一、USB总线介绍

1.1 简介

我们之前接触过的通信协议有串口、I2C、SPI以及CAN总线，这里我们又去学习USB总线，那USB和之前我们介绍过那些总线有什么区别呢。

通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，缩写：USB）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

在USB总线出现之前，计算机与键盘、鼠标、扫描仪、打印机等的设备连接都使用专用的接口连接，不同的设备的接口不能互用，扩展性很差，每次插拔设备都要关闭计算机，不支持热插拔，且通信速率很低。

为了解决上述问题，USB总线诞生了。USB总线就好像一条管道，管道里流过的东西只要符合USB协议，至于具体流的是什么东西，USB总线并不关心。对应具体的设备上，只要是支持USB协议的设备，都可以连接计算机，如USB键盘、USB鼠标、USB摄像头、USB音箱等。USB的出现简化了计算机与外围设备的连接，增强了扩展性，支持热插拔，且通信速度很快。

1.2 USB协议版本

从USB协议诞生至今，出现了多个USB协议版本，如USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1、USB3.2。最新的是USB4.0协议，可直连CPU的PCIe总线，最大速度可达40Gbps，使用Type-C接口，兼容DP视频协议、PD快充协议等，最高支持100W供电。

注：USB3.2推出时，USB-IF公布了新的命名规范，将USB3.0改名为USB3.2 Gen1，USB3.1改名为USB3.2 Gen2，而将能够使用两个USB Type-C Rx/Tx针脚的USB3.2改名为USB3.2 Gen2×2。

下图是各个版本USB协议使用的标志及接口，USB3.2以后，只使用Type-C接口，包括图中未画出的USB4.0和Thunderbolt3。

伴随着USB的版本迭代，USB又产生了多种连接器类型规范，比如Type A、Type B、Type-C。

下图是USB3.2协议使用的标志，此标志是USB-IF网站上最新的。

下图是USB4.0协议使用的标志，USB4.0使用Gen3 lane，single-lane可达到20Gps，dual-lane为40Gps。USB4™ 20Gbps使用single-lane，USB4™ 40Gbps使用dual-lane。

二、USB总线特点

2.1 主从模式

USB是主从模式的总线，主机称为Host，丛机称为Device(设备)。从机与从机之间、主机与主机之间(不包括USB4.0)，不能互联。每次通信都是由主机发起，从机不能主动发起通信，只能被动的应答主机的请求。

USB3.0及以后的USB协议，主机也可以和集线器(Hub)通信。为了增加灵活性，又出现了USB OTG(On The Go)，USB OTG支持主从切换，同一个设备，在不同场合下，可以在主机和从机之间切换。

USB OTG线中增加了一根USB ID线，当USB ID线上拉时，处于从机模式，当USB ID线接地时，处于主机模式。

2.2 总线结构

在有些场景下，我们期望将一个USB接口扩展为多个USB接口，这时我们就会使用到一个装置，也就是USB Hub，如下图所示：

因此，USB总线可能呈现出树状的拓扑接口吗，USB标准上说USB总线拓扑是一种分层星型结构，如下图所示：

从树结构我们可以看到：

• 树的根节点是USB Host控制器，连接在USB Host控制器上的是USB根集线器(Root Hub)；
• USB集线器(Hub)可以将一个USB接口扩展成多个USB接口，扩展出的USB接口又可以通过USB集线器(Hub)扩展，每个USB接口都可以接USB设备；
• 集线器只能扩展出更多的USB接口，而不能扩展出更多的带宽，所有USB设备共享USB Host控制器的带宽，当有多个USB设备需要较大带宽时，可以考虑将他们接到不同USB Host控制器上的根集线器上，以避免带宽不足；
• 集线器级联最多5层，因此最大为7层星型结构；这个最大7层星形结构，代表的是一条USB总线，一个USB分层星型结构有且仅有一个USB主机控制器，但并不是说一台计算机就只有一个USB总线，比如我的计算机内部就是3个USB主控制器+Root Hub，从Windows设备管理器可以看到：

2.3 电气特性

下图是USB3.2线缆的示意图，同时兼容USB2.0：

USB使用差分信号传输数据，图中的D+和D-是一对差分线，SSTX+和SSTX-是一对差分线，SSRX+和SSRX-是一对差分线:

• USB2.0只有一对差分线，即下图中的D+、D-，因此USB2.0是半双工的，不能同时收发数据;
• USB3.2拥有两对差分线，即SSTX+和SSTX及SSRX+和SSRX，因此USB3.2是全双工的，可同时收发数据；

USB3.2和USB2.0使用不同的差分线传输数据，两者互不干扰，可同时工作。USB3.2线缆中保留了USB2.0的数据传输通道，实现了对USB2.0的兼容。USB主机可通过$V_{BUS}$线向设备供电，最大可输出20V/5A，GND是地线。

2.4 热插拔

当一个USB设备插入PC机，PC机怎么知道有设备插入?

如下图所示，USB2.0接口只有4条线：$V_{BUS}$（5V），GND，D-，D+。

                       USB低速设备硬件接线图        

                     USB全速（高速）设备硬件接线图            

注意：上图中VCC同$V_{BUS}$。

PC机的USB插孔的D-和D+数据线均连接15K欧姆的下拉电阻。而USB设备端的D-或D+数据线连接1.5K欧姆的上拉电阻。当设备插入PC机的时候，会将PC机的D-或D+端的电压拉高，当PC机在D-或D+端检测到高电平时，就知道有设备插入了。

如果是PC机D-端被拉高，接入的则是USB低速设备；如果是PC机D+端被拉高，接入的则是USB全速或高速设备，具体是全速设备还是高速设备，会由PC机和USB设备发包握手确定。

三、USB传输基础

3.1 传输类型

USB架构包含四种基本类型的数据传输：

• 控制传输：控制传输用于配置设备、获取设备信息、发送命令到设备、获取设备的状态。每个USB设备都有端点0的控制端点，当USB设备插入到USB主机拓扑网络中时，USB主机就通过端点0与USB设备通信，对USB设备进行配置，便于后续的数据传输。USB协议保证控制传输有足够的带宽。控制传输可靠，时间有保证，但传输的数据量不大。如USB设备的枚举过程就采用的是控制传输；
• 中断传输：当USB主机请求USB设备传输数据时，中断传输以一个固定的速率传送少量的数据。中断端点的数据传输方式为中断传输，数据传输可靠，实时性高，这里的中断并不是USB设备产生中断，而是USB主机每隔一个固定的时间主动查询USB设备是否有数据要传输，以轮询的方式提高实时性。如USB鼠标采用的是中断传输；
• 批量传输：批量传输用于传输大量数据。USB协议不保证这些数据传输可以在特定的时间内完成，但保证数据的准确性。如果总线上的带宽不足以发送整个批量包，则将数据拆分为多个包传输。批量传输数据可靠，但实时性较低。如USB硬盘、打印机等设备就采用的是批量传输方式；
• 等待传输：等时传输也可以传输大量数据，但数据的可靠性无法保证。采用等时传输的USB设备更加注重保持一个恒定的数据传输速度，对数据的可靠性要求不高。如USB摄像头就使用的是等时传输方式；

下表是这四类传输在不同速度模式下支持的最大包长度：

3.2 传输要素

USB2.0主机控制器通过把时间在低速、全速模式下分成1毫秒宽的帧（frame），在高速模式下分成125微妙宽的微帧（microfranme），以此来管理传输。主机控制器将每个帧或微帧的一部分分配给各个传输。每个帧（或微帧）以带有时序参考的帧（Start-of-Frame，SOF）开始。超高速总线不使用SOF，但主机控制器仍可以在125微妙的总线时间内安排超高速传输。

USB传输可以安排在1个或多个帧或微帧中，每个传输包含多个事务，每个事务又进一步含有多个信息包（packets）。信息包必须在一个帧或微帧中传输完毕，不能跨帧或微帧。信息包分为4类，令牌类信息包确认事务类型，数据类信息包携带数据和状态代码，握手类信息包携带状态代码，最后一种是特殊类信息包。
USB传输由一个或多个事务（transaction）组成，这些事务可将数据载入端点或从端点取出。USB2.0事务开始于主机在总线上发送的令牌信息包（token packet）。令牌信息包含有目标端点号和方向。IN令牌信息包表示向端点请求数据信息包。OUT令牌信息包则是主机派发数据信息包的先行信息。除了数据，每个数据包还含有错误检查位和一个带有数据顺序值的信息包ID（PID）。许多事务还拥有握手信息包（handshake packet），数据的接收端用它来报告事务成功或失败。对于超高速传输事务，信息包类型和协议有所不同，但却含有相同的地址、错误检查和与数据相配合的数据顺序值。

参考文章

[1]十四、Linux驱动之USB驱动分析

[2]19.Linux-USB总线驱动分析

[3]Linux USB总线驱动框架分析

[4]常见硬件通信(SPI、I2C、CAN、USB、UART)协议介绍

[5]USART(RS232/422/485）、I2C、SPI、CAN、USB总线

[6]USB总线-USB协议简介（一）(转载)

[7]图解USB标准之架构概览