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     USB作为目前计算机的最广泛使用的外设接口，让我们变得越来越便利。

     USB的设计理念与传统的外设接口设计有很大区别，一般的外设接口设计仅仅规定通信过程的实现，很少涉及到通信内容本身。而USB协议则对通信内容的解析有很多规定，因此其协议内容比一般的协议都复杂，即使你理解TCP/IP协议，但是当面对USB协议时，也会感觉一头雾水。

     正因为USB实现目标是多种不同类型和速度设备的连接，因此其灵活性也导致了其复杂性，当我刚开始接触USB的时候，也感觉很多技术文档不知所云。根本就不知道USB是个什么概念。经过大量的资料阅读和测试，才大概了解了其基本原理，走了很多弯路，有过很多错误观念。

     1） 一般计算机的外设接口可以描述如下

                    主机系统<---->主机控制芯片 <------------------电缆--------------> 设备通信芯片 <------>设备处理器

                    程序负责写入数据到芯片缓冲区，然后发送控制命令给芯片，由芯片负责发送一个数据，当芯片接收到一个数据会产生中断信号通知程序处理收到的数据。

                   在主机端，实现与芯片交互的程序就是设备驱动或总线驱动程序，在设备端，一般用单片机程序控制通信芯片实现数据通信。

     2）在USB的外设通信原理中，依然没有什么新的技术，一样采用上述的硬件结构。

     3）但是，USB实现的是外设通用接口，无论外设的类型和速度怎样（当然速度是有限制的），都可以通过这个接口接入系统。在以前的接口中，如键盘、鼠标、硬盘均有特定的接口，也有特定的驱动程序来实现数据的交互。一个驱动对应一个接口（外设）。而USB则是一个接口对应的设备个数是不确定的，类型也是不确定的，因此其对应的驱动程序个数不定，驱动程序也不定，这就要求操作系统能动态的检测设备的类型，动态地加载驱动程序。

                                        主机系统

                                              |

                                        主机USB通信控制器

                                         USB 根集线器HUB 

                                     /             |                 \

                              设备1       设备2          集线器HUB1

                很多设备可以连接到同一个集线器上，这就类似以太网的集线器。我们在电脑上看到很多USB接口，它们可能连接到同一个USB主控制芯片。       

                因为多个设备连接到同一个接口，  设备通信就可能发生冲突，因此必须有一套机制保证数据传输的协调。                         

     4）与以太网的对等通信机制不同，USB是用来连接计算机的外部设备的，因此其通信过程存在主从关系。

            设备永远只能是准备数据，不能主动发送数据到主机。

            主机驱动程序会轮流读取各个设备的状态，从状态中判断各个设备是否有数据要传给主机。

     5）一个外部设备在主机系统中均有一个对应的驱动程序。而设备驱动程序是调用更加底层的USB总线驱动程序与外设通信的。

          用户程序向设备写入一个数据的过程（如一个1024字节的数据包）：

           <1>  数据首先被转发给设备驱动程序，其实就是通过很多次的调用，最终会调用到设备驱动程序中的发送数据的函数。

           <2> 设备驱动程序是负责与一个具体的设备（如鼠标、U盘）通信的业务逻辑处理的。

                  设备驱动程序要发送一个数据给设备，首先把一个大的数据按照USB容许的最大数据包长度进行分解，然后每次发送一个数据包给设备。

                  例如设备的端点一次最大容许接收512字节，那么就被分解成两个数据包。

                  设备驱动程序每次调用USB主控制器驱动程序发送一个数据包。

           <3> USB主控制器驱动是负责管理连接到本控制器的所有设备，并协调其通信过程的。USB主控驱动程序把数据包发送给实际的设备，数据包中包含了设备编号。

                   主控制器驱动程序发送一个数据包给设备的时候，是占用一个事务周期的，就是发送数据的过程中是不能去做其他事情的。

                   发送一个数据包占用一个总线时间片，在这个时间片里，总线全力处理这个事务（发送数据包）。

           <4> 主控制器驱动程序发送一个512字节数据包给设备的过程，又被分解成三个阶段：

                  首先是主机发送一个命令（令牌包）给设备，告诉设备主机准备发送数据了。

                  紧接着主机发送512字节数据包给设备。

                  设备如果正常接收到，就返回一个信号（握手包）告诉主机。主机收到这个信号后就可以做其他事情了。

                   上面的三个阶段是连续的，中间不能穿插其他的总线通信操作。

         驱动程序从设备读一个数据的过程：

           <1> 首先向设备发送一个命令包，命令包格式必须遵从USB协议规定。

           <2> 设备收到命令数据包后，从中解析出主机的命令意图，发现是要求本设备上传数据。设备向芯片写入数据，并写入发送命令，数据从设备传输到主机。

           <3> 主机收到数据后，向设备输出一个应答包，告诉设备数据是否成功接收。

          主机要从设备获得某些特定的数据，获得U盘的一个扇区数据：

            <1>主机首先要告诉设备准备好哪个扇区的数据到设备的USB芯片中，USB设备从U盘的存储区找到扇区并把数据拷贝到USB芯片中是需要时间的。

                  第一个事务过程，向设备输出读扇区数据的命令。

                  a. 向设备输出一个令牌包，告诉设备准备接收数据。

                  b. 向设备输出一个数据包，数据内容为扇区号和读扇区命令。

                  c. 设备收到数据后，回答一个握手包（ACK）给主机。

             <2>主机在完成第一个事务后，就可以做其他事情了。在做其他事情时，偶尔检查下设备是否准备好数据（向设备发一个IN包，设备如果回答NAK表示没准备好）。

             <3> 设备准备好数据后，就可以进入第二个事务。             

                   a. 向设备输出一个IN令牌包，告诉设备准备传输数据。

                   b. 设备输一个数据包，数据内容为扇区数据。

                   c. 主机收到数据后，回答一个握手包（ACK）给设备。

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