USB接口概述（三）

USB 接口

首先看一看 USB 的接口，當(dāng)你看到這些接口時(shí)，你應(yīng)該知道，哦，那是 USB 接口。

不然學(xué)完了 USB，USB 接口都不認(rèn)識(shí)那就很尷尬了。

看到這些接口是不是很熟悉？

常用的接口有 Type A 接口，這個(gè)接口一般直接插在電腦上的，Type B 接口比較少見，目前比較常見的是 Mini-B、Micro-B 接口，前者在 MP3 之類的設(shè)備中比較常見，當(dāng)然在我們工程師中的調(diào)試器中也經(jīng)常使用，后者多用于手機(jī)等設(shè)備，不過目前大部分手機(jī)接口用 Type-C 接口代替了：

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

這種接口可以正反插，并且能提供比其它接口更大的電流，速度更快，所以今天可以看到越來越多的設(shè)備開始支持 Type-C 了。

我們可以看看這些接口內(nèi)部的引腳分布情況（不包含 Type-C 接口，這個(gè)接口引腳很多）：

第四引腳在某些接口中可能沒有，其他引腳都是存在的。

Vbus 和 GND 兩個(gè)硬件用于供電，提供恒定的 4.4 ~5.25 V 電源（當(dāng) USB 為設(shè)備提供 5.25 V 電源時(shí)，數(shù)據(jù)線工作在 3.3 V），當(dāng)設(shè)備使用總線供電時(shí)，將由這兩根引腳提供所需電源，當(dāng)然總線提供的電流比較有限，所以如果說總線不足以提供足夠的電源，那么就需要使用外部供電。

D-、D+兩個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)傳輸，類似串口的 Tx、Rx 數(shù)據(jù)線，不同的是，USB 采用差分方式傳輸，使用雙絞線，并且在線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼遠(yuǎn)比串口的復(fù)雜，這個(gè)將在下節(jié)介紹。

這里需要注意一下線的顏色，一般的廠家生產(chǎn) USB 數(shù)據(jù)線時(shí)會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)，但是有些廠家卻不一定，紅色不一定是電源，黑色不一定就是地，使用的時(shí)候需要注意確認(rèn)。

標(biāo)準(zhǔn)的 USB 數(shù)據(jù)線外部一般會(huì)有屏蔽線包裹，防止外部干擾，但是有些廠家偷工減料，可能并沒有屏蔽線，甚至連 D-、D+數(shù)據(jù)線都沒有，只提供電源線。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，外層白色包裹為屏蔽線）

因?yàn)椴捎貌罘謧鬏?，并且只有兩個(gè)引腳，所以總線為半雙工傳輸，即同一時(shí)刻只能發(fā)送或接收。同時(shí) USB 采用一主多從模式，即 USB 網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主機(jī)，其他都是從機(jī)，也就是設(shè)備。

USB 歷史版本

USB 經(jīng)過多年的發(fā)展，經(jīng)歷了多個(gè)版本，初始版本 1.0，于 1996 年完成，支持低速（LS）模式（1.5Mb/s）和全速（FS）模式（12Mb/s）。

USB1.1 規(guī)范于 1998 年面世，改進(jìn)了 1.0，但速度上沒有改變。

USB2.0 在 2000 年問世，增加了新的速度模式，即高速（HS）模式，最高支持 480 Mb/s。

USB3.0 在 2008 年發(fā)布，傳輸速率 5Gb/s。

這些版本保持向后兼容的特性，即 USB3.0 的主機(jī)接口可以接入 USB 1.0、2.0 的設(shè)備，但是受到設(shè)備本身的速度影響，所以最終的速度由低版本速度決定。

通過數(shù)據(jù)（D+或 D-）線上的上拉電阻的位置，主機(jī)可以識(shí)別低速設(shè)備和全速設(shè)備，而高速設(shè)備會(huì)在之后移除上拉電阻。

在 STM32F103 中，支持 USB 2.0 接口 ，但是只支持全速模式下的 2.0，即最大速度只有 12 Mb/s，換算到字節(jié)的話，只有 1.5 MB/s，除去 USB 本身的協(xié)議開銷的話（類似串口中的起始位、結(jié)束位開銷，但 USB 比這個(gè)復(fù)雜的多），最大有效數(shù)據(jù)帶寬差不多在 1.2 MB/s（我們接下來要學(xué)習(xí)的就是全速模式）。

所以不要認(rèn)為 USB2.0 的接口一定支持高速模式。

在 STM32F4 中，USB 開始支持高速模式，并且支持 OTG，這個(gè)模式使得 USB 設(shè)備既可以當(dāng)做主機(jī)也可以當(dāng)設(shè)備使用。

現(xiàn)在的手機(jī)一般都支持 OTG，即通過一根轉(zhuǎn)接線，即可將 U 盤之類的設(shè)備插入手機(jī)中使用，所以當(dāng)你的手機(jī)觸摸屏壞了，別著急，插上無線鼠

標(biāo)鍵盤套餐，照樣玩手機(jī)。

當(dāng)然這只是應(yīng)急使用，真正來說，沒誰會(huì)隨身帶著鼠標(biāo)鍵盤的。

HUB 與 USB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

除了常見的設(shè)備外，在 USB 網(wǎng)絡(luò)中，還有一種特殊的設(shè)備，即 HUB（集線器），這種設(shè)備只有一個(gè)作用，就是將一個(gè) USB 接口分成多個(gè) USB 接口（最多 7 個(gè)）使用，這樣即使你的電腦只有一個(gè) USB 接口，通過 HUB，你也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的連接。

HUB 對(duì)于用戶而言是透明的（即用戶在使用時(shí)不用特別去操作它），而為了實(shí)現(xiàn)這種透明，HUB 所做的工作要比上述復(fù)雜的多，具體可以找相關(guān)資料，魚鷹有時(shí)間也會(huì)研究一下這種特殊的設(shè)備。

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上圖是 USB 連接圖，可以看到，通過 HUB，一個(gè) USB 網(wǎng)絡(luò)中可以連接非常多的設(shè)備（最多 127 個(gè)，由 USB 設(shè)備 7 位地址決定），并且由于集線器的時(shí)間和電纜傳播的延遲，最多只能連接五個(gè) HUB，在層次上表現(xiàn)為上圖的 7 層（在全速和高速設(shè)備中，最大線纜長(zhǎng)度為 5 m，低速設(shè)備限制為 3 m）。

USB 網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備（包括 HUB）都有一個(gè)地址，范圍 0~127，地址 0 是所有設(shè)備在接入 USB 網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用的默認(rèn)地址，當(dāng)設(shè)備完成枚舉后，即可擁有新的 USB 設(shè)備地址，之后所有的通信都將采用新地址通信。也就是說， USB 設(shè)備的地址是動(dòng)態(tài)的，類似網(wǎng)絡(luò)的 IP 地址。

USB 層次結(jié)構(gòu)

下面再來看看 USB 層次結(jié)構(gòu)：

在開發(fā)時(shí)，由于我們主要是軟件開發(fā)，所以主要的關(guān)注對(duì)象是上面兩層，而底層的實(shí)現(xiàn)一般來說都是由硬件自動(dòng)完成的，比如 STM32 就幫我們實(shí)現(xiàn)了這一層，我們只需要獲取底層的數(shù)據(jù)然后進(jìn)行相應(yīng)的處理即可。

但是為了更好、更全面的理解 USB，這一層的內(nèi)容魚鷹也會(huì)在下一節(jié)進(jìn)行介紹。