USB 2.0高速串行总线详解：兼容与拓扑结构

USB（Universal Serial Bus）总线是一种广泛应用于现代电子设备间的高速串行通信接口，它的设计初衷是为了提供简单易用的连接方式，并支持热插拔设备。USB2.0规范定义了标准的数据传输速率，可达480兆比特每秒（Mbps），显著高于早期版本的USB1.1（12Mbps）和USB1.0（1.5Mbps）。 USB体系由三部分组成：主机、设备和物理连接。主机通常是提供USB接口和管理功能的硬件、软件及固件集合，它可以是个人电脑（PC）或具有OTG（On-The-Go）功能的设备，负责控制和协调整个系统的通信。USB设备可以分为两类：功能设备（如键盘、鼠标、存储设备等）和集线器（HUB），后者能够连接多个设备。USB2.0系统要求使用屏蔽双绞线，以提高信号质量和抗干扰性。 USB2.0的设计是向下兼容的，这意味着它可以在高速总线上与低速设备协同工作，通过主机的智能调度实现数据传输。总线上设备的最慢速度决定了整个系统的运行速率，因此在一个总线上，可以连接的设备数量受限于最慢设备的性能。 每个USB系统中只允许一个主机，地址0被保留为特殊用途，仅在设备枚举阶段使用，不分配给任何设备，从而限制了实际可用的地址数。这意味着一个USB HOST理论上最多支持127个地址，但实际上，由于HUB也需要占用地址，且不能超过127个地址，因此实际支持的设备数量会少于这个数字。 USB体系采用星型拓扑结构，通常不超过7层（Tier），允许最多5个HUB级联。特别的是，ROOT HUB作为主机控制器的一部分，不占用地址，提供额外的功能。复合设备（Compound Device）是另一个重要概念，它将多个功能设备整合到一个单一的设备中，例如带录音功能的USB摄像头，这些设备可以占用多个地址。 USB采用轮询的方式进行数据传输，这意味着设备轮流请求发送数据，以确保公平的访问。这种设计确保了系统的稳定性和效率，使得USB成为一个既实用又灵活的连接技术，在现代电子设备中扮演着核心角色。