並行埠是什麼
在過去，USB在為電子產品提供連線和供電的過程中扮演著重要的角色。隨著時間的推移，USB介面發生了變化，但無論使用者使用了哪種USB，主機總是能夠識別出其所連線的裝置是什麼。
但這到底是怎麼發生的呢它如何知道何時連線了滑鼠而不是印表機？USB 2。0和USB 3。2的SuperSpeed有什麼區別？
即插即用
20世紀90年代，USB還沒有出現。在那個時代，奔騰處理器剛開始流行，Windows系統是3。1版本，個人電腦還是米色的。當時沒有無線連線和雲服務，因此列印、複製照片或使用外部儲存都需要採用物理連線的方式連線到電腦上。
與當今的PC不同，30年前的計算機配備了大量不同的介面和通訊系統。由於每個介面的差異和侷限性，使得連線並不順利。
（1個DE-15 VGA插槽，2個DE-9串列埠和1個DB-25並行埠以及2個PS / 2聯結器，來源：Recycled Goods）
滑鼠和鍵盤幾乎是使用序列PS / 2埠，每個埠都有專用的6針介面。印表機和掃描器透過25針聯結器連線到並行埠，而其他所有埠則透過經典串列埠連線。
如果不小心將滑鼠插入鍵盤介面中會出現什麼情況？由於PC不知道插入了錯誤的裝置，因此它根本無法工作。實際上，這些埠並不能識別出來它所連線的裝置，使用者必須告訴電腦它是什麼，然後手動為它安裝正確的驅動程式。
如果一切順利，在安裝驅動程式後快速重啟，便可以正常執行。但通常情況下，PC使用者需要深入研究Windows的控制面板或主機板的BIOS，以使其順利執行。
（九十年代嘗試連線外圍裝置的PC使用者熟悉的景象。資料來源：WinWorld）
使用者自然希望所有外設都可以透過一個介面來執行，可以在無需重新啟動機器的情況下進行插拔，同時，還可以立即識別和配置其所連線的裝置。
系統供應商也想要一些更通用的東西，以取代對大量不同介面的需求，並降低生產成本。在保持向後相容性的同時，還需要在以後的歲月中有開發和改進的空間。
同心協力的時刻
1994年、Intel、Microsoft、IBM、Compaq、DEC和Nortel共同建立了一個聯盟，來滿足市場的願望和需求。
英特爾領導了這項技術的開發，Ajay Bhatt成為了專案的主架構師——他還為AGP（加速圖形埠）和PCI Express做了同樣的工作。在短短兩年的時間裡，一個完整的規範釋出了，同時釋出的還有控制晶片。
這樣就誕生了通用序列匯流排——作為序列、並行和PS/2埠的替代品。它擁有乾淨、簡單的設計和出色的效能。然而，新系統的應用在一開始推進的很緩慢，直到1998年1。1版本釋出，一切才真正開始。
（資料來源：微軟）
這個版本的改動相當小，主要是關於電源管理和裝置相容性，這並不是促使USB被市場採用的主要原因。其主要原因是，微軟在1997年秋天的一次更新中在Windows 95添加了USB 1。1支援，這才使得USB有了發展的機會。
微軟還大力推廣了“ 即插即用 ” 一詞，即PC的設計理念和系統要求，旨在消除設定計算機和外圍裝置的複雜性。儘管不是最強大的系統，但USB還是它的理想之選。
蘋果的全身心投入對USB的推廣起到了最明顯的效果，當年，其釋出的產品震撼了整個PC行業。
（蘋果的第一臺iMac。資料來源：維基百科）
第一代iMac於1998年8月推出，它既鮮明又大膽，是第一批所謂的“無傳統”的PC之一。該術語用來表示計算機避開了所有舊埠和裝置：其所採用的都是最新的硬體。儘管一開始它並沒有受到批評者的歡迎，但它繼續大量銷售——它的普及使USB很好地進入了市場，儘管他比基於Windows的同類計算機出售早了幾年。
USB規範進行了多次修訂，其中主要的修訂是2001年的2。0、2008年的3。0以及去年釋出的最新規範（4。0）。
外觀很簡單
首先看一下典型PC中連線的總體佈局。
下圖顯示了Intel X299 Skylake-X系統中的各種裝置如何相互通訊：
如上圖所示，左下方的USB介面可以直接連線到Intel稱為PCH的平臺控制器中樞。在USB首次出現的日子裡，這種晶片通常稱為南橋（Southbridge），它可以管理指令和資料流向硬碟，網路介面卡，音訊晶片等元件。
PCH至今仍然扮演著相同的角色，儘管現在它需要處理的事情更多。順帶一提，AMD Ryzen CPU實際上直接處理這些任務：它們不需要PCH /南橋，儘管大多數Zen主機板都帶有一個額外的控制器，以提供更多的埠和介面。
X299晶片的內部深處有一個稱為USB主機的部分，它包含兩個關鍵元素：USB 控制器和根集線器。前者是一個小型處理器，可以釋出所有指令，管理電源傳輸等。像所有此類積體電路一樣，它需要驅動程式才能執行，但是這些驅動程式幾乎總是內建在作業系統中。
根集線器是將USB裝置連線到計算機的主要階段，但並非每個系統都以這種方式設定。有時，裝置會連線到其他集線器，這些集線器又會以菊花鏈的方式回到USB主機（影象頂部的綠色框）。
最新的規範允許最多5個集線器鏈，雖然這可能聽起來不是很多，同樣的標準還規定一個USB控制器必須支援多達127個裝置。如果需要連線更多，則只需新增另一個控制器——這實際上是USB 3。0標準的預設要求。
集線器和裝置透過一組邏輯管道相互通訊，每個連線的外圍裝置最多具有32個通訊通道（上游16個，下游16個）。不過，大多數只使用少數幾個，並且只在需要時才啟用它們。
（這樣的多功能裝置需要來回移動大量資料。）
可以根據通訊管道的工作對其進行簡單分類：傳送/接收指令或傳輸資料。對於後者，使用的邏輯系統是單向的，而指令始終是雙向的。
例如，USB掃描器只能將資料傳送到集線器，而印表機只能接收資料。硬碟驅動器，網路攝像頭和其他多功能裝置兩者兼有，因此將有更多活動的管道在執行。
那麼
所有的這些資訊是如何傳輸？
在USB 1。0到2。0的情況下，只需使用2條線即可完成，這明顯少於舊的並行埠。
該規格的聯結器包含4個引腳：一個用於5伏電源，兩個用於資料，另一個則用於接地。5 V引腳提供了操作聯結器中的電子裝置和裝置本身所需的所有電流，但最高限制為：
USB 2。0 = 2。5 W
USB 3。0/3。1 = 4。5 W
USB 3。2/4 = 7。5 W
透過USB 2。0或更高版本，或透過電池充電或供電模式來突破這些限制。這樣使用時，資料無法傳輸，但可以提供更多的電能——這是傳統埠永遠無法做到的。
資料線採用差對（differential pair）的方式工作——它們兩端的電壓模式為主機控制器提供位元流。將裝置插入USB埠後，控制器會拾取一個數據引腳上的電壓變化，這將啟動一個稱為裝置列舉的過程。首先要復位外設，以防止其處於錯誤狀態，然後控制器會讀取所有相關資訊（例如裝置型別和最大資料速度）。
USB裝置屬於許多類別之一，每個類別都有一個設定程式碼——例如，藍芽介面卡屬於無線介面卡類別，而具有力反饋的steering wheel則屬於物理介面裝置。
了市場當中。最初是為外部硬碟驅動器和CD燒錄機之類的裝置而設定的，多年來，它已擴充套件到包括快閃記憶體棒，數碼相機和智慧手機——後者的儲存容量有了巨大的增長，且通常使用USB連線將檔案傳輸到計算機中。
一次只能管理一臺裝置（因此它是序列匯流排），但是控制器可以在它們之間快速切換，這就讓人感覺它們是在同一時間處理的。例如，雖然匯流排的速度不如SATA介面，但是使用USB驅動器的計算機可以從它們啟動，也可以從裝置上執行行動式應用程式，而無需安裝它們。
野蠻發展的年代
在USB 1。0規範的早期草案中，介面中的資料線設計為僅以一種速度執行：5 MHz。由於線路成對工作，因此匯流排本身為1位寬，因此最大頻寬為每秒5 Mbit（或640 kB / s）。
這是對傳統串列埠所進行的巨大改進，但與在ECP模式（20 Mbits / s）中配置的並行埠所取得的進步相比，它的進步卻要小得多。當時，達到這種速度排除了許多非常簡單的裝置（例如滑鼠和鍵盤），因此，該規範擴充套件為以兩種時鐘速率下進行工作，從而提供1。5 Mbit / s或2 Mbits / s的資料速率。由於在規範當中沒有明確的表述，因此，設計師將之命名為低速和全速。
當USB 2。0在2001年定版時，匯流排提供了一個市場非常需要的更高的時鐘速率，峰值頻寬為480 Mbit / s——還有什麼比“全速”更快呢？當然是高速。7年後，當3。0版本出現時，這種命名混亂達到了頂峰。
（用於1。1 / 2。0的4個引腳和用於3。0的5個數據引腳（背面））
傳統的兩條資料線所提供的頻寬已達到了其最大容量，而繼續提高頻寬的唯一方法就是增加更多的引腳。最初的USB設計考慮到了這種變化，這就是為什麼介面都是相對寬敞和整潔的原因。
這些額外的引腳使資料可以同時雙向流動（即雙工模式），理論峰值頻寬為每秒5 Gbits，是原始規格的400倍以上。由於這些通道位於舊通道上方的空間中，因此USB 3。0保留了完全的向後相容性。
然後接下來的發展就變得很迷幻。。。
3。1版於2013年推出，擁有更快的資料通道（10 Gbits / s），但由於某種原因，該版本被標記為USB 3。1 Gen 2。為什麼是第二代？因為3。0被重新命名為3。1 Gen 1。
當USB 3。2規範在5年後問世時，幫助制定並同意USB標準的組織決定3。2更強大的功能（最高20 Gbits / s）需要重新命名：
USB 3。1 Gen 1 ——> USB Gen 3。2 1x1
USB 3。1 Gen 2 ——> USB Gen 3。2 2x1
新系統在此基礎上有兩個版本：Gen 3。2 1x2和2x2，其中兩組資料線並行使用。有了這麼多不同的規格和速度，您會認為會有一個固定的標準來幫助識別他們。但我們都錯了——看看Gigabyte主機板的背板：
總共有10個USB埠，涵蓋了3。2版規範的兩個不同版本和兩種型別的聯結器（稍後將對此進行詳細介紹）。顏色編碼和Gigabyte自己的網站都沒有確切告訴您它是哪個版本——它們都被標記為USB 3。2，但是為什麼有些是藍色而有些是紅色？
製造商可以使用官方標識來表明它是哪個版本，但由於這些標識的使用沒有被強制執行，因此它們很少被使用。去年的另一項重新命名活動（廠家被推薦使用 SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps等等）只是強調了USB變得多麼令人困惑。
當USB4（不是錯字，不是USB 4。0）在2019年推出時，人們希望事情會變得更加清楚。事實並非如此，儘管幾乎看不到USB4裝置，但可以肯定的是，由於出現了更多支援不同速度的標準，使得這種混亂持續了下去。
像A，B，C一樣容易嗎？
在設計USB時，工程師希望使系統儘可能地簡單，不必要將時間浪費在嘗試配置一切的事情上。這個概念在介面的格式中得到體現——一種形狀用於USB主機，另一種形狀用於所連線的裝置。它們最終被稱為Type A和Type B。
（ Type A（左）和 Type B（右）。資料來源：Lindy）
其背後的想法是使使用者可以清楚地知道線纜的哪一端將連線到哪裡。但設計人員還希望該系統的實施成本儘可能低，而Type A的設計有時會很難插入。
第一代USB的另一個問題是，對於小型裝置（例如媒體播放器和行動電話），Type B插頭太大了。因此，在1998年釋出1。1版時，引入了縮小的版本，稱為Mini-A和Mini-B。儘管它們也因其脆弱而聞名，但它們很快被手機和平板電腦採用了。
但當智慧手機制造商開始追求更輕薄的裝置時，這些裝置也太大了。USB 2。0的出現解決了這個問題，它不僅提供了更快的速度，而且還提供了Micro-A和B聯結器。
（Baby micro-B next to Big Daddy Type A。 Source： Lindy）
USB 2。0還提供了Micro-AB介面（可以插micro-A和micro-B），雖然USB 3。0的Type A介面可以向後相容USB 2。0，但Type B介面卻不能——它無法插入2。0的Type B介面。
另外一方面，相同規格的Micro-B SuperSpeed聯結器也有些笨重，無法達到``微型‘’的效果。
（The dysfunctional family of older USB connectors。 Source： Wikipedia）
所有這些變化都是為了追求更多的效能（您可以清楚地看到USB 3。0中的額外資料引腳），透過不斷增加產品種類來豐富整個體系。
製造商和消費者都希望有一個小巧的聯結器，它對於主機和裝置來說都是一樣的，並且還能提供更好的效能。因此，隨著USB 3。1（單獨開發）一起，USB-C插頭誕生了。
它不僅代替了對不同A / B介面的要求，還可以按任何方向插入，並且可用於USB以外的連線系統（例如DisplayPort，HDMI和Thunderbolt）。
USB-C聯結器的資料線比USB 3。0 Type A（USB 3。2 SuperSpeed）要多得多——其中兩個完全專用於USB 2。0支援，另外四組差分對提供雙向通訊。這些變化在最新規範中提供了高達40 Gbits / s的頻寬。
有了USB4，與傳統介面的聯絡就永遠被拋棄了——要麼使用USB-C，要麼就什麼都不用了——但在我們告別PC和其他裝置上的Type A介面之前，還需要很多年。
USB的一路成長
雖然最新版本的USB與最初的設計只有一些相似之處，但它的基本前提仍然適用：即插即用。每一個規範修訂都提供了更好的效能（版本4比1。1快3000倍以上），並能夠為裝置提供更高的功率（目前功率輸送模式下的功率可達100瓦）。
但是為什麼USB持續了這麼長時間？有沒有更好的辦法可以提供更多的頻寬或功率？簡單來說並沒有，或者至少現在不是。
十年前，英特爾釋出了Thunderbolt。當時，它肯定比USB 3。0更具吸引力，具有更大的頻寬和更大的靈活性。但是，最新版本仍使用了USB-C聯結器，而放棄了其原來的專有介面，並具有與USB4相同的最大頻寬。它仍然提供更多功能，例如能夠提供更多的功率來執行裝置，但它不會很快就能取代USB。
（那是USB-C聯結器，但它實際上是Thunderbolt線纜）
還有IEEE 1394（更好地稱為FireWire）——像Thunderbolt一樣，它提供了比USB 2。0和3。0更好的效能，但是由於後者的規範已經進行了更新以改進這些方面，FireWire（以及Thunderbolt）提供的主要優勢是以標準的形式出現的。
USB對系統供應商和製造商的吸引力的一部分在於它的相對開放的規範。與Thunderbolt和FireWire不同的是，它可以製作一個“USB 3。2”線纜並以此銷售，但並不完全符合規格中的所有細節。例如，它可能不支援全部頻寬或提供可用的最大功率。
雖然這使得這些產品的製造和購買都很便宜，但當你真正需要線纜的時候，這確實意味著它是一個潛在的雷區。USB提供了多種傳輸速度和電源模式，這讓問題變得更加複雜——在可預見的未來，這種情況將會出現。
但是，儘管存在鬆散的標準、令人困惑的命名方案和多種型別介面的缺陷，但是，USB仍然像以前一樣無處不在。幾乎每個計算機外設都用它連線到主機上——即使是無線的，也幾乎肯定會使用USB dongle。
也許終有一天USB將會被其他技術所取代，但就目前的市場情況而言，合理的價格和簡單的訴求和持續不斷的改進是促使USB前進的動力。USB確實是一個忠實的老朋友