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。

参考文献：《usb_20.pdf》 chapter4/chapter5