了解 USB 类型与灵活的 USB 系统

如今，消费者可用的 USB 连接类型种类繁多，令人惊讶。Issarawat Tattong / Getty Images

与连接设备到电脑的其他方式（包括并行端口、串行端口以及安装在电脑机箱内的专用卡）相比，通用串行总线连接器极其简单。

在这里，我们将从用户和技术的角度探讨USB 类型。您将了解 USB 系统为何如此灵活，以及它如何能够如此轻松地支持如此多的设备。

USB 连接器为何如此便捷

任何使用电脑一段时间的人都明白通用串行总线解决的问题：过去，将设备连接到电脑是一件非常麻烦的事。

打印机连接到并行打印机端口，而大多数电脑只配备一个。像外部存储介质这样需要高速连接到电脑的设备，也会使用并行端口，但通常效果有限，速度也不快。
调制解调器使用串行端口，但有些打印机以及各种奇怪的设备，如个人数字助理（PDA）和数码相机也使用它。大多数电脑最多只有两个串行端口，而且在大多数情况下速度非常慢。
需要更快连接的设备都自带专用卡，这些卡必须安装在电脑机箱内部的卡槽中。不幸的是，卡槽数量有限，而且有些卡很难安装。

USB 的目标是终结所有这些麻烦。通用串行总线提供了一种单一、标准化、易于使用的方式，可将多达 127 个设备连接到电脑。

USB 线缆类型

将 USB 设备连接到电脑很简单：您只需找到机器背面的 USB 连接器，然后将 USB 连接器插入其中。（如今，较新的机器和移动设备更可能配备 USB-C 端口。）

如果是一个新设备，操作系统会自动检测并要求您提供驱动盘。如果您已经安装了该设备，电脑会激活它并开始与其通信。您可以随时连接和断开 USB 设备。以下是几种不同类型的 USB 线缆

USB A 型

许多 USB 设备都带有内置线缆，线缆上有一个“A”型连接头。这种常见的 USB 连接器形状扁平细长。您只能以一个方向插入它。

USB B 型

您通常会将 USB B 型连接器用于大型设备。这种连接器呈近似方形，顶部一角略带斜角，使其更容易正确插入。

B 型连接器通常位于 A 型线缆的另一端。（“A”型连接器朝“上游”方向连接到电脑，“B”型连接器朝“下游”方向连接到单个设备。）

USB C 型

USB-C 线缆小巧且可正反插，因此您可以以任何方向插入它。它最适合在各种设备之间进行高速数据传输和电力传输。

USB C 型连接器支持 USB 3.1 标准，该标准可实现高达 10 Gbps 的数据传输速度和高达 100 瓦的电力传输，从而促进更快的充电和高效的数据处理。

USB Mini

USB Mini 连接器（或称 mini-USB）将数码相机、MP3 播放器和旧款手机等各种小型设备连接到电脑，进行数据传输和充电。它比标准的 USB A 型连接器小，但比更近期的 Micro-USB 和 USB C 型连接器大。

Mini-USB 主要有两种形式：Mini-A 和 Mini-B。在大多数消费电子产品中，Mini-USB 已被 Micro-USB 和 USB C 型连接器大体淘汰和取代，但有时仍在使用。

USB Micro

USB Micro 连接器是 USB 接口的紧凑型版本。它主要用于智能手机、平板电脑和数码相机等小型便携设备。它有两种形式：Micro-A 和 Micro-B。

USB 集线器

如今您购买的大多数电脑都至少带有一两个 USB 插座。但市场上 USB 设备如此之多，您很快就会发现插座不够用。例如，您可能有一个键盘、鼠标、打印机、麦克风和网络摄像头都采用 USB 技术，那么显而易见的问题是：“如何连接所有这些设备？”

解决这个问题的简单方法是购买一个便宜的 USB 集线器。USB 标准支持多达 127 个设备，USB 集线器是该标准的一部分。

集线器通常有四个新端口，但也可能有更多。您将集线器插入电脑，然后将您的设备（或其他集线器）插入到集线器中。通过将集线器串联起来，您可以在一台电脑上创建数十个可用的 USB 端口。

USB 标准允许设备从其 USB 连接获取电力。像打印机或扫描仪这样的高功率设备将拥有自己的电源，但像鼠标和数码相机这样的低功率设备则从总线获取电力，以简化其设计。电力（USB 2.0 最高 5 伏 500 毫安，USB 3.0 最高 900 毫安）来自电脑。

如果您有很多自供电设备（如打印机和扫描仪），那么您不需要有源集线器；连接到集线器的设备都不需要额外电力，因此电脑可以处理。

如果您有很多无源设备，如鼠标和相机，您可能需要一个有源集线器。该集线器有自己的变压器，并向总线供电，这样设备就不会使电脑的电源过载。

USB 工作流程

当主机启动时，它会查询连接到总线上的所有设备，并为每个设备分配一个地址。这个过程称为枚举；设备在连接到总线时也会被枚举。主机还会从每个设备那里了解它希望执行的数据传输类型

中断（Interrupt）：像鼠标或键盘这样发送数据量非常小的设备，会选择中断模式。
批量（Bulk）：像打印机这样接收大数据包的设备，使用批量传输模式。打印机接收一个数据块（以 64 字节块为单位），并验证其正确性。
同步（Isochronous）：流媒体设备（如扬声器）使用同步模式。数据在设备和主机之间实时传输，并且没有错误校正。

主机还可以使用控制包发送命令或查询参数。

当设备被枚举时，主机正在跟踪所有同步和中断设备请求的总带宽。它们可以占用可用带宽的 90%（480 Mbps），USB 3.0 将此速度提高到每秒 4.8 千兆比特。

当 90% 的带宽被占用后，主机将拒绝任何其他同步或中断设备的访问。控制包和批量传输包使用剩余的带宽（至少 10%）。

通用串行总线将可用带宽划分为帧，并由主机控制这些帧。每个帧包含 1,500 字节，并且每毫秒开始一个新帧。

在每一帧中，同步和中断设备都会获得一个时隙，从而保证它们所需的带宽。批量传输和控制传输使用剩余空间。如果您想了解更多信息，文章末尾的技术链接包含大量详细内容。

USB 特性

通用串行总线具有以下特点

电脑充当主机。
多达 127 个设备可以直接或通过 USB 集线器连接到主机。
单独的 USB 线缆最长可达 5 米；通过集线器，设备距离主机最远可达 30 米（相当于六根线缆的长度）。
使用 USB 2.0，总线最大数据速率为每秒 480 兆比特（是 USB 1.0 速度的 10 倍）。
USB 2.0 线缆有两根电源线（+5 伏和地线）以及一对用于传输数据的双绞线。USB 3.0 标准额外增加了四根数据传输线。USB 2.0 每次只能单向传输数据（下游或上游），而 USB 3.0 可以同时双向传输数据。
通过电源线，电脑可以提供最高 5 伏 500 毫安的电力。USB 3.0 线缆可以提供最高 900 毫安的电力。
低功率设备（如鼠标）可以直接从总线获取电力。高功率设备（如打印机）有自己的电源，并从总线获取极少量电力。集线器可以拥有自己的电源，为连接到集线器的设备供电。
USB 设备支持热插拔，这意味着您可以随时将其插入或拔出总线。USB 3.0 线缆兼容 USB 2.0 端口——您不会获得与 USB 3.0 端口相同的传输速度，但数据和电力仍会通过线缆传输。
当电脑进入省电模式时，许多 USB 设备可以被主机电脑置于休眠状态。

连接到 USB 端口的设备依靠线缆传输电力和数据。

后续的 USB 技术世代

USB 2.0

USB 2.0 版本标准于 2000 年 4 月发布，是 USB 1.1 的升级版。

USB 2.0 为多媒体和存储应用提供了额外的带宽，数据传输速度比 USB 1.1 快 40 倍。为了让消费者和制造商都能平稳过渡，USB 2.0 完全向前和向后兼容原始 USB 设备，并可与为原始 USB 制作的线缆和连接器配合使用。

USB 2.0 支持三种速度模式（每秒 1.5、12 和 480 兆比特），支持低带宽设备，如键盘和鼠标，以及高带宽设备，如高分辨率网络摄像头、扫描仪、打印机和高容量存储系统。

USB 2.0 的部署使得 PC 行业领导者能够继续开发 PC 外围设备，以补充现有高性能 PC。

除了改进功能和鼓励创新之外，USB 2.0 还提高了用户应用程序的生产力，并允许用户同时运行多个 PC 应用程序或多个高性能外围设备。

USB 3.0

USB 3.0 标准于 2008 年 11 月 17 日正式发布 [来源：Everything USB]。USB 3.0 速度比 USB 2.0 快 10 倍，达到每秒 4.8 千兆比特。

它旨在用于传输高清视频片段或将整个硬盘备份到外部硬盘等应用。随着硬盘容量的增长，对高速数据传输方法的需求也随之增加。

USB-C

USB-C 技术于 2014 年作为新标准推出，以其多功能和高性能特性彻底改变了连接方式。USB-C 相较于 USB 3.0 而言，是一项重大升级，数据传输速度高达每秒 10 千兆比特，比其前身的速度翻了一倍多。

这一进步支持了对快速数据传输日益增长的需求，使其成为快速传输超高清视频或大型数据文件等任务的理想选择。

USB-C 线缆和 USB-C 端口的可逆设计简化了连接并提高了用户便利性，同时它对包括电力传输在内的各种协议的支持，实现了更快充电和更广泛设备（从智能手机到笔记本电脑等）的更多功能。

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