第11章
趣谈设备、配置、接口与端点

假设现在有一个能够给 多家独立运营超市 智能配货的仓库，它不仅能够根据需求将货物送达超市并且完成上架工作，还能够根据不同货物的销售情况进行清点、下架、退货等工作，甚至对于可能出现的货物摆放位置错误也能够进行纠正，作为超市老板的你只需要负责收银的工作即可，真是太方便了。

我们可以将仓库当作USB主机，那么每家独立运营的超市就相当于一个USB设备，而这个仓库最多可以给127家超市提供智能配货（相当于一个主机最多可以扩展127个USB设备），购物的顾客就相当于设备固件，管理仓库的负责人则属于主机端客户程序（Client Software），仓库与超市之间的关系如图11.1所示。

超市通常会包含多个货架，每个货架通常分为几层（以下简称“货架层”），每一层都拥有能够容纳一定数量货物的空间。仓库为某超市的货架摆放货物时，通常会一次性在某货架层摆放若干件。如果把货物当作主机给设备发送的数据，那么货架层就相当于 端点 。也就是说，主机（仓库）发送的数据（货物）最终会保存在端点（货架层）。

我们从货架层的特点可以总结出 端点 在 物理方面 的两个特点。其一，每个 端点 （货架层）都能够存储一定的数据（货物）。存储空间的大小决定主机可以一次性发送给 端点 的最大数据长度（货物数量）。我们把 端点 的数据存储空间称为缓冲区（Buffer），设备固件（顾客）如果需要获得主机（仓库）发送给端点的数据（货物），就必须从端点的缓冲区获得，所以说， 端点 是USB通信最基本的形式。

其二，每个 端点 都有唯一的地址，因为每一个货架层可以被唯一定位。 端点 地址与主机给USB设备分配的地址不一样，我们可以理解后者为超市地址，属于一个大范围地址，而 端点 地址则是超市里的某个货架层。我们把 端点 地址用 端点号 来标记，那么每一个端点就相当于货架的某一层。USB规范定义的有效端点号（Endpoint Number）数量为16（端点0～15），相当于货架的最大层数为16。8层货架与端点的对应关系如图11.2所示。

USB规范还定义了管道（Pipe），它是描述“设备端点与主机软件之间联系”的抽象通道，相当于仓库中的货物从出库到上架（或货物下架到入库）之间的路径。 管道属于逻辑上的定义 ，体现了主机缓冲区（相当于仓库的货架）与 端点 之间传输数据的能力。设备的不同端点与主机缓冲区之间属于不同的管道，但是在物理上还是经过同一条传输线缆。管道定义了 流 （Stream）与 消息 （Message）两种不同且互斥的通信模式，前者代表不具有USB规范定义结构的数据，后者代表具有某种USB规范定义结构的数据，这是什么意思呢？

例如，仓库只是单纯性地对超市中的货架进行货物上架操作，这就是 流 通信模式，它只负责将货物上架，至于货物几时上架、需不需要上架、需不需要调整等，那就不是它所能做到的了。 消息 通信模式可以做的事情很多。例如，进行货物上架时，查询一下货架是否有富余的容纳空间，有则上架，没有则不上架；查询货物是否被用户不小心损坏了，如果是就更换货物，如图11.3所示。

简单地说， 消息 通信模式的能力更强一些， 流 通信模式能够做的事情， 消息 通信模式也能做，只不过如果单纯进行数据传输时，使用 流 通信模式的效率更高一些。你可以理解消息就是 主机与设备互动的一种方式 ，它传输的数据有特定格式，所以 消息 通信模式比 流 通信模式更复杂，而且消息通信模式允许双向数据传输。例如，在总线枚举过程中，主机使用默认端点0与设备通信，对应的就是一个 消息 管道。主机向USB设备发送一个命令，然后进行必要的数据传输，最后再进行状态确认，这可以保证数据能够被可靠地传输。

很明显，不同的货架层中摆放的货物是不同的，相应的容纳空间也不一样，对于一些体积较小的货物，不大的空间已然足够容纳。相反，体积很大的货物则需要更大的容纳空间。当然，即便货物的体积很小，由于经营理念的不同，有些负责人也可能会为其分配较大的容纳空间。也就是说，缓冲区的大小具体怎么分配取决于设计者（你）。

同样的道理， 端点 类型不同，一次性能够接收的最大数据包长度也是不同的。例如，端点0的数据包大小的有效值只能是8字节、16字节、32字节、64字节，而其他非0端点可以接受更大的数据包，这取决于 端点 类型，同时也决定了 传输类型 。

那什么是传输类型呢？我们知道，由于货物本身的特点不一样，每一层货架中货物的销售情况也会不同，有些货物（如时令蔬菜）可能每天都会脱销，仓库每天都需要重新清点并上架新货物。当然，也有些货物（如定价不合理的大件货物）可能几个月都卖不出一件，仓库查询这些货架的时间就会非常少。也就是说，对于不同的货架层，仓库给它分配的资源是不一样的。如果某件货物实在卖不出去，可能还会将其下架退回到仓库。

端点在 使用方面 也有与货架层相似的特点。其一， 每个端点都会有特定的方向 。要么下行（上架），要么上行（下架）。当然，也可以是双向（上下架）的。前面我们提过，USB设备的端点号范围为0～15，但所有USB设备都需要实现默认的控制方法（货架必然至少有一层，如果某个货物没有指定的货架层，就约定上架到最底层），它使用端点0作为输入与输出端点（双向），USB主机使用端点0对USB设备进行初始化，因为USB设备刚与主机连接时（还没有完成总线枚举之前），主机还并不清楚该USB设备支持哪些端点。换句话说，其他（非0）端点只有在USB设备被初始化后才可以使用，如图11.4所示。

其二，主机会给每个 端点 分配一定的资源。我们已经提过，一个仓库可以给多家超市配货，但一天24小时却是有限的，仓库对货架的操作有很多，不可能对所有货架都会花费相同的时间。如果货物销量非常好，仓库就花更多的时间对所在的货架。换个角度来讲，销量好的货物所在的货架也需要更多的时间去打理，而其他销量不太好或很差的货物所在的货架，一个月只需要打理一次就已然足够了。

端点 使用也是同样的道理，不同应用场合对 端点 的要求也会不一样。例如，有时关注数据传输是否正确，有时侧重数据处理的及时性，有些可能更关注传输速度，另外有些可能需要同步传输，这些对 端点 传输数据的要求就是 传输类型 ，而主机给不同类型的端点（对应不同的传输类型）分配的带宽是不一样的，如图11.5所示。

假设主机连接了多个设备，并且都在同时进行数据传输，如果你要求传输的数据延迟不可超过一定时间，那么主机就会每隔一段固定的时间对 端点 进行查询与操作，即便多个设备的端点都有数据传输的需求，但主机仍会优先将总线带宽分配给你。相反，如果你只要求传输完大量数据，对时间与速度都没有要求，那么主机则会在带宽不够用的情况下降低你的传输优先级，优先满足对传输时间有特殊要求的数据，这就是定义传输类型的意义所在，具体细节将在端点描述符中详细讨论。

总体上， 端点 的特性决定了其与主机进行传输的类型。一个端点具有 总线访问频率的要求（Bus Access Frequency/Latency Requirement） 、 总线延迟要求 、 带宽要求（Bandwidth Requirement） 、 端点号 、 对错误处理的要求（Error Handling Behavior Requirements） ， 能接收或发送的包的最大长度 、 端点的传输类型、端点与主机的数据传输方向 等特性。你（USB设备的设计者）可以决定设备中每个端点的能力，一旦为该端点建立了一个通信管道，那么这个管道的绝大多数特性通常也就固定下来了，一直到该管道被取消为止。

有些人可能会想：为什么要使用多个端点呢？所有的项目都使用一个端点不也可以完成更多端点实现的功能，相当于一个8层货架展示的8种货物，使用一个更大的货架层同样也可以实现。你的想法并没有错，只不过使用多个端点能够更方便地进行通信管理。

好的，端点的讨论至此已经结束，我们再来讨论一下接口，其实很简单，每一个货架就相当于一个“接口”，它可以包含一个或多个货架层。换句话说，多个端点的集合就是“接口”。这里的“接口”也是逻辑上的概念（不是指物理上看得见的接插件），将“接口”视为功能会更容易理解一些。例如，货架A用来展示货物A，货架B用来展示货物B，这就是功能的不同。从USB主机的角度来看，USB设备接口就是多个端点的集合，图11.6清晰展示了USB通信流。

最后讨论一下超市的货架规划。通常负责人会按照不同类别的货物将超市空间进行规划，每个空间都包含若干个货架（以下简称为“货架群”）。超市负责人的经营理念不一样，每个空间的货架群配置也会不尽相同。同样的道理，USB规范定义的“配置”就是一个或多个“接口”的集合，功能复杂的USB设备可以具有多个接口。例如，USB扬声器可以包含一个音频接口以及旋钮和按钮对应的接口。仅使用一个接口可以实现多个接口完成的功能吗？理论上也是可以的，关键取决于具体的实现方法。

我们可以用图11.7来表示超市与设备的关系。

很明显，一家超市可以包含多个货架群，每个货架群都可以包含一个或多个货架，每个货架又可以包含一个或多个货架层，所以超市、货架群、货架、货架层之间属于包含关系。同样，设备通常包含一个或多个配置，配置通常包含一个或多个接口，而接口又包含一个或多个端点，图11.8给出了设备、配置、接口与端点之间的关系。