深入理解USB2.0通信協(xié)議——探秘USB傳輸機(jī)制

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）已成為連接計(jì)算機(jī)與各種外設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)。在眾多USB版本中，USB2.0憑借其高速、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于日常生活和工作中。本文將深入探討USB2.0通信協(xié)議，特別是其傳輸機(jī)制，幫助讀者更好地理解這一重要技術(shù)。

USB2.0的起源與發(fā)展

USB技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代中期，由COMPAQ、Hewlett-Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS等七家公司聯(lián)合制定。USB1.1版本首先推出，但隨著數(shù)據(jù)傳輸需求的增加，USB2.0應(yīng)運(yùn)而生。USB2.0規(guī)范于2000年發(fā)布，將數(shù)據(jù)傳輸速度提升至480Mbps（即60MB/s），比USB1.1快了約40倍。這一改進(jìn)極大地滿足了當(dāng)時(shí)市場對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?

USB2.0的通信架構(gòu)

USB2.0系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：USB互連、USB設(shè)備和USB主機(jī)。其中，USB互連指的是設(shè)備與主機(jī)之間的連接和通信方式；USB設(shè)備包括各種功能設(shè)備和集線器；而USB主機(jī)則是提供USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復(fù)合體。

USB采用輪詢的廣播機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即所有傳輸都由主機(jī)發(fā)起，任何時(shí)刻整個(gè)USB體系內(nèi)僅允許一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。這種機(jī)制確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行蛐院涂煽啃浴?

USB2.0的傳輸機(jī)制

USB2.0的傳輸過程可以分為三個(gè)主要階段：請求過程（令牌包）、數(shù)據(jù)過程（數(shù)據(jù)包）和狀態(tài)過程（握手包）。

請求過程（令牌包）：主機(jī)通過發(fā)送令牌包（Token）開始請求過程。令牌包中包含了事務(wù)類型、設(shè)備地址和端點(diǎn)等信息，用于指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)和方向。

數(shù)據(jù)過程（數(shù)據(jù)包）：如果請求中聲明有數(shù)據(jù)要傳輸，則進(jìn)入數(shù)據(jù)過程。數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚卧?，它包含了?shí)際的數(shù)據(jù)內(nèi)容。在USB2.0中，數(shù)據(jù)包可以是IN（從設(shè)備到主機(jī)）或OUT（從主機(jī)到設(shè)備）方向。

狀態(tài)過程（握手包）：數(shù)據(jù)接收方（有數(shù)據(jù)過程）或從機(jī)（無數(shù)據(jù)過程）通過發(fā)送握手包來結(jié)束本次通信。握手包用于確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒εc否，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

USB2.0的管道與端點(diǎn)

在USB2.0中，管道（Pipe）是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，它連接了主機(jī)與設(shè)備之間的邏輯連接。每個(gè)管道都關(guān)聯(lián)于設(shè)備中的一個(gè)端點(diǎn)（Endpoint），端點(diǎn)是數(shù)據(jù)流的源或終點(diǎn)。一個(gè)設(shè)備可以擁有多個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)只能支持一種傳輸類型（控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸或批量傳輸）。

控制傳輸主要用于設(shè)備的配置和狀態(tài)查詢；中斷傳輸適用于需要定期發(fā)送小量數(shù)據(jù)的場景，如鍵盤和鼠標(biāo)；同步傳輸則用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如音頻和視頻；批量傳輸則適用于傳輸大量數(shù)據(jù)且時(shí)間要求不嚴(yán)格的場景，如文件傳輸。

USB2.0的電氣與物理規(guī)范

USB2.0的物理接口采用差分信號(hào)傳輸方式，使用四條導(dǎo)線（兩條數(shù)據(jù)線、一條電源線和一條地線）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電。USB2.0支持三種數(shù)據(jù)速率：高速（480Mbps）、全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，USB2.0還規(guī)定了嚴(yán)格的電氣特性和機(jī)械特性。