从零开始学USB（三、基础知识3）

Dear 丶 2023-07-15 09:04 12阅读 0赞

## 1. USB 2.0协议内容概览 ##

当前最新的USB协议，已经发展到USB 3.0了。但是主流的USB设备和技术，还是以USB 2.0居多。所以此文，主要是以USB 2.0为基础来学习USB协议的基础知识，当然，会在相关内容涉及到USB 3.0的时候，也把USB 3.0的相关内容添加进来。

关于USB 2.0和USB 3.0等USB的协议规范，可以去官网下载：

[http://www.usb.org/developers/docs/][http_www.usb.org_developers_docs]

下图就是USB2.0协议的主要章节。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc3ODUx_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

借用网友总结的图表，详细信息如下：

** USB 2.0协议的内容组成**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>章节</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>内容描述</th> 
   <th>页数</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>介绍</td> 
   <td>介绍了为何要有USB以及USB协议内容的涵盖范围。此章节最重要的信息就是，引用了USB Device Class规范。不需要看。</td> 
   <td>2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>术语和缩写</td> 
   <td>名词解释，一般的协议都会有这一章节的。无需看。</td> 
   <td>8</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>背景</td> 
   <td>说明了USB的来由，以及目的是为了是USB的用户，注意不是为了是USB的开发者，更加容易使用。介绍了Low，Full，High Speed三种不同的速度以及对应的应用领域。所以也不需要看。</td> 
   <td>4</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>系统架构综述</td> 
   <td>可以从这章开始看。此章介绍了USB系统的基本架构，包括拓扑关系，数据速度，数据流类型，基本的电气规范。</td> 
   <td>10</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5</td> 
   <td>USB数据流模型</td> 
   <td>此章开始介绍USB中数据是如何流向的。其先介绍了端点和管道，然后对控制，中断，等时，批量四种传输类型进行了详细阐述。其中，重要的一点是，要搞懂每种传输类型，当然，这对于初学者来说可能会有那么一点难。</td> 
   <td>60</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>6</td> 
   <td>机械的</td> 
   <td>此章详细介绍了USB的两种标准的连接头，即接口的类型，其中需要了解的一点是，A类接口旨在用于数据向下流的（downstream），而B类接口旨在用于数据向上流的（upstream）。因此，你应该知道，不应该也不可能去将一个USB线，连到两个都是upstream的端口上。而所有的full或high speed的USB线，都是可拔插的，而低速的USB线，应该是焊死的。如果你不是USB接口的制造商，那么就没必要细看这章，而只需要大概浏览一下其中关于USB的接口类型的相关内容即可。</td> 
   <td>33</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>7</td> 
   <td>电子的</td> 
   <td>此章详解了USB总线上的电子信号，包括线阻，上下沿的时间，驱动者和接受者的规范定义，以及比特位编码，比特位填充等。此章中需要知道的，更重要的一点是，关于使用电阻在数据线上的偏压，去实现USB设备的速度类型检测，以及设备是总线供电还是自供电。除非你是在晶元级别上设计USB数据收发模块的相关人士，否则都可以直接跳过此章节。而正常的USB设备的数据手册中，都会有相关的解释，说明关于USB总线阻抗需要匹配电阻的阻值是多少。</td> 
   <td>75</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>8</td> 
   <td>协议层</td> 
   <td>此章，从字节的级别，解释了USB数据包的细节，包括了同步，PID，地址，端点，CRC域。多数的开发人员都还没注意到这部分的底层的协议层，因为USB的设备中的硬件IC，会帮你做这些事情的。然而，多学习和了解一些关于报告状态和握手协议方面的知识，还是有必要的。。</td> 
   <td>45</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>9</td> 
   <td>USB设备框架工作<a href="https://www.crifan.com/files/doc/docbook/usb_basic/release/htmls/ch03_protocol_overview.html#ch09" rel="nofollow">[1]</a></td> 
   <td>此章，是整个USB协议中，用到的最多的一章。此章详细阐述了USB总线枚举的过程，以及一些USB Request的详细语法和含义，比如set address，get descriptor等，这些相关内容在一起，就构成了最常用的USB的协议层，也是通常USB编程人员和开发者所看到的这一层。此章节，必须详细阅读和学习。</td> 
   <td>36</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>10</td> 
   <td>USB主机的硬件和软件</td> 
   <td>此章介绍了和USB Host相关的知识。包括了数据帧frame和微帧microframe的产生，主机控制器的需求，软件机制和USB的驱动模型等。如果你不是去设计USB Host的话，那么就直接跳过此章即可。</td> 
   <td>23</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>11</td> 
   <td>Hub规范</td> 
   <td>此章定义了USB Hub相关的规范，包括了Hub的配置，分离传输，Hub类的标准描述符等。同理，如果你不是去设计USB Hub，那么也可以忽略此章。</td> 
   <td>143</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><img alt="[提示]" src="http://www.crifan.com/files/res/docbook/images/tip.png"></td> 
   <th>提示</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> 
    <ol> 
     <li> <p>关于第九章=chapter 9=ch9，多说明一下，由于其特殊性，特殊在于大部分和USB协议相关的内容，都在此章节内</p> <pre><code>			&lt;p&gt;所以，你会在其他地方看到有关此ch9的说法。比如Linux源码中关于USB协议实现的部分的代码，会看到有对应的头文件是&lt;/p&gt;
			&lt;code&gt;include\linux\usb\ch9.h&lt;/code&gt;

&lt;p&gt;此文件，就是指的是USB规范中的chapter 9，第九章。&lt;/p&gt;

&lt;p&gt;这也意味着，以后其他人如果谈及USB的话，说到第九章，指的就是此USB规范中的chapter 9，因为其包含了USB协议的软件实现所有关的多数的内容。&lt;/p&gt;
			&lt;/li&gt;
		&lt;/ol&gt;&lt;/td&gt;
	&lt;/tr&gt;&lt;/tbody&gt;&lt;/table&gt;&lt;/div&gt;&lt;p&gt;所以，由上述总结，我们可以看出：&lt;/p&gt;
</code></pre> </li> 
    </ol></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

对于只是为USB外设开发驱动的开发者的话，那么有关的章节只有：

*  4 系统架构综述
 *  5 USB数据流模型
 *  9 USB设备框架工作
 *  10 USB主机的硬件和软件

如果是对于USB外设的电子设计研发人员，有关系的章节有：

*  4 系统架构综述
 *  5 USB数据流模型
 *  6 机械的
 *  7 电子的

## 2. USB协议的版本和支持的速度 ##

USB协议，也像其他协议一样，经历过很多个版本，但是正式发布出来的，主要有4个。

其中，从开始的USB 1.1，发展到后来的USB 2.0，以及最新的协议版本是USB 3.0.

不过这三个版本都是针对的是有线的（corded）设备来说的，在USB 2.0和USB 3.0之间，发布过一个是针对无线设备的USB协议，叫做USB Wireless，也被称为USB 2.5。

其中，USB 1.1中所支持的速度是低速（Low Speed）的1.5Mbits/s，全速（Full Speed）的12Mbits/s，而USB 2.0提高了速度至高速（High Speed）的480Mbits/s，而最新的USB 3.0，支持超高速（Super Speed）的5Gbits/s。

下面简要总结一下，各个USB协议版本的演化历史：

**下表展示了USB协议的版本的演化**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th colspan="2">USB协议</th> 
   <th>针对的设备</th> 
   <th colspan="2">对应的速度</th> 
   <th>备注</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <th>版本号</th> 
   <th>发布日期</th> 
   <th>&nbsp;</th> 
   <th>名称</th> 
   <th>速率</th> 
   <th>&nbsp;</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1.1</td> 
   <td>1998年8月</td> 
   <td>有线的</td> 
   <td> <p>Low&nbsp;Speed<br> Full&nbsp;Speed</p> </td> 
   <td> <p>1.5Mbits/s=192KB/s<br> 12Mbits/s=1.5MB/s</p> </td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2.0</td> 
   <td>2000年4月</td> 
   <td>有线的</td> 
   <td>High Speed</td> 
   <td>480Mbits/s=60MB/s</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2.5</td> 
   <td>2010年9月</td> 
   <td>无线的</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>Wireless USB 1.1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3.0</td> 
   <td>2008年11月</td> 
   <td>有线的</td> 
   <td>Super Speed</td> 
   <td>5.0Gbits/s=640MB/s</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 3.为何USB的速度，最开始没有设计的更快些？ ##

有人会问，既然USB技术本身可以设计成速度更快的，为何最开始不把USB的设计成速度更快的呢？比如，最开始为啥没有把USB设计成2.0的那样的速度呢？

那是因为，任何规范和协议，都离不开当时的背景。关于USB的速度发展，其有其自身的考虑。

比如最开始的USB 1.1，对于低速的1.5Mbits/s的速度，虽然速度很低，但是由于此速度，主要用于USB鼠标，键盘等低速设备，所以本身就够用了，而且速度低还有个好处，那就是对于电磁辐射EMI的抗干扰能力较强些，而使得设计和制造对应的硬件设备的成本要降低些，比如可以使用相对便宜的陶瓷振荡器（resonator）做晶振（crystal）。

而后来的USB 2.0,的出现，则是为了满足人民群众日益增长的对于高速速度传输方面的需求，比如你从MP3里面拷贝歌曲出来，如果是USB 1.1，那么实际效果最快也就1MB左右，而如果是USB 2.0，平均效果大概有3MB/s,5MB/s，性能好的可达10MB/s，20MB/s，所以，如果拷贝个1G的东西，相当于USB 1.1要1小时左右，而USB 2.0只要1分钟左右。因为如果没有USB 2.0的出现的话，那么现在的人们，早就放弃了USB了，因为谁也忍受不了这个太慢的速度。所以为了满足大家的需求，才有了USB 2.0的出现。

而对于最新的USB 3.0，同理，也是为了满足现在的一些及以后的可能的需求，即希望拷贝蓝光光碟的内容到硬盘上，动辄都是几个G的内容，以USB 2.0的速度，那怎么说也得个几分钟，而有了USB 3.0后，就有望实现，几秒或者几十秒，哗的一下，就把多少个G的东西，拷贝传输到别的介质上了。当然，这只是理论上的，实际的USB 3.0的速度，受到USB设备的硬件本身能力，和对应的软件驱动，以及所设计的介质不同，而会有不同的速度。

## 4. USB的功能和特点 ##

USB规范提供了一系列可以实现多种价格/性能的属性集成点，可以启用允许在系统和组件级别进行区分的功能。  
功能分为以下优点：

**方便终端用户使用**

*  电缆和连接器具有唯一的型号
 *  对终端用户隐藏了电气细节（例如，总线终端）
 *  自识别外设，自动完成配置和驱动程序的功能映射
 *  可动态连接和可重新配置的外围设备

**工作负荷和应用范围广**

*  可以同时支持速度几Kb/s至Mb/s的设备
 *  在同一套总线上可以同时支持同步和异步传输类型
 *  支持多连接，支持对多个设备的同时操作
 *  支持多大127个物理设备
 *  在主机和设备上支持对多个数据和消息流的传输
 *  允许使用复合设备，即具有多个功能的外设
 *  具有较小的协议开销，因而总线利用率较高

**等时带宽**

*  适用于电话，音频，视频等的保证带宽和低延迟

**灵活性**

*  支持多种不同大小的分组，允许在一定范围内选择设备的缓冲区
 *  通过适应数据包缓冲区大小和延迟，允许广泛的设备数据速率
 *  协议中内置了缓冲区处理的流量控制

**稳定性**

*  协议中内置了错误处理/故障恢复机制
 *  用户感知的实时识别设备的动态插入和移除（热插拔）
 *  支持识别故障设备

**与PC行业的协同作用**

*  协议易于实施和集成
 *  与PC即插即用架构一致
 *  利用现有的操作系统接口

**低成本实施**

*  低成本子通道，速率为1.5 Mb / s
 *  针对外设和主机硬件的集成进行了优化
 *  适合开发低成本外围设备
 *  所需的电缆和连接器价格低廉
 *  使用商用技术

**升级路径**  
USB体系结构可以升级，从而在一个系统中支持多个通用串行总线控制器

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[http_www.usb.org_developers_docs]: http://www.usb.org/developers/docs/
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