从零开始学USB（二、基础知识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。

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。

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。

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。

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。

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：

1. 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。
2. 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；
3. 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

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

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

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：

下表，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
		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			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

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：

下表为 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

注：通常USB1.x/2.0里面的塑料是黑色或白色的。

 

下表为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	Connector metal shell

注：USB3.0是向前兼容的，所以多出来的5根线是在里面母口的里面，通常塑料硬件是蓝色的。

1.3. USB的接口（connector）类型

由于USB的产生就是为了支持众多种应用的，而由于各种应用中，对于硬件接口的大小也有一些限制，比如有些小型设备或者移动式设备中，接口不能太大等，所以而设计出多种类型的接口，用于不同的应用。

在介绍插头和插座之前，先多解释一下，基本的叫法。

插头，plug，对应的也叫公口，即插别人的；

插座，receptacle，对应也叫做母口，即被插的；

对上述解释，想多了的，面壁去；没想多的，继续看技术介绍。

下面就来简单的介绍一下不同的USB接口类型，即各种不同的插头插座：

USB的接口类型，根据接口形状不同，主要可以分为三大类：

1. 普通的硬件直接叫做Type
2. 然后有小型版本的叫Mini迷你的
3. 和更加小的，叫做Micro微小的

其中每一种大类中，又都可以分为两类

1. A类（Type A）
2. B类（Type B）
3. C类（Type C）

下面就用表格的形式，详细对比USB的各种接口，包括对应的插头和插座：

下表USB接口分类

USB接口（插头）概览	大的分类	细分	特点	插头图片示例	对应的插座	常见用途
	Type	Type A	长方形			普通PC端
		Type B	内部正方近乎形，外部是梯形			USB设备的接口
		Type C	长方形加两边的半圆形			新一代的手机和电脑接口
	Mini	Mini A	小型版的梯形			数码相机，移动硬盘等移动设备
		Mini B	小型版的长方形
	Micro	Micro A	比Mini更扁			手机等移动设备
		Micro B

 

	提示
	目前多数手机厂商已宣布统一使用Micro USB和Type C接口作为手机充电器标准接口。 因为Type C是在2017年初开始使用的，从指定之初就男足USB3.0男足的要求，同时也插入方向也没有要求，所以目前是大的趋势。