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基本概念
USB 架构
USB 层级拓扑
Figure 1 USB 总线拓扑图
USB 总线拓扑特点:
1. 每一段连接采用点对点的连接方式。
2. 只包含 1 个 host,且 host 中必须集成 root hub。
3. 可以包含多个 device 和多个 compound device。
4. 每一个 device 必须与 hub 相连,只能通过 hub 与 host 进行通讯。
5. hub 的上端口必须是 high-speed(高速)接口
6. 由于 HUB 会造成传播延时,因此最高层级为 7 层。其中,host 和 root hub 位于第一层,
功能模块型设备占 1 层,混合设备占 2 层。
7. 每次传输都是由 HOST 发起,由 device 回应。
8. host 能够动态识别拓扑结构的改变。
9. 最多只能有 127 个设备节点。
host 简介
USB HOST 的组成如 Figure 2 所示,包括硬件和软件两大部分,其中硬件包含 host controller
(主机控制器),软件包括 USB System Software(系统软件)和 client(客户端)。另外,系
统软件包括 USB driver(USB 驱动程序)、host controller driver(主机控制器驱动程序)、host
software(主机软件)。
Figure 2 USB host 的组成
USB host 硬件需要实现的功能有:
1. 设备的断开和连接检测
2. 管理 device 的控制信息
3. 管理 device 的数据
4. 收集 device 的状态信息
5. 为 device 供电
USB host 软件需要实现的功能有:
1. device 的枚举和配置
2. 同步数据传输
3. 异步数据传输
4. 功耗管理
5. 设备和总线管理信息
USB device(设备)简介
USB 设备是一个统称,具体可以划分为很多 device class (设备类),比如 hub、人机接口、打
印机、照相机、大容量存储器等。USB 设备必须满足规范中定义的一些标准配置行为。设备
连接和枚举成功后,会得到一个唯一的地址。每个设备都有一个默认的控制端点 EP0,host
通过 EP0 来获取设备的描述信息,从而确定设备类型。这些描述信息包括:
1. 标准信息。此类信息为通用信息,必须满足 USB 规范要求。通用信息包括 device
description、VID、device class、power、EP description 等
2. 类信息。不同类的设备需要提供设备类相关的对应信息,也必须满足规范要求。
3. 自定义信息。设备开发商可以自定义一些描述信息,不限格式。
USB 设备主要分为两大类:hub 和 function。
hub
1. hub 提供的额外接入点称为 port,把一个单一的接入点转换为多个接入点。
2. hub 是唯一一种可以提供额外 USB 接入点的设备。
3. hub 上游端口连接上一级 hub,最终连接至 host;hub 下游 port 连接 hub 或 function。
4. hub 应该具备下游端口的连接和断开检测功能,并且实现对下游端口的功率分配。每一
个下游端口都必须支持高/全/低速通讯。
5. 高速 hub 将上游高速通讯和下游低/全速通讯隔离的同时也建立了连接。
6. hub 在 功能上包括 三个 部分:hub controller(控制 器 ) 、hub repeater(转发 器 )、
transaction translator(转换器)。host 通过 hub 控制器实现对 hub 的配置、下游端口的
监测和控制。转换器用来实现上游高速通讯向下游低/全速通讯转换。转发器是一种协
议控制开关,用来实现上游高速通讯与下游高速端口的数据转发。
Figure 3 hub 示意图
function
function(功能模块)时一种可以收发数据、可以被 host 配置的、具有特定功能的 USB 设
备。
一般来讲,一个产品内部只有一个功能模块,有的产品会包括多个功能模块甚至包括 hub。
同时包含 hub 和 function 的设备称为 compound device(混合设备),其 hub 和 function 的地
址独立。同时包含多个独立接口和 function 及控制器的设备称为 composite device 组合设备,
其中多个 function 共享一个地址。
每个 function 必须包含它的配置信息、能力描述、资源需求。经过 host 配置的 function 才
能使用,这种配置包括带宽分配。
总线物理拓扑
Figure 4 USB 总线物理拓扑结构图
Figure 4 所示微物理总线拓扑结构,该结构为星型结构,其中各个部分的命名如下:
1. USB 的连接点称为 hub(集线器)。
2. hub 提供的额外的连接点称为 port(端口)
3. 嵌入 host 中的 hub 称为 root hub(根集线器)。
4. 为 host 提供额外功能的设备称为 function(功能模块)。
5. 一个或多个功能模块的集合称为 device(设备)。
6. 一个或多个功能模块同时集成了 hub 的设备称为 compound device 复合设备。复合设
备只有 1 个地址
7. 包含多个接口且相互独立的设备称为 composite device(组合设备)。组合设备只有 1
个地址
高速系统拓扑
在一个 USB 高速通讯系统中,hub 将高速部分和低/全速部分隔开。如 Figure 5 所示。这样
一个高速上游带宽可以连接较多的下游低/全速设备。
Figure 5 高速系统中的低/全速通讯连接图
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