圖解USB標準之架構(gòu)概覽

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(xué)習(xí)，習(xí)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(fù)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(jié)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，代表的是一條USB總線，一個USB分層星型結(jié)構(gòu)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(nèi)部就是2個USB主控制器+Root Hub，從Windows設(shè)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(guān)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(nèi)部的USB設(shè)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(wǎng)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，常縮寫為HS模式

全速模式 full-speed：12 Mb/s，常縮寫為FS模式

低速模式 low-speed：1.5 Mb/s，常縮寫為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(shè)備一起使用時，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。

連接器機械尺寸及材料要求。

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(jié)。

健壯設(shè)計

標準關(guān)于協(xié)議健壯性，又稱魯棒性，做了這幾個方面的設(shè)計：

從信號完整性角度：使用差分驅(qū)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(yīng)的處置。

熱插拔檢測及對相應(yīng)硬件設(shè)備的系統(tǒng)配置管理。這個設(shè)計有助于提升用戶體驗，用戶隨用隨插，而無需關(guān)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(fù)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(shè)備插入，系統(tǒng)需要正確識別設(shè)備加載驅(qū)動程序，斷開后，系統(tǒng)需要從軟件層面識別到設(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)的計算機，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U盤插入移除的過程:

連接檢測

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(nèi)部USB設(shè)備也是經(jīng)由Hub的端口連接到總線的，現(xiàn)在的計算機內(nèi)部很多設(shè)備也會采用USB總線進行互聯(lián)，比如內(nèi)置的藍牙設(shè)備。

主機控制器位于頂端，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，主控制器啟用端口并通過設(shè)備的控制管道在默認地址對USB設(shè)備進行尋址。主機為設(shè)備分配一個唯一的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。主機使用分配的USB地址和端點編號0為USB設(shè)備建立其控制管道的端點。

如果新連接的USB設(shè)備是集線器，如果這個新連接的集線器的端口上有USB 設(shè)備，則對每個連接的USB設(shè)備執(zhí)行上述識別操作。

如果連接的USB設(shè)備是一個功能設(shè)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(qū)動程序處理，如果主機控制器是單片機類嵌入式設(shè)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(shè)計角度來看，也需要考慮兩種情況。

如果是設(shè)備從集線器移除，集線器會禁用該端口并向主機提供設(shè)備移除的指示。然后主機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(shè)備并為該設(shè)備分配唯一地址的活動。由于USB允許USB設(shè)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(shè)備之間進行應(yīng)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(cè)流向另一側(cè)，就對應(yīng)著主機控制器與設(shè)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(shè)備側(cè)的端點邏輯關(guān)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(shè)備端兩側(cè)相應(yīng)的代碼配合芯片內(nèi)部硬件實現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)流經(jīng)由一側(cè)的端點通過邏輯管道傳輸?shù)搅硪粋?cè)端點，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度，放在這里有一個整體概念：

控制傳輸

控制傳輸，主要用于在設(shè)備首次連接時配置設(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)備首次連接時使用控制傳輸進行設(shè)備配置。其他驅(qū)動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USB設(shè)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(shè)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(shè)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，可以在硬件級別確保可靠的數(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(shè)備傳輸，并以不低于設(shè)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(yù)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(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)吞吐率以及端點的緩沖管理有關(guān)，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(shè)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(shè)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(jié)這么多，繼續(xù)慢慢啃~。

推薦閱讀??點擊圖片即可跳轉(zhuǎn)

嵌入式入門必看，看看老鳥如何華麗蛻變！（干貨分享帖）

C語言如何使用斷言避免踩坑

6步！教你寫一個mqtt調(diào)試助手

Windows

版權(quán)聲明：本文內(nèi)容由網(wǎng)絡(luò)用戶投稿，版權(quán)歸原作者所有，本站不擁有其著作權(quán)，亦不承擔相應(yīng)法律責任。如果您發(fā)現(xiàn)本站中有涉嫌抄襲或描述失實的內(nèi)容，請聯(lián)系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實后本網(wǎng)站將在24小時內(nèi)刪除侵權(quán)內(nèi)容。