2024年5月4日发(作者：)

USB 2.0 规范初探

USB 2.0 规范

USB体系简介

USB是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用差分信号来传输数据，最高速度

可达480Mb/S。USB支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下，

设备最多可以获得500mA的电流。USB2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速（USB 1.1）

或者低速（USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传输来支持它

们。一条USB总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备”决定，该设

备包括主机、HUB以及USB功能设备。

USB体系包括“主机”、“设备”以及“物理连接”三个部分。其中主机是一个提供USB

接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体，可以是PC，也可以是OTG设备。一个

USB系统中仅有一个USB主机；设备包括USB功能设备和USB HUB，最多支持127个设

备；物理连接即指的是USB的传输线。在USB 2.0系统中，要求使用屏蔽的双绞线。

一个USB HOST最多可以同时支持128个地址，地址0作为默认地址，只在设备枚举期间临时使

用，而不能被分配给任何一个设备，因此一个USB HOST最多可以同时支持127个地址，如果一个设

备只占用一个地址，那么可最多支持127个USB设备。在实际的USB体系中，如果要连接127个USB

设备，必须要使用USB HUB，而USB HUB也是需要占用地址的，所以实际可支持的USB功能设备

的数量将小于127。

USB体系采用分层的星型拓扑来连接所有USB设备，如下图所示：

以HOST-ROOT HUB

为起点，最多支持7层

（Tier），也就是说任何一个

USB系统中最多可以允许5

个USB HUB级联。一个复

合设备（Compound Device）

将同时占据两层或更多的

层。

ROOT HUB是一个特殊的USB HUB，它集成在主机控制器里，不占用地址。ROOT HUB不但

实现了普通USB HUB的功能，还包括其他一些功能，具体在增强型主机控制器的规范中有详细的介

绍。

“复合设备（Compound Device）”可以占用多个地址。所谓复合设备其实就是把多个功能设备

通过内置的USB HUB组合而成的设备，比如带录音话筒的USB摄像头等。

USB采用轮询的广播机制轮询的广播机制传输数据，所有的传输都由主机发起，任何时刻整个USB体

轮询的广播机制

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USB 2.0 规范初探

系内仅允许一个数据包的传输，即不同物理传输线上看到的数据包都是同一被广播的数据

包。

USB采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制，在令牌包中指定数据包去向

或者来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌

包作出响应。握手包表示了传输的成功与否。

数据包：USB总线上数据传输的最小单位，包括SYNC、数据及EOP三个部分。其中数据的格

式针对不同的包有不同的格式。但都以8位的PID开始。PID指定了数据包的类型（共16种）。令牌

包即指PID为IN/OUT/SETUP的包。

端点（Endpoint）：是USB设备中的可以进行数据收发的最小单元，支持单向或者双向的数据传

输。设备支持端点的数量是有限制的，除默认端点外低速设备最多支持2组端点（2个输入，2个输

出），高速和全速设备最多支持15组端点。

管道（Pipe）是主机和设备端点之间数据传输的模型，共有两种类型的管道：无格式的

流管道（Stream Pipe）和有格式的信息管道（Message Pipe）。任何USB设备一旦上电就存

在一个信息管道，即默认的控制管道默认的控制管道，

默认的控制管道

USB主机通过该管道来获取设备的描述、配置、状

态，并对设备进行配置。

USB设备连接到HOST时，HOST必须通过默认的控制管道对其进行枚举枚举，完成获得

枚举

其设备描述、进行地址分配、获得其配置描述、进行配置等操作方可正常使用。USB设备

的即插即用特性即依赖于此。

枚举：是USB体系中一个很重要的活动，由一系列标准请求组成（若设备属于某个子类，还包含

该子类定义的特殊请求）。通过枚举HOST可以获得设备的基本描述信息，如支持的USB版本、PID、

VID、设备分类（Class）、供电方式、最大消耗电流、配置数量、各种类型端点的数量及传输能力（最

大包长度）。HOST根据PID和VID加载设备驱动程序，并对设备进行合适的配置。只有经过枚举的

设备才能正常使用。对于总线供电设备，在枚举完成前最多可从总线获取100mA的电流。

USB体系定义了四种类型的传输，它们是：

控制传输：主要用于在设备连接时对设备进行枚举以及其他因设备而已的特定操作。

中断传输：用于对延迟要求严格、小量数据的可靠传输，如键盘、游戏手柄等。

批量传输：用于对延迟要求宽松，大量数据的可靠传输，如U盘等。

同步传输：用于对可靠性要求不高的实时数据传输，如摄像头、USB音响等。

注意：中断传输并不意味这传输过程中，设备会先中断

HOST

，继而通知

HOST

启动传输。中断传输

也是

HOST

发起的传输，采用轮询的方式询问设备是否有数据发送，若有则传输数据，否则

NAK

主

机。

不同的传输类型在物理上并没有太大的区别，只是在传输机制、主机安排传输任务、可

占用USB带宽的限制以及最大包长度有一定的差异。

USB设备通过管道和HOST通信，在默认控制管道上接受并处理以下三种类型的请求：

1. 标准请求：

标准请求

：一共有11个标准请求，如得到设备描述、设置地址、得到配置描述等。

所有USB设备均应支持这些请求。HOST通过标准请求来识别和配置设备。

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