需要傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)過程開始。最后，數(shù)據(jù)接收器開始狀態(tài)處理并結(jié)束通信。當沒有數(shù)據(jù)傳輸要求時，沒有數(shù)據(jù)處理，從機啟動狀態(tài)處理，結(jié)束通信。

數(shù)據(jù)傳輸

傳輸速度：USB4和USB 3.2規(guī)范共同確定了80 Gbps、40Gbps、20Gbps、10Gbps和5Gbps五種傳輸速率。供應商必須在產(chǎn)品包裝、廣告內(nèi)容和任何其他營銷材料中明確傳達產(chǎn)品性能信號。

傳輸方式：USB傳輸支持四種數(shù)據(jù)類型:控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流和實時數(shù)據(jù)流。對應的傳輸模式有四種:控制傳輸模式、批量傳輸(塊傳輸)模式、中斷傳輸模式和等時傳輸(同步傳輸)模式?？刂苽鬏?、批量傳輸、中斷傳輸都會在數(shù)據(jù)傳輸出錯時嘗試重發(fā)。

下面詳細介紹四種傳輸模式:

控制傳輸：USB控制傳輸是USB最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，可用于低速、全速、高速和超速USB設備。該方法支持雙向傳輸，用于處理主機的USB設備控制命令、設備狀態(tài)查詢和確認命令，如主機首次檢測到USB設備時的配置和設置。USB控制傳輸適合傳輸少量數(shù)據(jù)，對傳輸?shù)恼_性要求嚴格，對傳輸時間、傳輸速率、實時性沒有要求。一般來說，USB設備必須支持USB控制傳輸模式。當USB通電時，任何USB設備都必須支持端點0的默認管道中的控制傳輸。

批量傳輸(塊傳輸)：USB BuIk傳輸是USB接口協(xié)議中最重要的數(shù)據(jù)傳輸方式，可用于全速、高速和超速USB設備?？梢赃M行單向或雙向傳輸，傳輸要求正確性的數(shù)據(jù)。這種傳輸方式適合傳輸大量數(shù)據(jù)，要求傳輸?shù)恼_性，但對傳輸時間、傳輸速率、實時性沒有要求。一般來說，這種方法常用于數(shù)據(jù)采集卡、USB打印機、USB掃描儀等設備。這些設備對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性要求很高，但對傳輸速率沒有嚴格的要求。

USB

中斷傳輸：USB的中斷傳輸可用于低速、全速、高速和超速設備。USB中斷傳輸支持單向傳輸，適用于傳輸少量或中等數(shù)量的數(shù)據(jù)，需要固定的事務周期。一般來說，USB鼠標、USB鍵盤等HID人機交互設備中經(jīng)常使用USB中斷傳輸。這些設備具有快速響應的要求和對數(shù)據(jù)的低需求。

同步傳輸：USB同步傳輸可用于全速、高速和超速USB設備。支持單向或雙向傳輸，傳輸連續(xù)實時數(shù)據(jù)。USB同步傳輸適合傳輸大量數(shù)據(jù)，速率恒定，對服務周期有要求，但對正確性沒有嚴格要求。一般來說，USB同步傳輸常用于MP3、VCD、DVD等對實時性要求較高，數(shù)據(jù)必須及時發(fā)送和接收的音視頻設備。

傳輸元件：USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締挝皇前琔SB總線上的每次交換至少需要三個包:主機發(fā)出一個標志(token)包開始，確定設備地址、端點、傳輸方向、傳輸類型等。，后面是發(fā)送數(shù)據(jù)或指示信息的數(shù)據(jù)包，最后是提供數(shù)據(jù)接收反饋的握手包，如果有錯誤需要重傳。USB數(shù)據(jù)傳輸需要軟件、驅(qū)動和硬件的配合。從協(xié)議處理的角度來看，數(shù)據(jù)的編碼、解碼和傳輸是由各種程序和驅(qū)動程序來完成的，主要包括以下四個部分:USB主機程序、USB總線驅(qū)動程序、USB主機控制器驅(qū)動程序和USB功能設備程序。從硬件處理的角度來看，USB數(shù)據(jù)的編碼、解碼和數(shù)據(jù)傳輸是由多個USB芯片完成的，主要包括以下三類芯片:USB主控制器芯片、USB集線器芯片和USB功能設備芯片。完整的USB數(shù)據(jù)傳輸需要通過上述程序和硬件的合理分工和配合來完成。當USB設備連接到USB總線時，USB設備可以在軟件和硬件的支持下實現(xiàn)與USB主機的高速數(shù)據(jù)通信。

電源：USB已經(jīng)從數(shù)據(jù)接口發(fā)展到用數(shù)據(jù)接口給主要的電源提供商提供有限的電源，也就是USB Power Delivery(縮寫為USB PD)規(guī)范，使USB除了數(shù)據(jù)傳輸之外，還能支持同線，提供供電能力。許多設備可以使用USB充電或從USB獲取電源。USB支持多種電源模式:開啟、暫停和關(guān)閉。USB設備可以進入掛起模式，但仍然會喚醒系統(tǒng)。USB已經(jīng)成為許多小型設備無處不在的電源插座，如手機、平板電腦、便攜式揚聲器和其他手持設備。用戶不僅需要USB來滿足數(shù)據(jù)需求，還需要在不加載驅(qū)動程序的情況下簡單地為設備提供電源或充電，以實現(xiàn)“傳統(tǒng)”的USB功能。根據(jù)USB接口供電能力的不同，USB協(xié)議分為高功率輸出端口和低功率輸出端口。它們的供電電壓是一樣的，不同的是最大輸出電流不同，USB接口提供的電源是有限的。在設計USB外設時，需要仔細分析USB外設的最大功率要求，確保在USB協(xié)議規(guī)定的范圍內(nèi)。另外，考慮到兼容性，最好讓USB外設兼顧主機側(cè)的高功率輸出口和低功率輸出口。對于不同的USB設備，消耗的電量是不同的。在USB總線接口協(xié)議中，功率需求通常用單位負載來表示。

從電源的角度來看，典型的USB設備有以下幾種。

◆ USB根集線器:直接連接到USB主控制器的USB集線器。

◆ USB總線供電hub:由VBUS直接供電的USB hub外設，帶USB接口的GND。

◆ USB自供電hub:使用外接電源的USB hub外設。

◆USB總線供電的小功率設備:VBUS和GND直接使用USB接口供電的USB外設，最大功耗為1單位負載。

◆USB總線供電的大功率設備:VBUS和GND直接使用USB接口供電的USB外設，最大功耗大于1個單位負載。

◆ USB自供電設備:使用外接電源的USB外設。

2021年，USB-IF發(fā)布了USB PD3.1版本，結(jié)合USB Type-C規(guī)范2.1對線纜的要求，將電源從原來的100W(20V 5A)提高到240W，USB供電設備擴展到100W以上。

主從模式：USB設備和USB主機通過USB總線連接。USB的總線是主從式的，主機稱為主機，從機(即設備)稱為設備。主機之間(USB4.0除外)和從機之間沒有互聯(lián)。在通信過程中，通信是由主機發(fā)起的，從機只能被動地接收主機的信號和數(shù)據(jù)。隨著USB的發(fā)展，在USB3.0及以后的USB協(xié)議標準中，主機增加了通信對象，可以與集線器進行通信。為了增加靈活性，USB開發(fā)了USB OTG(On The Go)，它支持主從切換。當同一設備處于不同情況時，可以切換為主設備或從設備。USB OTG線中添加的USB ID線就是用來實現(xiàn)這個目的的。當USB ID線被拉高時，它處于從(設備)模式，當USB ID線接地時，它處于主模式。

總線結(jié)構(gòu)：USB總線呈現(xiàn)樹形拓撲。該結(jié)構(gòu)的基本節(jié)點是USB主機控制器，USB根集線器連接到USB主機控制器。一個USB Hub可以將一個USB接口擴展成多個USB接口，擴展后的USB接口可以通過USB Hub繼續(xù)擴展，每個USB接口可以連接一個USB設備。但是集線器不能擴展更多的帶寬，只能擴展更多的USB接口。所有連接的USB設備共享USB主機控制器的帶寬。當多個USB設備需要更大的帶寬時，考慮將它們連接到不同USB主機控制器上的根集線器，以避免帶寬不足。

電氣特性：USB的電氣特性反映了端口驅(qū)動電路、傳輸電平、編碼結(jié)構(gòu)、位同步處理和供電方式。USB使用差分信號傳輸數(shù)據(jù)。如圖，GND是地線，D+和D-是一對差分線，SSTX+和SSTX-是一對差分線，SSRX+和SSRX-是一對差分線。USB2.0只有一對差分線，分別是D+和D-，所以USB2.0是半雙工的，不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。USB3.2有兩對差分線，分別是SSTX+和SSTX以及SSRX+和SSRX，所以USB3.2是全雙工的，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。USB3.2和USB2.0使用不同的差分線路傳輸數(shù)據(jù)，互不干擾，可以同時工作。USB3.2線纜中預留了USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)了與USB2.0的兼容，VBUS線纜使USB主機能夠為設備供電，最大輸出20V/5A。當USB的信號電平達到一定條件時，就可以發(fā)送信號。當數(shù)據(jù)通過USB傳輸時，采用NRZI編碼方式。所有USB設備的默認電壓都是低電壓。當器件電壓需要由低變高時，可以通過軟件控制。USB的電氣特性也體現(xiàn)在供電方式上。設備進入掛起狀態(tài)后，支持省電模式。USB支持兩種掛起模式:全掛起，所有USB設備進入掛起狀態(tài)；選擇掛起，只有選定的設備將進入掛起狀態(tài)。

USB總線有以下優(yōu)點:

USB為所有USB外設提供單一且易于操作的標準連接類型，使用一個端口和一個中斷來降低硬件復雜性和端口占用。考慮到計算機小型化的趨勢，USB設計了緊湊型USB接口。

支持熱插拔和即插即用用戶可以在不重啟電腦的情況下連接USB外部設備，實現(xiàn)通信功能。

靈活供電，可以使用USB線供電，也可以通過電池或其他設備供電，還可以組合供電，支持懸浮和喚醒的節(jié)能模式。這使得USB外接設備擺脫了電源，如u盤、硬盤等，可以直接通過USB接口獲得電源來工作。

寬傳輸速率范圍，適用于不同類型的外設。USB總線技術(shù)采用串行輸出傳輸方式，實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量和更多的數(shù)據(jù)傳輸。

支持多種傳輸類型，不同的外設可以根據(jù)自己的需求選擇不同的傳輸方式。

具有良好的擴展性，支持多種設備。通過USB Hub擴展，最多可支持127臺設備，擴展了USB主機的外部功能擴展能力。

根據(jù)接口類型，USB硬件接口有:USB Typea、USB TypeB、Mini USB、Micro USB和USB Type C(Type-c)。USB A型和B型接口只是形狀不同，其中A型接口是個人電腦中應用最廣泛的接口標準，移動設備一般使用Mini USB接口和Micro USB接口。USB Type C接口更纖薄，傳輸速率更快，功率傳輸更強。同時，由于Type C接口可以雙面插拔，使用起來更加方便，有潛力取代Micro USB接口，統(tǒng)一手機和平板電腦的接口。USB線由四根線組成，分別標有不同的顏色，其中接地線(GND)為黑色，電源線(VCC)為紅色，差分輸入線D+(數(shù)據(jù)+)為綠色，D-(數(shù)據(jù)-)為白色。

主要應用設備類型：USB協(xié)議可以應用于一些支持USB功能的設備。通常，操作系統(tǒng)提供設備類驅(qū)動程序，開發(fā)者可以直接使用。

存儲設備類別：u盤(優(yōu)盤):u盤，即優(yōu)盤，利用USB接口存儲和讀取數(shù)據(jù)，是一種大容量的移動存儲產(chǎn)品，通過USB接口與電腦連接即可即插即用。u盤占用空間小，具有便攜、存儲數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)傳輸速度高等優(yōu)點。

音頻設備類別：USB音箱:USB音箱通過USB數(shù)據(jù)線直接從主板上的USB口輸入數(shù)字音頻信號，經(jīng)過音箱內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換電路處理后輸出。USB音箱主要由USB接口、USB數(shù)字處理電路、控制電路和多媒體有源音箱組成。使用USB音箱，數(shù)字信號在傳輸過程中不會受到干擾，所以USB音箱可以提高音質(zhì)，信號純度高，但是信號的轉(zhuǎn)換精度對音箱的性能影響很大。

HID設備類別：USB鍵盤和鼠標:傳統(tǒng)的電腦鍵盤和鼠標在電腦開機前必須插上電源。如果設備是在電腦開機后安裝的，必須再次開機才能讓鍵盤鼠標正常運行。使用USB鍵盤鼠標可以解決這個問題，并且不受接口已經(jīng)被其他設備占用的影響。

打印掃描設備類別：USB掃描儀:USB掃描儀可以加快數(shù)據(jù)傳輸速度，USB接口的掃描儀傳輸速率可以達到每秒12M。安裝時，USB掃描儀不需要打開機箱，在速度和安裝簡單性上滿足了用戶的需求。

照相機設備類別：USB攝像頭:帶有USB接口的攝像頭可以實現(xiàn)圖像的采集和拍攝，拍攝的圖像質(zhì)量高，連接方便，不需要專門的圖像采集卡。USB攝像頭有很多優(yōu)點，除了提高畫質(zhì)，還支持熱插拔，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

集線器設備：USB hub: USB hub，即USB hub，可以用來擴展電腦USB接口。電腦提供的很多USB接口往往是通過主板上的USB hub芯片開發(fā)的。當電腦的USB接口不能滿足用戶需求時，可以使用USB hub通過USB hub的接口為電腦接入更多的外部設備。