USB基础知识

什么是USB？

USB设备是指连接到计算机或其他设备的使用USB（Universal Serial Bus）接口进行数据传输和通信的外部设备。USB设备可以是各种类型的设备，包括但不限于以下几种：

1. 存储设备：如USB闪存驱动器、外部硬盘驱动器、SD卡读卡器等，用于存储和传输数据。

2. 输入设备：如键盘、鼠标、游戏手柄、扫描仪等，用于将用户的输入传输到计算机或其他设备。

3. 输出设备：如打印机、显示器、音频耳机、音箱等，用于从计算机或其他设备输出数据或音频/视频信号。

4. 网络设备：如USB网卡、调制解调器等，用于连接计算机或其他设备到网络。

5. 视频/音频设备：如摄像头、麦克风、音频接口等，用于捕捉、传输和处理视频和音频数据。

6. 手持设备：如智能手机、平板电脑、移动存储设备等，用于移动计算和数据存储。

7. 其他外部设备：如USB打印机、USB扬声器、USB电源适配器等，用于提供特定功能或服务。

 

USB总线结构

 

USB根集线器(ROOT HUB)

PC主机一般含有一个或多个根线器。在主机启动时在它的内部总线上查找这个根集线器。

USB主机控制器一般通过PCI/E枚举发现，主机控制器的PCI/E配置空间被访问并配置合适的值。控制器的寄存器通过IO或内存的方式映射,所有USB主机控制器也像其它物理设备一样占用系统总线进行它的数据传输。

PC机直接与USB主机控制器中的根集线器进行数据通讯枚举，然后根集线器再与连接的USB设备或USB集线器进行数据通讯枚举。

一个USB根集线器即为一个USB总线，如果系统中有两个根集线器，系统会当作2条USB总线来处理。

USB集线器(HUB)

USB集线器是USB众多标准设备中的一种，分类为HubClass标准类。USB集线器必须实现在USB规范中定义的功能，它有必要的描述符描述集线器的功能。

USB集线器必须实现USB规范中其定义的功能，并且其具有必要的描述符用于描述集线器的功能。

集线器主要由一个信号中继器和控制器组成，中继器沿正确的方向进行传递USB信号，控制器理解协议并指示中继器的动作。

集线器控制器自身由集线器通过两个端点控制。USB集线器通过它的标准端点0配置和查询。这个配置管道实现大多数的标准控制事务，然后继续实现各种集线器特定的控制事务。

这些事务包括：ClearHubFeature, ClearPortFeature, GetBusState, GetHubDescriptor, GetHusStatus, GetPortStatus, SetHubDescriptor, SetHubFeature,SetPortFeauture.

集线器有一个状态改变端点，用于将它的下游端口的变化告诉主机。如果下在的任何状态改变，将设置一个端口中变化位：设备连接、端口使能、挂起、过流指示、复位和加电。

主机每255ms查询USB集线器让其报告其各个下游设备的状态，如果什么也没有尽管变，集线器简单返回NAK.

状态的改变包括：设备连接，端口使能，挂起，过流指示，复位，加电和拨出等。

 

USB设备

USB设备可以插入USB集线器的任何USB端口。

另一类USB设备是USB集线器，这样这个USB集线器就可以连接更多的USB设备了。一个USB集线器有一个向上游（PC机端）连接的上游端口和多个连拉下游设备的端口（USB设备）。

一个USB集线器最多可以连接127个设备（包括集线器）。

USB设备的数据在主机和设备之间进行交换，USB设备之间不进行直接数据交换。

USB（Universal Serial Bus）协议是一种主从结构的协议，其中一个设备充当主机（host），而其他设备则充当从设备（slave）。

USB协议之所以设计成只有主机发送数据给从设备，是为了确保数据传输的可靠性和一致性。主机作为控制者，负责管理和协调整个USB总线上的通信。它控制着数据的发送和接收，并负责分配带宽和处理各种设备的请求。

从设备则被动地接受主机发送的命令和数据，并按照主机的指示执行相应的操作。从设备没有主动发送数据的能力，它们只能在主机的请求下响应。

这种设计有助于确保USB总线上的通信顺序和数据一致性。如果多个设备都可以主动发送数据，可能会导致数据冲突和混乱，从而影响整个系统的稳定性和可靠性。

 

USB速率识别

USB集线器的每个下游端口的D+和D-都分别接了一个15K欧姆的下拉电阻，集线器悬空时就会被拉到低电平。

USB设备端，在D+或者D-上接了15K欧姆上拉电阻

低速设备

上拉电阻接到D-上，当设备插入到集线器时，由1.5K 的上拉电阻和15K 的下拉电阻分压，结果就将差分数据线中的一条拉高了。集线器检测到这个状态后，它就报告给USB 主控制器

全速设备

上拉电阻接到D+上，识别为全速设备

高速设备

USB 高速设备先是被识别为全速设备，然后通过HOST 和DEVICE两者之间的确认，再切换到高速模式的。在高速模式下，是电流传输模式，这时将D+上的上拉电阻断开。

参考网址

USB中文网 - USB技术开发交流 (usbzh.com)