USB2.0协议入门中文版.pdf

USB 体系简介 USB 是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用差分信号来传输数据，最高速 度可达 480Mb/S。USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式 下， 设备最多可以获得 500mA 的电流。USB2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速 （USB 1.1） 或者低速（USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分 离传输来支持它们。一条 USB 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的 “设备”决定，该设备包括主机、HUB 以及 USB 功能设备。 USB 体系包括“主机”、“设备”以及“物理连接”三个部分。其中主机是一个提供 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 系统中仅有一个 USB 主机；设备包括 USB 功能设备和 USB HUB，最多支持 127 个设备；物理连接即指的是USB 的传输线。在USB 2.0 系统中，要求使用屏蔽的双绞 线。 ### USB2.0协议知识点详解 #### 一、USB2.0概述 - **定义**：USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是一种广泛应用于计算机与外部设备之间的高速串行通信标准。USB2.0作为一种重要的升级版本，其最显著的特点是提升了数据传输速率，达到了480Mbps，相较于前代产品提高了近40倍。 - **特点**： - **热插拔**：支持即插即用，用户可以在不关闭系统或电源的情况下插入或移除设备。 - **供电模式**：支持“总线供电”和“自供电”。总线供电模式下，设备最多可以从USB接口获取500mA电流。 - **兼容性**：向下兼容USB1.1和USB1.0，能够识别并支持旧版设备。 #### 二、USB2.0体系结构 - **组成部分**： - **主机（Host）**：负责管理USB接口及接口上的数据传输，可以是个人电脑或其他OTG（On-The-Go）设备。每个USB系统中仅有一个主机。 - **设备**：分为USB功能设备和USB集线器（Hub）。支持的设备总数最多为127个。 - **物理连接**：使用屏蔽双绞线，以减少电磁干扰，提高数据传输稳定性。 - **层次结构**： - **星型拓扑**：整个USB网络采用分层星型拓扑结构，以HOST-ROOT HUB为中心，最多支持7层（Tier）。 - **集线器（Hub）**：用于扩展连接多个设备。在任意USB系统中最多可以允许5个USB集线器级联，以增加连接设备的数量。 - **复合设备（Compound Device）**：可以由多个功能设备通过内置的USB集线器组合而成，占用两个或更多地址空间。 #### 三、USB2.0通信机制 - **地址分配**： - 主机最多可以支持128个地址，地址0作为默认地址，用于设备枚举过程，不分配给任何设备。因此，实际支持的最大设备数为127个。 - 使用集线器时，由于集线器本身也需要占用地址，因此实际可连接的USB功能设备数量会少于127个。 - **数据传输**： - **令牌包-数据包-握手包机制**：USB通信遵循这一顺序，令牌包指定数据包的目的地或来源地址，握手包确认数据传输是否成功。 - **端点（Endpoint）**：设备中的最小数据收发单元，支持单向或双向数据传输。低速设备最多支持2组端点，高速和全速设备最多支持15组端点。 - **管道（Pipe）**：主机和设备端点之间数据传输的逻辑模型。包括流管道（Stream Pipe）和信息管道（Message Pipe）两种类型。 - **枚举过程**： - 当USB设备连接到主机时，主机通过默认的控制管道对设备进行枚举，获取设备描述符、分配地址、配置等操作。 - 枚举过程中，主机可以获得设备的USB版本、PID、VID、分类、供电方式、最大消耗电流等信息，以便加载适当的驱动程序并进行配置。 - 枚举完成后，设备才被视为已准备好并可以正常工作。对于总线供电的设备，在枚举完成前只能从总线获取100mA电流。 #### 四、USB2.0传输类型 - **控制传输**：主要用于设备枚举和其他特定操作。 - **中断传输**：适用于小量数据的快速可靠传输，如键盘输入。 - **批量传输**：适合大容量数据传输，如U盘文件读写。 - **同步传输**：适用于实时性要求不高但数据传输量大的场合，如音频流传输。 USB2.0协议不仅提高了数据传输速率，还增强了系统的稳定性和兼容性，使得更多的外部设备能够方便快捷地接入到计算机系统中，极大地丰富了用户的使用体验。