在本文中，我们将探索 USB 接口的普及程度，了解该标准的演变过程，并讨论 USB 连接器类型所经历的变化。

无论身处何地：USB 无处不在。
我们很容易低估 USB 接口对我们日常生活中如何使用和使用科技产品所产生的巨大影响。自二十多年前诞生以来，USB 连接器已经像家门钥匙一样普及。我们常常会把 USB 设备插上就忘了，比如台式电脑键盘。而有时，我们可能一天要插拔好几次，比如把手机插到车载信息娱乐系统里。晚上，很多人会把手机、健身追踪器或平板电脑插到 USB 电源插座上充电，以便第二天使用。USB 连接器越来越多地用于供电而非数据传输，这充分说明了我们对这种接口的依赖程度。

USB 的发展历程：
通用串行总线 (USB) 的第一个版本，即 USB 1.0，于 1996 年由 USB 开发者论坛 (USB-IF) 发布。当时一些领先的硬件厂商，例如 Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC 和 Nortel，都支持 USB 1.0 的建立，其最初的想法是建立一个连接计算机和外围设备的标准方法。
台式计算机和外围设备（例如外置硬盘、键盘、鼠标、打印机、网络摄像头、便携式媒体播放器等）的爆炸式增长催生了多种连接方式，其中一些是专有的。缺乏标准连接限制了各个独立外围设备制造商的市场增长。在 20 世纪 90 年代中期，常见的外围设备连接方式是 RS232 串行端口和 Centronics 并行接口；这两种方式都无法供电，而且都需要一定的技术知识才能进行配置。其他接口包括 IBM PS/2、DIN 和 SCSI。
从一开始，USB 规范就要求接口简单易用。这意味着它无需任何配置，可以在计算机运行时插拔，从而允许在不中断主机运行的情况下添加和移除设备。几乎所有相应的外部设备都需要电源，因此 USB 1.0 的额定功率为 5VDC/0.5A/2.5W。通过为外部设备供电，不再需要额外的线缆和电源。USB 还规定了少量用于外部设备和主机设备的连接器类型。其电气特性极其简单：一根四芯电缆，两根用于供电，一根双绞线用于数据传输。在 USB 的第一个十年里，出现了许多不同类型的连接器，尽管其中许多现在已经过时。有时，连接器规范（例如 A 型）会与总线规范（例如 USB 3.1）混淆（参见图 1）。
MRA369-图1
多年来，USB 规范不断发展，包括数据传输速率和供电能力。最初的 USB 1.0 规定了两种信号传输速率（12 Mbps 和 1.5 Mbps）。为了尽量减少技术术语的使用，让公众更容易理解，每种速度规范都采用了通俗易懂的名称。例如，12 Mbit/s 标准被称为“USB 全速”，1.5 Mbit/s 标准被称为“USB 低速”。USB-IF 在 2000 年的 USB 2.0 中沿用了这一策略（480 Mbit/s 标准被称为“高速”），并在 2008 年推出了速度高达 5 Gbit/s 的 USB 3.0，并将其命名为“超高速 USB”（参见图 2）。

USB接口 - 图22013年，USB 3.1 SuperSpeed+ 的传输速度高达10 Gbit/s；2017年，USB 3.2 引入了双通道传输方式，将速度提升至20 Gbit/s。短短十余年间，传输速度提升了1666倍，USB 的普及速度也随之加快。当时，USB 的性能也超越了其他竞争技术，例如苹果公司速度更快但结构更复杂的 FireWire 接口。USB
3.0 实现了数据传输速度的多次迭代，更重要的是，它还推出了 USB-C 接口。USB-C 接口的显著特点是兼容性更强，无需特定方向即可插入。如今，USB-C 已迅速成为便携式设备（从手机到笔记本电脑）的主要充电和供电方式，其供电能力也已达到传统电源适配器的水平。此外，USB-C 和 USB 3.0 引入了不同的输出电压范围：9V、12V、15V 和 20V。USB

MRA369-图3一直致力于实现其最初的目标。线缆长度相对较短，其设计理念是将设备连接到与主设备位于同一物理位置，而非用于网络连接。此外，这种连接拓扑结构要求所有通信都必须通过主控制器。设备之间无法直接连接和通信。

USB架构和概念：
USB采用多级星型拓扑结构，主控制器或“上游”主机设备通常位于计算机上。单个控制器最多可通过多个集线器连接127个设备。连接的外围设备根据其类别（例如人机界面、多媒体传输等）进行分类。每个设备（例如键盘）都由一个唯一的地址和通常三个逻辑连接点通道标识。每个连接点都有特定的功能，规范允许单个设备上最多有32个连接点（参见图4）。
MRA369-图4
主机控制器和设备之间的通信通过双向通道进行，包括控制通道和数据通道。这些通道的功能取决于设备类别，设备类别通常定义了数据传输类型。数据传输类型有四种：控制、中断、批量和同步。
图5展示了每种数据传输类型的属性，并给出了一个示例用例。

当USB设备连接到主机控制器时，会进行设备初始化（枚举）过程。此步骤中，主机向设备发送复位信号并请求参数以确定其设备类别和传输速率。收到此信息后，主机控制器会为设备分配一个唯一的 7 位地址，之后即可开始通信。

MRA369-图5
如需更详细、更专业的 USB 架构和工作原理技术说明，您可以在 USB-IF 网站上找到相关资源。 英飞凌（原赛普拉斯）的应用笔记 AN57294 也对 USB 2.0 的工作原理进行了详细解释。

USB4规范的持续演进：
2019年末，USB-IF发布了USB4规范。USB4基于USB 2.0和USB 3.4，主要采用Thunderbolt协议。通过两条配备USB Type-C接口和认证线缆的线路，数据传输速度最高可达40Gbps。许多数据和显示协议都能有效共享USB4的最大带宽。USB4向下兼容USB 2.0，并且新增了对Thunderbolt 3设备的兼容性。USB-IF将引领未来向USB Type-C的融合作为USB4的目标之一，以避免众多旧式接口类型造成的混乱。动画和视频编辑等创意领域长期以来一直受益于Thunderbolt 3的出色传输速率，因此将其集成到USB4中将为许多新的应用场景打开大门。USB4还可以支持其他流行的传输协议，例如PCIe和DisplayPort。
如需详细了解 USB4， USB4 系统概述 将特别值得关注。USB
-IF 持续为设备制造商提供测试和合规性服务。由于 USB-C 已在充电和供电应用领域得到广泛应用，而 USB4 正在扩展到更广泛的外围设备领域，USB-IF 创建了 EnablingUSB，用于向消费者告知产品认证信息的新标识。

Mouser USB 产品
提供来自领先分销商的各种 USB 产品，旨在帮助工程师进行 USB 应用的开发和生产。
例如，FTDI Chip 的一系列 USB Type-C 评估模块。FT233HP和 FT4233HP 模块提供高速 USB Type-C 连接，配备两个 Type-C 端口。其中一个端口可用作功率吸收端口或电源端口，另一个端口仅可用作功率吸收端口。这些端口支持多种 USB 3.0 电源配置文件，范围从 5V 到 20V。主机串行连接选项包括 UART、SPI、I2C 和 JTAG。这些模块还包含 FTDI 的高速 USB 桥接 IC，即 FT233HP 和 FT4233。这些 USB 3.0 设备采用 32 位 RISC 控制器，并向下兼容 480 Mbps 和 12 Mbps 的 USB 2.0 标准。
Microchip Technology 的 USB58x 和 USB59x系列USB 3.1 Gen 1 兼容智能桥接 IC 可实现六个或七个 USB 3.1 Gen 1 下游端口，并采用 Microchip 的端口分割技术，允许单个 USB 下游端口同时用于 USB 3.1 和 USB 2.0 设备。USB58 和 USB59 的桥接功能支持通过 USB 无缝使用 I2C、SPI 或 GPIO 接口。Microchip EVB-USB5816 评估板是USB5816 系列桥接 IC的理想演示和原型开发平台。图 5 展示了 Microchip USB5816 桥接 IC 的内部架构，图中显示了六个下游端口和一个上游端口。

MRA369-图6
在 USB 供电应用中， 英飞凌/赛普拉斯 EZ-PD CCG3PA USB Type-C 控制器 是各种移动设备和平板电脑充电应用的理想之选。它采用 Arm Cortex-M0 处理器内核，并具备系统故障保护功能（例如低电压、高电压或高电流输出）；同时，它还符合 USB-IF Power Delivery 3.0 规范。

USB：日益强大。
通用串行总线（USB）已成为几乎所有类型设备的理想短距离、高速有线接口。近年来，随着 USB Type-C 连接器的出现以及供电功能的日益普及，USB 的吸引力和普及度进一步提升。
对于硬件工程师和嵌入式系统开发人员而言，将 USB 连接和供电功能集成到设计规范中至关重要。各大半导体供应商提供种类繁多的 USB-IF 兼容接口、控制器和电源 IC，可作为设计的基础。评估板、开发套件和参考设计有助于加快从初始设计概念到最终实现的整个过程。

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