USB基础学习：USB体系结构介绍

停更好久，重新梳理一下usb 知识体系

1. USB 硬件框架

一个 USB 系统 由三部分来描述：

USB interconnect

USB devices

USB host

USB interconnect 是指USB 设备连接到主机并与主机通信的方式。这包括以下内容：

总线拓扑：USB device 和 host 之间的连接模型。

层间关系：

数据流模型：

USB 调度：

1.1. 总线拓扑

在USB 系统中有两个硬件的概念：

USB host：它跟处理器相连，处理器通过USB Host跟各类USB设备通信。USB Host中集成有一个root hub

USB device：这类设备又分为两类

Hub：用来扩展USB接口

Function：就是普通的USB设备，比如U盘、声卡等

USB 总线拓扑如下：

roothub：根hub(根集线器)

hub：集线器

func：功能设备

Compound Device：组合设备，包含一个hub 和 一个或多个func

USB 总线拓扑最上层一定是host, 最后一级只能是func, 因此hub 级联最多5级；

1.2. USB host

在任何USB 系统中只有一个主机，主机的每个USB控制器（Host Controller）对应一条USB总线。与主机计算机系统相连的USB接口被称为主机控制器。

主机控制器可以以硬件，固件或软件的组合来实现。

根集线器（root hub）集成在主机系统内以提供一个或多个连接点。

USB Host通过 Host Controller 与 USB device 交互。

Host主要负责：

检测USB 设备的拔插动作

管理Host和Device之间的控制流、数据流

收集USB 总线状态和活动数据信息

为连入USB总线的设备供电

1.3. USB device

USB device 分为 USB hub 和 USB Function。

USB hub （集线器）：

root hub：一般与主机控制器连接在一起，提供一个或者多个端口。

普通hub：用于扩展USB 的主机端口。

结构上由一个上行端口和多个下行端口组成。

支持级联：最多5级，不包含root hub。

支持速率转换：低速/全速设备，可连接在高速hub 上。

USB function 设备：

Composite Device：复合设备。一个设备地址，1个 或者 多个function 接口组成

Compound Device：组合设备。多个设备地址，一个hub 和 一个或者多个func 组成。

比如：键盘，鼠标，摄像头等。

1.4. USB 数据流

USB主机和USB设备之间的通信是通过管道(Pipe)进行的。

在USB协议中，管道是一个逻辑概念，

在USB主机端实际上就是一组缓冲区，用于管道中数据的收发。

在USB设备端，管道对应一个特定的端点，每一个端点都是一个由索引和方向确定的，USB设备最多支持16个双向端点（8个in/8个out）。

USB设备地址、端点索引和端点方向的组合可以唯一确定USB主机和USB设备间的通信。

2. USB 软件框架

2.1. USB 数据流模型

USB 简化传输模型如下图所示，实际上要比这个复杂的多。主要包含以下部分：

USB 物理设备：USB电缆终端的一块硬件，执行一些有用的终端用户功能。

客户端软件：在主机上执行的软件，对应于一个USB设备。此客户端软件通常与操作系统一起提供，或与USB设备一起提供。

USB 系统软件：在一个特定的操作系统中支持USB的软件。USB系统软件通常与操作系统一起提供，独立于特定的USB设备或客户端软件。

USB Host Controller (Host Side Bus Interface)：允许将USB设备连接到主机上的硬件和软件。

2.2. USB 软件模型

实际的通信数据流：usb host control 和 USB 总线接口。虚拟的通信方式：主机端客户端软件和 物理设备fucntion 直接通信。

USB host：

客户端软件

USB 系统软件：USB 驱动，HOST controller 驱动 和 host 软件

USB device：

USB物理设备为主机提供了额外的功能。USB设备提供的功能类型差别很大。但是，所有的USB逻辑设备都为主机提供相同的基本接口。这允许主机以相同的方式管理不同USB设备。

为了帮助主机识别和配置USB设备，每个设备都会携带和报告与配置相关的信息。所报告的一些信息在所有逻辑设备中都是常见的。其他信息是特定于该设备提供的功能的。此信息的详细类型根据设备的设备类别而有所不同。

详细软件模型

抽象为熟悉的软件模型

对于一个 usb 设备驱动，大多时候我们其实只需要关心function driver，不同的设备向上只有function 或者接口区分，对于底层而言都是一样的，最终通过SIE (串行总线)和主机通信。

3. 总结

本文主要介绍了，USB 系统的体系结构。一个USB 系统包含核心的三部分：

USB interconnect：通过PIPE 互联传输

USB Host：USB 主机

USB Device：USB 设备和集线器

并简要阐述其软件模型。

审核编辑：汤梓红