[導(dǎo)讀] 大家好，我是逸珺。

前面寫了一些SPI/I2C/RS-485之類的文章，有朋友留言希望能分享一些USB方面的梳理總結(jié)，今天就從系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)層面先來梳理一下。看看有沒有朋友喜歡。先從系統(tǒng)層面來梳理。個(gè)人學(xué)習(xí)，習(xí)慣于先從整體上摸個(gè)大概，然后再對(duì)感興趣的細(xì)節(jié)逐漸深入。

USB是比較復(fù)雜的協(xié)議棧，如果發(fā)現(xiàn)文章中有錯(cuò)誤，請(qǐng)幫忙指正。

注：本文主要參考USB2.0規(guī)范第4章，將標(biāo)準(zhǔn)中個(gè)人認(rèn)為比較重要的一些點(diǎn)盡量條理清晰的總結(jié)出來。我感覺很多朋友可能對(duì)于閱讀英文標(biāo)準(zhǔn)有點(diǎn)輕度抗拒，所以整理此文這也是一個(gè)起因，希望對(duì)朋友們有所幫助。

總線拓?fù)?/span>

說到總線拓?fù)?，這張圖大家一定都見過：

USB標(biāo)準(zhǔn)上說USB總線拓?fù)涫且环N分層星形結(jié)構(gòu)，這張拓?fù)鋱D延申出來的一些要點(diǎn)：

• 所謂星型是針對(duì)Hub而言的，一個(gè)Hub下面可以掛Hub或者設(shè)備，最頂層就是USB主機(jī)控制器
• USB主機(jī)控制器一般都伴隨有一個(gè)根集線器Root Hub。
• Hub級(jí)聯(lián)最多5層
• 總線上理論最大允許連接127個(gè)設(shè)備。
• Hub級(jí)聯(lián)遵循向下兼容，USB2.0主機(jī)或者高速Hub可以連接USB1.1Hub。
• 一個(gè)USB分層星型結(jié)構(gòu)有且僅有一個(gè)USB主機(jī)控制器
• 線纜最長(zhǎng)不超過5米

這個(gè)最大7層星形結(jié)構(gòu)，代表的是一條USB總線，一個(gè)USB分層星型結(jié)構(gòu)有且僅有一個(gè)USB主機(jī)控制器，但并不是說一臺(tái)計(jì)算機(jī)就只有一個(gè)USB總線，比如我的計(jì)算機(jī)內(nèi)部就是2個(gè)USB主控制器 Root Hub，從Windows設(shè)備管理器可以看到：

7層拓?fù)鋱D中的第2層只畫了一個(gè)Hub,并不意味真正的第2層就只能有一個(gè)Hub，但這個(gè)圖無法顯示出更為詳細(xì)的總線連接關(guān)系，用USBTrace軟件來看看：

第1條總線有4個(gè)端口，第2條總線的根集線器具有18個(gè)端口，其中8、9、10為計(jì)算機(jī)內(nèi)部的USB設(shè)備占用了。我這臺(tái)筆記本對(duì)外有兩個(gè)USB接口，通過分別將U盤插入這兩個(gè)端口，再利用USBTrace探測(cè)可以推斷出這兩個(gè)端口都屬于第2條總線的Port 3以及Port 4：

那么Hub長(zhǎng)什么樣呢？比如下面是一個(gè)7口的USB Hub示意圖，來源于USB2.0標(biāo)準(zhǔn)：

物理接口

電氣概覽

USB 通過四線電纜傳輸信號(hào)和電源。信令發(fā)生在每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)段上的兩條線上。

• VBUS/GND：供電
• D /D-：USB差分信號(hào)線。

具有三種數(shù)據(jù)速率：

• 高速模式 high-speed：480 Mb/s，常縮寫為HS模式
• 全速模式 full-speed：12 Mb/s，?？s寫為FS模式
• 低速模式 low-speed：1.5 Mb/s，?？s寫為L(zhǎng)S模式

至于數(shù)據(jù)編碼模式，這里先不管它。

機(jī)械概覽

機(jī)械部分主要定義USB采用什么尺寸的接插件，線纜的顏色定義、線號(hào)。線纜的抗拉強(qiáng)度等。主要從以下幾個(gè)方面去標(biāo)準(zhǔn)化：

• 主要連接器類型規(guī)范，主要分A、B系列。定義了公頭、母頭。

• 線纜規(guī)范。高速/全速電纜由信號(hào)雙絞線、VBUS、GND 和整體屏蔽組成。當(dāng)高速/全速電纜與低速設(shè)備一起使用時(shí)，電纜必須滿足所有低速設(shè)備要求。低速設(shè)備可以不使用雙絞線。雙絞線可有效抵抗共模噪聲。

• 連接器機(jī)械尺寸及材料要求。

連接器腳號(hào)	信號(hào)名	線芯顏色
1	VBUS	紅色
2	D-	白色
3	D	綠色
4	GND	黑色
外殼	屏蔽	屏蔽層

• A/B系列插座規(guī)范
• A/B系列插頭規(guī)范
• 電纜尺寸材料規(guī)范，這里就不羅列了，知道在哪里查就可以了。
• 電氣、機(jī)械和環(huán)境合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)
• 接地規(guī)范，屏蔽層一定要焊接在插頭的外殼接地點(diǎn)。
• 插座PCB尺寸規(guī)范。所以對(duì)于有繪制接插件需要的，可以參考6.9節(jié)的尺寸。
• Logo位置
• 線芯顏色規(guī)范。
• USB Logo尺寸規(guī)范。

協(xié)議概述

USB采用主從通訊模式，是一種輪詢總線。所有數(shù)據(jù)傳輸都由主機(jī)控制器發(fā)起。這是USB標(biāo)準(zhǔn)中最難啃的部分，這里先不總結(jié)。

健壯設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于協(xié)議健壯性，又稱魯棒性，做了這幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)：

• 從信號(hào)完整性角度：使用差分驅(qū)動(dòng)器、差分接收器和以及對(duì)信號(hào)線纜的屏蔽處理。差分收發(fā)策略主要在抵抗共模干擾方面效果顯著，而屏蔽層則有兩方面的作用：其一，有效降低USB線通過無線電波對(duì)外界干擾；其二、能有效隔斷外界無線干擾對(duì)USB信號(hào)線、電源線的干擾。
• CRC報(bào)文校驗(yàn)。報(bào)文中數(shù)據(jù)如果出錯(cuò)，可以檢測(cè)出來，可以做相應(yīng)的處置。
• 熱插拔檢測(cè)及對(duì)相應(yīng)硬件設(shè)備的系統(tǒng)配置管理。這個(gè)設(shè)計(jì)有助于提升用戶體驗(yàn)，用戶隨用隨插，而無需關(guān)機(jī)插拔。
• 利用對(duì)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)損壞超時(shí)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)通訊自恢復(fù)機(jī)制，以增強(qiáng)協(xié)議的健壯性。
• 對(duì)流數(shù)據(jù)的進(jìn)行流量控制以確保同步以及底層收發(fā)硬件緩沖區(qū)管理。
• 數(shù)據(jù)管道和控制管道分離

配置管理

USB支持熱插拔，所謂熱插拔就是，設(shè)備插入，系統(tǒng)需要正確識(shí)別設(shè)備加載驅(qū)動(dòng)程序，斷開后，系統(tǒng)需要從軟件層面識(shí)別到設(shè)備已經(jīng)從總線上移除了。這里所謂的系統(tǒng)，有可能是帶操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，也有可能是不帶操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備。

比如下面這個(gè)U盤插入移除的過程:

連接檢測(cè)

所有的USB設(shè)備都必須經(jīng)過集線器上的USB端口連接到總線。從總線拓?fù)鋱D可以看出，總線上有一個(gè)主控制器，位于金字塔的頂端。上面動(dòng)圖中也可以看出，即便是計(jì)算機(jī)內(nèi)部USB設(shè)備也是經(jīng)由Hub的端口連接到總線的，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)內(nèi)部很多設(shè)備也會(huì)采用USB總線進(jìn)行互聯(lián)，比如內(nèi)置的藍(lán)牙設(shè)備。

主機(jī)控制器位于頂端，設(shè)備是經(jīng)過集線器的端口連接到總線，那么主控制器怎么知道設(shè)備插入呢？這是由于集線器具有用于報(bào)告USB設(shè)備在其端口之一上的連接或移除的狀態(tài)位。主控制器查詢集線器檢索這些狀態(tài)位。在設(shè)備插入時(shí)，主控制器啟用端口并通過設(shè)備的控制管道在默認(rèn)地址對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行尋址。主機(jī)為設(shè)備分配一個(gè)唯一的USB地址，然后確定新連接的USB設(shè)備是集線器還是功能設(shè)備。主機(jī)使用分配的USB地址和端點(diǎn)編號(hào)0為USB設(shè)備建立其控制管道的端點(diǎn)。

• 如果新連接的USB設(shè)備是集線器，如果這個(gè)新連接的集線器的端口上有USB 設(shè)備，則對(duì)每個(gè)連接的USB設(shè)備執(zhí)行上述識(shí)別操作。
• 如果連接的USB設(shè)備是一個(gè)功能設(shè)備，則連接通知將由適用于該功能的主機(jī)軟件處理。如果是基于通用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，則由一般驅(qū)動(dòng)程序處理，如果主機(jī)控制器是單片機(jī)類嵌入式設(shè)備，則由單片機(jī)程序負(fù)責(zé)處理。

斷開檢測(cè)

同樣移除時(shí)，從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)角度來看，也需要考慮兩種情況。

如果是設(shè)備從集線器移除，集線器會(huì)禁用該端口并向主機(jī)提供設(shè)備移除的指示。然后主機(jī)控制器從軟件層面做相應(yīng)的移除處理。

如果是集線器移除，需要從軟件層面移除該集線器所有端口的USB設(shè)備或級(jí)聯(lián)集線器，當(dāng)然如果集線器又連集線器，則有點(diǎn)遞歸的意思。

總線枚舉

總線枚舉是主控制器識(shí)別連接到總線的設(shè)備并為該設(shè)備分配唯一地址的活動(dòng)。由于USB允許USB設(shè)備隨時(shí)連接到USB總線或從USB總線斷開，因此總線枚舉是 USB系統(tǒng)軟件的持續(xù)進(jìn)行的過程。USB總線枚舉還包括移除的檢測(cè)和處理。

傳輸模式

USB利用單向或雙向管道在USB主機(jī)控制器和USB設(shè)備之間進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)和功能數(shù)據(jù)傳輸。管道Pipe是一個(gè)底層軟件及硬件邏輯概念，數(shù)據(jù)就像水一樣從管道中的一側(cè)流向另一側(cè)，就對(duì)應(yīng)著主機(jī)控制器與設(shè)備的兩個(gè)端點(diǎn)endpoint。endpoint就像管道的兩頭，也是軟件邏輯概念。將主機(jī)與設(shè)備側(cè)的端點(diǎn)邏輯關(guān)聯(lián)起來，就是所謂的管道了。當(dāng)然這管道之所以能傳輸數(shù)據(jù)，是因?yàn)橹鞫恕⒃O(shè)備端兩側(cè)相應(yīng)的代碼配合芯片內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)流經(jīng)由一側(cè)的端點(diǎn)通過邏輯管道傳輸?shù)搅硪粋?cè)端點(diǎn)，USB架構(gòu)包含四種基本類型的數(shù)據(jù)傳輸：

• 控制傳輸
• 批量傳輸
• 中斷傳輸
• 同步傳輸

下表是這四類傳輸在不同速度模式下支持的最大包長(zhǎng)度，放在這里有一個(gè)整體概念：

速度模式	低速	全速	高速
控制傳輸	8	8/16/32/64	64
同步傳輸	不支持	1023	1024
中斷傳輸	0~8	0~64	0~1024
批量傳輸	不支持	8/16/32/64	512

控制傳輸

控制傳輸，主要用于在設(shè)備首次連接時(shí)配置設(shè)備；并可用于其他設(shè)備自定義的傳輸目的，比如控制設(shè)備上的其他管道。

USB系統(tǒng)軟件在設(shè)備首次連接時(shí)使用控制傳輸進(jìn)行設(shè)備配置。其他驅(qū)動(dòng)程序軟件也可以選擇以自定義方式使用控制傳輸。控制傳輸主要使用管道0，數(shù)據(jù)傳輸是無損的。

每個(gè)USB設(shè)備都必須有控制端點(diǎn)，支持控制傳輸來進(jìn)行命令和狀態(tài)的傳輸。此外，控制傳輸是雙向傳輸。

批量傳輸

批量傳輸Bulk Transfer就像其名字一樣，數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，具有突發(fā)性。這種突發(fā)性可能來源于用戶對(duì)USB設(shè)備的操作，比如對(duì)U盤的讀寫操作就會(huì)觸發(fā)批量傳輸。批量傳輸這種突發(fā)性也就意味著是非周期性的，一般用于沒有實(shí)時(shí)性要求、數(shù)據(jù)量比較大設(shè)備。比如用于打印機(jī)或掃描儀的數(shù)據(jù)。批量傳輸數(shù)據(jù)是連續(xù)的。通過在硬件中使用錯(cuò)誤檢測(cè)并采用前面所說的錯(cuò)誤重傳機(jī)制，可以在硬件級(jí)別確?？煽康臄?shù)據(jù)交換。此外，大量數(shù)據(jù)占用的帶寬可能會(huì)有所不同，具體取決于其他總線活動(dòng)，這是由主機(jī)控制器動(dòng)態(tài)仲裁管理的。

批量傳輸是單向的，使用單向大容量端點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

中斷傳輸

一般用于需要實(shí)時(shí)可靠的傳輸場(chǎng)景。此類數(shù)據(jù)可隨時(shí)由設(shè)備傳輸，并以不低于設(shè)備指定的速率進(jìn)行傳輸。中斷數(shù)據(jù)通常由一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的事件通知、字符或坐標(biāo)組成。比如USB鼠標(biāo)就是一個(gè)采用中斷傳輸?shù)膶?shí)例。

同步傳輸

占用預(yù)先約定好的USB帶寬以及傳輸延遲，也稱為流式實(shí)時(shí)傳輸。所需要的帶寬以及延遲要求，與特定設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)吞吐率以及端點(diǎn)的緩沖管理有關(guān)，比如用于音頻會(huì)議USB耳麥，對(duì)于音頻的采樣率是有參數(shù)要求的。

帶寬分配

USB標(biāo)準(zhǔn)定義了如何允許每種傳輸類型訪問總線的規(guī)則。帶寬分配主要在從兩個(gè)方面進(jìn)行規(guī)定：

• 帶寬在管道之間分配。當(dāng)管道建立時(shí)，USB會(huì)為一些管道分配帶寬。USB底層軟硬件需要提供數(shù)據(jù)緩沖，帶寬需求大的場(chǎng)景需要提供更大的緩沖區(qū)。
• 帶寬可以在許多不同的數(shù)據(jù)流之間分配。從而能實(shí)現(xiàn)將各種設(shè)備連接到USB總線。此外，可以同時(shí)支持具有寬動(dòng)態(tài)范圍的不同設(shè)備比特率需求。所謂寬動(dòng)態(tài)范圍是指其帶寬需求是隨著使用場(chǎng)景在動(dòng)態(tài)變化的。

好了，先總結(jié)這么多，繼續(xù)慢慢啃~。

END
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