USB相关的基础知识

今年2025年，一整年的工作都是给车机做USB机能适配，结果年底似乎是由于内存，USB等涨价，导致机能整体被砍了…
正好腾出空，整理了一些USB相关的基础知识

1.USB的物理接口

USB接口类型:
    USB Type-A      最常见的USB接口，广泛应用于鼠标、键盘、U盘等设备上
    USB Type-B      Type-B型则常用于打印机、特殊显示器等设备上,是方形接口
    USB Micro-B     通常说的安卓线
    USB Type-C      通常说的华为线，双面。

    注意： 
        USB接口类型只是一个物理接口标准，具体USB的功能是由内部的引脚连接和芯片决定的
            因此虽然都是Type-C类型，但是有的仅充电，有的可以传数据。

2.USB的协议类型简要说明

版本	    模式	            速度	             
USB 1.x	    低速	            1.5Mbps	            
            全速                12Mbps

USB 2.0	    低速                1.5Mbps	 
            全速                12Mbps
            高速	            480Mbps	 

USB 3.x	    USB3.2 Gen1	        5Gbps	           
            USB3.2 Gen2	        10Gbps	   
            USB3.2 Gen2*2	    20Gbps	

USB4	    Thunderbolt 3	    40Gbps+	          

备注:关于bps和传输速度MB/s的换算方式：
    结论:通常使用bps/10即为传输速度。
        例如:
            480Mbps = 48MB/s
            5Gbps   = 500MB/s

    具体计算方法如下:
        5 Gbps = 5,000 Mbps = 5,000,000,000 bps（比特/秒）
        1 Byte（字节） = 8 bits（比特）
        理论最大字节速度 = 5,000,000,000 ÷ 8 = 625,000,000 B/s
                        = 625 MB/s
        但是由于协议开销损耗(通常约20%)
        所以实际最大字节速度 = 625 * 0.8 = 500MB/s 

        另外由于线材质量,设备主控性能(USB接口芯片质量)损耗，因此不会达到最大字节速度。

3.USB各个协议的详细说明

1996 USB1.0标准发布
    两种工作模式
        低速    low speed 1.5Mbps(鼠标，键盘等低速外设)
        全速    full speed：12Mbps

1998 USB1.1标准发布
    修正了USB1.0的兼容性问题
    工作模式和传输速度没有变化
        低速    low  speed: 1.5Mbps(鼠标，键盘等低速外设)
        全速    full speed：12Mbps

2000 USB2.0标准发布
    引入高速模式 high speed: 480Mbps
    向下兼容USB1.x

    即USB2.0后 ，三种工作模式
        低速    low  speed: 1.5Mbps(鼠标，键盘等低速外设)
        全速    full speed：12Mbps
        高速    high speed: 480Mbps

    USB2.0的总共四根线,都在下方
        电源线两根      +  -
        信号线仅两根    D+ D-
        它们是一对差分线，通过两根线之间的电压差来传输信号
        同一时刻，只能主机向从机发送数据，或者只能从机向主机发送数据，不能两边同时发送数据，属于半双工通信。

            低速模式：D+和D-线，电平区间都是在0-3.3V跳变，电平上升时间约200ns左右，属于低频信号，无需考虑阻抗匹配问题。
            全速模式：通常用于音频设备，打印机，或者USB转串口模块
                     波形类似低速模式，电平区间也是在0-3.3V跳变，不过电平上升时间约20ns左右，需要考虑阻抗匹配问题。
                    (阻抗不匹配大概的现象：例如使用1M长的信号线，全速模式接入，信号会明显发生畸变)
            高速模式：电平在0-400mv区间跳变，上升时间仅1.2ns，必须考虑阻抗匹配问题。
                    对USB信号质量的判断，是把大量信号叠加在一起看，即眼图。
        
        主机区分低速模式，全速模式，高速模式的方法
            低速设备在D-上接一个上拉电阻
            全速,高速设备在D+上接一个上拉电阻
                高速设备先通过全速设备的身份接入，然后通知主机是高速设备。

2008 USB3.0标准发布 
    最开始命名：SuperSpeed USB 5Gbps
    USB3.0是一个系列，有大量类型，大量命名，但是截止到2019年，USB3.0标准只剩下下述三种类型
        USB3.2 Gen1         5Gbps
        USB3.2 Gen2         10Gbps
        USB3.2 Gen2×2       20Gbps          仅USB-Type-c支持，其他物理接口不支持
    详细可以参加:https://zhuanlan.zhihu.com/p/447595295
    USB3.0 引入了两组全新的差分对，其物理结构，上五根线，下四根线
        分别是
            RX- RX+ 接地线 TX- TX+     
              电源+ D+  D-  电源-
        其中RX+-                    TX+-                    接地线
            用于从机向从机发送信号      用于主机向从机发送信号      为高速差分信号线（RX±, TX±）的屏蔽层提供接地，减少电磁干扰，减少阻抗差分问题
        因此USB3.0系列是全双工通信

    USB3.2 Gen1     电平区间 -200mv - 200mv跳变，上升时间115pm
    USB3.2 Gen2     电平区间 -200mv - 200mv跳变，上升时间40pm (光在40pm时间只能走1cm)
    USB3.2 Gen2*2   电平区间 -200mv - 200mv跳变，上升时间40pm
                    但是有两组RTX+-，因此速度翻倍。
                    只有Type-c有两组RTX线，Type-A,B都仅一组RTX+-线，所以仅Typc-c支持20G的速度。
    
2014 USB-IF协会公布USB-C接口
    支持双面可插，供电更高，信号通道对称

2019
    USB4.0标准提出
        统一使用USB-C接口
        使用Thunderbolt 3 协议
        最高速率40Gbps

2022 USB4.0V2标准提出
    新版本速率80Gbps
    采用PAM3编码，USB3.0及以下电平仅0,1，但是PAM3编码电平为0,1,2
    最高可达120Gbps非对称