每天都用的数据线,原来还有这些你不知道的新功能

2019-11-22 16:09:37 122点赞 859收藏 71评论

今年 3 月份,USB-IF (也就是 USB 协议标准化协会)发布了 USB 4 协议。这本来应该是一个好消息,但是当我看到具体的传输速率参数时,我就预感到未来消费者在选购 USB 4 设备或线缆时又会被坑得挺惨了。


这背后主要有两个问题:一方面是 USB 4 规范的速率的设定;另外一方面就是现在大家常常遇到的 Type-C 背后使用协议不同,线缆协议能否完整支持这些协议。在选购 USB 3 和 Thunderbolt 3 (以下简称为 TB 3)的线缆或是设备的时候,大家可能会遇到重金购买的设备完全不能使用,或是和官方宣传的特性不相符的情况,但是追寻其中原因时,往往会迷惑在两者之间复杂的对应关系。

其实 USB 接口的形状和背后使用的协议并无对应关联。

所以我将在下文中详细介绍这两部分,也希望这篇文章可以帮助到正在选购 USB 3 和 TB 3 线缆和相关接口设备的你。

注:本文写作时,USB-IF 只公布了一部分的 USB 4 协议的特性。请注意,USB-IF 未来可能会加入更多的特性。

 USB Type-C 真的只是个接口的形状

一直以来 USB 接口的形状多样,而协议实际上并不怎么多(加上 USB-IF 一贯喜欢给已发布的协议改个名,这点在下文中还会继续提到),所以给一般消费者的感觉就是一个接口对应一个协议。

下图展示了 USB 2 和 USB 3 的各种接口种类。在这张图里我们可以看到,无论是在 USB 2 还是 USB 3 协议下,除了大家常见的 Type-A 口、Micro-B 口和 Type-C 接口以外,还有很多日常生活中不怎么见到的接口。另外值得注意的一点是,USB 2 和 USB 3 的 Type-A 口除了颜色不一样以外,接口的形状几乎完全一样。

上述两点都能说明,USB 接口的形状和背后使用的协议其实一直是毫无关联的两部分。

每天都用的数据线,原来还有这些你不知道的新功能

在 Type-C 接口上也同样是这个道理,USB Type-C 是接口形态和电缆规格,背后承载的协议可以是 USB 3 协议,也可以是 USB 2 协议、 未来的 USB 4 协议和 TB 3 协议。

这篇文章首先对接口形状和协议进行分离的目的在于,希望大家未来在选购硬件的时候不要只看到接口形状,而是要格外关注 Type-C 接口背后的多样协议,千万不要按图索骥、买错东西。

接口说完了,下面就要进入大家所关心的协议说明环节,TB 3 和 USB 之间的传输协议也是各有不同的,所以我会按照协议用途逐个进行说明。

 ▍这些 USB 传输协议我们很常用

数据传输

USB 协议的主要任务就是传输数据,不同的 USB 标准带来的本质区别是拥有不同的传输速度。尽管 USB-IF 一直喜欢给老的协议改个新的名字,导致 USB 命名混乱,但从我列出的表中可以看出,在同一系列命名中,依旧摆脱不了「数字大的传输速度越快」这样的规律。

在实际购买中需要注意的是,有些商家可能只标注 USB 3.1 和 USB 3.2 ,而非 Gen 1 或者 Gen 2 之类的额外参数,这恰恰是我们选购时需要考虑的重点。

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显示传输

USB 传输协议也可以被用作显示传输,不过这一点仅限 Type-C 形状的接口。这个形状的接口针脚最多,可以进入一个名叫「备用模式」(Alt-Mode)的状态,而显示传输正需要通过这个「备用模式」才能正常工作。

我们遇到的诸如无法点亮屏幕等问题,主要是因为「备用模式」对于各大供应商来说并不是必选项,而是一个可选项。也就是说,不是任何 USB-C 设备都需要支持所有的「备用模式」。在选购时我们大家一定要了解自己购买的设备所支持的备用模式是否与线材支持的相融。

截至本文发布时,USB-IF 已经规定了如下的备用模式用于显示传输:

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「备用模式」除了能用于显示传输以外,还将在未来支持以太网的传输。

音频传输

USB 还支持了针对音频的传输协议,方便类似于麦克风、扬声器、耳机、电话、乐器这样的设备利用 模拟信号 将音频流直接传递其他设备。这类协议的低版本甚至无须任何驱动就可以跨平台使用,我们常见的免驱动的 USB 声卡一般就会使用该协议。

除此之外,利用 USB Type-C ,我们还可以让播放器直接将音频的 数字信号 传输到支持的耳机等音频输出设备。这种模式能保证音频在传输的过程中受到的干扰尽可能小,且保证质量,主要为没有 3.5mm 音频插口的手机所用。

在日常使用的时候,我们可能需要注意设备(比如手机)输出时具体使用的音频协议。如果你的手机是仅支持数字模式输出音频的设备,那么耳机或者适配器必须要有 DAC(数模转换器,将数字信号转换为模拟信号) 和 运算放大器(将声音放大) ,否则我们将听不到任何声音。这类手机包括但不限于 Google Pixel 2, HTC U11, Essential Phone, Razer Phone 等。

USB Type-C 在音频传输方面还提供了另外一套模拟模式:「音频适配器模式」。利用该模式能将数字信号转换成模拟信号,额外拓展成支持左声道、右声道、地面声道三个输出声道以及一个麦克风输入声道的模拟音频信号接口。

为了保证最大兼容性, USB-IF 规定带有 USB Type-C 接口作为输入的耳机必须同时支持数字音频模式和音频适配器模式。

电源传输协议

除了传输数据,在日常生活中我们使用 USB 最多的场景可能就是充电了。如何充电才能又快又安全?

USB 本身有一个标准的供电协议,现在也被合并进入了 USB Power Delivery 中。USB Power Delivery 目前已经更新到了 3.0 协议了(下文简称 PD 3.0),PD 3.0 目前支持 5V、9V、15V 和 20V 四档电压,最大支持 100W 的功率输出,具体每个电压档位可以输出的功率和电流请看下图(需要注意 micro-B 只支持 PD 1.0 协议,最大输出 60 W 的功率):

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在为电脑等高功率设备供电,需要输出 60~100W 范围功率的时候,切记一定要使用能够承载 5A 电流的电线,否则可能会导致硬件损坏甚至人身伤害。

手机方面,Apple 目前在售的设备已经兼容 PD 充电协议。Android 各个厂商虽会采用各式各样的快充协议,不过好在 USB PD 协议目前已经兼容了行业中部分的其他快充标准(比如 QC 4.0),而且 Google 也强制规定了「2019 年以后发布的采用 USB Type-C 接口的新设备,必须确保与 USB-C PD 协议的兼容性」。相信在未来某一日,大家能够感受到一根线缆到处充电的便捷。

 ▍传输高速的 Thunderbolt 3 其实也是多面手

数据传输协议

如果你对数据传输速度有极高的要求,Thunderbolt 应该是你最先考虑采用的协议。

Thunderbolt 由 Intel 和苹果公司一起研发的高速数据传输协议,我们可以把它看成是将内置的 PCI-E 通道的另一种供用户使用的暴露形态,因此有着极高的速度传输上限。比如 Thunderbolt 3 号称可以最大提供 40 Gbps (约5GB/s)的带宽。

如果你在实际使用中发现达不到这样的理论极限速度,也许并不是出了什么问题。根据微博 @iBuick 的测试,TB 3 最大只能提供 32 Gbps (约 4GB/s)的带宽 。究其原因还是为数据完整性让路,通过 TB 传输的每 8bit 数据都需要有额外的 2bit 校验位,这样才能保证在数据快速传输之时,又不在传输过程中产生问题。

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TB 协议还配有独特的「菊花链」(Daisy-chain)技术。这种技术可以让设备与设备通过线缆环环相连(如上图)变相达成一台设备连接到电脑的条件。每个 TB 接口都支持以这样的形式最多串联 6 个设备,除了显示器并不支持菊花链功能(且必须位于菊花链的末端),一般 1 个 TB 口可以拓展给 6 个设备进行使用,菊花链中的带宽也是动态分配的。 

显示传输

无论是何种版本 TB 协议,都是默认支持 DisplayPort 协议的,在连接到显示器显示画面时,可以直接通过 TB 内置的 DP 协议直接输出。最新版本的 TB 3 协议兼容的是 DP 1.4 协议(最大支持 8K 60Hz或者4K 120Hz 10bit色深 HDR 视频的传输)。需要额外注意的是,Thunderbolt 的芯片名称是:Titan Ridge,否则仅支持 DP 1.2。

由于 TB 3 开始使用 USB Type-C,因此也有一个「替代模式」叫做 TB3 Alt Mode。通过该模式,可以将显示流传输到工作在 USB Type-C 替代模式下的显示器。

比如 iPad Pro 2018 可以直接使用配套的线缆将画面推送到新款 LG UltraFine 5K 显示器上(新款支持 USB Type-C 替代模式)。而旧款的 LG UltraFine 5K 显示器就没那么便捷了,你会发现是这两者是无法使用 Type-C 接口进行显示传输的。老版本的只支持旧的 DP over Thunderbolt 3 模式,而这个模式不兼容 Type-C 进行显示输出,还是需要用到传统的 TB 线缆。

电源传输

TB 3 的电源传输使用的是标准 PD 3.0 协议,具体如何协商的可以看下图:

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 ▍来自 USB 4 的实用新特性

上面说了那么多过去和现在使用协议的情况,那么未来我们将会使用的 USB 4 协议有哪些特性呢?

  • 最大 40 Gbps 带宽

  • 动态分配带宽

  • 强制支持 USB PD 3 充电协议

  • 仅有 USB Type-C 一种形态

  • 向下兼容

  • 部分产品可完全兼容 TB 3

其中有几点可以特别注意下:

动态分配带宽可以让 USB 分线器 上的带宽利用变得更加彻底,比如一个 U 盘传输数据占用掉了分线器 10% 左右的带宽,剩下 90% 的带宽可以释放给外置高速 SSD 使用,相比在旧版本的 USB 协议中所有设备平均分享总带宽要好上不少。

强制支持 USB PD 3 充电协议其实是「仅有 USB Type-C 一种形态」带来的特性,所有的线缆在未来都能直接拿来充电,而且未来可能只需要一根线缆就能解决大部分的充电问题。不过这样也会有一个问题,用户没办法预计电流会从哪个设备流向另外个设备,实际使用的时候可能会出现用户所不希望的「反向充电」情况的出现。

注意:本文写作时,USB-IF 标准化组织也只公布了上述的新特性,未来或许会加入更多的令人兴奋的新特性,本文可能无法及时更新。

 ▍线缆选购指南

Type-C 接口目前和未来所有将会使用的协议都讲完了,但是设备和设备之间还需要线缆进行连接的,如果线缆不合格,即使是接收端和发送端都支持的某个协议的情况下,这个协议应该还是无法正常使用。

因此选购一条合适的线缆变得非常重要。

完整特性的 TB 3 线缆

TB 3 线缆在选购的过程中需要注意 E-TAG 和供电的问题。

E-TAG 是为了保证 TB 3 线缆在长度超过 1 米时保证性能的物理硬件,放置在线缆的两端。如果厂商重点宣传了「长距离传输性能」等特性,多半是具备 E-TAG。长距离的 TB 3 线缆如果两端没有 E-TAG,速度可能只有 20Gbps(而不是 40 Gbps)。一般我们会把带有 E-TAG 的线缆称为主动线,没有 E-TAG 则被称为被动线缆。用作 USB 线缆的时候,带有 E-TAG 的 TB 3 线缆只支持到 USB 2.0,数据传输方面会有一定的速度缺失,所以算不上全能。

其次就是供电,虽然 TB 3 都支持 PD 协议,但并不是每根线都支持最高的 100W 功率,大部分的 TB 3 线缆可能只支持到 60W,需要在选购的时候额外注意。

我目前用过的完整支持所有特性的 TB 3 线缆有:

  • Caldigit Thunderbolt 3 线缆 0.5米/0.7米/2米,其中最长的 2 米版本的是 490 元

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  • Belkin 雷雳 3 5A 连接线 2 米版本:610 元

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推荐的 Type-C 线缆

我这里只推荐 Type-C 到 Type-C (简称为 C2C)线缆,主要是因为其他的 USB 接口形状不会遇到 5A 那么大电流的情况,况且大家其他的 USB 接口的线缆也应该有不少了才对。高品质的 Type-C 在我看来应该有以下条件:

  • 支持 100W PD (也就是 5A 电流)

  • 至少支持 USB 3.0 (现称为 USB 3.2 Gen 1)的传输速度

  • 完整的其他协议和替代模式的支持

我目前在用的符合上述特性的 C2C 线缆有:

  • Satechi USB-C to USB-C 100W Charging Cable :折合人民币约 141 元

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  • Apple USB-C 充电线 1米/2米版:人民币 145 元

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当然我这里还有其他的 C2C 的线缆,它们或多或少都有点不那么完美:支持的 PD 功率只有 60W、传输速率只有 USB 2.0 的等级……在日常生活中目前也是够用的。

所有协议都支持的万能线缆

想要支持上述的我所介绍的所有协议,那么买短距离 TB 3 被动线缆准没错。不过需要注意避开短距离的 TB 3 主动线(带 E-TAG)这个坑。

短距离 TB 3 被动线缆是指的是总长度小于等于 1m 且没有 E-TAG 的 TB 3 线缆。因为所有TB 3 的线缆都在两端带有 TB 3 协议的控制器,除了 TB 3 和 100W PD 的支持,这种控制器额外提供 Thunerbolt 备用模式、 DisplayPort 备用模式以及 USB 3.0 或以上的(控制器芯片需要是 Titan Ridge 才会支持 USB 3.1)协议支持。

不过经过我的测试,确定是全功能的线缆就那么一条: Apple 雷雳 3 (USB‑C) 连接线 (0.8 米)  官网售价320元。

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好了,以上就是我帮大家整理好的 USB 和 Thunderbolt 有关的内容,希望大家在选购自己心仪产品时能帮助到大家,免得被商家坑到,或是浪费时间精力甚至钱财。


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