7.12.1. USB简介
7.12.1.1. USB发展历史
USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是非常成功的一种总线技术，应用场景很广、发展也非常迅速。到现在一共经历了以下版本：
Version |
App |
Speed |
Direction |
Data Line |
|---|---|---|---|---|
USB 1.0 |
低速 Low Speed |
1.5Mbps |
Half 半双工模式 |
1对差分线 D+/D1 |
USB 1.1 |
全速 Full Speed |
12Mbps |
Half 半双工模式 |
1对差分线 D+/D1 |
USB 2.0 |
高速 Hi-Speed |
480Mbps |
Half 半双工模式 |
1对差分线 D+/D1 |
USB 3.1 Gen1 |
超高速 SuperSpeed |
5Gbps |
Full 双工模式 |
2对差分线 |
USB 3.1 Gen2 |
超高速 SuperSpeed+ |
10Gbps |
Full 双工模式 |
2对差分线 |
USB 3.2 |
超高速 SuperSpeed+ |
20Gbps |
Full 双工模式 |
4对差分线 |
USB 4.0 |
超高速 SuperSpeed+ |
40Gbps |
Full 双工模式 |
4对差分线 |
7.12.1.1.1. USB 1.0/2.0
在 USB 1.0/2.0 时期只需要用到 4 根线：1 根电源线、1 根地线、1 对差分数据线。因为只有 1 条数据通路，所以只能是半双工的，同一时间只能是接收或者发送数据。
使用 Type A 和 Type B 型的接口:
还有一系列小尺寸的变种：
7.12.1.1.2. USB 3.0
在 USB 3.0 时代从两个方向来增加速度：
增加传输的时钟速率。速率从 480M 增加到了 5G，高速信号会给 PCB 走线、EMC、线缆带来不小的压力。
增加差分数据通路的数量。首先发明了改进型的 USB3.0 Type A 接口，在原有 4 线的基础上再增加了 5 条线：
可以看到增加的5条线分别为 1 条地线和 2 对差分数据线。因为有了 2 条数据通路，所以可以双工，同一时间能同时接收和发送数据。在工作在 USB 3.0 模式时，原来的 D+/D- 差分线是不使用的。
上图是 USB3.0 Type A 接口示意图，注意新增的 5条线已断针的形式隐藏在后面，这样的设计是为了和 USB 2.0 兼容。但是颜色改成了蓝色，以示区别。
在 USB 3.0 还出现了一种全新的接口类型 Type C 接口，它带来了以下好处：
接口线数量猛增到了 24 线，其中数据通路在
D+/D-之外再提供了 4 条差分数据线。实现了正反面任意插拔，大大方便了用户使用。
小技巧
从 USB 3.2 开始，因为它需要使用 4 对数据差分线，所以目前唯一支持的只有 Type C 接口。
7.12.1.2. 总线拓扑
USB 是 星型 拓扑总线，由 Hub 来进行多级扩展。最大的层级不能超过 7 层，在任何一条路径上不能超过 5 个非根 Hub。
USB 总线由 3 种角色组成：
Host，星型总线的中心，配置所有 Hub 和 Device，调度总线上所有的数据收发。Hub，提供了扩展端口，能连接更多的 Device。Hub 本身也是一种特殊的 Device。Device，提供了实际的设备功能
经过几种角色的组合以后，USB 总线形成了逻辑上的星型拓扑，Host 到任一 Device 都是点对点传输。
7.12.1.2.1. Device 内部的逻辑关系
USB 将 Device 内部的资源进一步细分成了3个层级： Configuration 配置、 Interface 接口、 Endpoint 端点。
Configuration配置
每个 USB 设备都可以包含一个或者多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合，配置有多个接口组成。在 USB 协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能。
看下面的一个例子。一个 USB 播放器带有音频视频功能，还有旋钮和按钮。那么这个 Device 设备 可以提供 3 种 Configuration 配置：
配置1：音须(接口) + 旅钮(接口）
配置2: 音频(接口) + 视频(接口) + 按钮(接口）
配置3：视频(接口) + 旋钮(接口）
Interface接口 /Function功能
Interface 接口代表一个独立的基本的功能，所以有时也称之为 Function 功能。如果我们开发 USB Client 驱动，我们面向的对象就是 USB Interface ，上述实例中的音烦接口、视频接口、投钮接口、旋钮接口均需要一个独立的 USB Client 驱动程序。
一个 Interface 接口中包含了完成这个基本功能的所需要的一个或者多个 Endpoint 端点。
Endpoint端点 (Pipe管道)
端点是 USB 设备中最基本的可寻址单位，它是位于 USB 设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送 USB 的各种数据。
设备的 Endpoint 0 是一个特殊端点，在设备初始化时系统需要使用该端点读配置设备。其他编号的端点 USB Client 驱动都可以使用。
一个 Host 主机和一个设备 Device 的端点建立的连接称之为 Pipe 管道：
7.12.1.2.2. Compound / Composite Device
在 USB 协议描述中，有两个非常相近的名字： Compund Device 和 Composite Device 。正确的理解的它们有助于我们理解清楚随后的一些概念。
Compund Device。指的是一个 Hub 设备中，还包含了其他的功能Device。Composite Device。指的是一个Device当中，包含了多个Interface，能提供多个独立的功能。
7.12.1.2.3. Hub
在 USB 的总线结构中，Hub 是一个重要的组成成员，它主要的作用是控制 Port 端口来连接更多的 USB Device 设备。
它的核心点如下：
USB Host 需要给总线上的设备分配不同的地址才不会冲突，USB 的星形拓扑连接设备都是通过 Hub 的端口连结到总线上的。
总线初始化枚举设备时，USB 设备的地址都是默认地址 0，但是 Hub 的端口都是关闭的所以并不产生设备冲突，Host 逐个打开 Hub 的端口，逐个利用打开端口上设备的默认地址 0 来配置设备，给其分配新的地址，从 Endpoint 0 中读出设备的配置并设置。在运行过程中 USB 设备的热插拔也是和这类似的。
7.12.1.2.4. Configure Descriptor
对于一个 USB 设备，在 Device、Configuration、Interface、Endpoint 每个层次上都有对应的描述信息。可以使用 Endpoint0 在设备初始化的时候读出和配置这些信息。
最重要的是设备在初始化时，通过这些信息来进行枚举配置的过程。一个设备枚举的过程分为如下 8 步：
- 获取设备描述符
Host/Hub 通过数据线上拉电阻的阻值变化检测到新设备接入。Host 等待 100ms 以保证设备电源稳定。
Host 向 Device 发 Bus Reset 使得设备进入 default 状态，从此之后，设备可以响应默认地址 0。
Host 请求 Device 发送 Device Descriptor 的前 64 个字节。
- 复位
Host 在收到 Device Descritptor 的前 8 个字节后，再次向 Device 发出 Bus Reset。
- 设置地址
Host 发送一个 Set Address 命令给 Deivce，从此 Device 有个通信地址，不再使用默认地址 0 进行通信。
- 再次获取设备描述符
Host 请求获取完整的 Device Descritpor, 总计 18 字节。
- 获取配置描述符
Host 请求获取 9 个字节的 Configuration Descriptor 以了解 Configuration escriptor的总大小。
Host 请求 255 字节的 Configuration Descritpor。
获取接口，端点描述符
获取字符串描述符
选择设备配置
7.12.1.2.5. 通讯模型
USB 的主要作用就是建立起 Host 和 Device 之间的通讯。
简要的通讯模型：
详细的通讯模型：
