USB 2.0 协议详解：从历史发展到实际应用
USB 2.0 协议详解：从历史发展到实际应用
USB（Universal Serial Bus）作为最常见的通信接口，被广泛应用于各类电子产品中。本文将详细介绍USB协议的发展历程、不同版本的特点以及其在实际应用中的具体表现，帮助读者深入了解这一重要的通信标准。
USB协议版本发展
USB协议经历了多个版本的发展，从最初的USB 1.0到如今的USB 4.0，每个版本都在传输速度和功能上有所提升。以下是各版本的主要特点：
USB 1.0
- 数据传输速率：提供低速1.5 Mbps和全速12 Mbps两种速率。
- 热插拔和即插即用：支持热插拔功能，允许用户在不关闭计算机的情况下直接插入或拔出USB设备。
- 标准化连接器：规范了A型和B型USB连接器的使用。
USB 1.0作为首款商用USB版本，虽然未得到广泛采用，但为后续USB标准的普及奠定了基础。
USB 2.0
- 高速数据传输：支持高达480 Mbps的数据传输速度，是USB 1.1全速版本的40倍。
- 兼容性：完全兼容USB 1.1，支持全速和低速模式。
- 多种传输模式：支持低速（1.5 Mbps）、全速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）三种传输模式。
- 即插即用和热插拔：用户可以在不关闭计算机的情况下直接插入或拔出USB设备，并且设备可以自动识别和配置。
- 供电方式：USB 2.0为设备提供5V电源，减少了对外接电源的需求。
- 多种设备支持：支持键盘、鼠标、打印机、外部硬盘等多种设备。
- 拓扑结构：采用主从结构，主机负责发起通信，设备负责接收和响应。
- 数据传输机制：基于包（packet）和事务（transaction）的机制，包括令牌包、数据包和握手包。
USB 2.0的推出极大地提高了计算机与外部设备之间的数据传输效率，对于当时的数字存储和带宽需求的增长起到了关键作用。
USB 3.0
- 高速数据传输：提供高达5 Gbps（500MB/s）的理论传输速率，是USB 2.0全速模式的10倍。
- 双总线架构：采用了双总线架构，可以同时支持超高速和非超高速（USB 2.0速度）的数据传输。
- 电源管理：提供了更好的电源管理，能够为需要更大电力支持的设备提供更好的支持。
- 全双工数据通信：实现了全双工数据通信，简化了数据传输过程，提高了效率。
- 兼容性：保持了与USB 2.0的兼容性，可以与USB 2.0和USB 1.1设备一起使用。
- 物理接口：USB 3.0的线缆和插座后向兼容于USB 2.0，但USB 3.0的插头和插座强制要求标准着色，以帮助用户区分。
- 电源供应：提供5V的供电电压和900mA的供电电流。
- 连接模型：连接模型允许根据设备支持的最高信号速度、主机和设备之间所有集线器的最高速度以及当前主机能力和配置来发现和配置USB设备。
USB 3.0的出现极大地提高了计算机与外部设备之间的数据传输效率，满足了高清视频、大容量存储设备等日益增长的数据传输需求。
USB硬件接口类型
USB接口主要分为标准USB接口、Mini USB接口和Micro USB接口三种类型。目前，绝大多数手机接口已经统一为USB Type-C，Type-C接口已成为新时代的主流选择。
标准USB接口
标准USB接口分为Type-A和Type-B两种，其中Type-A和Type-B根据支持的USB标准不同，又可以分为USB 2.0和USB 3.0标准USB接口。根据接口的颜色，我们可以很容易区分该接口是支持USB 2.0还是支持USB 3.0的。Type-A型接口是我们日常生活中最常见的USB接口，广泛应用于鼠标、键盘、U盘等设备上，Type-B型则常用于打印机、特殊显示器等设备上。
Mini USB接口
Mini USB接口是一种小型的USB接口，其指标与标准USB相同，但是加入了ID针脚（用于区分设备是主机还是外设），以支持OTG（On The Go，该功能允许在没有主机的情况下，实现设备间的数据传送）功能。Mini USB接口主要分为Mini-A和Mini-B两种。
Mini USB接口由于相对较小的体型，常见于一些小型设备上，比如MP3、MP4、收音机等，某些型号的手机也采用了该接口。
Micro USB接口
Micro USB接口属于Mini USB的下一代规格接口，Micro USB接口的插头采用了不锈钢材料，插拔寿命提高为10000次，相比Mini USB接口，在宽度几乎不变的情况下，高度减半，更为小巧。Micro USB接口也可分为Micro-A和Micro-B两种。
Micro-B类型的USB接口，相信大家都认识，只是不知道它的专业名称，在智能手机发展的前期，绝大多数的智能手机（iPhone除外，iPhone为Lighting接口，iPhone15则为Type-C）都采用了Micro-B型接口作为充电和数据接口。在USB 3.0标准发布后，Micro-B接口也有了新的造型，相信大家也不陌生，我们购买的支持USB 3.0的移动硬盘盒大部分就采用了该接口。
Type-C接口
Type-C接口是近几年出现的新型USB接口，该接口对于使用者来说，最大的好处就是可以正反插拔。据统计，平均每人每年在插USB上浪费的时间是30分钟！第一次插总是插不进去的，多次插拔到怀疑人生时，最后发现还是第一次的才是对的，后面的N次尝试不过是人生中的小小曲折，有了Type-C接口后终于可以一次搞定了。Type-C接口的样貌如下：
最新的USB 4.0标准目前仅支持Type-C接口，同时USB 4.0采用了Thunderbolt协议（俗称雷电接口协议，是由Intel主导开发的接口协议，具有速度快，供电强，可同时兼容雷电、USB、Display Port、PCIe等多种接口/协议的特点），因此，支持USB 4.0标准的Type-C接口也是可以兼容雷电接口的。如此看来，Type-C接口已是大势所趋了。
USB数据传输方式
USB协议支持四种主要的数据传输方式，每种方式都有其特定的应用场景和特点：
控制传输（Control Transfers）
控制传输用于设备与主机之间的配置和控制消息交换。它们通常用于设备的枚举过程，即在设备连接到主机时对其进行识别和配置。控制传输是可靠的双向传输，具有固定的数据大小（最多64字节对于全速和高速设备，最多8字节对于低速设备）。控制传输包括三个阶段：设置阶段（SETUP）、数据阶段（可选）和状态阶段。
批量传输（Bulk Transfers）
批量传输用于传输大量数据，例如文件传输。它们不保证固定的传输速率，但是保证数据的完整性。批量传输是可靠的双向传输，但是没有固定的传输时间，因为USB会根据总线上的其他活动动态分配带宽。批量传输适用于对时间要求不是特别严格的场合。
中断传输（Interrupt Transfers）
中断传输用于传输小量数据，并且这些数据需要定期或及时传输，如鼠标和键盘的数据。它们提供了保证的传输速率，即在一定的最大延迟时间内完成传输。中断传输是可靠的单向传输，通常用于周期性的数据传输。
等时/同步传输（Isochronous Transfers）
同步传输用于需要恒定速率传输的数据，如音频和视频流。它们不保证数据的完整性，但是保证在特定的时间间隔内传输数据。同步传输是单向传输，数据可能在传输过程中丢失，但是不会影响整体的数据流。
USB协议的意义在于它提供了一种统一、标准化的接口规范，极大地简化了计算机与外部设备之间的连接和数据交换过程。自1996年发布以来，USB协议已成为现代计算机和消费电子产品中最为普及和重要的连接标准之一。如今，USB协议栈已经进入到了USB 4.0时代，但目前大部分嵌入式产品还是以USB 2.0和USB 3.0的电子产品为主。USB协议是非常繁杂且难学的，但USB协议的出现对人类电子产品的进步是极具意义的。日常生活中的Keyboard、Mouse、Communication Device Class（CDC）、Mass Storage Class（MSC）等电子产品都严重依赖于USB协议。USB协议正是因为其学习成本和门槛的存在，所以才值得深入去探究和挖掘。故此，USB的学习是嵌入式工程师职业生涯很值得选择的道路之一！！！