看完才懂USB 再也不会分不清类型了

USB从1994年的内部版本到现在的USB4经历了20多年，随着USB传输协议的不断升级，数据传输速度也是成倍的增加。大家可能对USB传输协议不太了解，所以我们先来说一下什么是USB传输协议。

上图就是我们常见的USB接口，里面有几根铜线用来传输数据，但铜线只是导电的线缆，并不能直接传输我们想要的数据。这时候就需要传输协议的帮助。这就跟我们交流是一样的，如果没有语言，仅靠一张嘴乱说一通，谁也听不懂你的意思。

在USB的数据传输协议中，芯片会根据传输的内容对USB接口里的电压进行控制，通过控制电压变化来达到传输数据的目的，比如：传输520这个数字，协议会将520转变成1000001000这样的二进制编码，然后芯片只需要通过控制电压高低，来表示0和1，就能传输数据了。

当然上面的例子只是我们最容易理解的方式，实际上USB使用的是NRZ-I（No Return Zero-Inverse）非归零反向编码方式，电压如果变化一次就表示一个“0”，电压如果没有变化就表示“1”，按照这样的规则我们就能把数据变成电信号，从而进行数据传输，这就是通信传输协议。

我们通常所说的USB2.0、USB3.0、雷电3、USB4等就是数据传输协议，它就像沟通用的语言，是我们看不见摸不着的东西。而各式各样的USB接口则是我们制造出来的真实存在的东西，由多根导线组成，用来导电作为数据传输的载体。在USB1.0 — USB2.0 时代，接口形状有很多。USB2.0协议速度还是比较慢的，当时的USB接口都是4根线的，最外面的两根负责给鼠标、键盘、手机之类的东西供电，中间两根负责传输数据。其中我们最常见的是USB Type-A、Mini-B和Micro-B。

Type-A是比较常见的接口

Mini-B出现的时候，手机还比较厚，它大多被用在早期的非智能手机和mp3上。

Micro-B又被称为Android口，它比Mini-B更小更薄，因此被广泛应用在前些年的安卓智能手机上。

随着人们对数据传输速度要求越来越高，对充电速度要求越来越快。传统的只有4根线的接口已经不能满足人们的需求。所以在2008年经过全新设计的USB Type-A、Type-B和Micro-B伴随着速度更快的USB3.0传输协议一起问世，这种新的接口在原来4根线的基础上新增了5根线，这样搭配USB3.0协议就能有更快的传输速度，为了与旧接口进行区分，新型接口把内部设计成了蓝色。

虽然新型接口传输速度更快，但是由于多出了5根线，所以新型的Micro-B比老接口多出了一节，变得更长，这在内部空间寸土寸金的移动设备上格外致命。因为它不仅更占用设备内部空间，而且更容易损坏，所以这么多年过去，这种接口依然没有被普及。它普遍用于对空间要求没那么高的USB3.0的移动硬盘上，而当时大部分的安卓手机依然采用之前4根线的老式Micro-B接口，同期特立独行的苹果则给iphone搭载了新型的Lighting接口，Lighting接口有8根线，数据传输更快，还支持正反插，关键是体型还非常小，比同时期安卓手机上的Micro-B接口要强很多。安卓手机急需一种更强大更优秀的接口来挽回颜面。终于，USB Type-C接口于2014年问世。

Type-C接口共有24根线，能提供40Gbps的传输带宽，还能提供20V-5A共计100w的充电功率，外面一层金属保守壳不仅起到抗干扰的效果，而且还支持正反插，它除了比苹果的Lighting大一点点，其他各方面都要比Lighting强大。虽然Type-C这个接口非常优秀，但是俗话说好马要配好鞍，Type-C要搭配更厉害的传输协议才能发挥它全部的实力。

由于Type-C接口非常强，所以它支持多种协议，比如雷电3协议以及传统的USB2.0、USB3.0协议，还有用于快速充电的QC协议、PD协议，以及连接显示器用的HDMI协议、DP协议等，因此可以说Type-C是一种万能的接口。

话到这里就不得不说一下雷电3协议了！雷电3协议是Intel和苹果公司共同研发，支持40Gbps带宽和100w的供电功率。它能做的事情非常多，比如同时接2台4K 60Hz的显示器，搭配雷电3扩展坞，一个小小的雷电3接口就能同时接网线、显示器、鼠标键盘、耳机、U盘、移动硬盘、内存卡等等，搭配显卡扩展坞还能外接高端显卡。

2019年9月，USB Promoter Group 发布了 USB4 规范标准，这标志着USB传输行业进入一个新的高度。USB4协议的大部分内容来源于雷电3协议，通过用户友好的、健壮的线缆和连接解决方案，提供结合数据、显示和电力传输的最佳用户体验，下面我们一起看看USB4带来了哪些不一样的表现。

USB4新功能三大重点

01

USB4 只采用USB Type-C接口，USB4信号采双通道传输，传输速度最快支援40G (20Gbps x2)；而过去的连接器如USB Type-A 或Micro-B，仅支援单通道传输，无法支援USB4。

02

USB4可同时支持数据传输和DisplayPort 影音传输协议，旨在将多种协议组合到单个物理接口，可以动态共享USB4 架构的整体速度和性能。

03

USB4向下兼容USB 2.0 、USB 3.2和Thunderbolt 3。

USB4重点架构

USB4 主要构成元件有路由器(Router) ，适配器(Adapter)，以及TMU (Time Management Unit，时间管理单元)。

01

路由器是USB4 的一个主要建构模块，路由器将隧道协议转换成USB4 封包传送，并通过TMU来时间同步。主要由USB Host 内建的Connection Manager 来侦测及管理。

02

适配器内建在路由器里，主要作为路由器与外部元件沟通的媒介，进行协议转换。例如USB4 Host在传输USB3 资料，由内部USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协定封装成USB4 Tunneled Packet。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。

03

TMU 内建在路由器里，使用分布式时间管理单元（TMU），在路由器间做时间同步。

USB4产品类型

01

USB4 Host：产品有一个以上DFP，没有任何的UFP。

02

USB4 Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。

03

USB4-Based Dock：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP，且产品内还有其他元件的功能，如储存装置或网络功能。

04

USB4 Device: 产品有一个UFP，没有任何的DFP。

USB4支持的隧道协议

依据规格，对Host/ Hub/Dock/Device 必须支援的隧道协议各自有不同要求，如下图，标“Ｖ”为必须支援，其余则是可选择支援与否。

例如：

USB Host 必须支援USB3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。

USB4支援的传输速率

USB4 能支援20Gbps 以及40Gbps 的速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援这两个速度？

对USB4 Hub 与USB4-Based Dock 来说，必须同时支援20Gbps 及40Gbps。

对USB4 Host 与USB4 Device 来说，可以只支援20Gbps（40Gbps 可列为额外支援，非必要支援速度）。

综合上面的介绍，可以知道USB4 传输速率提升到40 Gbps，并且可以动态分享频宽，使用一条USB Type-C 连接线就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 产品，对于消费者来说更加便利。但对于产品开发者来说，USB4 是一个比较大的挑战，除了产品设计和以往USB3 的产品在架构上的差异，加上高频信号在PCB 及连接器上的衰减，须更关注高频阻抗匹配，在开发阶段确保传输的信号品质。