USB

歷史

USB最初是由英特尔与微软在1990年代倡導發起，最大的特点是尽可能地实现热插拔和即插即用。当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序，因此其在使用上远比PCI和ISA等总线方便。之後各家廠商一起發展為USB-IF行業協會。^[3]

USB在速度上远比當年流行的并行端口（例如EPP）與串行端口（例如RS-232）等傳統電腦用標準匯流排快上許多。經典的USB 1.1（Full Speed）的最大傳輸速率為12Mbps，USB 2.0（High Speed）為480Mbps，用於許多小型儲存裝置。

到了USB 3.0（USB 3.2 Gen 1×1），增加引入新的接口電路^[4]，使速度大幅改進為5Gbps，USB 3.1 Gen2（USB 3.2 Gen 2x1）頻寬為10Gbps，而USB 3.2（USB 3.2 Gen 2x2）更达20Gbps。

新發表的USB 4.0，其C口速度可達40Gbps，並基本與Thunderbolt 4並行推進，惟最低指標略為保守，以顧及相容性（USB要求均可向下兼容）^[5]。

應用

USB的设计为非对称式的，它由一个主机控制器和若干通过USB集线器设备以树形连接的設備组成。一个控制器下最多可以有5级Hub，包括Hub在内，最多可以連接128個設備，整个的系统可以扩展的則是127个外设，因為在設計時是使用7位元物理地址，二的七次方就等於128，一般人說USB連接127個是指連接（某一設備）時需扣除一個連接主機的USB接頭，在设备与设备之间是无法实现直线通信的，只有通过host的管理与调节才能够实现数据的互相传送，而一台计算机可以同时有多个控制器。和SPI-SCSI等标准不同，USB集线器不需要终结器。^[6]

USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网卡等部件。对数码相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化与计算机的连接，USB也逐步取代并行接口成为打印机的主流连接方式之一。2004年已经有超过1亿台USB设备；到2007年時，高清晰度数字影片外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他需要更高的传输速率，不過USB 3.1和2019年USB 4的問世，高解析度數位影片外設和外接式顯示卡也能在USB播放。

電源

相對於之前其他溝通介面僅能傳遞資訊，USB插槽本身還能提供5V（伏特）的主動電壓，及0.5A（安培）的電流，因此對於一些小型設備而言，可以不必再外接電源供應裝置，就能直接利用來自USB插槽的電力順利運作（Bus-power的設備）。利用這特點，也有廠商開發出適當的排線，將USB拿來當作供電插座般使用，例如用VBUS，可作為行動電話的充電器，或是提供小型LED燈及電風扇等的電力需要，反而與原本用來連接電腦用的主要用途無關。

而過往USB最大供電功率分別為USB 2.0（2.5W）、USB 3.0（4.5W）、Battery Charging 1.2版本（7.5W），現在到了Power Delivery以及充電頭發表後，最大可支援100W以上供電受電的USB供電擴充指標，可以對手提設備甚至是電腦提供高速充電也逐漸普及。^{[7][8][9][10]}

标准

USB開發者論壇负责USB标准制订，其成员包括：苹果公司、惠普、NEC、微软和英特尔。

2001年底，公布规范，与之前的、和一样，该规范完全向下兼容。随后，公布（，当前版本：）作为规范的补充标准，使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。

USB的连接器分为A、B两种，分别用于主机和设备；其各自的小型化的连接器是、和、，另外还有（可同時支持及）的插口。

鑑於接口複雜，USB 3.1版本中導入支持正反面不区分插入的C型，將逐漸成為統一的數據介面。

现USB标准中，按照速度等级和连接方式分为以下七种版本。注意USB命名規則相對混亂，而USB-IF目前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。以速度分類，從下而上有Full-speed、High-speed（USB 2.0以下）、Super-speed（USB 3.X以上），後者速度從五到十、二十都有，曾經的Gen 1、Gen 2之稱呼則較少用了。^[11][12]

USB版本				标志	傳輸速度 (bit)	理論速度 (Byte)
目前官方版本名		官方市场代号	原名
Low-Speed		Basic-Speed USB	USB 1.0		1.5Mbps	0.1875MB/s
Full-Speed			USB 1.1		12Mbps	1.5MB/s
High-Speed		高速 Hi-Speed USB	USB 2.0		480Mbps	60MB/s
USB 3.2	Gen 1×1	超高速USB 5Gbps SuperSpeed USB 5Gbps	USB 3.0（曾用名USB 3.1 Gen 1）		5Gbps	500MB/s
	Gen 2×1	超高速USB 10Gbps SuperSpeed USB 10Gbps	USB 3.1（曾用名 USB 3.1 Gen 2）		10Gbps	1212.12MB/s
	Gen 2x2	超高速USB 20Gbps SuperSpeed USB 20Gbps	N/A		20Gbps	2424.24MB/s
USB4					40Gbps	5GB/s
USB On-The-Go
USB Power Delivery
Wireless USB

技术指标

目前USB支持5种数据信号速率，USB设备应该在其外壳或者有时是自身上正确标明其使用的速率。USB-IF进行设备认证并为通过兼容测试并支付许可费用的设备提供基本速率（低速和全速）和高速的特殊商标许可。

• 1.5 Mbps的低速速率。主要用于低速率人机交互设备，例如键盘、鼠标、游戏杆等等。
• 12 Mbps的全速速率。在USB 2.0之前是曾经是最高速率，后起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率。多个全速设备间可以按照先到先得法则划分带宽；使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见。所有的USB連接埠支援全速速率。
• 480 Mbps的高速速率。并非所有的USB 2.0设备都是高速的。高速设备插入全速連接埠时应该与全速兼容。而高速連接埠具有所谓事务翻译器（）功能，能够隔离全速、低速设备与高速之间数据流，但是不会影响供电和串联深度。
• 5Gbps的超高速速率。相較於現有USB 2.0的480Mbps最高理論速度，USB 3.0可支援到5.0Gbps，是USB 2.0的10倍。若將USB 3.0應用到外接硬碟、隨身碟或藍光燒錄機等儲存裝置，將可大幅縮短資料傳輸時間。
• 10Gbps的超高速速率+。USB 3.1 Gen2最高10Gbps理論速度，是USB 3.0的兩倍。
• 40Gbps的极速速率

USB 4 最高40Gbps理论速度，是USB 3.1 Gen2的四倍

机械和电子标准

USB机械电子标准一览

类别		Type-A	Type-B	Type-C	Mini-A	Mini-B	Mini-AB	Micro-A	Micro-B	Micro-AB
插头（公头）	2.0			不存在			不存在			不存在
	3.2				已棄用	已棄用		已棄用
插座（母头）	2.0			不存在				不存在
	3.2				已棄用	已棄用	已棄用			已棄用
应用范围		计算机	扫描仪、打印机等	新式计算机、移动电话、平板电脑等	旧式便携设备		仅作为万能接头	移动电话、平板电脑等		仅作为万能接头

标准USB接口

USB信号使用分别标记为D+和D-的双绞线传输，它们各自使用半双工的差分信号并协同工作，以抵消长导线的电磁干扰。

标准USB连接器触点

触点	功能（主机）	功能（设备）
1	VBUS（4.75－5.25 V）	VBUS（4.4－5.25 V）
2	D-	D-
3	D+	D+
4	接地	接地

Mini USB接口

除了第4针外，其他接口功能皆與标准USB相同。第4针成为ID，地线在mini-A上连接到第5针，在mini-B可以悬空亦可连接到第5针。

Mini USB连接器触点

触点	功能	顏色
1	VBUS（4.4–5.25 V）	紅
2	D−	白
3	D+	綠
4	ID
5	接地	黑

Micro USB接口

2007年1月4日，USB開發者論壇颁布的插头标准^[13]。该标准将在许多新型智能手机和PDA上替代。插头的插拔寿命为10,000次，比插头高度减半，宽度相差无几。OMTP（英语：）组织最近宣布，将成为移动设备数据和电源的标准接口^[14]。

2009年2月17日，GSM協會宣佈在2012年前將使用作為全球統一的標準充電器規格。首批簽署協議的廠商包括：諾基亞、樂金、摩托羅拉、三星、索尼移動、美國電話電報公司、法國電信、西班牙電信、T-Mobile與沃达丰。

軟體架構

一個USB主機通過Hub鏈可以連接多個設備。由於理論上一個物理設備可以承担多種功能，例如路由器同時也可以是一個SD卡讀卡器，USB的術語中設備（Device）指的是功能（Functions）。集線器（Hub）由於作用特殊，按照正式的觀點並不認為是Function。直接連接到主機的Hub是根（root）Hub。

设备分类

依附在总线上的设备可以是需要特定的驱动程序的完全定制的设备，也可能属于某个设备类别。这些类别定义设备的行为和接口描述符，这样一个驱动程序可能用于所有此种类别的设备。一般操作系统都为支持这些设备类别，为其提供通用驱动程序。

设备分类由USB设计论坛设备工作组决定，并分配ID。

如果一个设备类型属于整个设备，该设备的描述符的bDeviceClass域保存类别ID；如果它这是设备的一个接口，其ID保存在接口描述符的bInterfaceClass域。他们都占用一个字节，所以最多有253种设备类别。（0x00和0xFF保留）。当bDeviceClass设为0x00，操作系统会检查每个接口的bInterfaceClass以确定其类别。

每种类别可选支持子类别（SubClass）和协议子定义（Protocol subdefinition）。这样可以用于主设备类型的不断修订。

常用设备类别和ID有：

USB接头

接头是由USB协会所指定，接头的设计一方面为了支持众多USB的基本需求，另一方面也避免以往许多类似串行接头所出现的问题。

• 接头设计的相当耐用。许多以往使用的接头较脆弱，即使受力不大，有时针脚或零件也会折弯甚至断裂。而USB接头的金属导电部份周围有塑料作为保护，而且整个连接部份被金属的保护套围住，因此USB接头不论插拔，都不容易受损。由於金屬保護套和外圍塑料護套的保護，需要較大的力量才能造成USB接头明顯的損壞。
• 具有防呆设计，方向相反的插头不可能插到插座裡，方向正反很容易感觉出来。所以不可能把USB接口插错。
• 接头能相对便宜地大量生产。
• 在USB网络中，接头被强制使用定向拓扑。USB不支持环形网络，因此不兼容的USB设备之间接口也不兼容。不像其他通讯系统（如RJ-45电缆）不能使用转换插头，防止环形USB网络产生。
• 适度的插拔力。USB电缆和小型USB设备能被插口卡住（不需要夹子、螺丝或者其他接口那样的锁扣）。只需要适当力量插拔即可連接周邊設備。
• 由于接头的构造，在将USB插头插入USB座时，插头外面的金属保护套会先接触到USB座内对应的金属部份，之后插头内部的四个触点才会接触到USB座。金属保护套会连接到系统的地線，提供路径使静电可以放电，避免因静电通过电子零件而造成损坏。
• USB电缆最长允许5米，更长的距离需要HUB。^[18]

接頭一覽表

USB接頭配對一覽

插頭 插座							USB 3.0 Type A	USB 3.0 Type B	USB 3.0 Micro-B
	是	否	否	否	否	否	可向下兼容	否	否	否
	否	是	否	否	否	否	否	否	否	否
	否	否	已棄用	否	否	否	否	否	否	否
	否	否	已棄用	已棄用	否	否	否	否	否	否
	否	否	否	是	否	否	否	否	否	否
	否	否	否	否	是	是	否	否	否	否
	否	否	否	否	否	是	否	否	否	否
USB 3.0 Type A	可向下兼容	否	否	否	否	否	是	否	否	否
USB 3.0 Type B	否	可向下兼容	否	否	否	否	否	是	否	否
USB 3.0 Micro-B	否	否	否	否	否	可向下兼容	否	否	是	否
	否	否	否	否	否	否	否	否	否	是

USB 線

插頭（線的兩端）							Micro-B SuperSpeed
	非標準	非標準	非標準	是	是	是	是	是
	非標準	否	否	棄用	棄用	非標準	否	否
	非標準	否	否	非標準	非標準	是	否	否
	是	棄用	非標準	否	否	否	否	是
	是	棄用	非標準	否	非標準	否	否	是
	是	非標準	是	否	否	否	否	是
Micro-B SuperSpeed	是	否	否	否	否	否	否	是
	是	否	否	是	是	是	是	是

USB插头-版本

接头	USB 2.0	USB 3.2 Gen 2x1	USB 3.2 Gen 2x2	USB 4
速度等级	达480Mbps	达10Gbps	达20Gbps	达40Gbps
	是	不达速	棄用
	兼容	是	棄用
	是	不达速	棄用
	兼容	是	棄用
Type-C	兼容	是
	是	不达速	棄用
	兼容	最高5Gbps	棄用
Mini-A, Mini-B, Mini-AB Micro-A, Micro-AB	是	棄用

基本電源

USB接頭默认提供一組5伏特的電壓，可作為相連接USB設備的電源。實際上，設備接收到的電源可能會低於5V，只略高於4V。通過USB PD3.0、QC4等快速充电協議，現有USB接口的最大的可以达到20V，最低3V。

USB-IF規範1.1版定義USB埠最高供電可達到1.5A/1,500mA，而最新的1.2版規範更是修正為最大5A/5,000mA的供電，但是總和也不得超過5A。

一個USB的HUB最多只能提供500mA的電流。如此的電流已足以驅動許多電子設備，不過連接在總線供電HUB的所有設備，需要共享500mA的電流額度。一個由總線供電的設備可以使用到它所連接埠上允許輸出的所有電源。

總線供電的HUB可以將電源供給連接在HUB上的所有設備，不過USB的規範只允許總線供電的HUB下游串接一層總線供電的設備，因此，總線供電的HUB下游不允許再串接另一個由總線供電的HUB。許多HUB有外加電源，因此可以提供電源給下游的設備，不會消耗總線上的電源。若設備需要的電壓超過5V，都需要使用外加電源。

USB大容量存储

USB使用USB大容量存储设备标准实现Storage设备的连接。它最初被用于传统的磁盘和光盘驱动，但是现在已经扩展到支持大量不同的设备。

USB有一个非常重要的优点，那就是它能够在不关闭電腦主機電源的情况下动态的安装和删除USB设备，这使它成为一種有用的外部设备。

在市面也可以找到USB 3.0 Dongle^[19]此類小型可插拔式的行動裝置，尺寸如同闪存盘一樣迷你，有廠商推出USB介面的Wi-Fi/藍牙無線Dongle，只要將此Dongle插入液晶電視上，即可透過無線連接方式，將使用者手機、平板、筆電中的影片、照片分享到液晶電視上觀看，市面上已有廠商將Android作業系統直接寫入Dongle，成為多功能電視棒的產品。

相关存储产品包括：主机板、磁碟阵列卡、硬碟外接盒、磁碟阵列系统、NAS网络附接存储、硬碟外接座等等。

人机接口设备（HID）

USB没有完全取代键盘鼠标的PS/2接口，但目前許多主機板都取消了PS/2接口。

使用专用键盘鼠标接口的苹果电脑1999年1月也开始使用USB接口。最初iPod只有IEEE 1394接口；後來在第三代的iPod，蘋果電腦開始支持USB2.0连接，但是還不能用作充電；現在的iPod，已經全面兼容USB，抛弃IEEE 1394接口，只用USB接口充電以及連接電腦主機。

Pre-Releases

• USB 0.7：1994年11月发布。
• USB 0.8：1994年12月发布。
• USB 0.9：1995年4月发布。
• USB 0.99：1995年8月发布。
• USB 1.0 RC：1995年11月发布。

USB 1.0

1996年1月發布，數據傳輸速率為1.5Mbit/s（Low-Speed）和12Mbit/s（Full-Speed）。無預測及通過檢測功能，Full-Speed也難以達成，僅極少數出現在市場上。

USB 1.1

1998年9月发布，修正1.0版已發現的問題，主要是關於USB Hubs及Full-Speed，最早被采用的修订版。

USB 2.0

• USB 2.0：2000年4月发布。增加更高的數據傳輸速率480Mbit/s（现在称作Hi-Speed，大約57MB/s），但受限于BOT传输协议和NRZI编码方式，实际最高传输速度只有35MByte/s左右。USB 2.0中最重要规范的ECN可以在USB.org（页面存档备份，存于）查到：
  • Mini-A和Mini-B Connector ECN：2000年10月发布。规范Mini-A和Mini-B的插头及插座标准。注意不要与Micro-B插头及插座混淆。
  • Errata as of December 2000：2000年12月发布。
  • Pull-up/Pull-down Resistors ECN：2002年5月发布。
  • Errata as of May 2002：2002年5月发布。
  • Interface Associations ECN：2003年5月发布。添加新的描述符以便将多重接口关联在在单一设备功能中。
  • Rounded Chamfer ECN：2003年10月发布。一项针对Mini-B接口坚固性的建议性、兼容性改进。
  • Unicode ECN：2005年2月发布。这项ECN指定了字串可以使用UTF-16LE编码。USB 2.0曾指定可以使用Unicode，但没有指定编码。
  • Inter-Chip USB Supplement：2006年3月发布。
  • On-The-Go Supplement 1.3：2006年12月发布。USB直连（USB On-The-Go）允许两个USb设备不经独立USB主机端直接相互通讯。实际使用中，是其中一个USB设备作为其它设备的主机端。
  • Battery Charging Specification 1.0：2007年3月发布。添加对充电器（有USB接口的电源适配器）的支持，当供电端（作为充电器的USB主端口）和电池连接时，它允许瞬间通过100 mA的电流。如果一个USB设备连接到专用充电器或主端口时，最大瞬间电流可达1.5 A。（该文档并未包含在USB 2.0规范中。）
  • Micro-USB Cables and Connectors Specification 1.01：2007年4月发布。
  • Link Power Management Addendum ECN：2007年7月释出。在启用与待机间增加新的电源模式。当设备处于这个模式时不向其发送指令以减少电源消耗。所以，在启用及睡眠模式间切换要比在启用及待机模式间切换快得多。
  • High-Speed Inter-Chip USB Electrical Specification Revision 1.0：2007年9月发布。

USB 3.0（USB 3.1 Gen 1/USB 3.2 Gen 1×1）

USB 3.0於2008年11月發布，速度由480Mbps大幅提升到5Gbps。USB 3.0插座通常是藍色的，並向下兼容USB 2.0和USB 1.x。USB 3.0引入了全雙工傳輸，USB 1.x和USB 2.0則是半雙工傳輸。

USB 3.1 Gen 2（USB 3.1/USB 3.2 Gen 2x1）

USB3.0推廣小組於2013年7月31日宣佈USB 3.1規格^[20]，傳輸速度提升為10Gb/s，比USB3.0的5Gb/s快上一倍，並向下兼容USB 2.0/1.0，如果要得到10Gb/s的傳輸速度仍需在主機、目標端同時具備對應的晶片才能達成，電力供應可高達100瓦。^[21]

注意：在USB 3.1公布一段时间后，USB 3.0就更名為USB 3.1 Gen 1。^[22]

USB 3.2（USB 3.2 Gen 2x2）

USB 3.2的主要技術要點：

• 在USB Type-C介面上實現雙通道，USB Type-A和Type-B不支援雙通道
• 繼續使用現有的超高速USB物理傳輸率和技術
• 一些小的規範更新，確保單雙通道無縫切換。

速度方面，使用USB 3.2主機連接USB 3.2儲存設備，可以實現兩條通道10Gbps的傳輸速度，理論上也就是相當接近於20Gbps。

USB 3.2向下兼容USB 2.0和USB 1.x。另外，從USB 3.2開始，Type-C是唯一推薦的接口方案。

USB4

USB4于2019年9月3日发布。^[23]

USB4計畫整合Thunderbolt 3協定，現有USB 3.2及USB 2.0也向下兼容。^[24]

USB4支援40Gbps的傳輸速度，但達到40Gbps的速度要求USB資料線、產品支援USB4^[25]。Type-C是唯一推薦的介面方案。

USB On-The-Go補充標準

USB On-The-Go是USB2.0規格的補充標準。它可使USB裝置，例如播放器或手機，從USB周邊裝置變為USB主機，與其他USB裝置連線通訊。

USB Power Delivery

USB Power Delivery是USB開發者論壇在2012年7月5日發佈的USB充電標準與技術。

無線通用序列匯流排

正在开发中的一种无线数据传输标准。^[26]设计标准：在3米内达到480Mbp的传输速率，在10米内达到110Mbps的传输速率。