USB是Universal Serial Bus的缩写，中文译为通用串行总线。

所以，从字面意思上，善于思考的人，就问有疑问：

那么与此USB相比，其他还有哪些非串行的总线，以及和此通用的串行总线来说，其他还有哪些相对“不通用”的串行总线呢？

对此，借用《USB Complete》里面所总结的，关于USB和其他接口的区别，来解释一下：

从上述表格中，表面上看，好像也没看出USB相对其他接口，有多么特别明显的优点，而只是看到在某些参数上，比其他某些接口参数更高，而在别的某些参数上，比其他接口低。

关于细节的区别，不是此讨论的重点，此处，我们至少可以看出，除了USB接口外，目前已存在的接口，还是很多的，而且各种接口实际上从硬件上也是形状各异，互相也都有自己的应用领域，而且无法兼容。基于此背景，才有下面的解释，以说明，为何会出现这么个USB接口。

此处，简单的说，USB就是一种接口，一种总线。

上面已经提到了，在USB出现之前，其实计算机领域中，已经存在众多的接口，而且不同的应用领域，已有一些相对来说是广泛使用的各种接口了。

但是，对于计算机等使用的普通用户来说，由于接口太多，而容易被搞得晕头转向。再加上各个接口从硬件形状和软件配置也都不一样，导致不兼容，为了不同的应用，而要配置多种不同的硬件接口，设置对于有些硬件接口来说，还需要手动去配置一些更细节的参数。

关于USB出现之前，计算机领域中的接口太多太繁杂，可以用下面这张，关于PC机箱背后的接口的图片来说明：

所以，总的来说，在USB出现之前，各种接口太多，而且都不太容易使用，互相之间的兼容性也较差，因此，才出现了USB。

而万能的USB接口出现的话，整个PC机箱背后的接口，就不那么繁杂，显得清静多了：

USB出现的最初的目的，根据USB规范中的解释，是为了：

总的来说，USB的出现，是希望通过此单个的USB接口，同时支持多种不同的应用，而且用户用起来也很方便，直接插上就能用了，也方便不同的设备的之间的互联。

说白了，就相当于在之前众多的接口之上，设计出一个USB这么个万能的接口，以后各种外设，都可以用这一种接口即可。

这估计也是USB的名称中的Universal通用的这一个词的来历吧。

USB设备，从物理上的逻辑结构来说，包含了主机Host端和设备Device端。

其中，主机Host端，有对应的硬件的USB的主机控制器Host Controller，而设备端，连接的是对应的USB设备。

如果某个USB设备正常工作，除了对应的硬件之外，还需要对应的软件支持。

USB协议，由于涉及内容太多，所以在此一个文档中解释清楚，是不现实的。

此处能做的和要做的，就是对于USB协议简明地介绍一下关于USB本身协议部分的内容。

当前最新的USB协议，已经发展到USB 3.0了。但是主流的USB设备和技术，还是以USB 2.0居多。所以此文，主要是以USB 2.0为基础来解释USB协议的基础知识，当然，会在相关内容涉及到USB 3.0的时候，也把USB 3.0的相关内容添加进来。

关于USB 2.0和USB 3.0等USB的协议规范，可以去官网下载：

http://www.usb.org/developers/docs/

其实，说实话，不论是谁，如果开始看USB协议的时候，发现单独对于USB 2.0规范本身这一个文档来说，竟然都有650页，而如果再加上，新的USB 3.0规范的482页，和其他一些辅助的USB相关的规范定义等文档，即使你是英语为母语的人，如果要看完这么多页的协议规范，估计也会吐的，更别说我们中国人了。

所以，此处，就来简单以USB 2.0规范为例，分析一下，具体其都主要包含哪些内容，然后你会发现，其实和USB协议本身相关的内容，相对则不会那么多，大概只有97页左右的内容，是我们所要关心的。

下面就来分析看看，USB 2.0的规范中，具体都包含了哪些内容：

所以，由上述总结，我们可以看出：

对于只是为USB外设开发驱动的开发者的话，那么有关的章节只有：

如果是对于USB外设的电子设计研发人员，有关系的章节有：

这么一来，如果是打算做USB设备驱动开发的话，其实我们要看的，只是USB 2.0规范中的一部分，大概有10+60+36+23=129页，所以，相对来说，还算能够接受，至少比要看那600页，要少了很多。

当然，这其中的内容，也还是不少。

而下面这些内容，就是将其中最基本的内容，精简出来，以方便想要快速了解USB基础知识的人，尽快地，更加清晰地，了解到USB的基础知识。

USB协议，也像其他协议一样，经历过很多个版本，但是正式发布出来的，主要有4个。

其中，从开始的USB 1.1，发展到后来的USB 2.0，以及最新的协议版本是USB 3.0.

不过这三个版本都是针对的是有线的（corded）设备来说的，在USB 2.0和USB 3.0之间，发布过一个是针对无线设备的USB协议，叫做USB Wireless，也被称为USB 2.5。

其中，USB 1.1中所支持的速度是低速（Low Speed）的1.5Mbits/s，全速（Full Speed）的12Mbits/s，而USB 2.0提高了速度至高速（High Speed）的480Mbits/s，而最新的USB 3.0，支持超高速（Super Speed）的5Gbits/s。

下面简要总结一下，各个USB协议版本的演化历史：

USB是Host端控制整个的总线数据传输的。单个USB总线上，只能有一个Host。USB协议本身，是不支持多个Host端的。

不过，相对有点特殊的是，USB为了支持多个设备互相，而不需要另外接Host，比如一个数码相机和一个打印机，希望把打印机和数码相机直接相连接，然后就可以实现通过USB，把数据从数码相机传送到打印机中，打印机就可以打印了。

此处，OTG引入了一个新的概念，HNP（Host Negotiation Protocol），主机协商协议，允许两个设备之间互相协商谁去当Host。不过，即使在OTG中，也只是同一时刻，只存在单个的Host，而不允许存在多个Host的。

USB中的Host端，负责所有底层的数据传输的控制以及数据带宽的安排调度。

底层数据的发送，是使用一种基于令牌环的协议，通过不同类型的传输方法而实现的。

USB的设备连接方式，即拓扑方式，是星形的，所以，在需要连接多个设备的时候，常需要用到对应的Hub。这种星形拓扑的好处是，对于每一个设备的供电情况，都可以控制，也可以同时支持多个不同类型的设备。而万一某设备电流过高了，也不会影响到其他设备。

同一USB总线中，最多可连接127个设备。当然，实际中你所看到的，往往都比较少，至少普通用户用到的，也就是几个的数量级。常见的是一个USB Host，提供，2,3个或者4,5个接口。而USB Host的内部实现，也有最开始的只有1个USB主控Host Controller，变得有些内部包含2个甚至更多个USB主控，以提高所接的USB设备的带宽，即速率，因为单个USB主控所接多个USB设备的话，那么多个设备是共享此USB主控的带宽的。

之前已经介绍过了USB的引脚定义了，但是对于其中的USB 2.0的两根数据线D+和D-所对应的数据传输，却没有详细介绍。此处就是介绍，在此串行数据线中，数据是如何被编码和传送的。

USB所传输的数据，用的数据编码方式是NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted），其具体的含义解释，个人觉得某人解释的很清楚，所以在此转载其对应的这篇文章：

USB 的 NRZI 编码

这两天继续看 USB 相关的内容，准备用纯软件实现一下 USB 设备传输，为将来的项目打好基础。

首先碰到的就是这个 NRZI 编码的问题了，基础太薄弱，看了一上午总算明白了大概。

首先，USB 的数据是串行发送的，就像 UART、I2C、SPI 等等，连续的01 信号只通过一根数据线发送给接受者。

但是因为发送者和接收者运行的频率不一样，信号的同步就是个问题，比如，接受者接收到了一个持续一段时间的低电平，无法得知这究竟是代表了5个0 还是1000个0。

一个解决办法，就是在传输数据信号的同时，附加一个时钟信号，用来同步两端的传输，接受者在时钟信号的辅助下对数据信号采样，就可以正确解析出发送的数据了，比如 I2C 就是这样做的，SDA 来传输数据，SCL 来传输同步时钟：

虽然这样解决了问题，但是却需要附加一根时钟信号线来传输时钟。有没有不需要附加的时钟信号，也能保持两端的同步呢？

有的，这就是 RZ 编码（Return-to-zero Code），也叫做归零编码。

在 RZ 编码中，正电平代表逻辑 1，负电平代表逻辑 0，并且，每传输完一位数据，信号返回到零电平，也就是说，信号线上会出现 3 种电平：正电平、负电平、零电平：

从图上就可以看出来，因为每位传输之后都要归零，所以接收者只要在信号归零后采样即可，这样就不在需要单独的时钟信号。实际上， RZ 编码就是相当于把时钟信号用归零编码在了数据之内。这样的信号也叫做自同步（self-clocking）信号。

这样虽然省了时钟数据线，但是还是有缺点的，因为在 RZ 编码中，大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

那么，我们去掉这个归零步骤，NRZ 编码（Non-return-to-zero Code）就出现了，和 RZ 的区别就是 NRZ 是不需要归零的：

这样，浪费的带宽又回来了，不过又丧失宝贵的自同步特性了，貌似我们又回到了原点，其实这个问题也是可以解决的，不过待会儿再讲，先看看什么是 NRZI：

NRZI 编码（Non-Return-to-Zero Inverted Code）和 NRZ 的区别就是 NRZI 用信号的翻转代表一个逻辑，信号保持不变代表另外一个逻辑。

USB 传输的编码就是 NRZI 格式，在 USB 中，电平翻转代表逻辑 0，电平不变代表逻辑1：

翻转的信号本身可以作为一种通知机制，而且可以看到，即使把 NRZI 的波形完全翻转，所代表的数据序列还是一样的，对于像 USB 这种通过差分线来传输的信号尤其方便~

现在再回到那个同步问题：

的确，NRZ 和 NRZI 都没有自同步特性，但是可以用一些特殊的技巧解决。

比如，先发送一个同步头，内容是 0101010 的方波，让接受者通过这个同步头计算出发送者的频率，然后再用这个频率来采样之后的数据信号，就可以了。

在 USB 中，每个 USB 数据包，最开始都有个同步域（SYNC），这个域固定为 0000 0001，这个域通过 NRZI 编码之后，就是一串方波（复习下前面：NRZI 遇 0 翻转遇 1

此外，因为在 USB 的 NRZI 编码下，逻辑 0 会造成电平翻转，所以接收者在接收数据的同时，根据接收到的翻转信号不断调整同步频率，保证数据传输正确。

但是，这样还是会有一个问题，就是虽然接收者可以主动和发送者的频率匹配，但是两者之间总会有误差。

假如数据信号是 1000个逻辑1，经过 USB 的 NRZI 编码之后，就是很长一段没有变化的电平，在这种情况下，即使接受者的频率和发送者相差千分之一，就会造成把数据采样成 1001个或者 999个了。

关于USB的Class，对于学习USB协议的人，估计早就听到过此名词了。

而对于USB的Class的分类，此处先列出那个最基本的分类表：

再回到上述的表 4.1 “USB Class表”，其中的“Descriptor Usage”中的Interface，Device等，对应的是来自表 4.2 “USB Descriptor Type”

而关于什么是Device，什么是Interface等内容，暂时先简述他们之间的关系：

Device ⇒ Configuration ⇒ Interface ⇒ Endpoint

更新详细内容，待以后有空再深入解释。

对于USB的框架，暂时先贴出一些相关图片，细节的解释，有空再写。

关于USB的枚举，是学习USB协议所面临的第一个最基础也是最重要的内容。

此处记录之前学习USB OHCI过程中所记录的一些心得：