深入学习USB

Posted 2021-08-30 奇妙之二进制

概述

通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，缩写：USB）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。

多媒体电脑刚问世时，外接式设备的传输接口各不相同，如打印机只能接LPT、调制解调器只能接RS232、鼠标键盘只能接PS/2等。繁杂的接口系统，加上必须安装驱动程序并重启才能使用的限制，都会造成用户的困扰。因此，创造出一个统一且支持易插拔的外接式传输接口，便成为无可避免的趋势，USB应运而生。

最新一代的USB是USB4，传输速度为40Gbit/s。物理接头USB Type-A、Type-B接头分正反面，新型USB Type-C接头不分正反。[1][2]

USB最初是由英特尔与微软倡导发起，最大的特点是尽可能地实现热插拔和即插即用。当设备插入时，主机枚举到此设备并加载所需的驱动程序，因此其在使用上远比PCI和ISA等总线方便。

USB在速度上远比并行端口（例如EPP、LPT）与串行接口（例如RS-232）等传统电脑用标准总线快上许多。USB 1.1（USB 2.0 FullSpeed）的最大传输速率为12Mbps，USB 2.0（USB 2.0 HiSpeed）为480Mbps，USB 3.0（USB 3.2 Gen1） 为 5Gbps，USB 3.1（USB 3.2 Gen2x1） 为 10Gbps，而USB 3.2（USB 3.2 Gen2x2）更达20Gbps，以及近期发表的USB 4.0，其速度可达40Gbps。

USB的设计为非对称式的，它由一个主机控制器和若干通过集线器设备以树形连接的设备组成。一个控制器下最多可以有5级Hub，包括Hub在内，最多可以连接128个设备，因为在设计时是使用7比特寻址字段，二的七次方就等于128，一般人说USB连接127个是指连接（某一设备）时需扣除一个连接主机的USB接头，而一台计算机可以同时有多个控制器。和SPI-SCSI等标准不同，USB集线器不需要终结器。

USB可以连接的外设有鼠标、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数字相机、打印机、硬盘和网络等部件。对数字相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化与计算机的连接，USB也逐步取代并行接口成为打印机的主流连接方式之一。2004年已经有超过1亿台USB设备；到2007年时，高清晰度数字视频外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他需要更高的传输速率，不过USB3.1和2019年USB4的问世，高清晰度数字视频外设和外接式显卡也能在USB播放。

USB标准

现USB标准中，按照速度等级和连接方式分为以下七种版本。注意USB-IF目前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。

标准USB接口

这些接口除了type C中终将废弃，即将废弃的东西我是不学的，浪费时间。

USB插头

USB TYPE-A

标准USB线的内部结构，可以看到里面有红、白、绿、黑四根小的导线

USB信号使用分别标记为D+和D- 的双绞线传输，它们各自使用半双工的差分信号并协同工作，以抵消长导线的电磁干扰。

触点	功能（主机）	功能（设备）
1	VBUS（4.75－5.25 V）	VBUS（4.4－5.25 V）
2	D-	D-
3	D+	D+
4	接地	接地

上面这种也是 USB TYPE-A 接口, 不过因为 USB 3.0 标准的推出, 为了方便区分 USB 2.0, 所以接口的颜色通常使用蓝色. 所以如果你的主板背板有黑色和蓝色两种 USB 接口, 通常表示黑色的是 USB2.0, 而蓝色的是 USB3.0或更高标准.

USB TYPE-C

编码方式

USB使用NRZI编码方式：当数据为0时，电平翻转；数据为1时，电平不翻转。为了防止出现过长时间电平不变化现象，在发送数据时采用位填充处理。具体过程如下：当遇见连续6个高电平时，就强制插入一个0。经过位填充后的数据由串行接口引擎（SIE）将数据串行化和NRZI编码后，发送到USB的差分数据线上。接收端完成的过程和发送端刚好相反。