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[導讀] 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，今天就從系統(tǒng)標準層面先來梳理一下。看看有沒有朋友喜歡。先從系統(tǒng)層面來梳理。個人學習，習慣于先從整體上摸個大概，然后再對感興趣的細節(jié)逐漸深入。

USB是比較復雜的協(xié)議棧，如果發(fā)現(xiàn)文章中有錯誤，請幫忙指正。

注：本文主要參考USB2.0規(guī)范第4章，將標準中個人認為比較重要的一些點盡量條理清晰的總結出來。我感覺很多朋友可能對于閱讀英文標準有點輕度抗拒，所以整理此文這也是一個起因，希望對朋友們有所幫助。

總線拓撲

說到總線拓撲，這張圖大家一定都見過：

USB標準上說USB總線拓撲是一種分層星形結構，這張拓撲圖延申出來的一些要點：

• 所謂星型是針對Hub而言的，一個Hub下面可以掛Hub或者設備，最頂層就是USB主機控制器
• USB主機控制器一般都伴隨有一個根集線器Root Hub。
• Hub級聯(lián)最多5層
• 總線上理論最大允許連接127個設備。
• Hub級聯(lián)遵循向下兼容，USB2.0主機或者高速Hub可以連接USB1.1Hub。
• 一個USB分層星型結構有且僅有一個USB主機控制器
• 線纜最長不超過5米

這個最大7層星形結構，代表的是一條USB總線，一個USB分層星型結構有且僅有一個USB主機控制器，但并不是說一臺計算機就只有一個USB總線，比如我的計算機內部就是2個USB主控制器 Root Hub，從Windows設備管理器可以看到：

7層拓撲圖中的第2層只畫了一個Hub,并不意味真正的第2層就只能有一個Hub，但這個圖無法顯示出更為詳細的總線連接關系，用USBTrace軟件來看看：

第1條總線有4個端口，第2條總線的根集線器具有18個端口，其中8、9、10為計算機內部的USB設備占用了。我這臺筆記本對外有兩個USB接口，通過分別將U盤插入這兩個端口，再利用USBTrace探測可以推斷出這兩個端口都屬于第2條總線的Port 3以及Port 4：

那么Hub長什么樣呢？比如下面是一個7口的USB Hub示意圖，來源于USB2.0標準：

物理接口

電氣概覽

USB 通過四線電纜傳輸信號和電源。信令發(fā)生在每個點對點網段上的兩條線上。

• VBUS/GND：供電
• D /D-：USB差分信號線。

具有三種數(shù)據(jù)速率：

• 高速模式 high-speed：480 Mb/s，?？s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LS模式

至于數(shù)據(jù)編碼模式，這里先不管它。

機械概覽

機械部分主要定義USB采用什么尺寸的接插件，線纜的顏色定義、線號。線纜的抗拉強度等。主要從以下幾個方面去標準化：

• 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/全速電纜由信號雙絞線、VBUS、GND 和整體屏蔽組成。當高速/全速電纜與低速設備一起使用時，電纜必須滿足所有低速設備要求。低速設備可以不使用雙絞線。雙絞線可有效抵抗共模噪聲。

• 連接器機械尺寸及材料要求。

連接器腳號	信號名	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、機械和環(huán)境合規(guī)性標準
• 接地規(guī)范，屏蔽層一定要焊接在插頭的外殼接地點。
• 插座PCB尺寸規(guī)范。所以對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)傳輸都由主機控制器發(fā)起。這是USB標準中最難啃的部分，這里先不總結。

健壯設計

標準關于協(xié)議健壯性，又稱魯棒性，做了這幾個方面的設計：

• 從信號完整性角度：使用差分驅動器、差分接收器和以及對信號線纜的屏蔽處理。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線通過無線電波對外界干擾；其二、能有效隔斷外界無線干擾對USB信號線、電源線的干擾。
• CRC報文校驗。報文中數(shù)據(jù)如果出錯，可以檢測出來，可以做相應的處置。
• 熱插拔檢測及對相應硬件設備的系統(tǒng)配置管理。這個設計有助于提升用戶體驗，用戶隨用隨插，而無需關機插拔。
• 利用對數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)損壞超時檢測實現(xiàn)通訊自恢復機制，以增強協(xié)議的健壯性。
• 對流數(shù)據(jù)的進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，設備插入，系統(tǒng)需要正確識別設備加載驅動程序，斷開后，系統(tǒng)需要從軟件層面識別到設備已經從總線上移除了。這里所謂的系統(tǒng)，有可能是帶操作系統(tǒng)的計算機，也有可能是不帶操作系統(tǒng)的嵌入式設備。

比如下面這個U盤插入移除的過程:

連接檢測

所有的USB設備都必須經過集線器上的USB端口連接到總線。從總線拓撲圖可以看出，總線上有一個主控制器，位于金字塔的頂端。上面動圖中也可以看出，即便是計算機內部USB設備也是經由Hub的端口連接到總線的，現(xiàn)在的計算機內部很多設備也會采用USB總線進行互聯(lián)，比如內置的藍牙設備。

主機控制器位于頂端，設備是經過集線器的端口連接到總線，那么主控制器怎么知道設備插入呢？這是由于集線器具有用于報告USB設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。在設備插入時，主控制器啟用端口并通過設備的控制管道在默認地址對USB設備進行尋址。主機為設備分配一個唯一的USB地址，然后確定新連接的USB設備是集線器還是功能設備。主機使用分配的USB地址和端點編號0為USB設備建立其控制管道的端點。

• 如果新連接的USB設備是集線器，如果這個新連接的集線器的端口上有USB 設備，則對每個連接的USB設備執(zhí)行上述識別操作。
• 如果連接的USB設備是一個功能設備，則連接通知將由適用于該功能的主機軟件處理。如果是基于通用操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)，則由一般驅動程序處理，如果主機控制器是單片機類嵌入式設備，則由單片機程序負責處理。

斷開檢測

同樣移除時，從標準設計角度來看，也需要考慮兩種情況。

如果是設備從集線器移除，集線器會禁用該端口并向主機提供設備移除的指示。然后主機控制器從軟件層面做相應的移除處理。

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設備或級聯(lián)集線器，當然如果集線器又連集線器，則有點遞歸的意思。

總線枚舉

總線枚舉是主控制器識別連接到總線的設備并為該設備分配唯一地址的活動。由于USB允許USB設備隨時連接到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)進行的過程。USB總線枚舉還包括移除的檢測和處理。

傳輸模式

USB利用單向或雙向管道在USB主機控制器和USB設備之間進行應用數(shù)據(jù)和功能數(shù)據(jù)傳輸。管道Pipe是一個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流向另一側，就對應著主機控制器與設備的兩個端點endpoint。endpoint就像管道的兩頭，也是軟件邏輯概念。將主機與設備側的端點邏輯關聯(lián)起來，就是所謂的管道了。當然這管道之所以能傳輸數(shù)據(jù)，是因為主端、設備端兩側相應的代碼配合芯片內部硬件實現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)流經由一側的端點通過邏輯管道傳輸?shù)搅硪粋榷它c，USB架構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度，放在這里有一個整體概念：

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

USB系統(tǒng)軟件在設備首次連接時使用控制傳輸進行設備配置。其他驅動程序軟件也可以選擇以自定義方式使用控制傳輸?？刂苽鬏斨饕褂霉艿?，數(shù)據(jù)傳輸是無損的。

每個USB設備都必須有控制端點，支持控制傳輸來進行命令和狀態(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)量相對較大，具有突發(fā)性。這種突發(fā)性可能來源于用戶對USB設備的操作，比如對U盤的讀寫操作就會觸發(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，一般用于沒有實時性要求、數(shù)據(jù)量比較大設備。比如用于打印機或掃描儀的數(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誤檢測并采用前面所說的錯誤重傳機制，可以在硬件級別確?？煽康臄?shù)據(jù)交換。此外，大量數(shù)據(jù)占用的帶寬可能會有所不同，具體取決于其他總線活動，這是由主機控制器動態(tài)仲裁管理的。

批量傳輸是單向的，使用單向大容量端點來實現(xiàn)。

中斷傳輸

一般用于需要實時可靠的傳輸場景。此類數(shù)據(jù)可隨時由設備傳輸，并以不低于設備指定的速率進行傳輸。中斷數(shù)據(jù)通常由一個或多個字節(jié)的事件通知、字符或坐標組成。比如USB鼠標就是一個采用中斷傳輸?shù)膶嵗?/p>

同步傳輸

占用預先約定好的USB帶寬以及傳輸延遲，也稱為流式實時傳輸。所需要的帶寬以及延遲要求，與特定設備的相關數(shù)據(jù)吞吐率以及端點的緩沖管理有關，比如用于音頻會議USB耳麥，對于音頻的采樣率是有參數(shù)要求的。

帶寬分配

USB標準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方面進行規(guī)定：

• 帶寬在管道之間分配。當管道建立時，USB會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。從而能實現(xiàn)將各種設備連接到USB總線。此外，可以同時支持具有寬動態(tài)范圍的不同設備比特率需求。所謂寬動態(tài)范圍是指其帶寬需求是隨著使用場景在動態(tài)變化的。

好了，先總結這么多，繼續(xù)慢慢啃~。

—— The End?——