第 2 章 USB相关的基础知识

摘要

在介绍USB协议的细节知识之前，有很多相关的软硬件的基础知识，需要了解一下。

TODO：

http://www.silabs.com/Support%20Documents/Software/USB_Overview.pdf去学习USB的基础知识后整理过来。

2.1. USB相关的硬件

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。

2.1.1. USB控制器类型：OHCI，UHCI，EHCI，xHCI

由于历史原因，导致USB的主机控制器，出现了多种不同的类型，即OHCI和UHCI，EHCI，和xHCI。

不论是那种USB主机控制器，简称主控，都是符合对应的USB的规范的，都是实现了对应的USB规范中所规定的USB主控所要的那些事情的。只不过是不同的USB主控的类型，有着不同的特点。

下面对这些不同类型的USB主控制器，进行简要的解释。

2.1.1.1. OHCI和UHCI

OHCI，Open Host Controller Interface，创立者是Compaq，Microsoft和National Semiconductor。

UHCI，Universal Host Controller Interface，创立者是Intel。

两者之间的相同点是：

不论是OHCI还是UHCI都是对应于USB 1.1的标准的，都是完全符合USB协议标准的。

区别在于：

只是各自的实现方式有些略微不同而已。当然对应的具体的性能，也略有差别，具体的差异，，和实际的应用有关系。

但是本身OHCI和UHCI的区别在于：

虽然都是实现了USB1.1协议规范，但是在功能划分上，OHCI更多地把要做的事情，用硬件来实现，因此，实现OHCI的USB控制器的软件驱动的开发工作，相对要容易些，软件要做的事情，相对较少。

对应地，OHCI更多地应用在扩展卡，尤其是嵌入式领域中，常见的很多开发板中的USB的控制器，很多都是OHCI的。

而UHCI把更多的功能，留给了软件，相对来说，软件做的事情，即负担要重些。但是实现对应的UHCI的硬件的USB控制器，价格上，就相对便宜些。

对应地，UHCI更多地应用在PC机中的主板上的USB控制器。

2.1.1.1.1. 为何Intel设计的UHCI把更多的任务都留给软件实现？

对于两者的区别和实际的应用，自己分析，不难发现，其是有着内在的逻辑关系的。

因此，作为UHCI的创立者Intel，创立了UHCI，把更多的USB需要做的事情，留给了软件，这样就可以实现出相对教便宜的USB的主控制器了，可以用于PC端的CPU所对应的主板上，便宜的USB主控，当然相对市场来说，更容易多卖出去一点，有利于市场推广。

PC主板卖出的多了，自然对应的Intel的CPU，也会多卖点，Intel自然可以赚更多的钱了。

2.1.1.1.2. 为何嵌入式系统中的USB主控多用OHCI，而非UHCI？

而对应的Compaq，Microsoft和National Semiconductor所创立的OHCI，由于把更多的USB要做的事情，都用硬件实现了，这样对应的软件驱动所要做的事情，就少了，这样就有利于实现对应的OHCI的USB主控的驱动了，这点对于嵌入式系统来说，尤其重要，因为本身嵌入式系统就是资源有限，所以要尽量少的利用其他资源，比如CPU资源，去实现特点的功能，所以，倾向于采用对软件资源要求少的OHCI，而不是UHCI，否则用了UHCI的USB主控的话，需要实现对应的驱动，软件要做的事情太多，不利于在嵌入式系统这有限的资源环境下实现。

2.1.1.1.3. OHCI和UHCI技术细节上的区别

关于OHCI和UCHI在技术细节方面，更加详细的区别主要有这些：

单帧内的stage的个数
对于控制传输来说：
- OHCI：在单个帧内，可以调度多个stage；
- UHCI：在单个帧内，只调度一个stage。
单帧内的transaction的个数
对于最大数据包大小小于64字节的Bulk端点来说：
- OHCI：单个帧内，可能会有多个transaction。
- UHCI：单个帧内，不超过一个transaction；
轮询的频率
- OHCI：，即使端点描述符中，已经指定了最大延迟是255ms，但是OHCI主控还是会，至少每32ms就去轮询一次中断端点
- UHCI：UHCI主控可以支持，但是不是必须要支持，更低频率地轮询

2.1.1.2. EHCI

EHCI，Enhanced Host Controller Interface。

简单说就是，EHCI定义了USB 2.0的主机控制器的规范，定义了USB 2.0的主控，需要包括哪些硬件实现，需要实现哪些功能，其也对应着对应的系统软件，所面对的是哪些接口。

EHCI对USB主控的定义，详细到了寄存器的级别了，即定义了你USB主控，都要实现哪些对应的功能和对应的寄存器有哪些，分别是何种功能等。然后对应的软件驱动人员，去写USB主控的驱动的时候，也就清楚有哪些可以利用的系统资源，如何去使用这些资源，读取，设置对应的寄存器，实现对应的功能了。

对应的EHCI规范，可以去Intel的官网找到：

EHCI Specification

2.1.1.3. xHCI

xHCI，Extensible Host Controller Interface

同EHCI是针对USB 2.0类似，xHCI是针对的USB 3.0规范。也是定义了USB 3.0主控需要如何实现，需要包含哪些功能，也是提供了寄存器级别的定义。

对应的xHCI规范，可以去Intel的官网找到：

Extensible Host Controller Interface (xHCI) Specification for USB 3.0

2.1.1.4. OHCI，UHCI，EHCI，xHCI的区别和联系

针对上述的解释，对USB的不同类型的主机控制器，简要概括如下：

表 2.1. 不同USB控制器类型OHCI，UHCI，EHCI，xHCI的区别和联系

USB主机控制器类型	共同点	区别
USB主机控制器类型	共同点	对应的USB的协议和支持的速率	创立者	功能划分	常用于
OHCI	都实现了对应的USB的规范中所要求的功能	USB 1.1=Low Speed和Full Speed	Compaq，Microsoft和National Semiconductor	硬件功能 > 软件功能⇒硬件做的事情更多，所以实现对应的软件驱动的任务，就相对较简单	扩展卡，嵌入式开发板的USB主控
UHCI		USB 1.1=Low Speed和Full Speed	Intel	软件功能 > 硬件功能⇒软件的任务重，可以使用较便宜的硬件的USB控制器	PC端的主板上的USB主控
EHCI		USB 2.0=High Speed	Intel	定义了USB 2.0主控中所要实现何种功能，以及如何实现	各种USB 2.0主控
xHCI		USB 3.0=Super Speed	Intel	定义了USB 3.0主控中所要实现何种功能，以及如何实现	各种USB 3.0主控

2.1.2. USB接口的引脚定义

USB接口的物理上的对应的引脚和对应含义等，可用下表概括：

表 2.2. USB 1.x/2.0的引脚定义

引脚	名称	电缆颜色	描述
1	VBUS	Red	+5 V，电源
2	D−	White	Data −，数据线
3	D+	Green	Data +，数据线
4	GND	Black	Ground，接地

表 2.3. USB 3.0的引脚定义

Pin	Color	Signal name('A' connector)	Signal name('B' connector)
1	Red	VBUS
2	White	D−
3	Green	D+
4	Black	GND
5	Blue	StdA_SSRX−	StdA_SSTX−
6	Yellow	StdA_SSRX+	StdA_SSTX+
7	Shield	GND_DRAIN
8	Purple	StdA_SSTX−	StdA_SSRX−
9	Orange	StdA_SSTX+	StdA_SSRX+
Shell	Shell	Shield