USB 接口简述及版本对比

一、USB（通用串行总线）概述

• 全称：Universal Serial Bus，一种标准化的串行通信接口，用于连接计算机与外部设备。
• 核心特性：
  • 即插即用（Plug-and-Play）：无需手动配置硬件，系统自动识别设备。
  • 热插拔（Hot Swap）：支持设备在运行中插入或移除，无需重启。
  • 多设备支持：通过集线器（Hub）扩展，单主机最多可连接 127 个设备。
  • 统一供电：通过总线提供 5V 电源（不同版本电流能力不同），简化外设设计。

二、USB 版本详解：USB1.1、USB2.0、USB3.0

1. USB1.1（1998 年发布，已淘汰）

• 传输速率：
  • 低速（Low-Speed）：1.5 Mbps（主要用于键盘、鼠标等简单外设）。
  • 全速（Full-Speed）：12 Mbps（早期打印机、扫描仪等）。
• 技术特点：
  • 采用半双工通信，同一时间只能单向传输数据。
  • 电源供应：5V/100mA（低速）或 500mA（全速）。
  • 物理接口：仅支持 A 型、B 型插头，无防反插设计。
• 应用场景：早期低速外设，现已被 USB2.0 完全替代。

2. USB2.0（2000 年发布，广泛应用）

• 传输速率：
  • 高速（High-Speed）：480 Mbps（约 60 MB/s），兼容 USB1.1 的全速 / 低速模式。
• 技术改进：
  • 半双工 + 时分复用：通过分时处理不同设备的数据，提升总线利用率。
  • 电源管理：支持设备休眠 / 唤醒，5V/500mA 供电（支持更多中功耗设备）。
  • 兼容性：完全向下兼容 USB1.1 设备，物理接口与 USB1.1 一致（A 型 / B 型）。
• 典型应用：
  • 大容量存储设备（U 盘、移动硬盘早期型号）、数码相机、外置光驱、USB 集线器、打印机等。

3. USB3.0（2008 年发布，现称 USB 3.1 Gen 1，高速普及型）

• 传输速率：
  • 超高速（SuperSpeed）：5 Gbps（约 625 MB/s），兼容 USB2.0/1.1 设备。
• 技术革新：
  • 全双工通信：新增两对差分信号线（TX/RX 独立），支持同时收发数据，效率大幅提升。
  • 编码方式：从 USB2.0 的 NRZ 编码改为 8b/10b 编码（牺牲 20% 带宽换取信号稳定性）。
  • 电源升级：5V/900mA 供电，支持快充（需设备协商），新增 “待机模式” 降低功耗。
  • 物理接口：
    • A 型 / B 型：在 USB2.0 的 4 针基础上增加 5 针（蓝色接口标识），向下兼容 USB2.0 设备（插入时仅使用前 4 针）。
    • Micro-B：新增防反插设计，用于手机、移动硬盘等便携设备。
• 典型应用：
  • 高速存储设备（USB3.0 U 盘、SSD 移动硬盘）、外接显卡（eGPU）、高清视频传输（如 DisplayLink）、高速外设（如高速打印机、工业相机）。

三、核心区别对比表

特性	USB1.1	USB2.0	USB3.0（USB 3.1 Gen 1）
发布时间	1998 年	2000 年	2008 年（后更名 Gen 1）
最大速率	12 Mbps（全速）	480 Mbps（高速）	5 Gbps（超高速）
通信模式	半双工	半双工（时分复用）	全双工（独立收发通道）
接口标识	无特殊标识	无特殊标识	蓝色接口（A 型 / B 型）
引脚数量	4 针（电源 + 数据）	4 针（同 USB1.1）	9 针（4 针兼容 + 5 针高速信号）
供电能力	5V/500mA（全速）	5V/500mA	5V/900mA（支持快充协商）
典型设备	键盘、鼠标	U 盘、打印机	高速移动硬盘、eGPU、4K 外设

四、延伸说明

• USB3.0 的演进：
  • USB 3.1 Gen 2：速率提升至 10 Gbps（约 1.25 GB/s），支持更快的 SSD 和视频传输。
  • USB-C 接口：从 USB3.1 Gen 2 开始普及，支持正反盲插、更高功率（可达 100W）和 Alt Mode（如传输 DisplayPort/HDMI 信号）。
• 兼容性原则：
  • 高速接口（如 USB3.0）可插入低速设备（如 USB2.0 U 盘），速率自动降为设备支持的最高版本。
  • 低速设备无法利用高速接口的带宽优势，需硬件和驱动同时支持才能发挥最高性能。

总结

• USB1.1：仅历史意义，已淘汰。
• USB2.0：平衡兼容性与中速传输，适合低速到中速外设（如键盘、普通 U 盘）。
• USB3.0（Gen 1）：主流高速接口，满足大容量数据传输需求（如高速存储、外接显卡），是当前性价比最高的选择。