詳解USB總線工作原理

一、問：當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備插入PC機(jī)，PC機(jī)怎么知道有設(shè)備插入？

答：如圖1-1和圖1-2所示，USB接口只有4條線： VCC（5V），GND，D-，D+。 PC機(jī)的USB插孔的D-和D+數(shù)據(jù)線均連接15K歐姆的下拉電阻。而USB設(shè)備端的D-或D+數(shù)據(jù)線連接1.5K歐姆的上拉電阻。當(dāng)設(shè)備插入PC機(jī)的時(shí)候，會將PC機(jī)的D-或D+端的電壓拉高，當(dāng)PC機(jī)在D-或D+端檢測到高電平時(shí)，就知道有設(shè)備插入了。如果是PC機(jī)D-端被拉高，接入的則是USB低速設(shè)備；如果是PC機(jī)D+端被拉高，接入的則是USB全速或高速設(shè)備，具體是全速設(shè)備還是高速設(shè)備，會由PC機(jī)和USB設(shè)備發(fā)包握手確定。

圖1-1 USB低速設(shè)備硬件接線圖

圖1-2 USB全速（高速）設(shè)備硬件接線圖

二、問：當(dāng)USB設(shè)備插入后，PC機(jī) 會提醒我們“某某設(shè)備接入”，PC機(jī)怎么知道我們插入的設(shè)備的信息的呢？

答：如圖2-1所示，當(dāng)PC機(jī)檢測到有USB設(shè)備插入后，會主動向設(shè)備發(fā)送命令包，要求設(shè)備告訴PC機(jī)，設(shè)備信息。這時(shí)設(shè)備必須向PC機(jī)回復(fù)自己的信息（以描述符形式）。明確一點(diǎn)：USB設(shè)備不會主動給PC機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)，只能被動的等待PC機(jī)來拿。

圖2-1 USB設(shè)備獲取設(shè)備信息過程

三、問：PC機(jī)上接有非常多的USB設(shè)備，怎么分辨它們？

答：每一個(gè)USB設(shè)備接入PC時(shí)，USB總線驅(qū)動程序都會給它分配一個(gè)編號，接在USB總線上的每一個(gè)USB設(shè)備都有自己的編號（地址）。PC機(jī)想訪問某個(gè)USB設(shè)備時(shí)，發(fā)出的命令都含有對應(yīng)的編號（地址）。

四、問：USB設(shè)備剛接入PC時(shí)，還沒有編號；那么PC怎么把“分配的編號”告訴它？

答： 新接入的USB設(shè)備的默認(rèn)編號是0，在未分配新編號前，PC使用0編號和它通信。

五、其他一些概念

1、USB是主從結(jié)構(gòu)所有的USB傳輸，都是從USB主機(jī)這方發(fā)起；USB設(shè)備沒有“主動”通知USB主機(jī)的能力。例子：USB鼠標(biāo)滑動一下立刻產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但是它沒有能力通知PC機(jī)來讀數(shù)據(jù)，只能被動地等得PC機(jī)來讀。

2、USB傳輸速度有：低速1.5Mbps（USB1.0協(xié)議）、全速12Mbps（USB1.1協(xié)議）、高速480Mbps（USB2.0協(xié)議）和超高速5Gbps（USB3.0協(xié)議）。

3、 USB的傳輸類型：

a. 控制傳輸：可靠，時(shí)間有保證，比如：USB設(shè)備的識別過程

b. 批量傳輸： 可靠， 時(shí)間沒有保證， 比如：U盤

c. 中斷傳輸：可靠，實(shí)時(shí)，比如：USB鼠標(biāo)

d. 實(shí)時(shí)傳輸：不可靠，實(shí)時(shí)，比如：USB攝像頭

4、所有USB通信數(shù)據(jù)的來源和目的都是基于端點(diǎn)，每個(gè)USB外設(shè)只有唯一一個(gè)地址，最多包含16個(gè)端點(diǎn)，注意：3.（IN） 和3.（OUT）是兩個(gè)不同的端點(diǎn)。

5、USB傳輸?shù)膶ο螅憾它c(diǎn)（endpoint）

每一個(gè)端點(diǎn)都有傳輸類型，傳輸方向。我們說“讀U盤”、“寫U盤”，可以細(xì)化為：把數(shù)據(jù)寫到U盤的端點(diǎn)1，從U盤的端點(diǎn)2里讀出數(shù)據(jù)。除了端點(diǎn)0外，每一個(gè)端點(diǎn)只支持一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸。注意：端點(diǎn)0用于控制傳輸，既能輸出也能輸入。 術(shù)語里、程序里說的輸入（IN）、輸出（OUT） “都是” 基于USB主機(jī)的立場說的。比如鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)是從鼠標(biāo)傳到PC機(jī)， 對應(yīng)的端點(diǎn)稱為“輸入端點(diǎn)”。