USB协议（1）USB基础知识

article/2025/9/21 8:09:29

USB（Universal Serial Bus）是通用串行总线的缩写，它是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

多媒体电脑刚问世时，外接式设备的传输接口各不相同，如打印机只能接LPT、调制解调器只能接RS232、鼠标键盘只能接PS/2等。繁杂的接口系统，加上必须安装驱动程序并重启才能使用的限制，都会造成用户的困扰。因此，创造出一个统一且支持易插拔的外接式传输接口，便成为无可避免的趋势，USB应运而生。

最新一代的USB是USB4，传输速度为40Gbit/s。物理接头USB Type-A、Type-B接头分正反面，新型USB Type-C接头不分正反，目前已近大规模用在手机设备上。

1 USB概述

USB最初是由英特尔与微软倡导发起，最大的特点是尽可能地实现热插拔和即插即用。当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序，因此其在使用上远比PCI和ISA等总线方便。

USB在速度上远比并行端口（例如EPP、LPT）与串行接口（例如RS-232）等传统电脑用标准总线快上许多。USB 1.1（USB 2.0 FullSpeed）的最大传输速率为12Mbps，USB 2.0（USB 2.0 HiSpeed）为480Mbps，USB 3.0（USB 3.2 Gen1）为 5Gbps，USB 3.1（USB 3.2 Gen2x1）为 10Gbps，而USB 3.2（USB 3.2 Gen2x2）更达20Gbps，以及近期发表的USB 4.0，其速度可达40Gbps。

USB的设计为非对称式的，它由一个主机控制器和若干通过集线器设备以树形连接的设备组成。由于时序的约束限制，一个控制器下最多可以有5级Hub，包括Hub在内，最多可以连接128个设备，因为在设计时是使用7比特寻址字段，二的七次方就等于128，一般人说USB连接127个是指连接（某一设备）时需扣除一个连接主机的USB接头，而一台计算机可以同时有多个控制器。和SPI-SCSI等标准不同，USB集线器不需要终结器。

USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数字相机、打印机、硬盘和网络等部件。对数字相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化与计算机的连接，USB也逐步取代并行接口成为打印机的主流连接方式之一。2004年已经有超过1亿台USB设备；到2007年时，高清晰度数字视频外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他需要更高的传输速率，不过USB3.1和2019年USB4的问世，高清晰度数字视频外设和外接式显卡也能在USB播放。

2001年底，USB-IF公布USB 2.0规范，与之前的USB 0.9、USB 1.0和USB 1.1一样，该规范完全向下兼容。随后，USB-IF公布USB On-The-Go（USB OTG，当前版本：1.0a）作为USB 2.0规范的补充标准，使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。

现USB标准中，按照速度等级和连接方式分为以下七种版本。注意USB-IF目前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。

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目前USB支持5种数据信号速率，USB设备应该在其外壳或者有时是自身上正确标明其使用的速率。USB-IF进行设备认证并为通过兼容测试并支付许可费用的设备提供基本速率（低速和全速）和高速的特殊商标许可。

1.5 Mbps的低速速率。主要用于低速率人机接口设备，例如键盘、鼠标、游戏杆等等。
12 Mbps的全速速率。在USB 2.0之前是曾经是最高速率，后起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率。多个全速设备间可以按照先到先得法则划分带宽；使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见。所有的USB连接端口支持全速速率。
480 Mbps的高速速率。并非所有的USB 2.0设备都是高速的。高速设备插入全速连接端口时应该与全速兼容。而高速连接端口具有所谓事务翻译器（Transaction Translator）功能，能够隔离全速、低速设备与高速之间数据流，但是不会影响供电和串联深度。
5Gbps的超高速速率。相较于现有USB 2.0的480Mbps最高理论速度，USB 3.0可支持到5.0Gbps，是USB 2.0的10倍。若将USB 3.0应用到外置硬盘、U盘或蓝光刻录机等存储设备，将可大幅缩短资料传输时间。
10Gbps的超高速速率+。USB 3.1 Gen2最高10Gbps理论速度，是USB 3.0的两倍。