USB

历史简介

第一版通用串行总线于1995年诞生。这项新技术一举成名。自从USB问世后，制造电子设备的人就开始思考未来如何使用它。今天，USB将电脑或其他设备，如笔记本电脑和MP3播放器连接到外围设备。

公交车由7家公司推出，这7家公司代表了信息技术行业的领导者。康柏、IBM、英特尔、微软、NEC、北方电信和数字设备公司（DEC）。

几年前，USB的采用者和开发者在加州的一家特殊酒店举行了一次名为Plugfest的会议，测试他们的设备。他们选择了一家包括睡觉和测试用的房间的酒店。会议持续了三天。会议期间，大约50家公司的代表将他们的USB设备连接到一个通用主机系统。

USB设备的标志也有自己的历史。USB标志在开发过程中已经有好几个月了。

• 1994年--七家公司联合起来，开始开发USB。
• 1995年----340家公司组成USB实施论坛。
• 1996年--全球已经有五百多个USB产品在开发。
• 1997年--USB实施论坛变得更加丰富，增加了60家公司。
• 1998年--USB成为电子产品市场上最流行的技术。
• 2000年--USB2.0的推出。今天，它代表了最广泛使用的USB设备。
• 2005年--USB成为无线。
• 2008年--USB 3.0问世，比USB 2.0快10倍以上。它比USB 2.0快10倍以上。
• 2013年--USB 3.1问世。它的速度大约是USB 3.0的两倍。
• 2015年--USB Type-C问世。它是一个可翻转的连接器，这意味着你可以在两个方向上插入它。

全尺寸USB-B插头

不同的标准

目前，有五种不同的USB标准。USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0和USB 3.1。USB 3.1于2016年发布，将3.0的速度提高了一倍。它可选择使用一种不同的连接器，称为USB Type-C，它是可逆的（意味着你可以从两个方向插入它）。USB 1.0现在已经很少使用了。

USB提供五种不同的传输速度。1.5 MBit/秒（称为低速）、12 MBit/秒（全速）、480 MBit/秒（高速）、5Gbit/秒（称为超速）和10 Gbit/秒（"超速+"）。Hi speed只适用于USB 2.0和更高版本，Super speed只适用于USB 3.0。这些速度是原始比特率（单位为每秒百万比特）。由于协议开销的原因，实际数据速率通常较低。

为了使用高速传输速率，USB控制器和连接的设备都需要支持它。USB是向后兼容的。更快和更慢的USB设备和控制器可以连接在一起，但它们将以较慢的速度运行。

USB集线器

今天销售的电脑几乎都有USB接口，而且大部分都支持USB 2.0或更高版本。不过它们的端口数量通常是有限的。两个到六个端口之间是常见的。USB允许连接USB集线器来增加更多的USB端口。

集线器本身也符合USB标准之一。连接到USB 1.1集线器的设备只能以USB 1.1的速率进行传输。连接到后来的控制器的设备可以使用不同的标准。

像这种USB集线器很常见。

USB连接器

USB的设计是为了方便使用。工程师在设计USB连接器之前，从其他连接器中吸取了经验。有3种连接器。

• A型，常用于计算机电缆端。
• 微A（罕见）
• B型，在外设端，除打印机外很少见。
• 外围端的Micro-B，适用于大多数智能手机。
• C型，在两端。截至2017年，很多新的电脑、手机和外设都使用了它。

可用性

• USB A或B接口是不可能插错的。它们不可能倒着插，从外观和动感上就可以看出，什么时候插得正确。但有时，用户不明白或看不清连接器是怎么插进去的，所以可能需要尝试两种方式。
• C型USB连接器可以双向插入。插入哪种方式并不重要。
• 不需要很用力地推拉插拔。这是在规范中。USB线和小型USB设备是通过插座的抓取力来固定的。USB不需要螺丝、夹子或其他紧固件。进行或断开连接所需的力很小。这允许在不方便的位置或由运动障碍者进行连接。
• 在Type C出现之前，连接器执行的是USB网络的定向拓扑结构。USB不支持循环网络，所以不兼容的USB设备的连接器本身就不兼容。与其他通信系统（如RJ-45布线）不同的是，在USB-On-The-Go（OTG）出现之前，几乎从未使用过变性器，因此很难创建循环USB网络。

耐用性

• 连接器的设计非常坚固。早期的连接器设计很脆弱，针脚或其他脆弱的部件很容易弯曲或断裂，即使轻轻处理也是如此。USB连接器中的电触点由一个塑料舌片保护。整个连接组件通常由一个封闭的金属护套进一步保护。因此，即使是小孩子也可以安全地操作、插入和取出USB连接器。
• 在连接四个连接器之前，连接器的结构始终确保插头上的外部护套与插座上的护套接触。这个外鞘通常连接到系统的地线上，从而可以通过这个途径（而不是通过脆弱的电子元件）安全地释放有害的静电荷。这种外壳方式还意味着，当USB信号通过匹配的连接器对（这是唯一的位置，否则双绞线数据对必须平行移动一段距离）时，有一个（中等）程度的电磁干扰保护。同样，电源和公共连接在系统接地之后，但在数据连接之前进行。这种分阶段的断路时间允许安全的热插拔，并已被用于航空航天工业的连接器。
• 较新的USB微型插座的设计允许在插座和插头之间进行高达10,000次的插入和消耗，而标准USB和Mini-USB插座只有500次。这是通过增加一个锁定装置，并将片簧连接器从插孔移到插头上，从而使最受力的部分位于连接的电缆一侧来实现的。这样做的目的是为了让（相对便宜的）电缆上的连接器而不是微型USB设备承受最大的磨损。

兼容性

• USB标准对符合标准的USB连接器规定了比较大的容差。这样做是为了最大限度地减少不同厂商生产的连接器的不兼容性（这个目标已经非常成功地实现了）。与大多数其他连接器标准不同，USB规范还定义了连接设备在其插头周围区域的尺寸限制。这样做是为了防止设备因其尺寸而阻塞相邻的端口。兼容的设备必须适合在尺寸限制内，或者支持兼容的延长线。
• 也可以进行双向通信。通常电缆只有插头，主机和设备只有插座：主机有A型插座，设备有B型插座。A型插头只能与A型插座连接，B型插头与B型插座连接。然而，一种被称为USB On-The-Go的USB扩展允许一个端口作为主机或设备--由电缆的哪一端插入设备上的插座来选择。即使在连接好电缆并进行通话后，两台设备也可以在程序控制下"交换"端口。这个功能针对的是诸如PDA等设备，其中USB链接可能在一个实例中作为设备连接到PC的主机端口，但在另一个实例中作为主机本身连接到键盘和鼠标设备。

USB延长线


A系列"A"连接器和插座。


一个USB Type-C连接器。

USB是如何完成的

一个USB系统采用非对称设计。它是由一台主机、多个下游USB端口和多个外围设备以星型拓扑结构连接而成。层级中可包含额外的USB集线器，允许分支成最多五个层级的树形结构。

一个USB主机可以有多个主机控制器。每个主机控制器提供一个或多个USB端口。一个主机控制器最多可连接127个设备，包括集线器设备。

USB设备是通过集线器串联起来的。总有一个集线器被称为根集线器。根集线器内置在主机控制器中。还有一些特殊的集线器，称为"共享集线器"。这些集线器允许多台计算机访问相同的外围设备。它们通过手动或自动切换PC之间的访问来工作。它们在小型办公室环境中很受欢迎。在网络方面，它们是汇聚而不是分叉的分支。

一个物理USB设备可以有几个逻辑子设备，这些子设备被称为设备功能。一个设备可以提供多种功能，例如，一个网络摄像头（视频设备功能）和一个内置麦克风（音频设备功能）。

USB设备通信是基于管道（逻辑通道）的。管道是指从主机控制器到设备上名为端点的逻辑实体的连接。术语端点有时会被错误地用来指代管道。一个USB设备最多可以有32个活动管道，16个进入主机控制器，16个从控制器出来。

每个端点只能在一个方向上传输数据，要么进入设备，要么离开设备，所以每个管道都是单向的。端点被分组为接口，每个接口与一个设备功能相关联。零端点是一个例外，它用于设备配置，它不与任何接口相关联。

当USB设备首次连接到USB主机时，USB设备枚举过程开始。枚举通过向USB设备发送复位信号开始。在复位信号期间，USB设备的速度由USB设备决定。复位后，主机读取USB设备的信息，然后为该设备分配一个唯一的7位地址。如果主机支持该设备，则加载与该设备通信所需的设备驱动程序，并将该设备设置为配置状态。如果重新启动USB主机，则对所有连接的设备重复枚举过程。

主机控制器会对总线进行流量轮询，通常以循环方式进行，因此，如果没有主机控制器的明确请求，任何USB设备都不能在总线上传输任何数据。

主机控制器

包含主机控制器和根集线器的计算机硬件有一个供程序员使用的接口。它被称为主机控制器设备（HCD），由硬件实现者定义。

对于USB 1.0和1.1，有两种不同的HCD实现，即开放主机控制器接口（OHCI）和通用主机控制器接口（UHCI）。OHCI由康柏、微软和美国国家半导体公司开发，UHCI由英特尔开发。

威盛科技从英特尔那里获得了UHCI标准的授权；所有其他芯片组实施者都使用OHCI。UHCI更多依赖于软件。这意味着UHCI比OHCI的处理器密集度稍高，但制造起来更容易、更便宜。由于有两种不同的实现方式，操作系统厂商和硬件厂商需要在这两种方式上进行开发和测试。这就增加了成本。

USB规范没有规定任何HCD接口，也不涉及这些接口。换句话说，USB定义了通过端口传输数据的格式，但没有定义USB硬件与其所在的计算机进行通信的系统。

在USB 2.0的设计阶段，USB-IF坚持认为只有一种实现。USB 2.0的HCD实现被称为增强型主机控制器接口（EHCI）。只有EHCI可以支持高速（480 Mbit/s）传输。大多数基于PCI的EHCI控制器有其他的HCD实现，称为"伴侣主机控制器"，以支持全速(12 Mbit/s)，并可用于任何声称是某一类别成员的设备。一个操作系统应该实现所有的设备类别，因此它可以为任何USB设备提供通用的驱动程序。设备类别是由USB实施者论坛的设备工作组决定的。

USB设备类别

设备类别包括：

级别	使用方法	说明	例子
00h	设备	未指定等级0	设备类未指定。接口描述符用于确定所需的驱动程序）。)
01h	介面	音频	扬声器、麦克风、声卡
02h	两者	通信和CDC控制	以太网适配器、调制解调器、串口适配器
03h	介面	人机界面设备(HID)	键盘、鼠标、操纵杆
05h	介面	物理接口设备(PID)	力反馈操纵杆
06h	介面	形象	数码相机（大多数相机具有大容量存储功能，可直接访问存储介质）。
07h	介面	打印机	激光打印机、喷墨打印机
08h	介面	大容量存储	USB闪存盘、存储卡读卡器、数字音频播放器、外置硬盘。
09h	设备	USB集线器	全速轮毂，高速轮毂
0Ah	介面	疾控中心-数据	本类与02h类--通信和CDC控制一起使用。
0Bh	介面	智能卡	USB智能卡阅读器
0Dh	介面	内容安全	-
0Eh	介面	录像	网络摄像头
0Fh	介面	个人保健	-
DCh	两者	诊断设备	USB符合性测试设备
E0h	介面	无线控制器	Wi-Fi适配器，蓝牙适配器
EFh	两者	杂项	ActiveSync和Palm同步设备
FEh	介面	特定应用	IrDA桥
FFh	两者	厂商专用	(该类代码表示设备需要厂商特定的驱动程序。)

注0类：使用接口描述符中的类信息。定义这个基类是为了在设备描述符中使用，以表明类信息应从设备的接口描述符中确定。

一个典型的USB连接器。


USB端点实际上是在连接的设备上：通往主机的通道称为管道。

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