前言
本文屬於“硬核”科普系列的第二篇——接口，本系列的起源亦即第一篇——總線【傳送門：“硬核”科普系列之總線】
第一篇本着言簡意賅的目的，完成時感覺篇幅還是長了點。。。接口這篇，發現能講得更多，索性根據日常打交道情況，再度整理細分為三個主題：視頻接口、USB接口和硬盤接口。
跟計算機打交道，自然繞不開接口這個話題。身處大數據時代，數據傳輸的重要性和無處不在讓接口成了每個現代人都必備的基礎知識，所以來幾篇全面又簡潔的科普文漲漲芝士就顯得很有必要了！
三篇接口文均整理自網絡，用於自我學習的記錄與總結，也希望能對同樣渴望知識的網友們有所幫助，出處注於文末。
本篇是中：USB接口。
上篇傳送：“硬核”科普系列之接口（上：視頻），下篇傳送：“硬核”科普系列之接口（下：硬盤）
概述
提到接口，就不得不提USB。可以說，如今這個時代的絕大多數人，日常生活中接觸最多的就是USB接口了。然而，大部分人對它了解甚少。關於USB接口，首先要分清協議和物理接口。相同的物理接口（形態）可能搭載不同的協議，而同一協議也可能用在不同形態的接口上。USB作為一種接口技術，並不單指某種硬件接口，實際上它更是一種通信協議。
USB標准
USB是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標准，用於規范電腦與外部設備的連接和通訊，是應用在PC領域的接口技術。作為一種新興的並逐漸取代其他接口標准的數據通信方式，USB由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC及Northern Telecom 等計算機公司和通信公司於1995年聯合制定，並逐漸形成了行業標准。USB總線是一種高速串行總線，其極高的傳輸速度可以滿足高速數據傳輸的應用環境要求，且該總線還兼有供電簡單（可總線供電）、安裝配置便捷（支持即插即用和熱插拔）、 擴展端口簡易（通過集線器最多可擴展127 個外設）、傳輸方式多樣化（4 種傳輸模式），以及兼容良好（產品升級后向下兼容）等優點。
USB自推出以來，已成功替代串口和並口，成為21世紀大量計算機和智能設備的標准擴展接口和必備接口之一，現已發展到USB 4.0版本。USB具有傳輸速度快、使用方便、支持熱插拔、連接靈活、獨立供電等優點，可以連接鍵盤、鼠標、大容量存儲設備等多種外設，該接口也被廣泛用於智能手機中。計算機等智能設備與外界數據的交互主要以網絡和USB接口為主。
關於USB協議的更多介紹，這里推薦CSDN的四篇系列科普文章，相關原理講得比較細致：
下面，從USB的兩大基本功能：通信功能和充電功能展開來簡單講講。
USB 傳輸標准
我們常說的USB 2.0，USB 3.0，USB 3.1，其實就是USB的傳輸標准。不同的傳輸標准對應了不同的數據傳輸速度。顯而易見，USB后面的那個數字越大，傳輸速度就越快。具體能有多快呢？以常見的這三種標准，放一張圖大家就知道了：
我們可以看到，USB 1.0標准, 傳輸速度支持低速1.5 Mbps與全速12 Mbps。之后的USB 2.0，速度則達到了480 Mbps。而USB 3.0的傳輸標准，最高速度比USB 2.0快了10倍多，達到了5Gbps。再往后，USB 3.1標准的傳輸速度又是3.0的2倍，有10Gbps。並且，由於USB 3.0出現時間較晚，並且很快就出現了USB 3.1 。所以USB 3.0也被稱作USB 3.1 Gen 1（Generate），USB 3.1也被稱作USB 3.1 Gen 2 。2017年發布的USB3.2，理論帶寬可以達到20Gbps，而2019年9月發布的最新一代USB 4.0標准，則支持20Gbps與40Gbps。
根據傳輸速度的不同，USB 2.0 還叫USB High—Speed ，簡稱HS ；USB 3.0叫USB Super—Speed ，簡稱SS ；USB 3.1 叫USB Super—Speed Plus，簡稱 SS+。在有的USB線材上，這個信息廠商會標示出來：
有關最新的USB 4.0標准推薦這篇文章：USB 4全面解讀：設計上有哪些挑戰？，講解得較為詳細。
USB 充電標准
我們所說的USB PD ，就是USB的充電標准，PD是Power Delivery （能量輸送）的縮寫。
2012年7月，USB啟動器集團宣布完成USB電源交付（PD）規范，該擴展指定使用經認證的PD感應式USB電纜與標准USB A型和USB B型連接器，以提供更高的功率（超過 7.5 W）到具有較大功率需求的設備。
說白了，這個USB PD就是官方快速充電標准。對於安卓平台，各種快充技術百花齊放，前有高通的Quick-Charge技術，后有國內某廠商“充電五分鍾，通話兩小時”的VOOC閃充技術。蘋果現在則使用雷電技術的Type-C接口來實現給自家設備充電的功能。
這對消費者來說其實是不利的，因為這種實現快充要使用廠商提供的特殊線材。正是這個原因，業界巨頭Google在前一陣也向各大安卓廠商提出了強烈建議，希望大家都能采用USB啟動器集團官方的PD充電標准。
USB接口
接下來，就是我們最熟悉的ABC接口了。
從圖中我們可以看到，USB 的接口形態按照大類分為Type A、B 和 C，也簡稱USB A、B和C 。對於USB A和USB B來說，它們還有兩種不同規格的接口形態，分別對應：USB Mini-A（B）和 USB Micro-A（B）。其中，USB Micro-B比較特殊，它有兩種接口形態。這將在下面的USB傳輸標准中講到。
顧名思義，對於Mini和Micro，從視覺上來看，后者比前者要更小。而正是它們的這種尺寸決定了它們主要用在一些移動終端設備的數據傳輸和充電上。
我們都知道，對於一條USB線，它一般由兩端接口組成。所以對於任意一條USB線，我們還可以把它叫做USB X to X線（這里的X根據具體的線材而決定）。
比如下面的這兩條線：
USB A to USB Mini-A
USB A to USB Micro-B
Type A
Type A就是我們最常見的大口，是目前應用面最廣的接口類型，特別是在電腦及電腦的周邊產品上最為常見，無論是鼠標、鍵盤、U 盤，都用的這個接口。Type A 廣泛地支持從1.0到3.1的所有標准。因為它的普遍性，很多人會把Type A接口默認為USB接口。目前主流的Type A接口已采用USB 3.0標准，理論速度可達到4Gbp/s，還有部分新主機的主板采用USB 3.1甚至USB 3.2標准，傳輸速度可達到10Gbp/s甚至20Gbp/s，簡直快到起飛。
Type B
Type B接口形狀上與A型有着明顯的差異，常用於打印機、投影儀等大型設備上，電腦上不常見上。可以看到，引腳數目是相同的，僅僅是外形上的不同。這是設計者有意為之的，防止使用者連接到錯誤的設備上，導致短路。Type B與Micro-B均支持2.0與3.0標准，且3.0版本都是在2.0版本上粗暴地加裝幾個針腳，而Micro-A類接口已被淘汰。
Micro-B
Type B雖然應用場景很少，但是其分支之一，Micro-B卻是在Type C到來之前統治着大多數移動設備的接口標准。至今仍有很多采用Micro-B的設備服役，包括極個別新品手機。Micro-B在移動設備特別是安卓手機上使用，所以也會被叫做安卓接口。
從前面的接口匯總圖上，我們可以發現Micro-B有兩種接口形態，它們分別對應着USB 2.0和USB 3.0的傳輸標准。由於在USB傳輸信息的過程中，由於傳輸速度的提升，接口電壓提高，原來在2.0標准下的Micro-B形態已經不能滿足3.0標准對電壓的要求，所以USB Micro-B在3.0標准下進行了重新設計：3.0的接口基於2.0，且接口更寬。2.0版本的線材可以插在3.0的接口上使用，不過數據傳輸速率也會相應地降為2.0的速度。
接口較窄的Micro-B 2.0是USB 2.0速度，常見於2014年及以前的大部分安卓和WP手機，以及目前極個別品牌的手機中。目前好多藍牙耳機和充電寶等外設依舊有使用，在移動個別領域與Type-C可以說是互占半壁江山。而接口較寬的Micro-B 3.0在手機只存在了很短的時間就消失了，三星S5、三星Note3是手機里少有的搭載Micro-B 3.0接口的智能手機。目前在USB 3.0的移動硬盤中廣泛采用。由於該接口過於扁長，多次插拔后故障率較高，預計未來會全面被Type C接口取代。
Type C
Type C是新一代的接口，沒有正反面之分，可以支持更快的數據傳輸速度，更大的電力傳輸能量。一條線可以支持更多的設備，之前紛雜的接口類型，在不久的將來必將被 Type C一統天下。例如，LG的UltraFine 4K顯示屏就可以通過一根Type C線進行視頻輸出、數據傳輸和充電，大大簡化了線材的使用。相信不久的將來出門只帶一根線將成為大家的常態，不過在之這前，隨時准備個Type C擴展器將會是個更現實的選擇。Type C支持 2.0、3.0、3.1多種傳輸標准，也就是說你手里的 Type C 數據線也有可能只支持低速度的2.0傳輸標准。
目前絕大多數手機的充電/數據接口，有些還同時是手機的耳機接口（樂視，小米）以及視頻輸出接口（華為Mate10、三星S8/S9、Lumia950、堅果R1、Pro2S），同時也是2015款12英寸Macbook后蘋果全系新筆記本的主要接口。蘋果的雷電3也是用的Type C接口，但它用的協議是在3.1之上蘋果與因特爾單獨開發的，所以雷電3線材支持3.1，但3.1線材不一定支持雷電3。
相比AB，Type C有着以下優點：
- 外觀方面，Type C支持正反插，無論是如何插入接口中都不會插錯。相比於同樣細長的Micro-B系列接口，接口更簡單，降低了故障率。同時，Type C沒有Mini/Micro之分，所有的接口造型都是統一的，通用性很強。並且，從Micro-B的2.0和3.0兩種接口我們可以看出，傳統USB接口在不同帶寬和定義下，由於針腳需要，會呈現不同的外在形態。而Type C型接口則無論USB 2.0還是3.0（3.1Gen1)、3.1Gen2、甚至3.2，雷電3和4，整個接口形狀都不會改變。
- Type C往往支持PD快充，充電更快。
- Type C兼容性好，本身擁有更多的引口，與DP、HDMI線可以實現4K超高清視頻傳輸，不用擴展塢也能完成投屏。
總結一句話：Type C體積小，通用強，還可以正插反插都不糾結。所以僅作為接口來看，Type C接口的意義就在於更好的使用體驗 。
USB 3.2 Gen 2x2 和USB 4只采用Typc C型接口！
USB 3.2標准將全面采用USB-C接口而放棄其他形式存在。從傳輸速度角度來看，Type C只是設計上允許更高的帶寬加入，並不代表所有Type C設備一定是高速的。但在未來更高帶寬的USB及其他傳輸標准中，Type C接口將成為主要的承載方式。
強大的Type C
Type C區別於前幾代的最大亮點有兩個：DP Altmode顯示和PD充電。雖然Type C接口的產品不一定支持這兩項功能，但是如果想要真正實現這兩項功能必須要依靠Type C接口才能實現。
DP Altmode（顯示輸出）
DP Altmode，也就是我們常說的Type C視頻輸出功能，是基於Type C接口內原有的USB總線又加入了一條DisplayPort視頻總線。也就是說Type C接口的視頻輸出功能是USB + DP而不是傳統的USB Display Link技術。無論是支持DP1.2還是1.4，其帶寬都足以支持外接4K@60Hz顯示器使用。
（注：USB DisplayLink是基於USB總線的帶寬、在外置的轉換芯片上轉換，實現利用USB總線就可以傳輸視頻的功能，由於USB 3.0帶寬的局限性，最高僅能傳輸4K@30Hz的畫面，而即使使用其進行1080P輸出，也不能保證絕對流暢）
而即使是簡單的帶視頻輸出的Type C口，其實際應用時，也比DP/HDMI接口更為強大。目前顯示器，很多都帶有USB接口，有些還帶有觸屏功能。針對這類顯示器，通常需要一根USB Type B線，負責傳輸USB/觸控信號；而另一條線HDMI/DP/VGA，用來傳輸圖像。而利用Type C的顯示輸出，則可以直接合二為一。
PD（對內/對外充電）
早在Type C接口問世前，多數USB設備就已經具備這項功能。即使是目前不包含視頻、充電功能，而僅具備USB 3.0數據傳輸功能的普通Type C接口也可以按照5V/0.9A輸出標准供電。許多電腦的“關機充電功能”就是基於這項特性，再在電源管理芯片添加其他功能，從而保證關機后電池依然可向指定USB口進行供電並輸出。甚至於手機上連USB3.0都不支持的普通Type C接口，只要支持OTG功能，那么就可以輸出電流為其他設備供電。
而目前在Type-C接口上獨有的所謂“PD充電”，則是指通過Type C接口的充電器對筆記本進行充電。這個方案是基於USB-IF（你可以理解為USB界的ISO國標組織）發布的USB PD3.0快充標准實現的。借助Type C接口的結構優勢，其線纜和接口在所有設備條件滿足的前提下，可以承載最高100W的電力傳輸。
全功能Type C
當我們把DP顯示輸出功能和PD充電功能進行整合后，就變成全功能Type C接口。即該USB Type C接口整合了數據傳輸 + DP顯示輸出 + PD充電輸入三大功能，這樣的Type C接口既可以使用PD協議的Type C充電器為筆記本充電，也可以采用USB C to C雙頭線連接Type C接口的顯示器，同時它還可以傳輸數據。
DP Altmode以及PD對筆記本充電這兩項功能，堪稱Type C口所帶來的一次外設革命。
雷電（Thunderbolt） 3與外接顯卡
其實，在上篇視頻接口一文就已經介紹過雷電接口了，本篇USB接口又不得不再“誇一誇”它，可見其全能與強大。
簡單概括雷電3就是：成本略高、速度極快、能接顯卡、也是C口。
雷電1和雷電2——Mini DP
2011年，Intel正式發布了宣傳已久的Light Peak技術，並定名為“Thunderbolt”（雷電）。初代雷電1的接口形狀與筆記本常見的mini DP視頻接口是一樣的，也確實是PCIe + DP + USB的結合體。雷電1的接口帶寬達到了雙向各10Gbps，相當於目前USB 3.1 Gen2的帶寬。可在當時USB 2.0接口鋪天蓋地的情況下，1GB/S速度就是“嗖嗖嗖”的概念了。
隨后的雷電2，依舊采用miniDP狀接口，只不過將雙向帶寬提升至20Gbps，兩倍於上代雷電的速度。基本達到DP1.2的水准。雷電2在筆記本上仍舊是Macbook獨占的狀態。從理論上看，這一代基本可以嘗試外接顯卡使用，至少GTX660只要在PCIe 3.0 1X以上的帶寬下運行就沒有較大折損。而這個水平相當於比筆記本的GTX960M還高。而在雷電2所處的時代還沒有帕斯卡這樣的神級架構出現，所以外接一個GTX960/970后即使有折損，相比多數筆記本顯卡來說也是天翻地覆。
雷電3——Type C
而雷電3延續了雷電接口”換代即速度翻番“的光榮傳統，達到了雙向帶寬40Gbps，這個水平已經距離桌面平台顯卡的標准帶寬64Gbps（PCIe 8X）更進一步。最為重要的是雷電3的接口采用了Type C的形狀，並且終於開始較多的出現在Windows平台筆記本上，不再被蘋果獨占，從而極大地增強了其可用性。雷電3接口融合了4條PCIe 3.0總線、USB 3.1 Gen2以及DP1.2/1.4視頻輸出，還有最高可達100W的PD供電，堪稱目前最強悍的接口！
雷電3幾乎可以說是目前的大一統接口，在Type C物理接口的前提下，集合了外置顯卡、高速數據傳輸、視頻信號傳輸、超大功率電力傳輸。高達40Gbps的帶寬一騎絕塵，甩開USB好幾條大街。從常用功能上，包括以更低的帶寬和性能折損實現外接桌面平台顯卡、連接移動PCIe NVMe存儲設備實現高達3200M/S的數據傳輸、多4K或單5K超高分辨率顯示器，至於剛才提到的各類USB特性，更是全面兼容。
半速雷電3
其實，關於雷電3，有一行字好多人沒有注意，核心意思是：雷電3可以定義為PCIe 2X或者4X，也就是存在帶寬在20Gbps的所謂“半速雷電3”。這其中最廣為人知的就是戴爾的XPS13之前的版本，代號9360。該產品全系采用了X2速度的雷電3接口，讓這一代XPS13空有變態級的CPU性能釋放但不能以更高帶寬運行外置顯卡。這令許多發燒友扼腕，不過你要是真想接，不是不可以。
其實這種看似縮水的“半速雷電3”在雷電設備里並不在少數，但是常見於低電壓處理器 + 獨立顯卡的機型上。其主要原因是獨立顯卡加入后占據了部分PCIe，導致剩余的原生PCIe通道數不足4條，因此只能采用半速的雷電3接口。
半速雷電3，其主要影響除了外接顯卡時最高只能在PCIe 2X帶寬下運行外，主要集中在一些基於雷電滿速版的超強帶寬而支持的特性上。比如在外接PCIe 4X帶寬的固態硬盤時無法以最高讀寫速度運行；基於40Gbps帶寬支持的外接單個5K顯示器的功能告吹；在外接雷電接口顯示器時，分配給顯示器上的其他接口的帶寬會有所削弱。
Type C的混亂
Type C的功能強大且全面，但至今沒有統一的標識和明確的划分，這就導致了一個問題——類型多而混亂。從上圖也可看出，外型是Type C，名稱是Type C，能力卻可以天差地別。你的Type C接口不一定是“那個”Type C接口，買Type C相關產品時一定要擦亮眼睛，看清楚配置說明。
其實不光是Type C，USB標准發展至今，命名也好，標識也好，有時候廠商為了所謂的營銷手段，也會故意混淆概念，讓消費者很難分清自己買的產品能力究竟如何。下圖是官方版本，比較清晰，大家購買相關產品時注意分辨：
Type C總結
- 從接口分類上：Type C接口是基於之前A口B口的一次體驗變革，首先可以實現不分方向插入，還可以縮小接口厚度；其次不再有Micro、Mini之類的分支，移動端和PC端以及其他設備上可以實現多平台接口統一。
- 從接口功能上：具有超強的兼容性和可自定義性，與之前的USB轉接后利用外置芯片實現其他功能不同，Type C接口下可以原生添加DisplayPort顯示輸出，對內及對外雙向的大功率電力傳輸和文件數據傳輸，PCIe總線傳輸（雷電3）。設備間連接所需的線纜更少，成為推動電子產品輕薄化進步的重要保障之一。
- 帶寬方面：
- USB 2.0標准的帶寬480Mbps，折損后約合傳輸速度最高48MB/S；
- USB 3.0/3.1Gen1的帶寬5Gbps，折損后約合傳輸速度最高500M/S，原生支持對外5V 0.9A供電。USB 3.1標准推出后被合並到其中，成為USB 3.1 Gen1速度標准，目前絕大多數筆記本的Type C接口數據帶寬處在這個水平；
- USB 3.1 Gen2的帶寬為10Gbps，理想折損情況下傳輸速率約1.21GB/S。USB 3.1 Gen2的Type C接口在筆記本上並不常見，而在部分台式機主板上可以看到Type A形態的3.1 Gen2帶寬接口。
至於空前強大的真-萬金油雷電3接口，無論是20Gbps半速版還是40Gbps滿速版，其搭載設備占比越來越高。目前雷電3功能最為強大的蘋果MacBook系列，四個滿速接口可實現同時外接4塊4K@60Hz顯示屏並以擴展屏模式呈現。
（整理自網絡）
參考資料：
https://baike.baidu.com/item/USB/99797
https://n.znds.com/article/25751.html
https://toutiao.1688.com/article/1166267.htm