USB学习笔记-USB概述与协议基础.pdf

USB（通用串行总线）是一种广泛应用于个人电脑和各种电子设备的数据传输接口。自1994年由Philips、Intel、NEC等公司发起以来，USB经历了多次迭代，不断优化传输速度和功能。USB1.0规范包含了低速（1.5Mbps）和全速（12Mbps）模式，随后的USB2.0引入了高速模式（480Mbps），再到USB3.0的SuperSpeed（5Gbps）进一步提升。 USB的主要优点包括： 1. **热插拔**：用户可以随时连接或断开设备，无需关闭系统。 2. **系统总线供电**：USB接口能提供5V/500mA电源，简化设备设计。 3. **设备种类丰富**：支持鼠标、键盘、打印机、显示器等多种设备。 4. **扩展性**：通过Hub可连接多个设备，最多可达127个。 5. **高速传输**：相比PS/2、并口、串口，USB传输速率更高。 6. **USB OTG**：支持设备间直接点对点通信，如数码相机与打印机直连。 然而，USB也存在不足之处： 1. **供电能力有限**：对于高功率设备，可能需要额外电源。 2. **传输距离短**：单线连接最长5米，扩展后不超过30米。 3. **拓扑结构限制**：USB1.1允许4层，USB2.0允许6层，每层最多5个设备。 USB的拓扑结构呈星型，每个系统有一个Host，Hub作为星形的中心，连接多个Device。USB设备的地址是7位，范围0到127，其中0是保留给未初始化设备的。 USB的电器特性中，连接器主要有A型和B型，以及小型化的Mini-A、Mini-B和Mini-AB。信号传输由4根线构成：5V电源线、差分数据线D-和D+，以及地线Gnd。在USB OTG中，增加了ID线。USB采用差分传输，NRZI编码方式，数据传输过程中会进行位填充以保持信号稳定性。在接收端，芯片内部的串行接口引擎(SIE)负责数据接收、解包并产生中断请求，告知应用程序有数据待处理。 在USB协议基础中，逻辑上分为信号层、协议层和数据传输层。信号层通过D+和D-上的电压或电流变化来编码数据，协议层解析每个数据包的实际意义，数据传输层则负责数据的传输方式。在实际应用中，USB芯片通常已内置了位填充、串行化等功能，简化了开发者的工作。数据传输涉及ACK、NAK等握手信号，确保数据的正确发送和接收。 USB是一种灵活、高效的接口技术，尽管存在一些限制，但其广泛的应用和持续的升级使其在IT领域扮演着重要角色。