USB的内部结构构架是怎样的？

自从1996年USB接口问世以来，它已经成为了现代计算机和设备中最常见的连接方式。USB接口的发展历程中涌现出了多个版本，它们的性能、传输速率和功能有着显著差异。本文将为您详细解析各个版本的特点和优缺点，帮助您选择最适合自己需求的USB版本。

USB 1.x

USB 1.x是最早的USB接口版本，包括USB 1.0和1.1。它们的传输速率分别为1.5Mbps(低速)和12Mbps(全速)。这个版本的优点是兼容性较好，可以适配很多早期的设备。然而，传输速率相对较慢，逐渐被后续版本所替代。

USB 2.0

USB 2.0于2000年发布，传输速率高达480Mbps，被称为“高速USB”。它向下兼容USB 1.x，大大提高了数据传输速度。USB 2.0广泛应用于各类设备，如键盘、鼠标、打印机等。然而，随着技术的发展，USB 2.0的传输速率已经无法满足许多高速设备的需求。

USB 3.x

USB 3.x包括USB 3.0、3.1、3.2等版本，传输速率分别为5Gbps、10Gbps和20Gbps。这个版本被称为“超速USB”，具有更高的传输速率和更好的功耗控制。它向下兼容USB 2.0和1.x，可以适配各种设备。然而，USB 3.x接口的成本较高，且传输速度受限于设备性能。

USB 4

USB 4是最新的USB版本，传输速率高达40Gbps，支持多种协议，如DisplayPort、PCI Express等。它具有更强大的功能和更快的传输速度，可以满足各类高速设备的需求。然而，USB 4目前仅支持部分高端设备，普及程度有限。

综上所述，USB接口的版本越新，性能和传输速度越高。如果您的设备需求不高，USB 2.0可能是一个经济实用的选择。然而，如果您需要处理大量数据或连接高速设备，USB 3.x或USB 4将是更好的选择。需要注意的是，不同版本的USB接口在传输速度和功能上有差异，但它们之间具有一定的向下兼容性。因此，在选择合适的USB版本时，请务必充分考虑您的设备需求和预算。

在现实应用中，您可能需要根据设备性能、用途和成本来权衡不同版本的USB接口。例如，对于键盘、鼠标等低速设备，USB 2.0可能已经足够。但是，如果您需要连接高清摄像头、高速硬盘等设备，USB 3.x或USB 4将能为您提供更好的性能。最后，随着技术的发展和普及，未来可能还会出现更先进的USB版本，为我们提供更高效、便捷的连接方式。

一个 USB 系统 由三部分来描述：

USB interconnect

USB devices

USB host

USB interconnect 是指USB 设备连接到主机并与主机通信的方式。这包括以下内容：

总线拓扑：USB device 和 host 之间的连接模型。

层间关系：

数据流模型：

USB 调度：

1.1. 总线拓扑

在USB 系统中有两个硬件的概念：

USB host：它跟处理器相连，处理器通过USB Host跟各类USB设备通信。USB Host中集成有一个root hub

USB device：这类设备又分为两类

Hub：用来扩展USB接口

Function：就是普通的USB设备，比如U盘、声卡等

USB 总线拓扑如下：

roothub：根hub(根集线器)

hub：集线器

func：功能设备

Compound Device：组合设备，包含一个hub 和 一个或多个func

USB 总线拓扑最上层一定是host, 最后一级只能是func, 因此hub 级联最多5级;

1.2. USB host

在任何USB 系统中只有一个主机，主机的每个USB控制器(Host Controller)对应一条USB总线。与主机计算机系统相连的USB接口被称为主机控制器。

主机控制器可以以硬件，固件或软件的组合来实现。

根集线器(root hub)集成在主机系统内以提供一个或多个连接点。

USB Host通过 Host Controller 与 USB device 交互。

Host主要负责：

检测USB 设备的拔插动作

管理Host和Device之间的控制流、数据流

收集USB 总线状态和活动数据信息

为连入USB总线的设备供电

1.3. USB device

USB device 分为 USB hub 和 USB Function。

USB hub (集线器)：

root hub：一般与主机控制器连接在一起，提供一个或者多个端口。

普通hub：用于扩展USB 的主机端口。

结构上由一个上行端口和多个下行端口组成。

支持级联：最多5级，不包含root hub。

支持速率转换：低速/全速设备，可连接在高速hub 上。

USB function 设备：

Composite Device：复合设备。一个设备地址，1个 或者 多个function 接口组成

Compound Device：组合设备。多个设备地址，一个hub 和 一个或者多个func 组成。

比如：键盘，鼠标，摄像头等。

1.4. USB 数据流

USB主机和USB设备之间的通信是通过管道(Pipe)进行的。

在USB协议中，管道是一个逻辑概念，

在USB主机端实际上就是一组缓冲区，用于管道中数据的收发。

在USB设备端，管道对应一个特定的端点，每一个端点都是一个由索引和方向确定的，USB设备最多支持16个双向端点(8个in/8个out)。

USB设备地址、端点索引和端点方向的组合可以唯一确定USB主机和USB设备间的通信。

2. USB 软件框架

2.1. USB 数据流模型

USB 简化传输模型如下图所示，实际上要比这个复杂的多。主要包含以下部分：

USB 物理设备：USB电缆终端的一块硬件，执行一些有用的终端用户功能。

客户端软件：在主机上执行的软件，对应于一个USB设备。此客户端软件通常与操作系统一起提供，或与USB设备一起提供。

USB 系统软件：在一个特定的操作系统中支持USB的软件。USB系统软件通常与操作系统一起提供，独立于特定的USB设备或客户端软件。

USB Host Controller (Host Side Bus Interface)：允许将USB设备连接到主机上的硬件和软件。

连接器现实生活中随处可见，例如普通的计算机USB接口、手机充电接口、精密电子连接器、防水连接器等，但对于连接器的详细结构，相信很多人并不清楚，如连接器是由自由端USB接口(插头)、固定端USB接口(插座)组成。

USB接口的接触部件，是实现连接的核心部件。

正常连接是由正、负两个部分组成的接触对，通过阴、阳接触部件的插合完成。

1、正接触部件是硬质部件，形状是圆柱形(插针)、方形柱形(插针)或扁平形件。

2、负触点即插孔，是触点中的关键部件，它依赖于插销过程中的弹性变形而产生的弹力与正负接触件紧密接触，从而完成连接。其结构有很多种，有悬臂梁式、圆筒型、盒式、音叉型和双曲线弹簧插孔等。

连接件的绝缘体，也叫底座或胶芯。

其作用是使接触部件按要求布置位置和间距，保证接触部件与壳体之间以及接触部件之间的绝缘性能。

连接件的外壳，也叫壳体，是连接器的防护部件。

该部件提供了里面胶芯和针脚的机械保护，以及在公、母座插合时对齐，保证USB接口能正常使用。

外壳一般为不锈钢加工(加冷挤压、压铸)，钢壳体用作玻璃封焊及耐高温连接器。

USB接口，可方便地在计算机上添加设备，而不需要占用计算机的并口和串口。只需插上电源即可使用，但有时也很难使用。

USB接口的特性。

1、针脚接触面采用弹性设计，确保良好的触点性能及长寿命要求。

2、提供多种类型的接口设计，如AType/BType/MiniUSB接口。

3、满足多项焊接设备参数的耐高温要求。

4、安装形式可采用DIP/SMT/夹线型/焊接线类型。