USB接口是如何進(jìn)行通信的?

我們已經(jīng)知道，傳統的串行口、并行口通過(guò)握手信號進(jìn)行通信，這些接口通常通過(guò)握手信號來(lái)聯(lián)絡(luò )主機和外設。我們也已經(jīng)知道，通信雙方可以同步或異步兩種方式進(jìn)行通信，兩者最大的區別是，同步通信接口中有時(shí)鐘信號線(xiàn)。

USB接口應用很廣?？墒?，USB接口中既沒(méi)有握手信號，也沒(méi)有時(shí)鐘信號，它是怎樣在主機與外設之間建立聯(lián)系的呢?又是如何交換數據的呢?為了深入理解USB接口的通信過(guò)程，先介紹USB的硬件和軟件結構。

從物理結構上，USB系統是一個(gè)星形結構。USB系統包含三類(lèi)硬件設備： USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)和USB集線(xiàn)器(USB HUB)。USB總線(xiàn)上的物理連接是一個(gè)分層的星形拓撲，處于每個(gè)星形拓撲中央的是HUB集線(xiàn)器，在主機與HUB之間，HUB與HUB之間，HUB與設備之間都是點(diǎn)對點(diǎn)的連接。

圖1 USB拓撲結構

USB HOST對USB系統進(jìn)行管理、每毫秒產(chǎn)生一幀數據、發(fā)送配置請求對USB設備進(jìn)行配置、管理和恢復總線(xiàn)上的錯誤。 USB HUB用于設備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。USB DEVICE接收USB總線(xiàn)上的所有數據包，通過(guò)數據包的地址域來(lái)判斷是不是發(fā)給自己的數據包：若地址不符，則簡(jiǎn)單地丟棄該數據包;若地址相符，則通過(guò)響應USB HOST的數據包與USB HOST進(jìn)行數據傳輸。

從邏輯結構上看，每個(gè)USB邏輯設備都直接與USB HOST進(jìn)行數據傳輸。與傳統接口以硬件手段實(shí)現握手的方法不同，USB接口使用“軟握手”方法。

USB 的軟握手機制是透過(guò)三個(gè)層次的驅動(dòng)程序實(shí)現的，在這中間起到關(guān)鍵作用的是設備驅動(dòng)程序，該程序在主機與設備之間建立起至少一個(gè)管道。管道有兩種類(lèi)型：流管道和消息管道。其中有一個(gè)最重要的消息管道是“缺省控制管道”，這個(gè)管道在設備一加電的時(shí)候就存在了，它提供設備的配置和狀態(tài)等信息。主機與設備之間的聯(lián)絡(luò )就是通過(guò)消息管道實(shí)現的。

圖2 USB軟件結構

協(xié)議棧驅動(dòng)程序的主要作用是將設備與相應的設備驅動(dòng)程序連接起來(lái)。因為USB支持的設備很多，而每個(gè)具體的設備都有自己對應的設備驅動(dòng)程序。對于某一具體設備來(lái)說(shuō)，使用哪個(gè)驅動(dòng)來(lái)管理，就要由協(xié)議棧驅動(dòng)程序通過(guò)讀取設備描述符進(jìn)行挑選。選擇好驅動(dòng)程序之后，協(xié)議棧驅動(dòng)程序還要給USB設備分配地址。

管道建立起來(lái)之后，數據的傳輸控制則由USB接口驅動(dòng)程序負責完成了。在這里，主機占有絕對主導權，設備只能是“聽(tīng)命令行事”。設備發(fā)生事件時(shí)通過(guò)消息管道報告給主機，主機伺機向設備發(fā)送命令，開(kāi)通流管道，發(fā)送或接收數據包。主機與設備之間以數據數據包的形式進(jìn)行傳送，顯然這與網(wǎng)絡(luò )上數據傳輸的方式相同，是一種異步數據傳輸模式。