USB接口與USB協議（USB接口與USB協議）

2023-08-08 23:05:08

說起電腦的接口，可能大家首先想到的就是USB。USB也許是大家接觸到的最多的了，因此，我打算先從USB講起。這篇文章是我精簡和校正過的了（最開始寫了8000多字，太多了）。

從外觀上來看，目前市面上常見的USB接口有USB-A（最常見的那種），USB-B（印表機的那種方口，由於比較少見就不介紹了），USB-C（Type-C，也就是現在大多數手機的接口）,micro-USB（舊安卓的接口）等等。下面我挑最常見的幾種講一下。

首先從USB-A說起。幾乎所有電腦都有這種接口（除了一些蘋果的筆記本）。這種接口又可以繼續細分。一種是黑色的、四根線的USB2.0的接口，一種是藍色的、除了那4根線，在母口的外側、公口的內側還有5根線的USB3.0的接口（這麼說不是很嚴謹，但也沒錯，後面將協議的時候會解釋為什麼，暫且這麼叫）。這兩種接口是互相兼容的，區別在於速度。在同協議中，顯然線越多速度越快。

左邊那張圖是USB2.0，它是由兩根電源線和兩根數據線組成。它的傳輸速度是480Mbps（480兆比特每秒），換算成實際傳輸文件的速度大概是48MB/S（48兆字節每秒，這是理論值，實際上達不到）。為什麼這兩個數值相差10倍呢？

首先，我們知道在幾乎所有計算機系統中，1個字節是8位（1B=8b），這就80% 地解釋了為什麼兩個數值相差10倍。

其次，進位不同。如果我問你，1kB等於多少字節？我相信大多數人的回答都是2^10=1024。這個結論在Windows系統裡面是對的，Windows系統是1024進位。但是，1k卻不總是等於1024。比如說在網絡傳輸等條件時使用的bps這個單位下，通常來說，1kbps=1000bps。

當然，這個差異不是很大。並且我們這裡說到的理論的速度，因為現實情況總是沒有那麼理想，因此，我們通常可以不考慮2^10和1000的差異。不過，這個差異在別的地方就體現出來了——那就是你的U盤和硬碟在Windows系統下總是達不到標稱的容量。因為廠家生產的時候是按照1000進位來生產和標註的，而Windows是按照1024進位來計算的（MacOS是1000進位）。這樣算下來，一個64G的U盤在電腦實際顯示的大小應該是64/(1.024)^3=59.6 G。

最後就是協議的開銷，要想能交流，必須要遵從相同的協議。一個接口或者一個設備可以同時兼容不同的協議，就像你可以既會說漢語，又會說英語，還可能會說法語等等。為什麼會有協議的開銷？比如說你在大學裡面給爸媽寫了一封信，信紙上寫了某些內容。到了郵局，你發現，要想讓這封信正確寄到家裡，你還需要信封，並且要在信封上寫上地址、郵編、收件人、電話等等信息。這個信封也會送到你的家裡，同樣會佔用郵局的資源，雖然不是你信件本身的內容，但是也必須要有。這就是協議的開銷。

此外，在電腦上傳輸信息可能還會發生錯誤，我們需要一部分帶寬用於數據校驗，如果某一部分數據被協議檢測出錯誤，則還可能會重傳，這也會浪費帶寬。

接下來回到上面那張圖。右邊是USB3.0的接口。可以發現，USB3.0在2.0的基礎上增加了5條數據線。這5條數據線，讓USB3.0的速度直接飆升到了5Gbps，也就是大概500M/s。3.0對2.0是向下兼容的，並且二者Type-A的接口可以混插。但是，如果混插，也就是3.0的設備插到2.0的接口，或者反過來，都只能以2.0的速度傳輸。

Micro-USB是早期安卓手機的接口，現在基本只存在於部分入門機裡面了。我們常見的Micro-USB接口都是USB 2.0的。也有支持3.0的，但是多出來的5根線使得接口變得更長（也就是多出來了一塊）；而手機內部空間寸土寸金，所以這個接口就沒有被用在手機上，而是用在部分移動硬碟等地方。

接下來說一下Type-C（本文中我有時候也簡稱C口）。當初，蘋果推出Lightening接口，這種接口小巧，支持快充，不分正反，可以盲插，終結了插入USB的3部曲（第一次盲插插不進去；旋轉180°再插，還不行；最後轉回來，成功插進去）。為了取代Micro-USB，Type-C誕生了。

Type-C是USB接口的未來，甚至是所有接口的未來。由於眾多針腳可以集成幾乎所有協議，因此，蘋果筆記本才可以放心大膽地只提供Type-C。當然，並不是所有C口都是能夠實現所有功能，大部分C口只連接了其中一部分針腳，或者不支持某些協議。

USB誕生於1995年，最開始的傳輸速率只有1.5Mbps。USB最大的好處是支持熱插拔，即插即用，但是速度……經過幾次迭代後，2000年制定的USB2.0將速度提升到了480Mbps，並且在大概2003年逐漸普及。目前很多電腦仍舊保留USB2.0插口，因為這個速度足夠鍵盤滑鼠這樣的低速設備運行了。

2008年年底，USB-IF發布了USB 3.0的規範。USB 3.0的速度提升到了高達5Gbps（不過，也加入了糾錯碼等額外開銷）。但是，人們對更高速度的追求永無止境。後來，出現了USB3.1, 3.2，並且也不知道為什麼，USB-IF在推出新的標準的時候順便把舊的標準一起改了個名（這就是為什麼前面我提到，我說USB 3.0不太規範的原因），導致了市面上的產品命名非常混亂。先不過多解釋，直接給結論：

USB 3.2 gen1 = USB 3.1 gen 1 //5Gbps

USB 3.2 gen2 = USB 3.1 gen 2 //10Gbps（罕見，部分高端主板紅色口）

USB 3.2 gen2*2 //20Gbps（僅支持Type-C，未普及）

只有主機、線材、設備都支持某個協議的時候，才能以某個協議的速率運行。

我相信你看到這些名字也有點亂。這就是為什麼每次談到USB協議的時候，大家總要問候一下USB-IF組織的的原因（先不說名稱改來改去以及命名混亂了，看一個協議的名稱居然還需要做一道數學題）。部分商家在宣傳的時候會把usb 3.1 gen1中的gen1給省略掉，如果不寫gen幾，一律當gen1，也就是USB 3.0處理。至於為什麼要如此命名，我也不知道（其實USB 2.0發布的時候也幹過這種事）。

目前最常見、最普遍的還是USB 3.0。那麼USB3.0速度足夠快嗎？如果你的需求只是插個U盤拷數據，已經足夠快了，因為目前大多數USB 3.0的U盤順序讀取的速度也不過100MB/s左右（現在買U盤建議直接買支持USB 3.0的，且32G起步，64G及其以上更好，如果你的預算在200元左右，建議直接買固態硬碟 硬碟盒組成移動固態硬碟），接口速度不是目前U盤速度的瓶頸。

如果你想外接硬碟的話，基本上也夠用了。SATA 3的速度是6Gbps，目前走SATA總線的固態硬碟基本都能跑滿速。用USB 3.0的話速度衰減不是很多。如果是機械硬碟，那速度就更慢了。

但是，如果你想幹一些別的操作，比如外接高清顯示器，外接NVME固態硬碟，甚至筆記本外接顯卡，那麼這個速度是遠遠不夠的。這就需要更快的速度了。

USB4前不久剛剛放出消息，速度40Gbps，總算趕上雷電3了（我想了想，雷電3協議還是放在最後，等講完其它特殊協議之後再講吧）。

首先還是要強調一點，並不是所有的Type-C接口都支持這些協議。其次，這些基於Type-C的協議很可能不只有Type-C這一種接口，還可能有別的形態。

DisplayPort (DP)

DP是一種視頻傳輸協議。常見的視頻協議還有HDMI、VGA和DVI。

如上圖所示，這張顯卡4個接口是常見的視頻接口。左下角是DP接口，近似於一個直角梯形。中間類似於等腰梯形的接口就是HDMI接口。右下角藍色的是VGA接口，右上角那個白色的是VGA接口。

如果你的筆記本的Type-C接口支持DP，那麼就可以用這個口轉接成普通的DP、HDMI或者VGA，並外接顯示器。部分高端顯卡和顯示器也有Type-C接口。

PD、PPS

雖然PD和DP長得很像，並且經常你的筆記本的C口也同時支持這兩個協議，但是這兩個是完全不同的東西。DP是視頻傳輸協議，而PD協議是一個充電協議。

小時候我們就知道，將數據線一頭接手機，一頭接電腦就能給手機充電。但是，現在我一般不建議你這麼做，因為現在手機充電功率越來越大，電腦上的A口（注意定語）已經無法滿足手機的快充需求。既然USB能給手機充電，為什麼就不能給電腦充電呢？答案是可以。

要給你的手機或者筆記本電腦實現快速充電，和你想要快速傳輸數據一樣，也是需要協議支持的。事實上，現在各大國產手機廠商（華米OV等）都有自己私有的充電協議。這些協議比較多，技術路線也不太相同，別說充電器不能混用快充，甚至線材都是自己魔改的，這裡不太想深入討論，此外，USB-IF自己規定了一個協議，就是PD，利用PD協議就可以給電腦充電。詳情可以見我講充電的那一篇。

從形態上來說，PD協議比較好辨認——PD充電器是C口的，而我們常見的充電器都是A口（除了某手機廠商給自己手機魔改的線）。PD協議的線也往往都是兩端都是Type-C接口（除了蘋果快充線是Type-C到Lightening和某些廠商的魔改線）。

雷電3（Thunderbolt 3)

雷電3是英特爾公司聯合蘋果公司推出的協議，它的帶寬可以達到40Gbps，也就是大約每秒鐘傳輸4GB的數據。雷電3隻有Type-C一種接口，之前的雷電2協議不是USB接口，而是mini DP。

最早，雷電3是不開放的，只給蘋果電腦使用；後來英特爾對外開放了，不過需要交納高額的授權費；不久前，這個授權費取消了，但是還需要交納一定額度的認證費。因此，有雷電3的筆記本價格都比較貴。

帶寬都這麼高了，是不是也意味著支持的協議也特別多呢？是的！上面我說到的幾乎所有協議，雷電3都兼容。這就意味著，只要有雷電3接口，就可以轉接出幾乎所有功能。

不過，雷電3的設備比較貴，線材很貴，真正的雷電3拓展塢也不便宜，功能豐富的雷電3拓展塢甚至能賣到2000元。

還有一個問題，雷電3的速度這麼快，有哪些設備能跑滿呢？首先機械硬碟就別想了，它的順序讀寫速度只有大約100MB/s，隨機讀寫速度更是慘不忍睹。那固態硬碟呢？固態硬碟的速度大多數順序讀取的速度是600Mb/s或者1500MB/s，價格更貴的速度也會更快（詳見我講內存的部分），但是一般也不會超過4000MB/s。看起來和雷電3的速度是一樣的（事實上都是由PCIE*4通道轉化出來的），算是能跑滿。

還有什麼比固態硬碟還快的呢？內存。不過，內存其實是電腦的高速緩衝區，似乎很少有把內存的內容直接傳輸出去的吧。有沒有什麼比內存傳輸數據還快的呢？CPU內部的緩存。但是CPU自己的緩存不大，並且一般不會直接用來和外設打交道。

那還有什麼比內存快的嗎？顯卡。顯卡中的顯存是專門設計用來高速傳輸數據的存儲器（當然，存儲器的參數很多，這個顯然是犧牲了別的參數）。事實上，我們除了可以利用支持PD協議的Type-C來輸出畫面，還可以用雷電3來外接顯卡。當然，我不推薦這麼做，因為外接顯卡需要的設備的價格接近你重新買一臺桌上型電腦的主機了。

除了外接顯卡，還可以用內置的顯卡來輸出圖像，連接顯示器（也就是前面提到的DP）。只要你的顯示器夠好，基本就能跑滿雷電3。

不過，你沒有必要非要糾結於讓一個設備跑滿雷電3，雷電3最大的意義在於統一接口以及一個接口拓展各種功能。

USB4和雷電4未來爭取再重新講一下