USB2.0架构详解：从总线拓扑到数据传输

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USB2.0架构详解：从总线拓扑到数据传输

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USB（Universal Serial Bus）是一种广泛应用于个人电脑和各种外设之间的串行总线标准。USB2.0作为USB标准的重要版本，其架构设计充分考虑了数据传输的效率和设备的兼容性。本文将从总线拓扑、物理接口、健壮性、总线协议、数据流类型、设备特点以及主机硬件和软件等多个维度，全面解析USB2.0的架构特点。

总线拓扑

USB总线采用分层星型拓扑结构，一个USB系统只能有一个主机（Host）。由于时间的限制，USB系统最多可以拓展到7层，其中的集线器（Hub）最多只能级联5层（不包括根集线器）。如图所示，含有Hub的复合设备不能接到第7层。一个USB系统最多支持127个设备。

一个USB主机最多可以同时支持128个地址，地址0作为默认地址，只在设备枚举期间临时使用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个USB主机最多可以同时支持127个地址。如果一个设备只占用一个地址，那么可最多支持127个USB设备。在实际的USB体系中，如果要连接127个USB设备，必须要使用USB Hub，而USB Hub也是需要占用地址的，所以实际可支持的USB功能设备的数量将小于127。

注：Hub是用来拓展USB接口的设备。

物理接口

USB线缆只需要简单的4线线缆，包括2根电源线和2根数据线。电源电压为5V，可以为设备提供电源，设备本身也可以单独安排电源供电。数据线传输的是差分信号，按速率分为3种：

480Mb/s的高速（High-Speed）
12Mb/s的全速（Full-Speed）
1.5Mb/s的低速（Low-Speed）

健壮性

USB线上采用差分信号传输数据
采用CRC校验数据
数据错误重发机制，当数据接收方发现接收到的数据出错了，会要求发送方重新发数据，一包数据最大可发送3次，超过三次，发送方就会将错误报告给上层软件去处理。

总线协议

USB是轮询总线，所有数据传输（Data Transfers）都由主机启动。

大多数总线事务涉及最多三个数据包的传输：

主机先发送一个数据包给设备，这个数据包包含数据类型、数据方向、设备地址等信息
接收到该数据包的设备根据数据包的内容做出相应处理——接收下一包数据或者向主机发送一包数据
接收到数据的主机或者设备向数据发送方发送一包数据，表示数据接收的情况

端点（Endpoint）是USB设备上的数据处理单位。主机发送过来的数据，由端点接收，设备要发送给主机数据，也由端点发送。端点0比较特殊，支持双向，既可以接收，也可以发送，其它端点只能有一个方向。

主机与设备端点（Endpoint）之间的数据传输可以看作是管道（Pipe）模型，这是逻辑上的管道概念，设备上有多个端点，每个端点只能处理规定的数据类型，那么主机就要明确数据是发给哪个端点的，如此主机和每一个端点就有了独立的捆绑关系，在逻辑上类似于在两者之间架设了直连管道传输数据。管道分为流管道（Stream Pipes）和信息管道（Message Pipes）。信息管道（Message Pipes）的数据有规定的格式含义，而流管道（Stream Pipes）没有。

数据流类型（Data Flow Types）

一条管道只能支持一种类型的数据传输，也就是说一个端点只能接受一种类型的数据传输。

USB将数据传输类型分为四种：

控制传输（Control Transfers）：用于设备连接时的配置处理以及其它管道控制等目的。每个USB设备接入都会使用到该类型传输。
批量传输（Bulk Data Transfers）：用于大量数据的传输，延迟没有保证。例如打印机、扫描仪都会使用到该类型传输。
中断传输（Interrupt Data Transfers）：有时间保证的可靠传输。会有延迟，但时间是控制在一定阈值之下的。例如鼠标的使用就涉及到这种类型的数据传输。
同步传输（Isochronous Data Transfers）：实时传输，数据正确性不保证。一个典型例子就是USB音频设备。

USB将带宽分配给管道，如果设备要求更多的带宽，那设备就需要有更大的空间以便承载数据。