USB
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的雙向串行接口標準，用于規范計算機、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)共同開發并制定了USB傳輸協議的初稿。1995年，USB-IF(USB實現者論壇)成立。1996年，USB1.0標準問世，USB標準開始用于供電和數據傳輸。1998年，USB1.1規范發布，此后，USB標準開始在市場上流行。
2023年，USB標準版本已經經歷了四代的發展，最新的標準已經制定到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，具備動態帶寬資源分配能力。全世界有數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。
發展歷史
USB 1.0
在USB誕生之前，外部設備連接電腦面臨著很多問題:數據線種類繁多，很多設備使用專用數據線；很多設備不支持即插即用，需要安裝擴展卡、跳線和軟件驅動。外圍設備不能熱插拔，需要安裝軟件后重啟系統重新分配系統資源(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的數據線是昂貴的。
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)共同開發制定了USB傳輸協議的初稿，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，絕大多數鍵盤、鼠標、智能手機、打印機都采用USB標準實現供電和數據傳輸。同年，USB-IF發布了USB低速緩沖的設計指南，教用戶如何深入使用USB。1997年，USB-IF發布了USB-APM交互白皮書，使APM和USB能夠協同工作。
USB-IF作為USB的標準化組織，在1998年發布了USB1.1規范，與當時市場上并未廣泛使用的USB 1.0不同。USB1.1標準發布后，USB開始逐漸占據主流市場。在USB1.1的規范中，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年發布了USB2.0的規范，完全向下兼容之前的USB版本，傳輸速率達到480Mbit/s，是一種半雙工的數據傳輸方式。從用戶的角度來看，USB 2.0的帶寬遠高于USB1.1，系統廠商可以用USB 2.0以最經濟的方式連接高性能的外部設備，對系統整體成本影響不大。USB2.0的特性注定要取代USB 1.1。同年，USB-IF發布了USB驅動接口規范。10月，推出USB迷你接口。2001年，USB OTG功能發布，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，增加了接口的穩定性。USB充電規范(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，支持全雙工數據傳輸。
2009年，USB-IF繼續發布新產品，開發新的服務內容。USB-IF發布了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發布了PD快充協議1.0版本。2013年，USB規范了高速芯片的斷開方法。USB 3.1(USB SuperSpeed Gen2)標準也已發布，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快充協議2.0版本，其供電能力達到100W W，隨后，USB-IF更改了協議名稱，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快充協議3.0發布，充電規范沒有變化。2017年發布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協議技術。隨后，USB推進組發布了基于雷電3協議的USB4協議，最大傳輸速率40Gbit/s，具備動態帶寬資源分配能力，支持USB電力輸送快充協議。同年，USB-IF重新命名了協議，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快充協議3.1版本，最大支持240W，增加了三個可調電壓檔位，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。基于現有的USB3.2和2.0架構，USB4補充了產品協議。USB4支持與多種終端設備類型動態共享單個高速鏈路進行數據傳輸。該規范使主機能夠為顯示數據流分配最佳比例，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。USB接口將以傳輸帶寬為市場代碼統一，如USB4 v2.0對應USB 80Gbps，USB4對應USB 40Gbps。
衍生內容
Ma-USB: Media agnostic，即沒有介質限制的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的規范，利用USB基礎設施可以實現千兆無線傳輸速率。
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實現者論壇USB 2.0規范的附錄，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)實現了芯片之間的互連，針對功耗、成本和復雜度優化了鏈路，取消了普通USB中傳統的模擬收發器，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。
運行方式
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送數據，一些設備將在描述符集中添加關于輪詢時間的描述。當主機需要向從機發送數據時，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，主端根據屬性創建不同的數據通道，使用不同的方式讀寫數據。
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)、數據過程(數據包)和狀態過程(握手包)。主機發送一個令牌包來啟動請求過程。當請求過程中需要傳輸數據時，數據過程開始。最后，數據接收器開始狀態處理并結束通信。當沒有數據傳輸要求時，沒有數據處理，從機啟動狀態處理，結束通信。
傳輸供能
數據傳輸
傳輸速度：USB4和USB 3.2規范共同確定了80 Gbps、40Gbps、20Gbps、10Gbps和5Gbps五種傳輸速率。供應商必須在產品包裝、廣告內容和任何其他營銷材料中明確傳達產品性能信號。
傳輸方式：USB傳輸支持四種數據類型:控制信號流、塊數據流、中斷數據流和實時數據流。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?？刂苽鬏敗⑴總鬏?、中斷傳輸都會在數據傳輸出錯時嘗試重發。
下面詳細介紹四種傳輸模式:
控制傳輸：USB控制傳輸是USB最基本的數據傳輸方式，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據，對傳輸的正確性要求嚴格，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接口協議中最重要的數據傳輸方式，可用于全速、高速和超速USB設備。可以進行單向或雙向傳輸，傳輸要求正確性的數據。這種傳輸方式適合傳輸大量數據，要求傳輸的正確性，但對傳輸時間、傳輸速率、實時性沒有要求。一般來說，這種方法常用于數據采集卡、USB打印機、USB掃描儀等設備。這些設備對數據傳輸的準確性要求很高，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量的數據，需要固定的事務周期。一般來說，USB鼠標、USB鍵盤等HID人機交互設備中經常使用USB中斷傳輸。這些設備具有快速響應的要求和對數據的低需求。
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，傳輸連續實時數據。USB同步傳輸適合傳輸大量數據，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，數據必須及時發送和接收的音視頻設備。
傳輸元件：USB系統中信息傳輸的基本單位是包，USB總線上的每次交換至少需要三個包:主機發出一個標志(token)包開始，確定設備地址、端點、傳輸方向、傳輸類型等。，后面是發送數據或指示信息的數據包，最后是提供數據接收反饋的握手包，如果有錯誤需要重傳。USB數據傳輸需要軟件、驅動和硬件的配合。從協議處理的角度來看，數據的編碼、解碼和傳輸是由各種程序和驅動程序來完成的，主要包括以下四個部分:USB主機程序、USB總線驅動程序、USB主機控制器驅動程序和USB功能設備程序。從硬件處理的角度來看，USB數據的編碼、解碼和數據傳輸是由多個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數據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與USB主機的高速數據通信。
電源：USB已經從數據接口發展到用數據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)規范，使USB除了數據傳輸之外，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、暫停和關閉。USB設備可以進入掛起模式，但仍然會喚醒系統。USB已經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來滿足數據需求，還需要在不加載驅動程序的情況下簡單地為設備提供電源或充電，以實現“傳統”的USB功能。根據USB接口供電能力的不同，USB協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協議規定的范圍內。另外，考慮到兼容性，最好讓USB外設兼顧主機側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發布了USB PD3.1版本，結合USB Type-C規范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。
總線特性
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。在通信過程中，通信是由主機發起的，從機只能被動地接收主機的信號和數據。隨著USB的發展，在USB3.0及以后的USB協議標準中，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。
總線結構：USB總線呈現樹形拓撲。該結構的基本節點是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動電路、傳輸電平、編碼結構、位同步處理和供電方式。USB使用差分信號傳輸數據。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，不能同時發送和接收數據。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，可以同時發送和接收數據。USB3.2和USB2.0使用不同的差分線路傳輸數據，互不干擾，可以同時工作。USB3.2線纜中預留了USB2.0的數據傳輸通道，實現了與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，就可以發送信號。當數據通過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的電氣特性也體現在供電方式上。設備進入掛起狀態后，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；選擇掛起，只有選定的設備將進入掛起狀態。
優勢特點
USB總線有以下優點:
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總線技術采用串行輸出傳輸方式，實現更高的數據吞吐量和更多的數據傳輸。
支持多種傳輸類型，不同的外設可以根據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。
接口類型
根據接口類型，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+(數據+)為綠色，D-(數據-)為白色。
應用領域
主要應用設備類型：USB協議可以應用于一些支持USB功能的設備。通常，操作系統提供設備類驅動程序，開發者可以直接使用。
存儲設備類別：u盤(優盤):u盤，即優盤，利用USB接口存儲和讀取數據，是一種大容量的移動存儲產品，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、存儲數據多、數據傳輸速度高等優點。
音頻設備類別：USB音箱:USB音箱通過USB數據線直接從主板上的USB口輸入數字音頻信號，經過音箱內置的D/A轉換電路處理后輸出。USB音箱主要由USB接口、USB數字處理電路、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，信號純度高，但是信號的轉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掃描儀可以加快數據傳輸速度，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圖像的采集和拍攝，拍攝的圖像質量高，連接方便，不需要專門的圖像采集卡。USB攝像頭有很多優點，除了提高畫質，還支持熱插拔，可以提高數據傳輸的速度。
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。