USB系统设计

USB 的设计架构在拓扑上是不对称的，由主机、多个下游 USB 端口以及以分层星形拓扑连接的多个外围设备组成。层中可以包含 额外的 USB 集线器，从而允许分支为最多五层的树形结构。一个 USB主机可以实现多个主机控制器，并且每个主机控制器可以提供 一个或多个USB端口。最多 127 个设备（包括集线器设备（如果存 在））可以连接到单个主机控制器。 USB 设备通过集线器串联链接 。内置于主机控制器中的一个集线器是根集线器。

物理 USB 设备可能由多个称为设备功能的逻辑子设备组成。单 个设备可以提供多种功能，例如，带有内置麦克风（音频设备功能 ）的网络摄像头（视频设备功能）。这种器件称为复合器件。另一 种方法是复合设备，其中主机为每个逻辑设备分配一个独特的地址 ，所有逻辑设备都连接到一个内置集线器，该集线器连接到物理 USB 电缆。

示意图：设备内部有多个端点，每个端点都通过逻辑管道连接 到主机控制器。每个管道中的数据沿一个方向流动，尽管进出主机 控制器的数据是混合的。

USB 设备通信基于管道（逻辑通道）。管道是从主机控制器到 逻辑实体的连接，在设备上找到并命名为端点。由于管道与端点一 一对应，因此这些术语有时可以互换使用。一个 USB 设备最多可以 有 32 个端点（16 个输入，16 个输出），但很少有这么多。端点是 由设备在初始化期间（物理连接后称为“枚举”的时 期）定义和编号的，因此相对永久，而管道可以打开和关闭。
 

USB 端点实际上驻留在连接的设备 上：到主机的通道称为管道

管道有两种类型：流管道和消息管道。消息管道是双向的，用 于控制传输。消息管道通常用于向设备发出简短的命令和状态响应 ，例如由总线控制管道编号 0 使用。流管道是连接到单向端点的单 向管道，它传输使用同步、中断或批量传输的数据：

• 等时传输：以某种保证的数据速率（通常但不一定是尽 可能快）但可能会丢失数据（例如，实时音频或视频）。
• 中断传输：需要保证快速响应（有限延迟）的设备（例如， 指点设备和键盘）。
• 批量传输：使用所有剩余可用带宽进行大量零星传输，但不 保证带宽或延迟（例如文件传输）。

管道的端点可通过主机在想要启动数据传输会话时发送的 TOKEN 数据包中指定的元组（device_address、 endpoint_number）进行寻址。如果数据传输的方向是从主机到端 点，则主机发送具有所需设备地址和端点号的OUT分组（TOKEN分 组的特化）。如果数据传输的方向是从设备到主机，则主机发送 IN 数据包。如果目的地端点是单向端点，其制造商指定的方向与 TOKEN数据包不匹配（例如，制造商指定的方向是IN，而TOKEN 数据包是OUT数据包），则忽略TOKEN数据包。否则，它被接受并 且数据事务可以开始。另一方面，双向端点接受 IN 和 OUT 数据包 。

端点被分组为接口，每个接口与单个设备功能相关联。端点 0 是一个例外，它用于设备配置，不与任何接口关联。由独立控制的 接口组成的单一设备功能称为复合设备。复合设备仅具有单个设备 地址，因为主机仅将设备地址分配给功能。

计算机正面的两个 USB 标准 A 插 座

当 USB 设备首次连接到 USB 主机时，USB 设备枚举过程就会 启动。枚举首先向 USB 设备发送复位信号。 USB 设备的数据速率 在复位信号期间确定。复位后，主机读取USB设备的信息，并为设 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，并将该设备设置为已配置状态。如果 USB 主机重新启动，则会对所有连接的设备重复枚举过程。

主机控制器将流量引导至设备，因此，如果没有主机控制器的 明确请求，任何 USB 设备都无法在总线上传输任何数据。在 USB 2.0 中，主机控制器通常以循环方式轮询总线的流量。每个 USB 端 口的吞吐量由 USB 端口或连接到该端口的 USB 设备的较慢速度决 定。

高速 USB 2.0 集线器包含称为事务转换器的设备，可在高速 USB 2.0 总线与全速和低速总线之间进行转换。当高速 USB 2.0 集 线器插入高速 USB 主机或集线器时，它会以高速模式运行。然后， USB 集线器使用每个集线器一个事务转换器来创建路由到集线器上 所有全速和低速设备的全速/低速总线，或者使用每个端口一个事务 转换器来创建每个端口的隔离全速/低速总线。集线器上的端口。

由于每个 USB 3.0 主机中有两个独立的控制器，因此无论连接 到该主机的 USB 2.0 或更早版本的设备如何，USB 3.0 设备都会以 USB 3.0 数据速率进行传输和接收。早期设备的操作数据速率以传 统方式设置。