USB2.0之架构简述

  一个USB系统可分解为三部分内容——USB主机(host)、USB装备(device)以及两者之间的内涵联系(interconnect)。
内涵联系包括四方面：

• 总线拓扑(Bus Topology)
  
• 内部层级关系(Inter-layer Relationships)
  
• 数据流模型(Data Flow Models)
  
• 时间分配(USB Schedule)
  

总线拓扑

   分层星型拓扑   

  USB总线是分层星型拓扑结构，一个USB系统只能有1个主机，由于时间的限定，USB系统最多拓展到7层，此中的hub最多只能级联5层(不包括root hub)。如上图所示，含有hub的复合装备不能接到第7层。一个USB系统最多支持127个装备。
   一个 USB HOST 最多可以同时支持 128 个地址，地址 0作为默认地址，只在装备枚举期间暂时使用，而不能被分配给任何一个装备，因此一个 USB HOST 最多可以同时支持 127个地址，如果一个装备只占用一个地址，那么可最多支持 127 个USB装备。在实际的USB体系中，如果要毗连127个USB装备，必须要使用USB HUB，而 USB HUB 也是须要占用地的，所以实际可支持的 USB功能装备的数量将小于 127。
    注：hub是用来拓展usb接口的装备。

  物理接口

   USB线缆   

  USB只需简单的4线线缆，2根电源线，2根数据线。此中电源电压为5V，可以为装备提供电源，装备本身也可以单独安排电源供电。数据线传输的是差分信号，按速率分为3种：

• 480Mb/s的高速(high-speed)
  
• 12 Mb/s的全速(full-speed)
  
• 1.5 Mb/s的低速(low-speed)
  

健壮性

• USB线上接纳差分信号传输数据
  
• 接纳CRC校验数据
  
• 数据错误重发机制，当数据吸收方发现吸收到的数据堕落了，会要求发送方重新发数据，一包数据最大可发送3次，超过三次，发送方就会将错误报告给上层软件去处理。
  

总线协议

  USB是轮询总线，所有数据传输(data transfers)都由主机启动。
  大多数总线事务涉及最多三个数据包的传输。1）主机先发送一个数据包给装备，这个数据包包含数据类型、数据方向、装备地址等信息；2）吸收到该数据包的装备根据数据包的内容做出相应处理——吸收下一包数据或者向主机发送一包数据；3）吸收到数据的主机或者装备向数据发送方发送一包数据，表现数据吸收的情况。
  端点(Endpoint)是USB装备上的数据处理单位。主机发送过来的数据，由端点吸收，装备要发送给主机数据，也由端点发送。端点0比较特殊，支持双向，既可以吸收，也可以发送，其它端点只能有一个方向。
  主机与装备端点(Endpoint)之间的数据传输可以看作是管道(Pipe)模型，这是逻辑上的管道概念，装备上有多个端点，每个端点只能处理规定的数据类型，那么主机就要明确数据是发给哪个端点的，如此主机和每一个端点就有了独立的捆绑关系，在逻辑上雷同于在两者之间架设了直连管道传输数据。管道分为流管道(Stream Pipes)和信息管道(Message Pipes)。信息管道(Message Pipes)的数据有规定的格式含义，而流管道(Stream Pipes)没有。

数据流类型(Data Flow Types)

一条管道只能支持一种类型的数据传输，也就是说一个端点只能担当一种类型的数据传输。
USB将数据传输类型分为四种：

• 控制传输(Control Transfers)：用于装备毗连时的配置处理以及其它管道控制等目标。 每个USB装备接入都会使用到该类型传输。
  
• 批量传输(Bulk DataTransfers)：用于大量数据的传输，延迟没有包管。 比方打印机、扫描仪都会使用到该类型传输。
  
• 中断传输(Interrupt Data Transfers)：有时间包管的可靠传输。会有延迟，但时间是控制在一定阈值之下的。比方鼠标的使用就涉及到这种类型的数据传输。
  
• 同步传输(Isochronous DataTransfers)：及时传输，数据精确性不包管。一个典型例子就是USB音频装备。
  

USB将带宽分配给管道，如果装备要求更多的带宽，那装备就须要有更大的空间以便承载数据。
装备特点

每一个装备都有端点0，装备的信息都是通过端口0发送给主机的。装备信息可以分为三类：
标准信息：这是所有USB装备都有的一类信息，包括厂商标识、装备类别、电源管理能力、各级形貌符。
类信息：这个跟标准信息中的装备类别信息相关。
厂商信息：USB厂商自界说的内容。
装备重要分为两类：集线类(hubs)和功能类(Functions)，hub扩展接口数量，function提供具体功能。

主机硬件和软件

主机是通过主机控制器( Host Controller)和装备通信的，重要做以下几方面的工作：

• 检测装备的插入和移除。
  
• 管理主机和装备之间的控制流。
  
• 管理主机和装备之间的数据流。
  
• 收集状态和活动统计。
  
• 装备供电。
  

系统软件和装备软件的互动有以下几方面：

• 装备枚举和配置
  
• 同步数据传输
  
• 异步数据传输
  
• 电源管理
  
• 装备和总线管理信息
  

参考资料：

• Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 ，April 27, 2000
  

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