USB接口与USB协议（USB接口与USB协议）

USB接口与USB协议

说起电脑的接口，可能大家首先想到的就是USB。USB也许是大家接触到的最多的了，因此，我打算先从USB讲起。这篇文章是我精简和校正过的了（最开始写了8000多字，太多了）。

USB接口与主要的协议

从外观上来看，目前市面上常见的USB接口有USB-A（最常见的那种），USB-B（打印机的那种方口，由于比较少见就不介绍了），USB-C（Type-C，也就是现在大多数手机的接口）,micro-USB（旧安卓的接口）等等。下面我挑最常见的几种讲一下。

首先从USB-A说起。几乎所有电脑都有这种接口（除了一些苹果的笔记本）。这种接口又可以继续细分。一种是黑色的、四根线的USB2.0的接口，一种是蓝色的、除了那4根线，在母口的外侧、公口的内侧还有5根线的USB3.0的接口（这么说不是很严谨，但也没错，后面将协议的时候会解释为什么，暂且这么叫）。这两种接口是互相兼容的，区别在于速度。在同协议中，显然线越多速度越快。

左边那张图是USB2.0，它是由两根电源线和两根数据线组成。它的传输速度是480Mbps（480兆比特每秒），换算成实际传输文件的速度大概是48MB/S（48兆字节每秒，这是理论值，实际上达不到）。为什么这两个数值相差10倍呢？

首先，我们知道在几乎所有计算机系统中，1个字节是8位（1B=8b），这就80% 地解释了为什么两个数值相差10倍。

其次，进制不同。如果我问你，1kB等于多少字节？我相信大多数人的回答都是2^10=1024。这个结论在Windows系统里面是对的，Windows系统是1024进制。但是，1k却不总是等于1024。比如说在网络传输等条件时使用的bps这个单位下，通常来说，1kbps=1000bps。

当然，这个差异不是很大。并且我们这里说到的理论的速度，因为现实情况总是没有那么理想，因此，我们通常可以不考虑2^10和1000的差异。不过，这个差异在别的地方就体现出来了——那就是你的U盘和硬盘在Windows系统下总是达不到标称的容量。因为厂家生产的时候是按照1000进制来生产和标注的，而Windows是按照1024进制来计算的（MacOS是1000进制）。这样算下来，一个64G的U盘在电脑实际显示的大小应该是64/(1.024)^3=59.6 G。

最后就是协议的开销，要想能交流，必须要遵从相同的协议。一个接口或者一个设备可以同时兼容不同的协议，就像你可以既会说汉语，又会说英语，还可能会说法语等等。为什么会有协议的开销？比如说你在大学里面给爸妈写了一封信，信纸上写了某些内容。到了邮局，你发现，要想让这封信正确寄到家里，你还需要信封，并且要在信封上写上地址、邮编、收件人、电话等等信息。这个信封也会送到你的家里，同样会占用邮局的资源，虽然不是你信件本身的内容，但是也必须要有。这就是协议的开销。

此外，在电脑上传输信息可能还会发生错误，我们需要一部分带宽用于数据校验，如果某一部分数据被协议检测出错误，则还可能会重传，这也会浪费带宽。

接下来回到上面那张图。右边是USB3.0的接口。可以发现，USB3.0在2.0的基础上增加了5条数据线。这5条数据线，让USB3.0的速度直接飙升到了5Gbps，也就是大概500M/s。3.0对2.0是向下兼容的，并且二者Type-A的接口可以混插。但是，如果混插，也就是3.0的设备插到2.0的接口，或者反过来，都只能以2.0的速度传输。

Micro-USB是早期安卓手机的接口，现在基本只存在于部分入门机里面了。我们常见的Micro-USB接口都是USB 2.0的。也有支持3.0的，但是多出来的5根线使得接口变得更长（也就是多出来了一块）；而手机内部空间寸土寸金，所以这个接口就没有被用在手机上，而是用在部分移动硬盘等地方。

接下来说一下Type-C（本文中我有时候也简称C口）。当初，苹果推出Lightening接口，这种接口小巧，支持快充，不分正反，可以盲插，终结了插入USB的3部曲（第一次盲插插不进去；旋转180°再插，还不行；最后转回来，成功插进去）。为了取代Micro-USB，Type-C诞生了。

Type-C是USB接口的未来，甚至是所有接口的未来。由于众多针脚可以集成几乎所有协议，因此，苹果笔记本才可以放心大胆地只提供Type-C。当然，并不是所有C口都是能够实现所有功能，大部分C口只连接了其中一部分针脚，或者不支持某些协议。

USB传输协议

USB诞生于1995年，最开始的传输速率只有1.5Mbps。USB最大的好处是支持热插拔，即插即用，但是速度……经过几次迭代后，2000年制定的USB2.0将速度提升到了480Mbps，并且在大概2003年逐渐普及。目前很多电脑仍旧保留USB2.0插口，因为这个速度足够键盘鼠标这样的低速设备运行了。

2008年年底，USB-IF发布了USB 3.0的规范。USB 3.0的速度提升到了高达5Gbps（不过，也加入了纠错码等额外开销）。但是，人们对更高速度的追求永无止境。后来，出现了USB3.1, 3.2，并且也不知道为什么，USB-IF在推出新的标准的时候顺便把旧的标准一起改了个名（这就是为什么前面我提到，我说USB 3.0不太规范的原因），导致了市面上的产品命名非常混乱。先不过多解释，直接给结论：

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

USB 3.2 gen2 = USB 3.1 gen 2 //10Gbps（罕见，部分高端主板红色口）

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

只有主机、线材、设备都支持某个协议的时候，才能以某个协议的速率运行。

我相信你看到这些名字也有点乱。这就是为什么每次谈到USB协议的时候，大家总要问候一下USB-IF组织的的原因（先不说名称改来改去以及命名混乱了，看一个协议的名称居然还需要做一道数学题）。部分商家在宣传的时候会把usb 3.1 gen1中的gen1给省略掉，如果不写gen几，一律当gen1，也就是USB 3.0处理。至于为什么要如此命名，我也不知道（其实USB 2.0发布的时候也干过这种事）。

目前最常见、最普遍的还是USB 3.0。那么USB3.0速度足够快吗？如果你的需求只是插个U盘拷数据，已经足够快了，因为目前大多数USB 3.0的U盘顺序读取的速度也不过100MB/s左右（现在买U盘建议直接买支持USB 3.0的，且32G起步，64G及其以上更好，如果你的预算在200元左右，建议直接买固态硬盘 硬盘盒组成移动固态硬盘），接口速度不是目前U盘速度的瓶颈。

如果你想外接硬盘的话，基本上也够用了。SATA 3的速度是6Gbps，目前走SATA总线的固态硬盘基本都能跑满速。用USB 3.0的话速度衰减不是很多。如果是机械硬盘，那速度就更慢了。

但是，如果你想干一些别的操作，比如外接高清显示器，外接NVME固态硬盘，甚至笔记本外接显卡，那么这个速度是远远不够的。这就需要更快的速度了。

USB4前不久刚刚放出消息，速度40Gbps，总算赶上雷电3了（我想了想，雷电3协议还是放在最后，等讲完其它特殊协议之后再讲吧）。

其他基于Type-C接口的协议

首先还是要强调一点，并不是所有的Type-C接口都支持这些协议。其次，这些基于Type-C的协议很可能不只有Type-C这一种接口，还可能有别的形态。

DisplayPort (DP)

DP是一种视频传输协议。常见的视频协议还有HDMI、VGA和DVI。

如上图所示，这张显卡4个接口是常见的视频接口。左下角是DP接口，近似于一个直角梯形。中间类似于等腰梯形的接口就是HDMI接口。右下角蓝色的是VGA接口，右上角那个白色的是VGA接口。

如果你的笔记本的Type-C接口支持DP，那么就可以用这个口转接成普通的DP、HDMI或者VGA，并外接显示器。部分高端显卡和显示器也有Type-C接口。

PD、PPS

虽然PD和DP长得很像，并且经常你的笔记本的C口也同时支持这两个协议，但是这两个是完全不同的东西。DP是视频传输协议，而PD协议是一个充电协议。

小时候我们就知道，将数据线一头接手机，一头接电脑就能给手机充电。但是，现在我一般不建议你这么做，因为现在手机充电功率越来越大，电脑上的A口（注意定语）已经无法满足手机的快充需求。既然USB能给手机充电，为什么就不能给电脑充电呢？答案是可以。

要给你的手机或者笔记本电脑实现快速充电，和你想要快速传输数据一样，也是需要协议支持的。事实上，现在各大国产手机厂商（华米OV等）都有自己私有的充电协议。这些协议比较多，技术路线也不太相同，别说充电器不能混用快充，甚至线材都是自己魔改的，这里不太想深入讨论，此外，USB-IF自己规定了一个协议，就是PD，利用PD协议就可以给电脑充电。详情可以见我讲充电的那一篇。

从形态上来说，PD协议比较好辨认——PD充电器是C口的，而我们常见的充电器都是A口（除了某手机厂商给自己手机魔改的线）。PD协议的线也往往都是两端都是Type-C接口（除了苹果快充线是Type-C到Lightening和某些厂商的魔改线）。

雷电3（Thunderbolt 3)

雷电3是英特尔公司联合苹果公司推出的协议，它的带宽可以达到40Gbps，也就是大约每秒钟传输4GB的数据。雷电3只有Type-C一种接口，之前的雷电2协议不是USB接口，而是mini DP。

最早，雷电3是不开放的，只给苹果电脑使用；后来英特尔对外开放了，不过需要交纳高额的授权费；不久前，这个授权费取消了，但是还需要交纳一定额度的认证费。因此，有雷电3的笔记本价格都比较贵。

带宽都这么高了，是不是也意味着支持的协议也特别多呢？是的！上面我说到的几乎所有协议，雷电3都兼容。这就意味着，只要有雷电3接口，就可以转接出几乎所有功能。

不过，雷电3的设备比较贵，线材很贵，真正的雷电3拓展坞也不便宜，功能丰富的雷电3拓展坞甚至能卖到2000元。

还有一个问题，雷电3的速度这么快，有哪些设备能跑满呢？首先机械硬盘就别想了，它的顺序读写速度只有大约100MB/s，随机读写速度更是惨不忍睹。那固态硬盘呢？固态硬盘的速度大多数顺序读取的速度是600Mb/s或者1500MB/s，价格更贵的速度也会更快（详见我讲内存的部分），但是一般也不会超过4000MB/s。看起来和雷电3的速度是一样的（事实上都是由PCIE*4通道转化出来的），算是能跑满。

还有什么比固态硬盘还快的呢？内存。不过，内存其实是电脑的高速缓冲区，似乎很少有把内存的内容直接传输出去的吧。有没有什么比内存传输数据还快的呢？CPU内部的缓存。但是CPU自己的缓存不大，并且一般不会直接用来和外设打交道。

那还有什么比内存快的吗？显卡。显卡中的显存是专门设计用来高速传输数据的存储器（当然，存储器的参数很多，这个显然是牺牲了别的参数）。事实上，我们除了可以利用支持PD协议的Type-C来输出画面，还可以用雷电3来外接显卡。当然，我不推荐这么做，因为外接显卡需要的设备的价格接近你重新买一台台式电脑的主机了。

除了外接显卡，还可以用内置的显卡来输出图像，连接显示器（也就是前面提到的DP）。只要你的显示器够好，基本就能跑满雷电3。

不过，你没有必要非要纠结于让一个设备跑满雷电3，雷电3最大的意义在于统一接口以及一个接口拓展各种功能。

USB4和雷电4未来争取再重新讲一下

,