1、什么是USB
USB是Universal Serial Bus的缩写，翻译为中文就是通用串行总线。在USB出现之前，计算机领域已经存在很多的接口，这些接口互相都有自己的应用领域，并且之间互不兼容，用户为了使用不同的应用，需要配置不同的硬件接口。USB的出现就是为了解决这些问题，通过单个的USB接口，同时支持不同的应用，方便不同设备的互联。说白了，USB就相当于在众多接口之上，设计出一个万能的USB接口，以后各种外设都可以使用这种接口。
2、USB相关的硬件
2.1 USB主机控制器
USB设备，从物理上的结构来看，包含了主机Host端和设备Device端。其中，主机端有对应的USB的主机控制器Host Controller，而设备端，对应的是USB设备。例如，我们日常使用的台式电脑的机箱上的USB接口就属于主机控制器一种，用以存储资料的U盘属于USB设备一种。
由于历史原因，USB的主机控制器有多种不同的类型，分为OHCI和UHCI、EHCI和XHCI。尽管不同的USB主控类型有着不同的特点，但他们都符合对应的USB规范，都实现了USB规范中所规定的USB主控所要实现的内容。不同类型USB控制器之间简要概括可以如下表所示：
| USB主机控制器类型 | 共同点 | 区别 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 对应的USB的协议和支持的速率 | 创立者 | 功能划分 | 常用于 | ||
| OHCI | 都实现了对应的USB的规范中所要求的功能 | USB 1.1=Low Speed和Full Speed | Compaq，Microsoft和National Semiconductor | 硬件功能 > 软件功能⇒硬件做的事情更多，所以实现对应的软件驱动的任务，就相对较简单 | 扩展卡，嵌入式开发板的USB主控 |
| UHCI | Intel | 软件功能 > 硬件功能⇒软件的任务重，可以使用较便宜的硬件的USB控制器 | PC端的主板上的USB主控 | ||
| EHCI | USB 2.0=High Speed | Intel | 定义了USB 2.0主控中所要实现何种功能，以及如何实现 | 各种USB 2.0主控 | |
| xHCI | USB 3.0=Super Speed | Intel | 定义了USB 3.0主控中所要实现何种功能，以及如何实现 | 各种USB 3.0主控 | |
2.2 USB接口的引脚定义
USB 1.x/2.x共有4个引脚，分别为VBUS、D-、D+、GND
- VBUS：+5V电源引脚
- D-：data-，数据线，与D+构成差分信号
- D+：data+，数据线，与D-构成差分信号
- GND：Ground，地线
在USB主机端的每个端口的D+和D-上，分别接了一个15K欧姆的下拉电阻到地。这样，在USB主机端的端口悬空时，就被这两个下拉电阻拉到了低电平。而在USB设备端，在D+或者D-上接了1.5K欧姆上拉电阻。对于全速和高速设备，上拉电阻是接在D+上，而低速设备则是上拉电阻接在D-上，连接方式如下图所示：
这样，当设备插入到主机端的端口上时，由1.5K的上拉电阻和15K的下拉电阻分压，结果就将差分数据线中的一条拉高了。主机控制器检测到这个状态后，它就报告给USB主控制器，这样就检测到设备的插入了。USB高速设备先是被识别为全速设备，然后通过HOST和DEVICE两者之间的确认，再切换到高速模式的。在高速模式下，是电流传输模式，这时将D+上的上拉电阻断开。
2.3 USB的连接端口类型
USB的连接端口类型，即指各种不同的插头插座。插座被称为母头，也就是主机端的用于等待设备连接的端口；插头即公头，设备用于连接主机端的接口。
由于USB的产生就是为了支持众多种应用的，而由于各种应用中，对于硬件接口的大小也有一些限制，比如有些小型设备或者移动式设备中，接口不能太大等，所以而设计出多种类型的接口，用于不同的应用。
USB的接口类型，根据接口形状不同，主要可以分为三大类：
- 普通的硬件直接叫做Type
- 然后有小型版本的叫Mini迷你的
- 和更加小的，叫做Micro微小的
3、USB的传输方式
USB共有4大传输方式，分别为控制传输、中断传输、批量传输、实时传输。
控制传输(control)
每一个USB设备必须支持的，通常用来获取设备描述符、设置设备的状态等。一个USB设备从插入到最后的拔出这个过程一定会产生控制传输，即便这个USB设备不能被这个系统支持。
中断传输(interrupt)
支持中断传输的典型设备有USB鼠标、 USB键盘等。中断传输并不是我的设备真正触发主机进入中断，然后主机会来读取数据，它其实是一种轮询的方式来完成数据的通信。USB设备会在设备驱动程序中设置一个参数叫做interval，它是endpoint的一个成员。 interval是间隔时间的意思，表示我这个设备希望主机多长时间来轮询自己，只要这个值确定了之后，我主机就会周期性的来查看有没有数据需要处理。
批量传输(bulk)
支持批量传输最典型的设备就是U盘，它进行大数量的数据传输，能够保证数据的准确性，但是时间不是固定的。
实时传输(isochronous)
USB摄像头就是实时传输设备的典型代表，它同样进行大数量的数据传输，数据的准确性无法保证，但是对传输延迟非常敏感，也就是说对实时性要求比较高 。
4、USB相关术语
4.1 Class
前面讲过，USB被设计的目的之一是为了实现用单一的USB接口取代之前种类繁多的各种其他接口。为了能取代之前的接口，意味着USB可以实现或支持之前的各种接口的各种功能，协议中对这些功能进行相关的定义。因此，就出现了各种USB Class，协议中定义的class如下表所示：
| Base Class | Descriptor Usage | Description |
|---|---|---|
| 00h | Device | Use class information in the Interface Descriptors |
| 01h | Interface | Audio |
| 02h | Both | Communications and CDC Control |
| 03h | Interface | HID (Human Interface Device) |
| 05h | Interface | Physical |
| 06h | Interface | Image |
| 07h | Interface | Printer |
| 08h | Interface | Mass Storage |
| 09h | Device | Hub |
| 0Ah | Interface | CDC-Data |
| 0Bh | Interface | Smart Card |
| 0Dh | Interface | Content Security |
| 0Eh | Interface | Video |
| 0Fh | Interface | Personal Healthcare |
| DCh | Both | Diagnostic Device |
| E0h | Interface | Wireless Controller |
| EFh | Both | Miscellaneous |
| FEh | Interface | Application Specific |
| FFh | Both | Vendor Specific |
USB class是根据功能进行划分的，不同的class实现不同的功能，适用于相应的设备。如HID(Human Interface Device)，人体学输入设备，包含我们经常使用的鼠标和键盘；Mass Storage，包含我们日常使用的U盘等存储介质
4.2 枚举(Enumerate)
USB枚举，USB Emulation，从字面意思看，就是去列举USB，而列举是什么意思呢？其实就是USB的初始化
简单来说，USB的枚举，对应的就是USB的Host和Device之间的对话，即Host根据Device所报告上来的参数，得知USB的device是什么类型的，具有什么功能，然后初始化相关参数
接下来，就USB Device就可以正常工作了
所以，可以简单的理解为，USB枚举，就是USB设备的初始化（init）
4.3 端点（Endpoint）
端点是USB的传输对象，是USB设备通信的基本单位，所有通信几乎都是从端点发起的
比如我们说"读U盘"、"写U盘"，可以细化为：把数据写到U盘的端点1，从U盘的端点2里读出数据。
除了端点0外，每一个端点只支持一个方向的数据传输，端点0用于控制传输，既能输出也能输入
设备中端点的编号是任意的。枚举期间外设向主机报告其端点号和特征
4.4 接口（Interface）
接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是USB设备驱动程序控制的对象，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口。
每个Interface模拟一个设备功能，比如集成了键盘和鼠标的USB设备，里面就是两个interface，一个是键盘，另一个是鼠标。Interface之间通常是隔离的，互相不干扰。
4.5 集线器（Hub）
集线器扩展了USB主机所能连接设备的数量。主机控制器内置一个集线器，负责完成一些底层USB功能，如检测设备的插入或拔出。
集线器以全速或高速连接到上行端口(到PC)，以低速、全速或高速连接到下行端口(到外设)。PC的根集线器可为每个A型连接器提供5V、500mA。一个总线供电的外部集线器可为每端口提供100mA电流。由于USB为外部集线器电路分配100mA电流，因此，一个总线供电的集线器可以有四个下行端口。如果集线器有自己的电源(自供电)，每个下行端口可提供高达500mA电流。
