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USB 与 Type-C

USB 版本演进

速度世代 (忽略那场命名灾难)

实际速度 (用市场名):

USB 2.0 (High Speed):   480 Mbps
USB 3.0 (SuperSpeed):   5 Gbps    ← 也叫 USB 3.1 Gen1 / USB 3.2 Gen1
USB 3.1 (SuperSpeed+):  10 Gbps   ← 也叫 USB 3.1 Gen2 / USB 3.2 Gen2
USB 3.2 (SuperSpeed 2x2): 20 Gbps  ← 双通道, 必须 Type-C
USB4 20Gbps:             20 Gbps   ← 基于 Thunderbolt 3
USB4 40Gbps:             40 Gbps   ← 基于 Thunderbolt 3

命名混乱史 (如果看到这些名字):
  USB 3.1 Gen1 = USB 3.0 = 5 Gbps
  USB 3.1 Gen2 = USB 3.2 Gen2 = 10 Gbps
  USB 3.2 Gen1x1 = USB 3.0 = 5 Gbps (again...)
  USB 3.2 Gen2x2 = 20 Gbps

规则: 别看名字, 直接问 "多少 Gbps"

连接器演进

Type-A: 经典方口, 单向插入 (永远插三次才对)
  USB 2.0: 4 引脚 (VBUS/D-/D+/GND)
  USB 3.0: 9 引脚 (多了5根高速差分对)

Type-B: 方口, 打印机/Arduino/旧设备
  USB 3.0 版多了一坨凸起

Mini-USB: 已淘汰 (MP3/旧手机时代)
Micro-USB: 手机时代过渡品, 正被 Type-C 取代
  Micro-B 3.0: 宽得离谱的"扁口"

Type-C: 统一一切的接口 ★
  24 引脚, 正反插, 支持 USB + DP + PD 同时传输

USB 电气与拓扑

差分信号

D+/D- (USB 2.0): 半双工差分, 3.3V
  速度检测: D+ 上拉=Full Speed, D- 上拉=Low Speed

SSTX+/SSTX- (USB 3.x 发送): 全双工差分
SSRX+/SSRX- (USB 3.x 接收): 全双工差分

拓扑

USB 物理拓扑:Host 为根的树形结构 Host (主控) Hub Hub Device Device Device 树形结构,最多 7 层(含 Root Hub);Host 发起所有传输,Device 不能主动发起。

传输类型

类型特点应用
控制 (Control)可靠、有保证带宽枚举/配置
批量 (Bulk)可靠、无保证延迟文件/数据
中断 (Interrupt)可靠、有保证延迟键盘/鼠标
等时 (Isochronous)无重传、有保证带宽音频/视频

USB 设备枚举

USB 枚举:插入到就绪,再到描述符逐层细化

枚举流程(插入 → 设备就绪)

插入 Host 检测 D+/D- 上拉 Host 复位总线(SEO) Host 分配地址(SET_ADDRESS) Host 读取设备描述符(VID/PID/Class) Host 加载对应驱动 设备就绪

描述符层级(从属关系,逐层细化)

Device Descriptor VID/PID/厂商/产品 Configuration Descriptor 功耗/接口数 Interface Descriptor HID / MSC / CDC ... Endpoint Descriptor 端点地址/方向/类型 描述符层层从属:Configuration 定义功耗与接口数,Interface 声明设备类(Class), Endpoint 才是实际收发数据的通道 —— 驱动匹配靠 Interface 的 Class。

Type-C 详解

引脚 (24 pin, 正反对称)

A面 (上):                    B面 (下):
GND  TX1+ TX1-  VBUS  CC1   GND  RX2+ RX2-  VBUS  SBU2
D+   D-   SBU1  VBUS  RX1-  D-   D+   SBU1  VBUS  TX2-
                                   (镜像对称!)

GND  RX1+ RX1-  VBUS  SBU1  GND  TX2+ TX2-  VBUS  SBU2  ← 翻转后

关键引脚:
  CC1/CC2: 检测插入方向 + PD 协议通信
  SBU1/SBU2: DP Alt Mode 的 AUX 通道
  D+/D-: USB 2.0 兼容
  4对 SuperSpeed 差分 (TX1/RX1/TX2/RX2)

CC 引脚的作用

1. 检测插入方向 (哪一面在上)
2. 检测对端是 Host/Device/电源
3. 通过 Rp/Rd 电阻值通告电流能力:
   - USB Default: 500mA (5V)
   - USB 1.5A:    1.5A  (5V)
   - USB 3.0A:    3.0A  (5V)
4. 作为 USB PD 通信的物理层 (BMC 编码, 300kbps)

Alt Mode

Type-C 的 4 对 SuperSpeed 通道可重新配置:

DisplayPort Alt Mode:
  2 lane DP + USB 3.2 → 4K@60Hz + 数据传输
  4 lane DP           → 5K@60Hz 或 8K@30Hz

Thunderbolt Alt Mode: 40Gbps PCIe + DP
HDMI Alt Mode: 不流行, 多数用 DP Alt Mode 转换

USB Power Delivery (USB PD)

PD 3.1 电压档位

PD 3.0 (最高 100W):
  5V/9V/15V/20V @ 5A = 100W

PD 3.1 EPR (最高 240W):
  新增 28V/36V/48V @ 5A = 240W

PPS (Programmable Power Supply):
  电压可 20mV 步进调节
  电流可 50mA 步进限制
  → 手机直接控制充电器的电压/电流, 无需手机内部降压

PD 通信流程

USB PD 协商:Source 与 Sink 通过 CC 线握手 Source (充电器) Sink (设备) ① 广播能力:5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/5A ② 请求:我要 20V/3A ③ 接受 → 切换到 20V 输出 ④ 持续协商:PPS 动态调整(双向) 通信协议:USB PD 基于 Type-C CC 引脚,BMC 编码 300kbps;PPS 可 20mV/50mA 步进持续微调。

常用 USB 类 (Class)

Class名称无需驱动?例子
HID人机接口✅ 系统自带键盘/鼠标/手柄
MSC大容量存储✅U盘/移动硬盘
CDC通信设备❌ (需驱动)USB转串口
CDC-ACM抽象控制模型✅虚拟串口 (Arduino)
CDC-NCM网络控制模型❌USB 网卡
Audio音频✅ (UAC 1.0)USB 耳机/声卡
Video视频✅ (UVC)摄像头
DFU设备固件升级-刷固件用
MIDI音乐设备✅MIDI 键盘

速查

想要充电快 → 看 PD 功率 (W), 不是看 W/QC/闪充营销词
想要速度快 → 看实际 Gbps, 不是看 USB 3.x GenXxX 名字
Type-C ≠ USB 3.x (可以是 USB 2.0 only 的 Type-C)
Type-C ≠ 支持 PD (有些 Type-C 口只有 5V)
Type-C ≠ 支持视频输出 (需要 DP Alt Mode)

看规格要认: 什么规范, 多少功率, 多少速度, 支不支持视频

关键词: USB, Type-C, PD, PPS, Alt Mode, CC引脚, HID, CDC, 枚举, 描述符

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