USB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)架是怎樣的？

自從1996年USB接口問(wèn)世以來(lái)，它已經(jīng)成為了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和設(shè)備中最常見(jiàn)的連接方式。USB接口的發(fā)展歷程中涌現(xiàn)出了多個(gè)版本，它們的性能、傳輸速率和功能有著顯著差異。本文將為您詳細(xì)解析各個(gè)版本的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，幫助您選擇最適合自己需求的USB版本。

USB 1.x

USB 1.x是最早的USB接口版本，包括USB 1.0和1.1。它們的傳輸速率分別為1.5Mbps(低速)和12Mbps(全速)。這個(gè)版本的優(yōu)點(diǎn)是兼容性較好，可以適配很多早期的設(shè)備。然而，傳輸速率相對(duì)較慢，逐漸被后續(xù)版本所替代。

USB 2.0

USB 2.0于2000年發(fā)布，傳輸速率高達(dá)480Mbps，被稱(chēng)為“高速USB”。它向下兼容USB 1.x，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。USB 2.0廣泛應(yīng)用于各類(lèi)設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)等。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，USB 2.0的傳輸速率已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足許多高速設(shè)備的需求。

USB 3.x

USB 3.x包括USB 3.0、3.1、3.2等版本，傳輸速率分別為5Gbps、10Gbps和20Gbps。這個(gè)版本被稱(chēng)為“超速USB”，具有更高的傳輸速率和更好的功耗控制。它向下兼容USB 2.0和1.x，可以適配各種設(shè)備。然而，USB 3.x接口的成本較高，且傳輸速度受限于設(shè)備性能。

USB 4

USB 4是最新的USB版本，傳輸速率高達(dá)40Gbps，支持多種協(xié)議，如DisplayPort、PCI Express等。它具有更強(qiáng)大的功能和更快的傳輸速度，可以滿(mǎn)足各類(lèi)高速設(shè)備的需求。然而，USB 4目前僅支持部分高端設(shè)備，普及程度有限。

綜上所述，USB接口的版本越新，性能和傳輸速度越高。如果您的設(shè)備需求不高，USB 2.0可能是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。然而，如果您需要處理大量數(shù)據(jù)或連接高速設(shè)備，USB 3.x或USB 4將是更好的選擇。需要注意的是，不同版本的USB接口在傳輸速度和功能上有差異，但它們之間具有一定的向下兼容性。因此，在選擇合適的USB版本時(shí)，請(qǐng)務(wù)必充分考慮您的設(shè)備需求和預(yù)算。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，您可能需要根據(jù)設(shè)備性能、用途和成本來(lái)權(quán)衡不同版本的USB接口。例如，對(duì)于鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等低速設(shè)備，USB 2.0可能已經(jīng)足夠。但是，如果您需要連接高清攝像頭、高速硬盤(pán)等設(shè)備，USB 3.x或USB 4將能為您提供更好的性能。最后，隨著技術(shù)的發(fā)展和普及，未來(lái)可能還會(huì)出現(xiàn)更先進(jìn)的USB版本，為我們提供更高效、便捷的連接方式。

一個(gè) USB 系統(tǒng) 由三部分來(lái)描述：

USB interconnect

USB devices

USB host

USB interconnect 是指USB 設(shè)備連接到主機(jī)并與主機(jī)通信的方式。這包括以下內(nèi)容：

總線(xiàn)拓?fù)洌篣SB device 和 host 之間的連接模型。

層間關(guān)系：

數(shù)據(jù)流模型：

USB 調(diào)度：

1.1. 總線(xiàn)拓?fù)?

在USB 系統(tǒng)中有兩個(gè)硬件的概念：

USB host：它跟處理器相連，處理器通過(guò)USB Host跟各類(lèi)USB設(shè)備通信。USB Host中集成有一個(gè)root hub

USB device：這類(lèi)設(shè)備又分為兩類(lèi)

Hub：用來(lái)擴(kuò)展USB接口

Function：就是普通的USB設(shè)備，比如U盤(pán)、聲卡等

USB 總線(xiàn)拓?fù)淙缦拢?

roothub：根hub(根集線(xiàn)器)

hub：集線(xiàn)器

func：功能設(shè)備

Compound Device：組合設(shè)備，包含一個(gè)hub 和 一個(gè)或多個(gè)func

USB 總線(xiàn)拓?fù)渥钌蠈右欢ㄊ莌ost, 最后一級(jí)只能是func, 因此hub 級(jí)聯(lián)最多5級(jí);

1.2. USB host

在任何USB 系統(tǒng)中只有一個(gè)主機(jī)，主機(jī)的每個(gè)USB控制器(Host Controller)對(duì)應(yīng)一條USB總線(xiàn)。與主機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連的USB接口被稱(chēng)為主機(jī)控制器。

主機(jī)控制器可以以硬件，固件或軟件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根集線(xiàn)器(root hub)集成在主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)以提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)。

USB Host通過(guò) Host Controller 與 USB device 交互。

Host主要負(fù)責(zé)：

檢測(cè)USB 設(shè)備的拔插動(dòng)作

管理Host和Device之間的控制流、數(shù)據(jù)流

收集USB 總線(xiàn)狀態(tài)和活動(dòng)數(shù)據(jù)信息

為連入U(xiǎn)SB總線(xiàn)的設(shè)備供電

1.3. USB device

USB device 分為 USB hub 和 USB Function。

USB hub (集線(xiàn)器)：

root hub：一般與主機(jī)控制器連接在一起，提供一個(gè)或者多個(gè)端口。

普通hub：用于擴(kuò)展USB 的主機(jī)端口。

結(jié)構(gòu)上由一個(gè)上行端口和多個(gè)下行端口組成。

支持級(jí)聯(lián)：最多5級(jí)，不包含root hub。

支持速率轉(zhuǎn)換：低速/全速設(shè)備，可連接在高速hub 上。

USB function 設(shè)備：

Composite Device：復(fù)合設(shè)備。一個(gè)設(shè)備地址，1個(gè) 或者 多個(gè)function 接口組成

Compound Device：組合設(shè)備。多個(gè)設(shè)備地址，一個(gè)hub 和 一個(gè)或者多個(gè)func 組成。

比如：鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，攝像頭等。

1.4. USB 數(shù)據(jù)流

USB主機(jī)和USB設(shè)備之間的通信是通過(guò)管道(Pipe)進(jìn)行的。

在USB協(xié)議中，管道是一個(gè)邏輯概念，

在USB主機(jī)端實(shí)際上就是一組緩沖區(qū)，用于管道中數(shù)據(jù)的收發(fā)。

在USB設(shè)備端，管道對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的端點(diǎn)，每一個(gè)端點(diǎn)都是一個(gè)由索引和方向確定的，USB設(shè)備最多支持16個(gè)雙向端點(diǎn)(8個(gè)in/8個(gè)out)。

USB設(shè)備地址、端點(diǎn)索引和端點(diǎn)方向的組合可以唯一確定USB主機(jī)和USB設(shè)備間的通信。

2. USB 軟件框架

2.1. USB 數(shù)據(jù)流模型

USB 簡(jiǎn)化傳輸模型如下圖所示，實(shí)際上要比這個(gè)復(fù)雜的多。主要包含以下部分：

USB 物理設(shè)備：USB電纜終端的一塊硬件，執(zhí)行一些有用的終端用戶(hù)功能。

客戶(hù)端軟件：在主機(jī)上執(zhí)行的軟件，對(duì)應(yīng)于一個(gè)USB設(shè)備。此客戶(hù)端軟件通常與操作系統(tǒng)一起提供，或與USB設(shè)備一起提供。

USB 系統(tǒng)軟件：在一個(gè)特定的操作系統(tǒng)中支持USB的軟件。USB系統(tǒng)軟件通常與操作系統(tǒng)一起提供，獨(dú)立于特定的USB設(shè)備或客戶(hù)端軟件。

USB Host Controller (Host Side Bus Interface)：允許將USB設(shè)備連接到主機(jī)上的硬件和軟件。

連接器現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見(jiàn)，例如普通的計(jì)算機(jī)USB接口、手機(jī)充電接口、精密電子連接器、防水連接器等，但對(duì)于連接器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，相信很多人并不清楚，如連接器是由自由端USB接口(插頭)、固定端USB接口(插座)組成。

USB接口的接觸部件，是實(shí)現(xiàn)連接的核心部件。

正常連接是由正、負(fù)兩個(gè)部分組成的接觸對(duì)，通過(guò)陰、陽(yáng)接觸部件的插合完成。

1、正接觸部件是硬質(zhì)部件，形狀是圓柱形(插針)、方形柱形(插針)或扁平形件。

2、負(fù)觸點(diǎn)即插孔，是觸點(diǎn)中的關(guān)鍵部件，它依賴(lài)于插銷(xiāo)過(guò)程中的彈性變形而產(chǎn)生的彈力與正負(fù)接觸件緊密接觸，從而完成連接。其結(jié)構(gòu)有很多種，有懸臂梁式、圓筒型、盒式、音叉型和雙曲線(xiàn)彈簧插孔等。

連接件的絕緣體，也叫底座或膠芯。

其作用是使接觸部件按要求布置位置和間距，保證接觸部件與殼體之間以及接觸部件之間的絕緣性能。

連接件的外殼，也叫殼體，是連接器的防護(hù)部件。

該部件提供了里面膠芯和針腳的機(jī)械保護(hù)，以及在公、母座插合時(shí)對(duì)齊，保證USB接口能正常使用。

外殼一般為不銹鋼加工(加冷擠壓、壓鑄)，鋼殼體用作玻璃封焊及耐高溫連接器。

USB接口，可方便地在計(jì)算機(jī)上添加設(shè)備，而不需要占用計(jì)算機(jī)的并口和串口。只需插上電源即可使用，但有時(shí)也很難使用。

USB接口的特性。

1、針腳接觸面采用彈性設(shè)計(jì)，確保良好的觸點(diǎn)性能及長(zhǎng)壽命要求。

2、提供多種類(lèi)型的接口設(shè)計(jì)，如AType/BType/MiniUSB接口。

3、滿(mǎn)足多項(xiàng)焊接設(shè)備參數(shù)的耐高溫要求。

4、安裝形式可采用DIP/SMT/夾線(xiàn)型/焊接線(xiàn)類(lèi)型。