USB（通用串行總線）是一種廣泛使用的接口技術，它允許計算機與各種外部設備進行通信。USB主機控制器和根集線器是USB系統中的關鍵組件，它們共同協作以實現設備識別、數據傳輸和管理。

1. USB系統概述

USB系統由以下幾個主要部分組成：

• USB主機控制器 ：負責管理USB設備的通信。
• 根集線器 ：連接到USB主機控制器，并為連接到它的USB設備提供電源和數據傳輸。
• USB設備 ：可以是鍵盤、鼠標、打印機、存儲設備等。
• USB集線器 ：可以連接多個USB設備，擴展USB端口。

2. USB主機控制器

USB主機控制器是計算機內部的一個硬件設備，它負責以下任務：

• 設備枚舉 ：識別連接到USB系統的設備。
• 數據傳輸 ：管理數據在主機和USB設備之間的傳輸。
• 電源管理 ：控制USB設備的電源供應。
• 錯誤處理 ：檢測并處理通信錯誤。

3. 根集線器

根集線器是USB系統中的第一個集線器，它直接連接到USB主機控制器。根集線器的功能包括：

• 端口管理 ：管理連接到它的端口上的USB設備。
• 電源分配 ：為連接的USB設備提供電源。
• 數據轉發 ：將從USB設備接收的數據轉發給主機控制器，或將從主機控制器接收的數據轉發給USB設備。

4. USB主機控制器和根集線器的配合

4.1 設備連接

當USB設備連接到根集線器時，根集線器會通知USB主機控制器有新設備接入。這個過程包括：

• 信號檢測 ：根集線器檢測到連接信號。
• 設備識別 ：根集線器向主機控制器發送設備連接的信號。
• 設備枚舉 ：主機控制器開始枚舉過程，識別設備類型和特性。

4.2 數據傳輸

數據傳輸是USB系統的核心功能，涉及以下步驟：

• 數據請求 ：主機控制器向根集線器請求數據。
• 數據轉發 ：根集線器從USB設備接收數據，并將其轉發給主機控制器。
• 數據響應 ：主機控制器處理數據，并可能發送響應數據。

4.3 電源管理

USB設備需要電源才能工作，電源管理是USB系統的一個重要方面：

• 電源分配 ：根集線器根據設備需求分配電源。
• 電源監控 ：主機控制器監控電源使用情況，以確保系統穩定運行。

4.4 錯誤處理

在數據傳輸過程中可能會出現錯誤，USB系統需要能夠檢測并處理這些錯誤：

• 錯誤檢測 ：主機控制器和根集線器都可以檢測通信錯誤。
• 錯誤報告 ：檢測到錯誤后，會向系統報告錯誤。
• 錯誤恢復 ：系統嘗試恢復通信，或提示用戶采取行動。

5. USB通信協議

USB通信協議定義了數據包的格式和傳輸機制，包括：

• 令牌包 ：用于開始數據傳輸。
• 數據包 ：包含實際傳輸的數據。
• 握手包 ：用于確認數據傳輸成功。

6. USB設備類

USB設備根據其功能被分為不同的類，如：

• 人類接口設備（HID） ：如鍵盤和鼠標。
• 大量存儲設備 ：如USB閃存驅動器。
• 音頻設備 ：如麥克風和揚聲器。

7. USB版本和速度

USB技術經歷了多個版本的更新，每個版本都提高了傳輸速度：

• USB 1.x ：低速（1.5 Mbps）和全速（12 Mbps）。
• USB 2.0 ：高速（480 Mbps）。
• USB 3.x ：超高速（5 Gbps及以上）。

8. USB集線器和擴展

USB集線器可以連接多個USB設備，擴展USB端口：

• 多端口集線器 ：可以連接多個設備。
• 樹形拓撲 ：USB設備可以通過集線器形成樹形結構。

9. USB的安全性和可靠性

USB系統需要確保數據的安全性和傳輸的可靠性：

• 數據加密 ：通過加密技術保護數據。
• 錯誤檢測和糾正 ：通過CRC和其他機制檢測和糾正錯誤。