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USB技术细节问题

2025/10/29 2:59:54发布55次查看
目前 usb支持3种数据信号速率,usb设备应该在其外壳或者有时是自身上正确标明其使用的速率。usb-if进行设备认证并为通过兼容测试并支付许可费用的设备提供基本速率(低速和全速)和高速的特殊商标许可。
1.5 mbit/s (183 kbyte/s) 的低速速率,主要用于人机接口设备(human interface devices ,hid)例如键盘、鼠标、游戏杆。
12 mbit/s (1.4 mbyte/s)的全速速率, 在usb 2.0之前是曾经是zui高速率,后起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率。多个全速设备间可以按照先到先得法则划分带宽;使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见。所有的usb hub支持全速速率。
480 mbit/s (57 mbyte/s)的高速速率。 并非所有的usb 2.0设备都是高速的。高速设备插入全速hub时应该与全速兼容。而高速hub具有所谓transaction translator(事务翻译器)功能,能够隔离全速、低速设备与高速之间数据流,但是不会影响供电和串联深度。
软件架构
一个usb主机通过hub链可以连接多个设备。由于理论上一个物理设备可以承担多种功能,例如路由器同时也可以是一个sd卡读卡器,usb的术语中设备(device)指得是功能(functions)。集线器(hub)由于作用特殊,按照正式的观点并不认为是function。 直接连接到主机的hub是根(root)hub。
端点
端点(和各自的管道)在每个方向上按照0-15编号,因此一个设备/功能zui多有32个活动管道,16个进,16个出。 (出( out)指离开控制器,而入(in)指进入主机控制器。) 两个方向的端点0总是留给总线管理,占用了32个端点中的2个。在管道中,数据使用不同长度的包传递,端点可以传递的包长度上限一般是2n字节,所以usb包经常包含的数据量依次有8、16、32、64、128、256、512或者1024字节。
一个端点只能单向(进/出)传输数据,自然管道也是单向的。每个usb设备至少有两个端点/管道:它们分别是进出方向的,编号为0,用于控制总线上的设备。按照各自的传输类型,管道被分为4类:
控制传输——一般用于短的、简单的对设备的命令和状态反馈,例如用于总线控制的0号管道
等时传输——按照有保障的速度(可能但不必然是尽快地)传输,可能有数据丢失,例如实时的音频、视频
中断传输——用于必须保证尽快反应的设备(有限延迟),例如鼠标、键盘
批量传输——使用余下的带宽大量地(但是没有对于延迟、连续性、带宽和速度的保证)传输数据,例如普通的文件传输
设备分类
设备分类由usb设计论坛设备工作组决定,并分配id。
如果一个设备类型属于整个设备,该设备的描述府bdeviceclass的域保存类别id;如果它这是设备的一个界面,其id保存在界面描述府的;binterfaceclass域。他们都占用一个字节,所以zui多有253种设备类别。(0x00和0xff保留)。当bdeviceclass设为0x00,操作系统会检查每个接口的binterfaceclass以确定其类别。
每种类别可选支持子类别(subclass)和协议子定义(protocol subdefinition)。这样可以用于主设备类型的不断修订。
usb接头
接头是由usb协会所,接头的设计一方面为了支持众多usb的基本需求,另一方面也避免以往许多类似串行接头所出现的问题。
接头设计的相当耐用。许多以往使用的接头较脆弱,即使受力不大,有时针脚或零件也会折弯甚至断裂。而usb接头的金属导电部份周围有塑料作为保护,而且整个连接部份被金属的保护套围住,因此usb接头不论插拔,都不容易受损。
不可能把usb接口插错。这是防呆设计,方向相反的插头不可能插到插座里,方向正反很容易感觉出来。
接头能相对便宜地大量生产。
在usb网络中,接头被强制使用定向拓扑。usb不支持环形网络,因此不兼容的usb设备之间接口也不兼容。不像其他通讯系统(如rj-45电缆)不能使用转换插头,防止环形usb网络产生。
适度的插拔力。usb电缆和小型usb设备能被插口卡住(不需要夹子、螺丝或者其他接口那样的锁扣)。允许通过适当力量插拔,连接器要方便困难环境和残障人士使用。
由于接头的构造,在将usb插头插入usb座时,插头外面的金属保护套会先接触到usb座内对应的金属部份,之后插头内部的四个触点才会接触到usb座。金属保护套会连接到系统的地点,提供路径使静电可以放电,避免因静电通过电子零件而造成损坏。
电源
usb 接头提供一组5伏特的电压,可作为相连接usb设备的电源。实际上,设备接收到的电源可能会低于5v,只略高于4v。usb规范要求在任何情形下,电压均不能超过5.25v;在zui坏情形下(经由usb供电hub所连接的low power设备)电压均不能低于4.375v,一般情形电压会接近5v。
扩展
pictbridge标准可以使得消费者使用的图形设备彼此互通(例如数码相机直接通过打印机输出)。一般它使用usb做为其底层通信协议。
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