USB總線架構

　　USB 是每條總線支持一個主機的一種主機控制架構。大部分的PC 上都有多個USB 主機。設備能用集線器以菊花鏈方式連接到主機上。多個集線器能夠以菊花鏈方式連接起來，支持多達127 個不同設備，每個菊花鏈段長度不能超過五英尺。

　　這種菊花鏈式連接，形成了稱為層式星狀（tiered star）的拓撲結構， 它與 10-Base T 以太網類似。與以太網拓撲結構相比，USB 有一些優點，因為USB 集線器能為連接在其上的設備供電，并在發生過流現象時關閉設備。USB 集線器還能適當過濾主機和設備間的數據，實現低速（LS）、全速（FS）和高速（HS）設備的無縫集成。

　　USB 是即插即用型協議，能動態加載和卸載USB 驅動程序。要加載USB 驅動程序，必須有USB 提供商標識符（VID）和產品標識符（PID）。這兩個標識信息記錄在USB 設備的設備描述符中。

　　VID 用來識別USB 總線的制造商。通常，VID 由名為“通用串行總線開發者論壇”（USB Implementers’ Forum，USB-IF，www.usb.org）組織分配。申請者需要支付注冊VID 費用。

　　與VID 類似， PID 是一個16 位數字。PID 標識的是產品。設備制造商提供PID 號。不同于VID，對于PID 來說，USB-IF 對其沒有任何管理上的限制。

　　USB 的另一個重要特性是它支持不同類型的數據傳輸方式。例如，USB V2.0 支持四種不同類型的數據傳輸：

　　1. 控制傳輸方式。控制傳輸在設備插入時對其進行配置，并能用于其他的設備特定用途，諸如對設備上的其他通道進行控制等。

　　2. 批量傳輸方式。在數據的產生和使用量相對較大時采用批量傳輸方式。

　　3. 中斷傳輸方式。中斷傳輸用于及時且可靠的數據傳送。例如，具有人類可感知反應或反饋響應特征的字符或坐標，等等。

　　4. 同步傳輸方式。同步傳輸方式在預先約定的傳輸延遲時間占用預定的USB 帶寬。同步傳輸也稱為“流實時傳輸”。

　　A 型USB 連接器專用于數據下行傳輸，即，數據從設備傳輸到主機。所以，A 型連接器位于設備上。

　　B 型USB 連接器專用于數據上行傳輸，即，數據從USB 主機傳輸到設備或從集線器傳輸到設備。B 型連接器位于主機和集線器上，如圖2 所示。

　　有時為了使占用空間更小，可以使用微型USB 連接器。

　　USB 設備通過拉高D+ 或D-端線電平來指示其速度，最高為3.3 伏。全速設備在D+ 端接一個上拉電阻表明它是全速設備，如圖3 所示。

　　如果沒有上拉電阻， USB 就假定總線上沒有連接任何東西。有些設備中，上拉電阻是內置的，能通過固件開啟和關閉。另一些設備則需要外部上拉電阻。在這種情況下，通過固件進行速度控制會受到限制，并且要求另外對外部中繼服務進行實現與編碼。

　　低速設備在D-端連接上拉電阻，表明其為低速設備，如圖4 所示。

　　最開始，高速設備被當作全速設備進行連接（D+ →1.5k 至3.3V）。初始連接之后，設備在復位時將發出高速的啁啾聲，然后與主機建立高速連接。一旦設備經初始化進入高速模式，上拉電阻就被禁用。

　　USB數據流模式：枚舉在設備可以與應用進行通信前，USB 主機需要了解設備狀態并給它分配設備驅動程序。實現這一初始信息交換的過程就叫作枚舉。在枚舉過程中，根據USB V2.0 規范的定義，設備將經歷以下設備狀態：

　　1. 上電狀態（Powered）

　　2. 缺省狀態（Default）

　　3. 地址狀態（Address）

　　4. 配置狀態（Configured）

　　另外還有兩個USB 設備狀態，“連接狀態”（attached）和“掛起狀態”（suspended）。枚舉過程的具體細節超出了本文的范圍；不過，在設備配置中使用的命令與結構是相關的。

　　描述符是讓USB 主機能獲取設備信息的數據結構。在枚舉過程中，主機請求描述符，從最上層設備描述符開始，一直到最低層端點描述符，順序如圖5 所示。

　　枚舉過程

　　下面概述一下USB 設備的枚舉過程所包含的步驟，并講解設備在枚舉過程如何經歷從上電到缺省、地址以及配置這幾個狀態。

　　1. 用戶將一個USB 設備插入USB 端口。主機為端口供電，設備此時處于上電狀態。

　　2. 主機檢測設備。

　　3. 集線器使用中斷通道將事件報告給主機。

　　4. 主機發送Get_Port_Status（讀端口狀態）請求，以獲取更多的設備信息。

　　5. 集線器檢測設備是低速運行還是高速運行，并將此信息送給主機，這是對Get_Port_Status 請求的響應。

　　6. 主機發送Set_Port_Feature（寫端口狀態）請求給集線器，要求它復位端口。

　　7. 集線器對設備復位。

　　8. 主機使用Chirp K 信號來了解全速設備是否支持高速運行。

　　9. 主機發送另一個Get_Port_Status 請求，確定設備是否已經從復位狀態退出。

　　10. 設備此時處于缺省狀態，且已準備好在零端點通過缺省通道響應主機控制傳輸。缺省地址為00h，設備能從總線獲取高達100mA 的電流。

　　11. 主機發送Get_Descriptor（讀設備描述符）報文，以便確定最大數據包大小。設備描述符的八個字節是bMaxPacketSize。

　　12. 通過發送Set_Address（寫地址）請求，主機分配地址，設備此時處于地址狀態。

　　13. 主機發送Get_Descriptor 報文，以獲取更多的設備信息。主機通過發送描述符響應設備請求，隨后發送全部的次級描述符。

　　14. 主機分配并加載設備驅動程序。

　　15. 通過發送Set_Configuration（寫配置）請求，主機的設備驅動程序選擇一個有效配置。設備此時處于配置狀態。

　　16. 主機為復合設備接口分配驅動程序。

　　17. 如果集線器檢測到有過流現象，或者主機要求集線器關閉電源，則USB 總線切斷設備供電電源。在這種情況下，設備與主機無法通信，但設備處于連接狀態。

　　18. 如果在3 毫秒內設備在總線上未見任何動作，則它將進入掛起狀態，在掛起狀態設備消耗的總線電能最少。

　　USB 協議層

　　控制傳輸使主機和設備之間可以交換設備配置信息和其他控制信息。控制傳輸在低速和全速傳輸運行時占用10% 的帶寬，在高速運行時占用20% 的帶寬。控制傳輸由設置階段、可選的數據階段和狀態階段組成。下面詳細描述每個階段的包。

　　1. 標記包。USB 中所有事務都是由主機（PC）來完成的。IN 表示數據被讀入PC，OUT 表示數據由主機送出至設備，如圖6 所示。

　　2. 數據包（可選）。USB 主機有兩個數據包——DATA0 和DATA1。每一個包的容量為1024 字節。

　　3. 狀態包。在諸如應答（ACK）、否定應答（NACK）以及停止（Stall）等事務中，狀態包用來跟蹤USB 狀態。

　　4. 幀起始包（SOF）。每一毫秒，USB 主機都將發送一幀SOF，每幀有11 位數據。