USB接口是如何進行通信的?

我們已經知道，傳統的串行口、并行口通過握手信號進行通信，這些接口通常通過握手信號來聯絡主機和外設。我們也已經知道，通信雙方可以同步或異步兩種方式進行通信，兩者最大的區別是，同步通信接口中有時鐘信號線。

USB接口應用很廣。可是，USB接口中既沒有握手信號，也沒有時鐘信號，它是怎樣在主機與外設之間建立聯系的呢?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系統是一個星形結構。USB系統包含三類硬件設備： USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)和USB集線器(USB HUB)。USB總線上的物理連接是一個分層的星形拓撲，處于每個星形拓撲中央的是HUB集線器，在主機與HUB之間，HUB與HUB之間，HUB與設備之間都是點對點的連接。

圖1 USB拓撲結構

USB HOST對USB系統進行管理、每毫秒產生一幀數據、發送配置請求對USB設備進行配置、管理和恢復總線上的錯誤。 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總線上的所有數據包，通過數據包的地址域來判斷是不是發給自己的數據包：若地址不符，則簡單地丟棄該數據包;若地址相符，則通過響應USB HOST的數據包與USB HOST進行數據傳輸。

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

USB 的軟握手機制是透過三個層次的驅動程序實現的，在這中間起到關鍵作用的是設備驅動程序，該程序在主機與設備之間建立起至少一個管道。管道有兩種類型：流管道和消息管道。其中有一個最重要的消息管道是“缺省控制管道”，這個管道在設備一加電的時候就存在了，它提供設備的配置和狀態等信息。主機與設備之間的聯絡就是通過消息管道實現的。

圖2 USB軟件結構

協議棧驅動程序的主要作用是將設備與相應的設備驅動程序連接起來。因為USB支持的設備很多，而每個具體的設備都有自己對應的設備驅動程序。對于某一具體設備來說，使用哪個驅動來管理，就要由協議棧驅動程序通過讀取設備描述符進行挑選。選擇好驅動程序之后，協議棧驅動程序還要給USB設備分配地址。

管道建立起來之后，數據的傳輸控制則由USB接口驅動程序負責完成了。在這里，主機占有絕對主導權，設備只能是“聽命令行事”。設備發生事件時通過消息管道報告給主機，主機伺機向設備發送命令，開通流管道，發送或接收數據包。主機與設備之間以數據數據包的形式進行傳送，顯然這與網絡上數據傳輸的方式相同，是一種異步數據傳輸模式。