USB协议或通用串行总线最早是由英特尔的Ajay V.Bhatt于1996年开发和推出的。这种USB取代了不同类型的串行和并行端口，用于在计算机以及不同的外围设备（如扫描仪、打印机、键盘、游戏板、数码相机、操纵杆等）之间传输数据USB协议–使用应用程序。


什么是USB协议？

USB协议是一种通用接口，用于允许鼠标、数码相机、打印机、键盘、媒体设备、扫描仪、闪存驱动器和外部硬盘驱动器等不同外围设备以及智能手机或PC等主机控制器之间的通信。

通用串行总线旨在实现热插拔和增强即插即用。即插即用允许操作系统在不启动计算机的情况下自发配置和发现新的外围设备，而热插拔则在不重新启动的情况下删除和替换新的外围装置。
市场上有不同类型的USB连接器，其中A型和B型是最常用的。目前，较旧的连接器已被Mini-USB、Micro USB和USB-C电缆所取代。

引脚配置

典型的A型USB连接器用于各种应用中。这些USB包括下面给出的4个引脚。这种类型的USB主要用于将各种设备连接到PC，因为它是典型的四针USB连接器。该连接器更高、更窄，包括布置在一个盒子内的4针。

Type-A USB Connector Pin Configuration
A型USB连接器引脚配置

A型USB的引脚用彩色导线指示，以执行特定功能。

  • 引脚1（VBUS）：它是一根红色的电线，用于提供电源。
  • 引脚2（D-）：这是一个白色的差分对引脚，用于USB的连接。
  • 引脚3（D+）：这是一个绿色的差分对引脚，用于USB连接。
  • 引脚4（接地）：它是一个接地引脚，有黑色可选。

在上述引脚中，D+和D-引脚都表示数据传输。当“1”通过导线发送时，D+线将具有正流量，如果发送“0”，则会发生相反的情况。

USB协议体系结构

USB协议的体系结构如下所示。一旦各种I/O设备通过USB连接到计算机，那么它们的结构都像一棵树。在这种USB结构中，每个I/O设备都会进行点对点连接，以串行传输格式传输数据。

在这种体系结构中，I/O设备通过USB连接到计算机，USB被称为集线器。体系结构中的集线器是I/O设备和计算机之间的连接点。该体系结构中的根集线器用于将整个结构连接到主机。该体系结构中的I/O设备包括键盘、鼠标、扬声器、相机等。

USB Protocol Architecture
USB协议体系结构

USB协议是如何工作的？

USB协议只是根据轮询原理工作，因为在轮询中，处理器连续检查输入/输出设备是否准备好传输数据。因此，I/O设备不必就其状况更新处理器，因为处理器的主要职责是持续检查。因此，这将使USB变得低成本和简单。

每当一个新设备与集线器结盟时，它都会像“0”一样被寻址。在正常时间段内，主机将轮询集线器，以获得其状态，从而使主机能够知道系统中的I/O设备是连接到系统还是从系统中分离。

一旦主机对新设备做出响应，则它通过读取设备的USB接口的特定存储器内的可用数据来知道设备容量。以便主机使用合适的驱动程序与设备进行通信。之后，主机为新设备分配一个地址，该地址被写入设备寄存器。使用此设备，USB提供即插即用功能。

此功能仅允许主机在设备连接后自动识别新的可用I/O设备。设备的I/O容量将由主机软件决定。

USB协议的另一个功能是“可热插拔”，这意味着I/O设备可以在不进行任何关闭或重新启动的情况下连接或从主机系统中移除。因此，当I/O设备连接或分离时，您的系统会持续运行。

USB协议还可以支持以预设时间间隔传输数据的等时流量。与同步和异步数据传输相比，同步数据的传输速度非常快。

为了保持流量同步，根集线器通过USB传输一系列位，指定同步数据的开始&实际数据可以在这一系列位之后传输。

USB协议功能

这个USB的特点包括以下内容。

  • USB 2.0的最高速度可达480 Mbps。
  • 单个USB长度可达到40米（包括集线器）和5米（不包括集线器）
  • USB是一种即插即用设备。
  • 它可以从计算机中获取电力，也可以通过自己的电源获取电力。
  • 通过使用单个USB主机控制器，可以连接100多个外围设备。
  • USB设备使用的电源高达5V，可提供高达500mA的电流。
  • 一旦电脑进入省电模式，某些类型的USB就会自动转换为睡眠模式。
  • USB包括两根电线；一根电线用于供电，另一根用于传输数据。
  • 在5V电压下，计算机可以通过电源线提供高达500mA的电源。
  • 基于低功耗的设备可以直接从USB中获取电源。
  • 通过在计算机和外围设备之间使用USB，可以进行双向通信。

USB标准和规范

这个USB规格将根据包括以下内容的USB标准进行更改。

USB支持三种类型的速度-低速-1.5 Mbps、全速-12 Mbps和高速-480 Mbps。

USB 2.0标准

  • 它是一个最高数据传输速度为480Mbps的高速USB。此USB支持所有连接器。
  • 电缆的最大长度为5米。
  • 其最大充电功率高达15w。

USB 3.2标准

  • USB 3.2（Generation1）是一款超高速USB，最大数据传输速度为5Gbps。
  • 它支持不同的连接器，如USB 3 USB-A、USB 3 USB-B和USB-C。
  • 此USB的电缆最大长度为3米。
  • 其最大充电功率高达15w。

USB 3.2（第2代）

  • USB 3.2（Generation2）也是一款最高数据传输速度为10Gbps的超高速USB。
  • 此USB的电缆最大长度为1米。
  • 它还支持不同的连接器，如USB 3 USB-A、USB 3 USB-B和USB-C。
  • 其最大充电功率高达100w。

USB 3.2第2代×2

  • USB 3.2第2代×2是一款最高数据传输速度为20Gbps的超高速USB。
  • 此USB的电缆最大长度为1米。
  • 它还支持USB连接器。
  • 其最大充电功率高达100w。

Thunderbolt 3标准

  • 这种USB也被称为霹雳，包括高达40Gbps的最大数据传输速度。
  • 此USB的最大电缆长度为2米（有源电缆）和0.8米（无源电缆）。
  • 它支持USB连接器。
  • 其最大充电功率高达100w。

USB 4标准

  • 这种USB也被称为Thunderbolt 4，最高数据传输速度可达40Gbps。
  • 此USB的最大电缆长度为2米（有源电缆）和0.8米（无源电缆）。
  • 它支持USB连接器。
  • 其最大充电功率高达100w。

USB协议时序图

USB协议的时序图如下所示，主要用于工程领域，以解释USB导线沿时间线的ON/OFF值。

“1”表示不收费，“0”表示活动。随着时间的推移，您可以观察到开关的进展。以下系统显示了非归零反转（NRZI）编码，这是一种更有效的传输数据的方法。

USB Timing Diagram
USB时序图

在上图中，比特填充正在发生，这意味着添加了逻辑1以允许同步。如果数据包含几个1，则USB无法同步数据。因此，通过这种方式，硬件会注意到一个额外的位并忽略它。它包括USB的开销，尽管也确保了一致的传输。

USB数据格式

在USB协议中，主设备被称为USB主机，它启动USB总线上发生的所有通信。在这里，计算机或其他控制器通常被认为是主设备，因此如果它们请求任何信息，它们只响应其他设备。从设备或外围设备简单地连接到主机设备，主机设备被编程为向主机设备提供操作所需的信息。一般来说，从设备或外围设备主要包括键盘、计算机鼠标、USB闪存驱动器、相机等。

主机设备之间进行有效的通信是非常重要的。一旦外围设备通过USB连接到计算机，计算机就会注意到它是什么类型的设备，并自动加载允许设备运行的驱动程序。

在两个设备之间传输的少量数据被称为“数据包”，其中每个数据包都传输一个数字信息单元。下面将讨论USB协议中可能发生的数据传输。

消息格式

USB协议的数据首先在分组LSB内传输。USB数据包主要有四种类型：令牌、数据、握手和帧开始。每个数据包都是由各种字段类型设计的，如下面的消息格式图所示。

Message Format Diagram of USB
USB的消息格式图

同步

在USB协议中，每个USB数据包都将以SYNC字段开始，该字段通常用于同步发射器和接收器以精确传输数据。在慢速或高速USB系统中，类似字段的SYNC包括3个KJ对，这些KJ对之后经过2K以帧化8位数据。

在高速USB系统中，同步需要15 KJ对，然后通过2 K来帧化32位数据。该字段很长，在高速和低速下有8位，否则最大速度有32位长，用于同步发射机和接收机的CLK。最后的2位将指示PID字段的起始位置。

数据包标识符字段或PID

USB协议中的打包器标识符字段主要用于识别正在传输的数据包类型，从而识别数据包数据格式。该字段的长度为8位长，其中高位4位识别数据包的类型，低位4位是高位4位的逐位补码。

地址字段

USB协议的地址字段指示哪个分组设备主要被指定用于哪个分组设备。7位长度只允许支持127个设备。地址零无效，因为任何尚未分配地址的设备都应该对发送到零地址的数据包做出反应。

端点字段

USB协议中的端点字段为4位长，允许在寻址方面具有额外的灵活性。通常情况下，这些是为移入/移出的数据而划分的。端点“0”是一种特殊情况，称为CONTROL端点&每个设备都包括一个端点0。

数据字段

数据字段的长度不是固定的，所以它的长度在0到8192位之间，总是字节数的整数。

CRC字段

对分组有效载荷中的数据执行循环冗余校验（CRC），其中所有令牌分组包括5位CRC，数据分组包括16位CRC。CRC-5为五位长，用于令牌数据包以及帧数据包的开头。

EOP字段

每个数据包由EOP（数据包结束）字段终止，该字段包括SE0或2位时间的单端零，然后是1位时间的J。

同步的问题

USB协议中常见的同步问题包括以下内容。每当USB设备开发时，USB开发人员的经验通常会面临许多同步问题，这些问题也被称为USB的通信错误。其中一些错误会导致系统故障。以下示例是USB总线可能出现的一些问题：

  • USB数据包数据和数据排序不正确。
  • USB的传输或重新传输。
  • 基于电源或VBUS的问题。
  • 枚举带来的问题。
  • 高速谈判问题。

优势

这个USB的优点包括以下内容。

  • 易于使用。
  • 对于多个设备，使用单个接口。
  • 它的尺寸很紧凑。
  • 其连接器系统非常坚固。
  • 这些并不昂贵。
  • 这些有不同的尺寸和不同的连接器。
  • 自动配置。
  • 它的扩展很容易。
  • 高速。
  • 可靠且成本低。
  • 功耗低。
  • 兼容且耐用。

缺点

这个USB的缺点包括以下内容。

  • 一些制造商以更低的成本设计低质量的USB。
  • 它的容量是有限的。
  • 与其他系统相比，它的数据传输速度不快。
  • USB不提供广播功能，因此单个消息仅在主机和外围设备之间进行通信。

应用

这个USB协议的应用包括以下内容。

  • 目前，大多数外围设备都通过USB连接到系统，如鼠标、打印机、扫描仪、摇杆、调制解调器、网络摄像头、键盘、数码相机、存储设备、存储设备，飞行轭、网络适配器和科学领域的数据采集设备。
  • USB主要用于集线器和主机控制器上的计算机
  • UBB Type-B主要用于连接手机等小型设备和打印机等USB外围设备。
  • 它在个人电脑、视频游戏机和智能手机上使用最频繁。

因此，这是对USB协议的概述——它与应用程序一起工作。目前，USB只支持4种类型的传输模式，这些传输模式是为不同的目的而设计的。传输模式为：；控制、批量、同步和中断。这里有一个问题要问你，USB的完整形式是什么？