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

1章 – 物理接口

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。

USB-A定義

1.1.1 – USB Type-A的結構

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。

1.2 – MicroUSB

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

1.2.1 – MicroUSB的結構

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。

1.3 – USB-A / MicroUSB高速接口

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。

1.4 – USB Type-C

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

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

2章 – 傳輸接口版本

2.1 – 前言：混亂的命名方式

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。

2.2 – USB 2.0簡析

USB 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。

2.3 – USB 3.2簡析

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。

2.3.1 – USB 3.0 / 3.1 / 3.2有什麼區別呢？

USB 3.2 Gen 1×1：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 1×2：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 2×1：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 2×2：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）。

2.3.2 – 又愛又恨，USB 3.2與WIFI、移動網絡的沖突

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

3章 – 全文總結

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……