USB入门系列之二 —— USB的连接模型

USB是一种主从结构。主机叫做Host，从机叫做Device（也叫做设备），集线器也被当作一种特殊的设备处理。USB的数据交换只能发生在主机和设备之间，主机和主机，设备和设备之间不能互连。为了在物理上区分主机和设备，使用了不同的插头和插座，这个在USB的连接器一节中会讲到。所有的数据传输都由主机主动发起，而设备只是被动的负责应答。例如，在读数据时，USB先发出读命令，设备收到该命令后，才返回数据。在USB OTG中，一个设备可以在从机和主机之间切换，这样就可以实现设备与设备之间的连接，大大增加了USB的使用范围。但这时依然没有脱离这种主从关系，两个设备之间必然有一个作为主机，另一个作为从机。USB OTG增加了一种MINI USB接头，比普通的4线USB多了一个ID表识线，用来表明它是主机还是设备，这个以后会讲到。

USB的拓扑结构为金字塔型。由一个USB主控制器出发，下面接USB集线器，USB集线器将一个USB口扩展为多个USB口，多个USB口又可以通过集线器为更多个接口。但USB协议中对集线器的层数是有限制的，USB1.1规定最多为4层，USB2.0规定最多为6层。理论上，一个USB主控制器最多可接127个设备，这是由数据包中的7位地址位决定的，但是实际上不会接这么多的设备。我们所说的一个USB主控制器可以连接多个USB设备，并不是直接简单的将多个设备并联或者串联，而是要由集线器负责端口扩展，才能连接更多的设备。在我们的电脑上，也有一个（或者多个，视USB主控制器的个数而定）集线器，它叫做根集线器，直接连在USB主控制器上。在设备管理器中，我们可以看到USB主控制器和根集线器。如下图所示。USB数据传输路径如下：USB主控制器发出数据包，通过根集线器，再通过下面的集线器（如果有的话），再发给USB设备；设备返回数据，交给它上层的集线器，上层的集线器再交给更上层的集线器，直到USB主控制器为止。而USB主控制器就可以跟CPU打交道了。在标准的PC机上，USB主控制器是挂在PCI总线上的。在Windows中，USB由各种驱动程序负责管理，最后由驱动程序产生功能设备(FDO)，这就是我们所看到的实际设备了。我们的应用程序就可以通过Windows提供的各种API进行访问USB设备了，例如CreateFile，ReadFile，DeviceIOControl等等。