USB2.0 Spec 中文篇

体系简介

线缆

USB 是一种支持热拔插的高速串行传输总线，使用一对（两根）差分信号来传输数据，半双工。要求使用屏蔽双绞线。

供电

USB 支持 “总线供电” 和 “自供电” 两种供电模式。在总线供电方式下，设备最多可以获得 500mA 的电流。

兼容

向下兼容 USB1.0（低速），USB1.1（全速）

速度

低速 1.5Mbps，全速12Mbps，高速 480Mbps

USB 体系组成

USB 体系包括 “主机”、“设备”、“物理连接” 三个部分。
主机是一个提供 USB 接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体，可以是 PC，也可以是 OTG 设备，一个 USB 系统中仅有 1 个USB 主机。
USB 设备包括 USB 功能设备和 USB HUB，最多支持 127 个设备。
物理连接指 USB 传输线。

地址

一个 USB HOST 支持 128 个地址，地址 0 作为默认地址，只在设备枚举期间临时使用，而不能被分配给任何一个设备。因此，一个 USB HOST 最多可以支持 127 个设备。
但是，如果要连接 127 个设备，必须要用到 USB HUB，USB HUB 也是占用地址的，所以，实际支持的 USB 设备数量小于 127。

拓扑

USB 体系采用分层的星型拓扑来连接所有 USB 设备，以 HOST-ROOT HUB 为起点，最多支持 7 层，也就是说，最多允许 5 个 USB HUB 级联。

ROOT HUB

ROOT HUB 是一个特殊的 USB HUB，它集成在主机控制器里，不占用地址。

复合设备

复合设备可以占用多个地址。所谓复合设备其实就是把多个功能设备通过内置的 USB HUB 组合而成的设备，比如带麦克风的 USB 摄像头。

轮询广播

USB 采用轮询的广播机制传输数据，所有的传输都由主机发起，任何时刻整个 USB 体系内仅允许一个数据包进行传输，所有设备看到的数据包都是被同一广播的数据包。

数据包

USB 采用 “令牌包” - “数据包” - “握手包” 的传输机制，在令牌包中指定数据包去向或来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备，对被广播的数据包/令牌包 做出响应，握手包表示了传输的成功与否。
“数据包” 是 USB 总线上数据传输的最小单位，包括 SYNC、数据和 EOP 三部分。其中，数据以 8 位的 PID 开始，PID 指定了数据包的类型（共 16 种）。令牌包即 PID 为 IN/OUT/SETUP 的包。

端点

端点（Endpoint）是 USB 设备中可以进行数据收发的最小单元，支持单向或双向的数据传输。
设备支持端点的数量是有限制的，除默认端点外，低速设备最多支持 2 组端点（2 输入，2 输出），高速和全速设备最多支持 15 组端点。

管道

管道（Pipe）是主机和设备端点之间数据传输的模型，共有两种类型的管道：无格式的流管道（Stream Pipe）、有格式的信息管道（Message Pipe）。
任何一个 USB 设备一旦上电，就存在一个信息管道，即默认的控制管道，USB HOST 通过该管道来获取设备的描述、配置、状态，并对设备进行配置。

接口

一个设备可能有一个或多个接口。（复合设备具有多个接口，驱动中，是只认接口，不认设备的，一个驱动程序对应一个接口。一个包含两个接口的复合设备，如电子琴，包含键盘接口和扬声器接口，那么就会有两个驱动与该设备对应，即键盘驱动和扬声器驱动）
一个接口可能有一个或多个端点

枚举

USB 设备连接到 HOST 时，HOST 必须通过默认的控制管道对其进行枚举，完成获得设备描述、进行地址分配、获得配置描述、进行配置等操作后，方可正常使用。USB 的即插即用特性依赖于此。
枚举是 USB 体系中一个很重要的活动，由一系列标准请求组成，若设备属于某个子类，还包含该子类定义的特殊请求。
通过枚举，HOST 可以获得设备的基本描述信息，如 USB 版本，PID、VID、设备分类（Class）、供电方式、最大消耗电流、配置数量、各种类型端点数量、传输能力、最大包长度。HOST 根据 PID 和 VID 加载设备驱动程序，并对设备进行合适的配置。
只有经过枚举的设备才能正常使用。
对于总线供电的设备，在枚举完成前，最多可从总线获取 100mA 的电流。

标准请求

USB 设备通过管道和 HOST 通信，在默认控制管道上接受并处理以下 3 种类型的请求：

1. 标准请求：一共有 11 个标准请求，如得到设备描述、设置地址等。所有 USB 设备必须支持这些请求。HOST 通过标准请求来识别和配置设备。
2. 类（Class）请求：USB 还定义了若干个子类，如 HUB 类、大容量存储器类等。不同的类又定义了若干类请求，该类设备应该支持这些类请求。设备所属类在设备描述符中得到。
3. 厂商请求：这部分请求并不是 USB 规范定义的，而是设备生产商为了实现一定的功能而自己定义的请求。

HUB PORT

HUB 的上行 PORT 面向 HOST，下行 PORT 面向设备。
在下行 PORT 上，提供了设备连接检测和移除检测的能力，并给各下行 PORT 供电。
HUB 可以单独使能各下行 PORT，不同 PORT 可以工作在不同的速度等级。

HUB 的组成

HUB 由重发器（Repeater）、转发器（Transaction Translator）以及控制器（Controller）三部分组成。
重发器是上行 PORT 和下行 PORT 之间的一个协议控制的开关，负责数据包的重生与分发。
控制器负责和 HOST 通信，HOST 通过 HUB 类请求和 HUB 控制器通信，获得关于 HUB 本身和下行 PORT 的 HUB 描述符，进行 HUB 和下行 PORT 的监控和管理。
转发器提供了从高速和全速/低速通信的转换。

分发

HUB 从上行 PORT 接收到的数据包需要向所有使能的下行 PORT 发送，即广播。

通信

宏观上看，是在 HOST 和 USB 功能设备之间进行；
微观上看，是在应用软件的 Buffer 和 USB 设备端点的 Buffer 之间进行。