USB（通用串行总线）引言

0 简介

        USB最初是由与倡导发起，其最大的特点是支持（Hot plug）和 (Plug&Play)。当设备插入时，（enumerate）此设备并加载所需的，因此使用远比和总线方便。

USB速度比平行埠并联总线（Parellel Bus，例如EPP、LPT）与串联埠总线（Serial Port，例如RS-232）等传统电脑用标准总线快上许多。原标准中USB 1.1 的最大传输带宽为 12Mbps，USB 2.0 的最大传输带宽为 480Mbps。

USB的设计为非对称式的，它由一个主机（host）控制器和若干通过设备以树形连接的设备组成。 一个控制器下最多可以有5级hub，包括Hub在内，最多可以连接127个设备，而一台计算机可以同时有多个控制器。 和SPI-SCSI等标准不同，USB hub不需要终结器。

        USB可以连接的有、、、、、、、和部件。对数码相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化了与计算机的连接，USB也逐步取代成为打印机的主流连接方式。2004年已经有超过1亿台USB设备；到2005年显示器和高清晰度数字视频外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他们需要更高的传输速率。

现标准中将UBS统一为USB2.0,分为：

 

·High-speed，传输速率25Mbps～400Mbps(最大480Mbps)；

·Full-speed ，传输速率500Kbps～10Mbps(最大12Mbps）；

·Low-speed，传输速率10Kbps～100Kbps(最大1.5Mbps）

 

1 USB接口

 

USB在电缆和设备的连接中使用两种类型的插头和两种类型的插座，

   第一种类型是A系列，A系列的连接器用来进行上行连接，换句话说，就是在 主机或集线器上有一个A系列插座，而在练到主机或集线器的电缆一端有一个A系列插头。

   B系列的连接器。在USB设备上有B系列的插座，而B系列的插头在从主机或集线器接触的下行电缆的一端。

接口信号定义：

  

连接器引脚	功能（主机）	功能（设备）	颜色
1	Vbus（4.75-5.25）	Vbus（4.4-5.25）	红色
2	D-	D-	白色
3	D+	D+	绿色
4	GND	GND	黑色

 

3 Mini USB接口

 

1	VBUS(4.4-5.25V)
2	D-
3	D+
4	ID
5	接地

mini USB除了第4针外，其他接口功能皆與标准USB相同。第4针成为ID，在mini-A上连接到第5针，在mini-B可以悬空亦可连接到第5针。

 

4 USB设备

 

   USB设备包括拓展设备Hubs和功能设备，而功能设备又分为定位设备、字符设备等等（后续文章会提到）。

      

         4.1 端点（endpoint）和管道（pipe）

 

端点  每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点与设备进行通讯，以使用设备的功能。每个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区，这些端点在设备出厂时就已定义好。在USB系统中，每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性。其中包括：传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、 数据包的最大容量等等。端点必须在设备配置后才能生效(端点0除外)。

端点0通常为控制端点，用于设备初始化参数等，端点1、2等一般用作数据端点，存放主机与设备间往来的数据。

 

管道  一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接，它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦设备被配置，管道就存在了。管道有两种类型，数据流管道（其中的数据没有USB定义的结构）与消息管道（其中的数据必须有USB定义的结构）。管道只是一个逻辑上的概念。

所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道。通过控制管道可以获取完全描述USB设备的信息，包括：设备类型、电源管理、配置、端点描述等等。只要设备连接到USB上并且上电，端点0就可以被访问，与之对应的控制管道就存在了。

 

端点和管道  设备/功能（和集线器）与管道pipe （逻辑通道）联系在一起，管道把主机控制器和被称为端点的逻辑实体连接起来。 管道和比特流（例如的）有着相同的含义，而在USB词汇中术语端点经常和管道混用，甚至在正式文档中。

端点（和各自的管道）在每个方向上按照0-15编号，因此一个设备/功能最多有32个活动管道，16个进，16个出。 (出（ OUT）指离开控制器，而入（IN）指进入主机控制器。) 两个方向的端点0总是留给总线管理，占用了32个端点中的2个。在管道中，数据使用不同长度的包传递，端点可以传递的包长度上限一般是$2^n$字节，所以USB包经常包含的数据量依次有8、16、32、64、128、256、512或者1024字节。

一个端点只能单向（进/出）传输数据，自然管道也是单向的。每个USB设备至少有两个端点/管道：它们分别是进出方向的，编号为0，用于控制总线上的设备。按照各自的传输类型，管道被分为4类：

·         控制传输——一般用于短的、简单的对设备的命令和状态反馈，例如用于总线控制的0号管道。

·         等时传输——按照有保障的速度（可能但不必然是尽快地）传输，可能有数据丢失，例如实时的音频、视频。

·         中断传输——用于必须保证尽快反应的设备（有限延迟），例如鼠标、键盘。

·         批量传输——使用余下的带宽大量地（但是没有对于延迟、连续性、带宽和速度的保证）传输数据，例如普通的文件传输。

 

        4.2 Hub

 

Hub在USB结构中是一个关键，它提供了附加的USB节点，这些节点被称为端口。Hub可以检测出每一个下行端口的状态，并且可以给下端的设备提供电源。

 

         4.3  即插即用

 

USB设备可以即插即用 但在可以使用之前，必须对设备进行配置，一旦设备连接到某一个USB的节点上，USB就会产生一系列的操作 来完成对设备的配置，这种操作被称为总线枚举过程。

1.设备所连接的Hub检测出端口上有设备连接 通过状态变化管道向主机报告。

2.主机通过询问Hub以获取确切的信息 。

3.主机这时知道设备连接到哪个端口上，于是向这个端口发出复位命令。

4.Hub发出的复位信号结束后，端口被打开 Hub向设备提供100mA的电源这时设备上电，所有的寄存器复位 ，并且以缺省地址0以及端点0响应命令。

5.主机通过缺省地址与端点0进行通讯，赋予设备一个独一的地址，并且读取设备的配置信息。

6.最后主机对设备进行配置,该设备就可以使用了；当该设备被移走时 Hub依然要报告主机，并且关闭端口，一旦主机接到设备移走的报告 就会改写当前结构信息。

 

         4.4 设备的电源

 

USB设备的电源可以由USB总线供给，也可以自备电源，一个USB设备可以具有这两种供电方式，但同一时刻只能由一种方式供电，这两种供电方式是可以切换的 。

  设备的挂起

为了节电，当设备在指定的时间内没有总线传输， USB设备自动进入挂起状态如果设备所接的Hub的端口被禁止了，设备也将进入挂起状态(称之为选择挂起)当然主机也可以进入挂起状态 。

USB设备当总线活动时，就会离开挂起状态。一个设备也可以通过电信号来远程唤醒进入挂起状态的主机。这个能力是可选的，如果一个设备具有这个能力主机有能力禁止或允许使用这种能力。