1、简介

在了解USB协议之前，先了解下该总线协议出现的背景。在USB总线出现之前，计算机与键盘、鼠标、扫描仪、打印机都使用专用的接口连接，不同设备的接口不能互用，扩展性很差。每次插拔设备都要关闭计算机，不支持热插拔，通信率也较低。

为了解决上述问题，就诞生了USB总线。USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)的缩写，它就好像一条管道，管道里流过的东西只要符合USB协议，至于具体流的是什么东西，USB总线并不关心，可以是自来水，可以是污水，也可以是天然气，等等。对应到具体的设备上，只要是支持USB协议的设备，都可以连接计算机，如USB键盘、USB鼠标、USB摄像头、USB音响等。USB的出现简化了计算机与外围设备的连接，增强了扩展性，支持热插拔，且通信速度很快。

USB协议从诞生到至今，已经迭代了很多个版本，最新的是4.0协议，可直连CPU的PCIe总线，最大速度可大40Gbps，使用Type-C接口，兼容DP视频协议、PD快充协议等。

2、USB总线特点

2.1 主从模式

USB是主从模式的总线，主机称为Host，从机（也称为设备）称为Device。从机与从机之间、主机与主机之间（不包括USB4.0），不能互联。每次通信都是由主机发起，从机不能主动发起通信，只能被动的应答主机的请求。USB3.0及以后的USB协议，主机也可以和集线器（Hub）通信。为了增加灵活性，又出现了USB OTG（On The Go），USB OTG支持主从切换，同一个设备，在不同场合下，可以在主机和从机之间切换。USB OTG线中增加了一根USB ID线，当USB ID线上拉时，处于从机（设备）模式，当USB ID线接地时，处于主机模式。

2.2 总线结构

如下图所示，USB总线呈现出树状的拓扑结构。树的根节点是USB Host控制器，连接在USB Host控制器上的是USB根集线器（Root Hub）。USB集线器（Hub）可以将一个USB接口扩展成多个USB接口，扩展出的USB接口又可以通过USB集线器（Hub）扩展，每个USB接口都可以接USB设备。集线器只能扩展出更多的USB接口，而不能扩展出更多的带宽，所有USB设备共享USB Host控制器的带宽，当有多个USB设备需要较大带宽时，可以考虑将他们接到不同USB Host控制器上的根集线器上，以避免带宽不足。

2.3 电气特性

下图是USB3.2线缆的示意图，同时兼容USB2.0。USB使用差分信号传输数据，下图中的D+和D-是一对差分线，SSTX+和SSTX-是一对差分线，SSRX+和SSRX-是一对差分线。USB2.0只有一对差分线，即下图中的D+、D-，因此USB2.0是半双工的，不能同时收发数据。USB3.2拥有两对差分线，即SSTX+和SSTX及SSRX+和SSRX，因此USB3.2是全双工的，可同时收发数据。USB3.2和USB2.0使用不同的差分线传输数据，两者互不干扰，可同时工作。USB3.2线缆中保留了USB2.0的数据传输通道，实现了对USB2.0的兼容。USB主机可通过VBUS线向设备供电，最大可输出20V/5A。GND是地线。

3.USB传输基础

3.1.传输类型

控制传输（Control Transaction） 控制传输用于配置设备、获取设备信息、发送命令到设备、获取设备的状态。每个USB设备都有端点0的控制端点，当USB设备插入到USB主机拓扑网络中时，USB主机就通过端点0与USB设备通信，对USB设备进行配置，便于后续的数据传输。USB协议保证控制传输有足够的带宽。控制传输可靠，时间有保证，但传输的数据量不大。如USB设备的枚举过程就采用的是控制传输。 中断传输（Interrupt Transaction） 当USB主机请求USB设备传输数据时，中断传输以一个固定的速率传送少量的数据。中断端点的数据传输方式为中断传输，数据传输可靠，实时性高，这里的中断并不是USB设备产生中断，而是USB主机每隔一个固定的时间主动查询USB设备是否有数据要传输，以轮询的方式提高实时性。如USB鼠标采用的是中断传输。 批量传输（Bulk Transaction） 批量传输用于传输大量数据。USB协议不保证这些数据传输可以在特定的时间内完成，但保证数据的准确性。如果总线上的带宽不足以发送整个批量包，则将数据拆分为多个包传输。批量传输数据可靠，但实时性较低。如USB硬盘、打印机等设备就采用的是批量传输方式。 等时传输（Isochronous Transaction） 等时传输也可以传输大量数据，但数据的可靠性无法保证。采用等时传输的USB设备更加注重保持一个恒定的数据传输速度，对数据的可靠性要求不高。如USB摄像头就使用的是等时传输方式。

3.2.传输要素

USB2.0主机控制器通过把时间在低速、全速模式下分成1毫秒宽的帧（frame），在高速模式下分成125微妙宽的微帧（microfranme），以此来管理传输。主机控制器将每个帧或微帧的一部分分配给各个传输。每个帧（或微帧）以带有时序参考的帧（Start-of-Frame，SOF）开始。超高速总线不使用SOF，但主机控制器仍可以在125微妙的总线时间内安排超高速传输。

USB传输可以安排在1个或多个帧或微帧中，每个传输包含多个事务，每个事务又进一步含有多个信息包（packets）。信息包必须在一个帧或微帧中传输完毕，不能跨帧或微帧。信息包分为4类，令牌类信息包确认事务类型，数据类信息包携带数据和状态代码，握手类信息包携带状态代码，最后一种是特殊类信息包。

USB传输由一个或多个事务（transaction）组成，这些事务可将数据载入端点或从端点取出。USB2.0事务开始于主机在总线上发送的令牌信息包（token packet）。令牌信息包含有目标端点号和方向。IN令牌信息包表示向端点请求数据信息包。OUT令牌信息包则是主机派发数据信息包的先行信息。除了数据，每个数据包还含有错误检查位和一个带有数据顺序值的信息包ID（PID）。许多事务还拥有握手信息包（handshake packet），数据的接收端用它来报告事务成功或失败。对于超高速传输事务，信息包类型和协议有所不同，但却含有相同的地址、错误检查和与数据相配合的数据顺序值。