usb协议规范_USB连接标准接口简述发布

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USB为Universal Series Bus (通用序列总线)的缩写,是一种串行通讯协议(sereal protocol),它负责实体层和链接层的建立。它可以支持慢速的数据传输(如鼠标、键盘、游戏摇杆等)也支持快速的数字压缩影音信息。普通的USB2.0版本以下有两对线，分别用来传输数据和提供给接口设备所需的电源线，在2.0版前的标准定义了速度各为12Mbps(Full Speed)及1.5Mbps(Low Speed)的高速和低速两种电缆线(Cable)，各与上游Host(主机)端的Type A连接器与下游Device (装置)端的Type B连接器组合而成USB线缆组(Cable Assembly)。透过USB集线器(Hub)和计算机内部的根集线器(Root Hub)就可以形成一个星状网络，并且随着集线器的数量增加而使得网络的规模随之增大。所以它籍由一种全球通用的连接器取代了传统的各种外接埠，像是串行端口、游戏接口和并列端口等，USB并且可以允许多达127个接口设备串接到一个外接USB埠上，而不必像现在的串行埠或并列埠一般，一个埠只能接一个接口设备。如图所示，简单的说，就是简化外部接口设备与主机之间的联接，利用一条传输在线并列串接各类接口设备，解决现在主机后面一大堆线乱绕的困境。而且还能够在不用重新开机或安装的状态下，随时安插各式的接口设备。为了使终端使用者能简化计算机周边配备连接与规划的过程。

USB是一种连接标准，它不需要再重新配置系统就可以使接口设备直接连到计算机，为随插即用(PnP,hot-swapping)提供了更为宽广的未来，增加了使用者使用上的方便迅速。目前USB已经可以达到USB4阶段，高达40Gbps(High speed)高速传输目标，已经超过了IEEE1394-1995规格所定的速度，即使USB仍然有一些问题有待解决，不过占尽价格与技朮优势的USB将成为PC总线标准的主流已经是必然的趋势.

USB的主要特性简述

l 经济性：

USB 提供低价位的连接周边装置方案，一次最多可以连结多达127个装置。

l 热插拔及Plug&Play的功能：

USB自动侦测装置连接，软件会自动将其规划，以供立刻使用。此过程中，不需要使用者介入。

l 缆线供电：

USB支持多种传输速率，可分为低速(Low Speed)1.5Mb/s及高速(Full Speed)12Mb/s。另2.0版USB传输速率为480Mb/s，3.0版USB传输速率为4980Mb/s；3.1版USB传输速率为10G/Mbps;即将在年底商用的USB4传输速率更是达到恐怖的40G/Mbps;版本的其中，前者使得低速/低价装置之使用成为可能。此乃因为缆线可被设计为不需要遮蔽因而价格降低。周边装置可直接由缆线供电。后者可提供5.0VDC的电力。视集线器连接器埠而定，USB2.0系列及以下版本电流的范围是100mA-500mA;而USB 3.0提供了5V/0.9A电源。但人们任然希望更强的供电能力，于是USB 3.1(SuperSpeed+)将供电的最高允许标准提高到了20V/5A，供电100W。

l 免除系统资源需求：

与ISA、EISA和PCI装置不同的是，USB装置不需要记意体或输出入地址空间(DMA)以及IRQ线。

l 错误侦测与复原：

USB交易包含错误侦测机制以确保数据的正确传递。当错误发生时，交易将被重试。

l 节省能源：

若是经过3ms总线没有动作，USB装置会自动进入省电状态。此时，装置所消耗的电流不超过500uA。

l 支持四种传输：

USB定义四种传输形态以支持各种不同装置的需求。这四种形态包括(巨量、实时、中断及控制传输)。

备注:

ISA: industry standard architecture 工业标准结构

EISA: Extended industry standard architecture 工业标准延伸架构

PCI: Peripheral Component Interconnect 外部组件互连

DMA: Direct Memory Access 直接内存存取

IRQ: Interrupt Request 中断要求

USB的接口成长历程

USB规范的不断更新，从通讯速率到接口形式都有显著变化，从下表可以看出通讯速率成倍的增加，目前最快的理论数据通信速率USB4和雷电接口相容达到了40Gbit/s，接口形式也从少到多，最后归一到Type-C一种，符合当前人们对高速率通信和大充电的需求

1 USB1.X时代

在USB 1.0时期，大多设备没有预留USB口，操作系统支持也不够，USB文件观念过于抽象，导致USB技术普及非常困难。在USB 1.1时期，USB通讯速率提高，并且windows98操作系统中内置了USB接口模块，USB才受到了外设厂家的普遍青睐。

2 USB2.X时代

2000年8月，正式公布USB 2.0标准。在USB 2.0规格中，最重要的是增加更高的数据传输速率480 Mbps，属于半双工通信，现在仍然广泛使用。

USB 2.0将其带入了辉煌时期，在主机端，个人电脑几乎都支持USB，在设备端，使用USB接口的设备与日俱增，例如数码相机、扫描仪、打印机、鼠标、键盘等。其最大优势在于“热插拔 ”、“携带方便”、“标准统一”、“可连接多个设备”，并逐步淘汰了PC机的并口和其他老旧接口。

在USB 2.0时期，增加了USB的补充协议，OTG(On-The-Go)，USB接口增加了ID引脚，作为主机和从机的判断依据。OTG主要应用于各种不同的设备或者移动设备间的联接，进行数据交换，比如PAD、手机、消费类设备等无主机的情况下通信。

3 USB3.X时代

USB3.0，就是新一代的USB接口，特点是传输速率非常快，理论上能达到5Gbps，全面超越IEEE 1394和eSATA，增加了更多并行的物理总线，实现全双工通信。

在USB3.1以后基本上使用了Type-C接口，通信速率也是成倍增加，Type-C的24个可定义针脚远超USB-A与USB-B。

4 USB4.X未来时代

USB-IF联盟已经发布了USB4.0的协议标准，按照协议标准，USB4.0最高速率可以达到40Gbps，采用USB-C接口(具体引脚功能还在制定中)，届时USB接口可以支持PCIE的设备，届时USB接口可以直接外接显卡，体验超高清视频画面。

USB更新接口最让人期待的变化-PD充电

在USB 2.0时代，可提供5V@500mA=2.5W的电力，而USB-IF协会旗下Battery Charging工作小组开始推动以USB/miniUSB/microUSB连接线做为行动装置电池供电器的充电规范。包括2007年Battery Charging(BC) v1.0规范，与2009年BC v1.1规范；2008年USB 3.0规范推出后，可提供5V@900mA=4.5W的电力，虽然USB 3.0提供了5V/0.9A电源。但人们任然希望更强的供电能力，于是USB 3.1(SuperSpeed+)将供电的最高允许标准提高到了20V/5A，供电100W。

无论是USB 2.0的2.5W、USB 3.0的4.5W或BC 1.2的7.5W，这些过去伴随在USB汇流排的充电／供电规格，虽可符合像是手机、MP3的充电需求，但往往需要耗费很多时间才能充饱电；即便是BC 1.2规范上，仅7.5W的供充电功率，光对一般智慧手机充电就要耗费数十分到数小时不等，对稍大尺寸的平板甚至笔电装置，要做充电／供电根本办不到。

于是USB-IF另外成立了电力传输(Power Delivery)工作小组，着手进行藉由USB汇流排提供更大功率充电／供电电流的雄心。2012年7月首度公布USB Power Delivery(PD) 1.0规范，透过5种供电设定级别(Profile 1～5)，最高达100瓦的电力传输量，以及供电端(Source)与接电端(Sink)可以互向的双向式的电源供应特性，让各种装置均能透过单独一条USB线缆满足供电需求，缩短装置充电时间并优化行动应用的便利性。同时能够跟既有USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0充电规范相容。

USB Power Delivery技术与架构详解

USB Power Delivery (USB PD)在充电／供电规格上，制定了最基本的Profile 1 (提供5V@2A, 10W供电，适用于手机、数位相机等可携装置)、Profile 2 (提供5V@2A、12V@1.5A, 10～18W供电，适用于平板电脑、外接储存装置)、Profile 3 (提供5V@2A、12V@3A, 10~36W供电，适用于Ultrabook、变形平板等装置)、Profile 4 (提供5V@2A、12/20V@3A, 10～60W供电，这是microUSB能支援的最大供电规格，适用于一般高效能笔电、AIO电脑)，以及最高级别Profile 5 (提供5V@2A、12/20V@5A, 10～100W供电，用于标准A/B与Type-C连接头，可接液晶显示器、平面电视)。

USB PD架构上定义了供电端(Provider)与受电端(Consumer)，两端各自有数据沟通以及提供额外电力的IC晶片(SuperSpeed InterChip；SSIC)，并利用23.2MHz的VBUS收发载频，以300kbps传输速度来传递Frequency Shift Keying(FSK)信号，并决定实际发送的电压值与电流值；而在8月新公布的USB PD 2.0规格，则首度支援新型态的无方向性Type-C连接头，并改采藉由CC汇流排进行双向沟通并决定发送电压／电流值。

支援USD PD的连接头，则在传统USB连接头图案左边加了SS字母，而同时支援USB 3.1与PD 2.0的USB连接头，还在右上方多加了一个10的字母，代表着具备10Gbps的高传输速率。以USB PD Standard-A连接器为例，在板端的USB PD Standard-A插座内增加了PD Detect脚位，利用USB接头与插座之间的侦测脚位接触与否，来判断所连接的缆线是否支援USB PD规格。

USB PD Standard-B连接器，则透过 USB PD Standard-B插座内的ID脚位，来判断所连接的缆线是否支援USB PD规格。同时依据内置电容位置，来判断承受3A电流或5A电流负载。

USB PD的应用与市场动态

传统的使用情境，主机多半作为供电端，提供电力给连接的萤幕显示器(或萤幕自己独立接电源)、笔电或硬碟；手机和硬碟作为受电端，可吃主机或笔电的电。透过USB缆线供电给一部设计功率65瓦的笔记型电脑，并可再与另一台萤幕相连作为延伸桌面显示。当显示器、笔电与平板都支援USB PD时，显示器、笔电与平板可是供电端也可以当受电端。当笔电、平板电力不足或没带电源供应器时，可透过萤幕来供电；当萤幕需要电力时，也可透过主机、笔电或平板进行供电。这两者也可以在其他装置像是手机、外接硬碟等需要电力时，透过USB Hub的连接来传送电力，或者反过来透过Hub传送电力给笔电、平板，同时仍可进行资料传输。

这样双向性的灵活串接运用，只要在产品供电端与受电端增加USB PD数据沟通IC，随插即充的梦想即可实现。USB PD技术根基于既有低价且已大量普及的USB 介面与缆线，未来在各种USB PD产品应用想必可以加速普及，自然也成为各厂家在未来所期待的USB最值得推崇的技术应用。

就市场面来看，除了英特尔(Intel)为USB PD的主要技术推手，不乏大家熟知的Weltrend伟诠、VIA威锋、Richtek立锜、Leadtrend通嘉、NXP恩智浦、Cypress赛普拉斯，慧能泰等芯片原厂等，特别是大家熟知的国内PD芯片领导者品牌深圳慧能泰PD产品支持18W到100W的功率范围，也支持双口和多口的智能分配功率应用，是PD电源市场极具竞争力的选择。随着USB PD快充及高通QC4+快充的普及，目前市面上已有多款设备支持了USB PD快充，甚至不少手机已经率先支持了USB PD3.0(PPS)协议，用户群数量也在不断增加，整个USB PD快充生态已经具备一定规模，市场前景一片火热。从数据中也可以看到，仅2018年上半年以来就已有10款芯片取得协会的USB PD3.0(PPS)认证(认证中、开发中的不计)，可见各原厂对市场风向的把控是非常精准的；同时随着这些认证芯片的投产及应用，相信过不了多长时间，市面的上的充电器、车充、移动电源将迎来一轮的大规模更新换代。