2020年8月11日更新V1.3版-補充SSTX/SSRX的部分細節
USB作為一款設計非常成功的通用型接口。在協議、物理接口以及額外功能都有著飛躍式的增長。但是USB IF官方所做出的說明稍有混亂。針對目前常見的接口,將會進行簡單的講解。
USB接口物理形式很多,已經很少見或是非標準接口這次不說。本次主要講解一下我們常見的幾種USB接口。
章節目錄:
1章 - 物理接口
1.1 - USB Type-A
1.1.1 - USB Type-A的結構
1.2 - MicroUSB
1.2.1 - MicroUSB的結構
1.3 - USB-A / MicroUSB高速接口
1.4 - USB Type-C
2章 - 傳輸接口版本
2.1 - 前言:混亂的命名方式
2.2 - USB 2.0簡析
2.3 - USB 3.2簡析
2.3.1 - USB 3.0 / 3.1 / 3.2有什麼區別呢?
2.3.2 - 又愛又恨,USB 3.2與WIFI、移動網絡的沖突
3章 - 全文總結
圖片引用於網絡
1.1 - USB Type-A
USB Type-A又可稱為USB-A。相信這個接口大傢不會陌生。直到現在不少PC、PC周邊、手機充電器等等都依然采用瞭這種接口,是目前普及度最高的USB接口瞭。而USB-A亦有分為公座與母座。常見的USB-A數據線的A端就是公座,而充電器上的則是母座。這個就不用多說瞭。
71b0fa52062f9702dd2eee81f1d226e7USB-A定義
USB-A公座上下設計瞭4個凹口,與母座4個突出的彈片相互配合進行固定。所以多次拔插的USB-A公座上會有明顯的劃動軌跡。
於USB-A的體積相對較大,對於一些便攜或者體積較小的設備並不友好。MicroUSB因需求而誕生瞭。MicroUSB的Pin腳定義與各類USB相近,但多瞭一Pin為ID空白設計。而正如剛才所說,MicroUSB更多用在一些手機(目前已經全面轉向USB-C接口)、各種類型的USB小型設備(如USB風扇)。目前MicroUSB的成本較低的原因,大量單價較低的USB設備依然選擇這種USB接口。
MicroUSB兩側有卡扣彈片
MicroUSB使用2個突出的小卡口與母座上的鏤空位置進行卡扣配合,由於卡扣使用類似彈簧的形式,多次拔插後當卡扣回復幅度越來越小,固定性能則會越來越差。到最後,將會無法卡緊接口導致接觸不良甚至接口脫出。
USB 2.0 / 3.2 Pin腳定義
由於USB-A與MicroUSB誕生時在設計上亦沒有考慮到高速數據傳輸的問題。在推出USB 3.0(現已更名為USB 3.2 Gen 1,下文均用此名詞表述)時原來的硬件設計並不能滿足這個條件。最後,USB IF推出瞭全新的USB-A設計,在內部增加瞭一組共4根線路的SSTX/SSRX用於高速數據傳輸。並增加瞭一根GND作屏蔽使用。至此USB-A亦可以進行高速的數據傳輸瞭。
反觀MicroUSB的接口設計並不像USB-A內部空間充足,無法在內部塞進更多的Pin。在那個時候沒有USB-C接口的存在。為瞭讓小型USB設備支持USB 3.2的傳輸速度,需要更改MicroUSB的設計結構,USB IF決定在原本MicroUSB的造型一側增加結構設計,並在裡面增加瞭5根Pin(Pin定義與USB 3.2 Type-A是一致的)。從而支持USB 3.2 Gen 2的傳輸速度。目前作為移動硬盤的傳輸接口占瞭大頭。
P.S:USB 3.2 Gen 1 / Gen 2的Pin定義相同。但Gen 2傳輸速度更高,用料方面要求也要求更高瞭。在較新的PC芯片組上均整合瞭USB 3.2 Gen 2 A型接口。
P.S2:MicroUSB高速接口的設計工藝要求較高,良率相對較低,應用場景較少(主要是接口的結構設計並不算太合理)。當USB-C成本下降後,相信該接口會被迅速淘汰。
P.S3:按照理論,MicroUSB高速接口也應該能運行到USB 3.2 Gen 2的傳輸速度,但當Gen 2普及時已經有USB-C撐起大旗。基本沒什麼人用這款接口做到USB 3.2 Gen 2的設備上。
USB Type-C,又稱USB-C。是目前USB接口中最新推出的物理接口,雖然體積並沒有MicroUSB小,但功能與性能上吊打瞭MicroUSB。並且加入瞭正反盲插功能更為人性化。而智能手機開始全面淘汰MicroUSB亦證明瞭USB-C的設計的強大性。而USB-C的設計考慮到未來眾多發展上的方向,各項性能提升至於亦加強瞭部分功能上的內容。從而使其從過往USB隻有4 - 10Pin暴增到最多24Pin(公頭滿Pin為22Pin)。為瞭讓所有設備進行大統一,USB-C的設計非常先進,是目前性能、功能最強的USB接口。
簡單總結USB-C的特性:
1 - 基準設計電流3A,通過配合USB PD協議,供電性能可達100W;
2 - 正反盲插設計,更為人性化;
3 - 高達40Gbps的傳輸速度(僅ThunderBolt3);
4 - 支持DP,可為顯示器提供高清視頻、音頻信號輸出;
5 - 可通過Pin / EMaker的選用,實現不同的功能。
USB 2.0設計的USB Type-C,去掉瞭2組SSTX與SSRX,來源為USB IF的技術文檔
USB Type-C滿Pin設計,來源為USB IF的技術文檔
Pin腳簡析:
4組VBUS(占用瞭4Pin)GND(占用瞭4Pin) - 由於USB IF設計USB-C的初衷就是所有設備的問題,用一個接口解決,早已考慮除智能手機外一些便攜設備的充電需求。配合USB PD協議支持高達100W的功率輸出。由於PD功能輸出高達5A的緣故,在過往的物理接口上隻有1Pin的VBUS並不適合與傳輸大功率。故USB-C型接口增加到4Pin的VBUS使其能進行更大電流的傳輸,而在線材設計上。線身部分依然隻有一根VBus進行供電(但粗不少)。
2組SSTX與SSRX(占用瞭8Pin) - USB-C在初期設計已經支持USB的高速數據傳輸,並且比起傳統的USB接口更是多出瞭一組SSTX與一組SSRX,2根SSTX與SSRX組成一組全雙工差分信號。USB-C上的SSTX / SSRX可作為USB 3.2&4、PCI - E(Thunderbolt 3&4,USB 4)、Display Port(即DP ALT Mode,USB IF部分僅USB 3.X才會這樣使用,USB 4工作原理有產生變化)的定義使用。
在最新的USB 3.2 Gen 2規范上,可以利用各2組SSTX與SSRX同時傳輸(共4組),使其傳輸速度高達20Gbps,而在ThunderBolt 3下定義為PCI - E更能提升到40Gbps。這是USB-A、MicroUSB 3.0不能達到的速度。由於USB-C可以傳輸DP的原因,USB顯示器是最大受益者。
D+/D - (母座設計為兩組占用4Pin,公座隻有一邊一組即2pin,剩餘2Pin懸空) - D+/D - 不用多說,源用至今的USB 2.0傳輸就靠它。由於隻需要一組,並且正反可插,故公座的規范隻設計一邊。
CC / VCONN(2組,正反各1共2Pin) -CC Pin為USB-C新增定義的Pin腳之一,主要負責協議上的通訊。而VCONN亦是新增Pin之一,主要為USB-C內的EMarker供電。
SBU(2組,正反各1共2Pin) - USB-C上新增的Pin腳。SBU會被用在交替模式(Alternate Mode)和音頻適配器附件模式(Audio Adapter Accessory Mode)。例如在DP Alt Mode下,SBU則會用作AUX音頻傳輸用途。
NVIDIA的RTX20系列顯卡將USB-C的新特性運用到淋漓盡致。利用USB-C為VR頭戴式顯示器供電、傳輸視頻、音頻。
考慮到USB-C的性能與功能大幅提升,那麼對線材的要求也會相對提升。但是問題來瞭,怎麼判斷這個線材的優劣呢。為此USB IF加入瞭EMarker芯片(類似於蘋果Lightning接口上的芯片),以定義各種工作模式。在目前來說,這個規則隻應用在USB-C to C的線材上。而A to C的線材僅有長度與電流限制。
USB-C的應用規格的設計規范,來源為USB IF的技術文檔
從上表可以看出,USB-C to C的線材隻有一個情況是不需要增加EMarker的,就是運行USB 2.0+3A電流以下的線材。這種線材通常用於一些手機與60W以內的筆記本使用。相對價格也是較為便宜。而想支持USB 3.2或者是5A大電流通過?那麼必須要增加EMarker芯片。而EMarker芯片也分多種,具體還是要看該數據線用在什麼應用場景去搭配,並且該芯片不便宜。
P.S:USB IF將該接口稱為USB Type-C 或是 USB-C。所有不帶USB而表達成Type-C接口的表述均是錯誤(而且是很低級的錯誤)。Type-C是什麼意思,相信不用翻譯都懂吧?
蘋果USB-C to Lightning使用的高品質一體成型USB-C公頭-圖片引用自充電頭網
5bc3bfd8bc7b2baa50ce85e60ee87c6a普通的沖壓鉚合USB-C頭
USB-C有分很多種,在相同等級下,一體成型的USB-C頭可靠度會高於沖壓鉚合頭。鉚合的頭在其中一側有明顯的鉚合線,這點可以從產品圖上觀測得出。目前高品質數據線基本都采用瞭一體成型頭,但有少數沖壓鉚合頭的工藝亦做得非常好。隻能說一分錢一分貨瞭。當然,上圖蘋果那種變態規格的可靠度已經超越瞭許多廠商瞭,價格也是非常恐怖。
各USB物理接口參數總結
USB各接口傳輸版本的規格與對消費者的市場推廣名稱
USB IF為瞭消費者更容易理解每個USB版本的性能。特意重新組建瞭一個全新的命名方式。而這樣一來導致同一規格的USB接口擁有好幾種叫法,舉個例子,像USB 3.0就有好幾個叫法。USB 3.0 / USB 3.1 Gen 1 / USB 3.2 Gen 1 / USB 3.2 Gen 1×1。沒看懂沒關系,隻需要記住每個版本的傳輸速度就行瞭。
USB IF推出的官方語言使用指南
然而在USB IF官方一些LOGO使用準則的文檔上,至今USB 3.2 Gen 2×2 LOGO還沒設計。而SuperSpeed+等定義不用於市場推廣上的傳遞,但許多媒體好像都用技術文檔的術語傳播啊?官方的定義好像並沒什麼人認真看過的樣子。
14e07c268c5562950485e13edefe0b8dUSB 2.0 Logo
由於USB 1.0 / 1.1在現在的設備上已經很少見瞭。這裡簡單說說我們常見的USB 2.0。USB 2.0擁有Low - Speed(就是USB 1.0,市場推廣中為Basic-Speed)、Full - Speed(就是USB 1.1,市場推廣中為Basic-Speed)、High - Speed(市場推廣為Hi-Speed)三種規格。其中High - Speed就是USB 2.0的最高傳輸規格,最高達480Mbps換算回來則60MB/s。雖然說是有60MB/s,但在實際使用中大約在30 - 40MB/s已經是極限瞭。隨著硬盤到達T級,一部1080P電影也高達數G的現在,這個傳輸速率實在不怎麼夠用瞭。
USB2.0的雙總線系統架構,使USB2.0能向下兼容。來源為USB IF的技術文檔。
USB 3.2 Gen 2×2好像沒出過官方LOGO,找個USB 3.2 Gen 2的LOGO先湊合
最新的USB 3.2其最大的特性就是實現瞭雙通道傳輸功能,從而實現20Gbps的高速傳輸。繼USB 3.0 / 3.1後,USB 3.2的標準規范於2017年9月亦發佈出來瞭。按照USB IF的慣(niao)例(xing),USB 3.0 / 3.1全傢升級為USB 3.2。
USB 3.2各版本開發術語,沒想到吧,USB 3.2 Gen 2×2在開發術語中依然歸類為SuperSpeed+
此前的規范隻能使用一組SSTX與SSRX,最大隻能實現10Gbps的速度。USB3.2則將兩組SSTX與SSRX同時使用,最大速度增加到20Gbps。由於過去的USB-A、USB-B、MicroUSB最多隻有一組SSTX與SSRX,故USB 3.2 Gen 1×2與USB 3.2 Gen 2×2隻有USB-C才能支持。
USB 3.2 Gen 1x1:使用8b/10b編碼,單通道5Gbps數據速率;(實際為USB3.0 / USB3.1 Gen 1更名,市場推廣名稱中為USB 3.2 Gen 1 / SuperSpeed USB)
USB 3.2 Gen 1x2:使用8b/10b編碼,雙通道10Gbps數據速率;(USB3.1 Gen 1雙通道模式,該模式並不在官方語言使用指南上。算是個備用模式?)
USB 3.2 Gen 2x1:使用128b/132b編碼,對比8b/10b編碼的20%損耗降為3%,單通道10Gbps數據速率;(實際為USB3.1 Gen 2更名,市場推廣名稱中為USB 3.2 Gen 2 / SuperSpeed USB 10Gbps)
USB 3.2 Gen 2x2:使用128b/132b編碼,對比8b/10b編碼的20%損耗降為3%,雙通道20Gbps數據速率。
USB 3.2兼容現有的線材,並且支持SSTX與SSRX的無縫切換。但是支持USB 3.2的設備極少,其能搭配的配件也非常高昂。(像一根支持USB 3.2 Gen 2的USB-C to C的數據線都要幾十塊,完美支持數據傳輸與5A電流的數據線更貴)。
USB 3.2與手機WIFI與信號都存在頻段打架問題,要降低USB高速傳輸所帶來的影響
1:加強線材與接口的屏蔽
2:拉開相互之間的距離
3:降低USB 3.2的傳輸速度
4:無線頻段換成5GHz
故現在不少手機日常使用中依然使用USB 2.0,部分手機將USB 3.2作為可選選項供用戶選擇、加強線材與手機的用料或是進行速度限制降低減少噪聲產生。智能路由器的USB 3.2與天線也比較接近的原因,亦增加瞭USB 3.2兼容模式,其做法就是降低USB 3.2的速度。
INTEL官方文檔,USB高速傳輸對2.4GHz Wifi的影響
那麼,USB各版本的簡析至此。而USB-C其實還加入瞭一個非常重要的新技術:USB Power Delivery。這個技術才是讓USB支持高達100W輸出的重點。最後來總結一下本文突出的幾個重點:
1:規格、市場推廣術語與開發者術語關聯但相互獨立,故一個速度規范擁有多個說法;
2:Low-Speed、Full-Speed的市場術語統一為Basic-Speed USB;
3:USB 3.2 5Gbps / 10Gbps / 20Gbps的市場推廣術語分別為SuperSpeed USB / SuperSpeed USB 10Gbps / SuperSpeed USB 20Gbps;
4:USB-C是大統一未來,硬件設計上全面超越瞭過往的USB接口;
5:供電性能與版本號無關,隻與接口以及協議有關;
6:USB 3.0 / 3.1已經改名,而且沒多少人知道改名瞭;
7:USB 3.2 20Gbps普及尚需時間,目前支持完整20Gbps的設備極少。
筆者後記:
憑借一些開始的認知寫瞭初始第一版,沒想到去USB IF查找相關技術文檔確認細節時發現改瞭一堆亂七八糟的。USB IF技術文檔內的名稱一時一個。不斷的更改名稱的他們估計也搞不清楚各個名稱之間的邏輯瞭。
原本一天寫好的文章,最後因為翻譯技術文檔與查看理解。為瞭本文的嚴謹性,筆者進行瞭4次大修改。由於USB IF亂七八糟的改規范與命名,現在媒體上有不少介紹相關內容的文章都有不同程度的錯誤。恩,都怪USB IF!
怨念一下:除瞭筆者外,相信還有不少人想一棒子把USB IF揍死......
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