普通的消費者使用USB設備的時候是不需要了解USB本身到底是怎么回事的，實際上，這樣的人對USB到底是怎么回事都是處于無知的狀態(tài)。無知，同時又享受著USB帶來的便利，這種無知其實是很幸福的。

對于工程師來說，無知就常常意味著無能。你沒有辦法在無知的情況下進行思考，自然也沒有辦法開展相關的工作，要想把它變成安生立命的基礎，或是僅僅滿足求知的欲望，那就唯有從了解開始學習，使自己成為有知的狀態(tài)，然后在遇到問題的時候就有了很好的思考基礎，從而能夠展開思考并且確定自己應該采取的行動，這樣才有可能從中獲得正面的結果。

USB的規(guī)范既要滿足已有應用的需求，又要滿足不斷增加的帶寬要求，就從1.0版本發(fā)展到了3.0版本（雙向5Gbps），又在2013年進入了3.1時代，最終把它的速度提升到了雙向10Gbps的水平。

雙向同時進行的通訊是無法和USB 2.0以前的單一總線雙向輪流進行的通訊方法兼容的，所以，USB 3.0以后的最大的變化并不是速度提高了，而是變成了雙總線的結構：

為了持續(xù)兼容于過去的標準，很顯然，USB 2.0的總線將持續(xù)存在下去，我想這種狀況將持續(xù)到低速設備消亡以后才會發(fā)生改變。所以，首先認識USB 2.0的做法將具有比較長久的價值。我們今天關注的重點是USB 2.0以前版本的數(shù)據(jù)傳輸方法。

實際有效的數(shù)據(jù)傳輸大多是通過二進制的數(shù)據(jù)表達方式來進行的，由于二進制數(shù)據(jù)的每個位只有兩個狀態(tài)，其實現(xiàn)方法相對比較簡單。對于低速的數(shù)據(jù)傳輸來說，用高低不同的電壓信號就可以表達一個數(shù)據(jù)位的兩種狀態(tài)，其驅動電路和接收電路都非常簡單。但是，USB是用于不同設備之間的遠距離傳輸?shù)?，在這種情況下，用電壓傳遞信號變得很不可靠，所以，它采用了電流傳遞信號的方法。下圖是USB 2.0規(guī)范中提供的收發(fā)器接口電路示意圖：

一個典型的USB 2.0收發(fā)器就是由這樣的接口加上數(shù)據(jù)串并行轉換器、數(shù)據(jù)時鐘恢復電路以及一個ULPI（UTMI+ Low Pin Interface）接口和其它一些輔助電路構成的。

為了在USB總線上傳遞信息，驅動器的內部會有一個電流源（標稱值為17.78mA），它被一個高速開關輪流切換引導至D+或D-。當電流被引導至D+時，它就對外表達了一個信號狀態(tài)J；如果電流被引導至D-，它對外表達的信號狀態(tài)是K。由J和K組成的信號序列來源于原始數(shù)據(jù)，它們之間是通過不歸零反向編碼的方法來進行轉換的：

如上圖所示，以0和1組成的二進制串行數(shù)據(jù)經過NRZI編碼后形成的J/K序列送入前面圖中的LS/FS Driver或High Speed Current Driver，其輸出就呈現(xiàn)為總線上的連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流了。

如果要將電壓信號在傳輸線上進行傳輸，由于傳輸線是有阻抗的，其信號幅度會隨著線路的延長而衰減，到了接收端，很可能信號幅度已經變得不足以被檢出正確的數(shù)據(jù)了，而電流信號則不會有這個問題。當然了，電流信號的傳輸也會受到線路阻抗的影響，其脈沖形狀也會發(fā)生變化，但相對來說就要更好些。
以我的直覺來看，除了傳輸?shù)目煽啃酝?，采用電流信號傳輸?shù)據(jù)對于及時發(fā)現(xiàn)外設的接入和拔出非常有好處。由于發(fā)送器的輸出是電流源，當沒有負載的時候，有電流輸出的端子就總是會處于高壓狀態(tài)，而當負載接入的時候，其電壓馬上就降低了，這是非常方便檢測電路的設計的。

要進行通訊，收發(fā)兩端的同步是非常重要的。同步分為兩種，一種是數(shù)據(jù)位的同步，一種是數(shù)據(jù)包的同步。

位同步要求收發(fā)兩側要有同步運作的時鐘，這個時鐘的信息是包含在NRZI編碼之中的。在數(shù)據(jù)與NRZI編碼的轉換過程中，一個為0的數(shù)據(jù)位將造成NRZI編碼的狀態(tài)發(fā)生變化，為1的數(shù)據(jù)位則不會。編碼發(fā)生變化的信息是很重要的，它正好對應著信號發(fā)生變化的地方，接收端的數(shù)據(jù)時鐘恢復電路利用此信息將與發(fā)端同步的時鐘恢復出來，然后再延遲一點時間后讀入狀態(tài)信息，就可以得到與發(fā)端相同的J/K數(shù)據(jù)流，再經過反向的NRZI編碼，原始數(shù)據(jù)就可以被恢復出來了。

由于NRZI編碼僅在數(shù)據(jù)為0的時候發(fā)生變化，如果長時間出現(xiàn)連續(xù)的1就會造成NRZI編碼持續(xù)處于一種狀態(tài)，其中便沒有了時鐘信息，數(shù)據(jù)時鐘恢復電路的時鐘輸出就可能失去與發(fā)端的同步。為了避免這個問題的發(fā)生，USB規(guī)范規(guī)定：如果數(shù)據(jù)串中連續(xù)出現(xiàn)了6個1，其后就要插入一個為0的數(shù)據(jù)位。這樣就可使接收器在7個數(shù)據(jù)位的傳輸時間內至少會看到一次編碼信號的狀態(tài)轉換，從而保證其時鐘恢復電路不至于丟掉同步狀態(tài)。當然了，這些插入的數(shù)據(jù)需要在接收端再把它們消除掉以恢復原始數(shù)據(jù)。

一個含有多個連續(xù)1的原始數(shù)據(jù)包被插入0后再進行編碼的過程如下圖所示，其中的Stuffed Bit箭頭所指的地方就是新插入的為0的數(shù)據(jù)位。

上圖中標識為Sync Pattern的信息被稱為同步模板，它們的作用是告訴收方后面的信息就是我要發(fā)送的數(shù)據(jù)包了，所以它們所起的作用就是數(shù)據(jù)包的同步。如果沒有包同步，收方就不會知道信息是從何時開始的，因而不能正確地理解收到的信息。

LS/FS通訊的數(shù)據(jù)包同步信號是由3個KJ序列緊接2個K狀態(tài)構成的，如下圖所示：

高速通訊的同步頭要長許多，它包含了15個KJ序列和緊接著的2個K狀態(tài)，總共有32個信號周期。考慮到高速通訊的速度提高了幾十倍，32個信號周期其實并不算太長。

USB總線上需要傳遞的數(shù)據(jù)可以分為4種類型：用于控制的數(shù)據(jù)，設備和主機之間的連接過程就需要傳輸這種數(shù)據(jù)（地址、端口編號等）；批量數(shù)據(jù)，主機與打印機、掃描儀之類的外設間的通訊以這類數(shù)據(jù)為主；中斷信息，這種信息的出現(xiàn)時間是不確定的，但又需要系統(tǒng)做出及時的響應，這與MCU應用中的中斷信號很類似；同步數(shù)據(jù)，它們在時序上有嚴格的要求，而且需要按照一定的節(jié)奏進行，一旦不同步，接收方的感覺就會很差，所以在傳輸時需要安排出足夠的帶寬與其配合，攝像頭、話筒等外設所拾取的信息用這種方式進行傳輸就比較好。

USB屬于輪詢總線，所有的通訊都是在主機的控制下進行的，外設只有在收到主機的詢問數(shù)據(jù)包時才可以進行響應，告訴主機自己沒有數(shù)據(jù)或是把它要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包發(fā)給主機，主機在收到以后要進行回應，至少它得說明收到的信息是否正確吧，所以一次正常的通訊至少會有三個數(shù)據(jù)包需要傳輸。

USB規(guī)范把一個主機應用和一個設備之間的傳輸通道稱為管道，這種管道并不真實存在，屬于一種邏輯實體。由于應用眾多，外設也很多，所以可以有很多管道同時存在，這有點像現(xiàn)實中的物流系統(tǒng)的樣子。當我向京東下了一個訂單的時候，我和京東之間就建立起了一個管道，京東將通過此管道把貨物送到我指定的地方，這個管道直到我收到貨物、京東也收到確認信息以后才會消失。當我需要京東的后續(xù)服務如退貨、返修之類的需求時，一條新的管道又會建立起來。而在我做這些事情的時候，也有其他人在和京東之間做著同樣的事情。這個物流系統(tǒng)與USB不一樣的地方是它不是輪詢式的，因為京東不會主動來詢問我要不要什么東西。但是，京東為了做成更多的業(yè)務，它會想辦法吸引我多去它那里選擇商品，這又屬于廣告性質了，這有點像USB主機在總線上發(fā)布廣播信息：“我要關機了，你們大家配合一下?！敝劣谕庠O會不會配合，那是另外一回事了。