USB，在我们当今电子产品的设计中，基本上是绕不过的一环，从充电、再到数据传输，在这过程当中，USB也从1.0慢慢发展到了USB3.2，供电的功率越来越强，从最初的2.5W，到最大支持100W，数据的传输速度也从最初的1.5Mbits到最大20Gbps，可以说USB在未来依然具有非常大的前景，而作为硬件产品来说，熟悉USB的知识，也是我们的基本修养，那USB的前世今生是什么呢？它有哪些接口类型呢？以及USB通信协议有哪些？下面我们从这几个角度来了解USB。
一、USB信息概要
1.信息
USB（Universal Serial Bus 通用串行总线）是 Intel、Microsoft 等厂商为解决计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而于 1995 年提出的，它具有数据传输率高、易扩展、支持即插即用和热插拔的优点，目前已得到广泛应用。
USB（Universal Serial Bus 通用串行总线）是 Intel、Microsoft 等厂商为解决计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而于 1995 年提出的，它具有数据传输率高、易扩展、支持即插即用和热插拔的优点，目前已得到广泛应用。
1）USB一般规格
长度最大 5米，支持热插拔，引脚4个（1个供电，2个数据，1个接地），USB 3.0拥有9个（另外4个提供给SuperSpeed技术），USB 3.1 Type-C拥有24个
2）电力供应
信号 5伏特直流电 ，最大电压 20 V（±5%)（根据不同版本） ，最大电流 500mA–5A @ 5V（根据不同版本）
3）USB数据
宽度 1 bit ，比特率1.5/12/480/5,000/10,000/20,000/40,000 Mbit/s（根据不同版本） 最多设备数127 个，串列协议
4）USB引脚输出
引脚1 VCC（+5V），也叫 VBUS
引脚2 Data- ，DM-，Data Minus,数据负信号
引脚3 Data+，DP+，Data Positive,数据正信号
引脚4 接地
2.USB协议版本
USB接口自1994年推出以来，经过26年的发展，经过USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.x，最终发展到了现在的USB4；传输速率也从最开始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps。
1)版本及特性
2）版本特性补充
USB协议版本 |
速率 |
线缆最长长度 |
电源输出 |
类型 |
提出时间 |
特性 |
USB1.0 |
低速：1.5Mbit/s |
/ |
5V/500mA |
半双工 |
1996年1月 |
一般适用于鼠标、键盘等低速HID设备， 支持热插拨 |
USB1.1 |
全速：12Mbit/s |
3m |
5V/500mA |
半双工 |
1998年9月 |
一个USB接口理论上可以支持127个设备 |
USB2.0 |
高速：480Mbit/s，向下兼容低速1.5Mbit/s和全速12Mit/s |
5m |
5V/500mA |
半双工 |
2000年4月 |
1.通过HUB级联的方式，一个USB接口理论上可以扩展127个USB设备 2.支持 4种传输方式：控制传输、中断传输、同步传输和块传输。 |
USB3.0 USB 3.2 Gen 1 USB 3.1 Gen 1 |
提供更高的5.0Gbit/s的超高速传输速度，并向下兼容低速1.5Mbits/s、全速12Mbit/s和高速480Mbit/s传输速率 |
3m |
5V/900mA |
全双工 |
2008年11月 |
增加了新的电源管理功能，支持待机、睡眠以及暂定模式，更加省电 |
USB3.1 USB 3.2 Gen 2 USB 3.1 Gen 2 |
速度翻番至10Gbps |
/ |
20V/5A |
全双工 |
2013年7月 |
1.新增USB A/V影音传输。以更适合作为移动设备的输出接口，尤其是可逆的Type-C。 2.必须使用USB Type-C接口才能达到10Gbps的速度 |
二、接口类型
1.USB的接口类型
根据接口形状不同，主要可以分为三大类：
TYPE类型：普通的硬件直接叫做Type
Mini类型：小型版本的叫Mini迷你的
Micro类型：更加小的，叫做Micro微小的
1.1.TYPE类型
TYPE类型常见于PC机，按其接口形状的不同又分为三大类。
分别为TYPE-A,TYPE-B,TYPE-C三种类型，其中TypeC现在是主流。
1.2.MIni类型
1.3.Micro类型
2.USB 接口定义及引脚接线
2.1 USB1.x/2.0接口的引脚定义及颜色
引脚 |
名称 |
电缆颜色 |
描述 |
1 |
VBUS |
Red |
+5 V，电源 |
2 |
D− |
White |
Data −，数据线 |
3 |
D+ |
Green |
Data +，数据线 |
4 |
GND |
Black |
Ground，接地 |
2.2 USB3.0接口及以上的引脚定义及颜色
引脚 |
A型连接器 |
B型连接器 |
线缆颜色 |
描述 |
1 |
VBUS |
红色 |
红色 |
供电 |
2 |
D- |
D- |
白色 |
2.0数据差分对 |
3 |
D+ |
D+ |
绿色 |
2.0数据差分对 |
4 |
GND |
GND |
黑色 |
电源地 |
5 |
StdA_SSRX− |
StdB_SSTX− |
蓝色 |
数据差分对-接收 |
6 |
StdA_SSRX+ |
StdB_SSTX+ |
黄色 |
数据差分对-接收 |
7 |
GND_DRA |
N/A |
N/A |
信号地 |
8 |
StdA_SSTX− |
StdB_SSRX− |
紫色 |
数据差分对-发送 |
9 |
StdA_SSTX+ |
StdB_SSRX+ |
橙色 |
高速数据差分对-发送 |
2.3 Type-A/TYPE-B接口引脚定义及颜色
引脚 |
名称 |
线缆颜色 |
描述 |
1 |
VBUS |
红色 或者 / 橙色 |
+5V供电 |
2 |
D- |
白色 或者 / 金色 |
差分数据- |
3 |
D+ |
绿色 / 绿色 |
差分数据+ |
4 |
GND |
黑色 / 蓝色 |
地 |
2.4 Mini/Micro-A/B 引脚定义及颜色
Mini USB除了第4针外，其他接口功能皆与标准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。
引脚 |
名称 |
线缆颜色 |
描述 |
1 |
VBUS |
红色 |
+5V供电 |
2 |
D- |
白色 |
差分数据- |
3 |
D+ |
绿色 |
差分数据+ |
4 |
ID |
N/A |
区分另一端接口类型 A 接口（主机）：接地 B接口（设备）：不连接 |
5 |
GND |
黑色 |
地 |
2.5 TypeC 接口
2.6接口类型
三、USB通信协议
1.USB系统组成
USB系统主要包括USB主机和USB设备两种设备。
USB主机：提供USB接口和接口管理功能的硬件、软件、固件的复合体。PC机或OTG设备，一个USB系统只能有一个主机.USB主机提的硬件主要包括USB主控制器和USB根集线器。
USB设备：1.集线器HUB：扩展主机接口，设备可以通过其接入主机 2.功能设备，如U盘，USB摄像头，HID键盘鼠标等。
物理连接：即USB电缆，USB使用差分信号传输数据，USB全速/高速模式电缆必须外层屏蔽铜质传输线，且差分数据线双绞。一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+、D-是差分输入线，使用的是3.3V电压，而电源线与地线可向设备提供5V电压，最大电流500mA。
2.USB拓扑结构
USB的物理拓扑结构是一种叫做菊花链的方式。
每个USB系统只允许有一个HOST(主机)。允许的最大层数为7层(包含主机)；每层的电缆最大长度为5米，电缆总长度为30米；每层最大允许接5个DEVICE(设备)；
3.USB系统程序
应用程序：应用程序运行与USB设备所连接的主机上。部分应用程序会由操作系统的主机提供，大部分应用程序由USB设备供应商提供。
驱动程序：驱动程序服务于特定的操作系统，为USB设备提供支持。驱动程序通常由操作系统提供，独立于特定的应用程序和USB设备。
主机端控制程序：包括硬件和软件，使USB设备能够被主机识别。
4.USB速度
此处以USB2.0为例
USB全速模式是在D+线上上拉1.5K的电阻。
USB低速模式是在D-线上上拉1.5K的电阻。
5.USB协议分层
USB在逻辑上被分为三层：信号层、协议层、数据传输层。
包是USB系统中信息传输的基本单位，所有的数据都是经过打包后再总线上传输的。
每个包由6部分组成：同步字段(SYNC)、包标识符(PID)、地址字段(ADDR)、数据字段(DATA，包括帧号)、检验字段(CRC)、包结束(EOP)。
参考资料