USB带度分配原则

1. 带宽分配：管道建立时就确定

“USB bandwidth is allocated among pipes. The USB allocates bandwidth for some pipes when a pipe is established.”

• 含义：当一个USB管道（Pipe，即设备端点与主机之间的逻辑连接）被建立时，主机就会为其分配固定的带宽。
• 实际应用：
  • 对于中断传输（如鼠标），主机在配置设备时，会根据其报告的轮询间隔（如每8ms一次），在帧/微帧中预留出固定的时间槽。
  • 对于等时传输（如麦克风），主机会根据其所需的带宽（采样率 × 位深 × 通道数）预留连续的带宽。
  • 对于批量传输（如U盘），一般不预留固定带宽，只在总线空闲时“尽力而为”地传输。
  • 对于控制传输，系统会预留总带宽的10%用来进行控制传输，不进会动态分配。

确切来说是选择配置或者选择接口时，会建立主机与设备之间的管道，这个管道的建立标志着带宽的分配。只是不同的传输类型不同而已。

2. 缓冲要求：带宽越大，缓冲越大

“USB devices are required to provide some buffering of data. It is assumed that USB devices requiring more bandwidth are capable of providing larger buffers.”

• 含义：USB设备需要自带数据缓冲区。需要更高带宽的设备，应当提供更大的缓冲区。
• 原因：这解决了“主机以固定速率轮询，但设备不一定随时有数据”的矛盾。
  • 高带宽设备（如高速摄像头）：能快速产生大量数据。更大的缓冲区可以让设备在主机两次服务之间积累数据，避免数据丢失。
  • 低带宽设备（如键盘）：缓冲区很小甚至没有，因为数据产生很慢。

3. 设计目标：将缓冲延迟控制在毫秒级

“The goal for the USB architecture is to ensure that buffering-induced hardware delay is bounded to within a few milliseconds.”

• 含义：USB架构的核心目标之一，是确保由缓冲导致的硬件延迟被限制在几毫秒以内。
• 重要性：这对人机交互和实时音频至关重要。
  • 如果你的USB鼠标有100ms的缓冲延迟，你会感觉光标“发飘”。
  • 如果你的USB耳机有100ms的缓冲延迟，音画就会不同步（延迟超过~15ms人耳就能察觉）。
• 与重传机制的关系：等时传输为什么不重试？ 因为重传和缓冲会导致不可预测的延迟，可能超过几毫秒的硬性要求。为了保住延迟底线，等时传输宁愿丢掉个别数据包，也不进行重传。

4. 并发能力：多种速率同时支持

“The USB’s bandwidth capacity can be allocated among many different data streams. This allows a wide range of devices to be attached… Further, different device bit rates, with a wide dynamic range, can be concurrently supported.”

• 含义：USB的总带宽可以动态分配给多个不同的数据流，从而允许各种不同速率（从几kbps的键盘到几百Mbps的摄像头）的设备同时工作。
• 实际例子：你的电脑上可能同时连接着：
  • 键盘（低速，1.5 Mbps，中断传输）
  • USB耳机（全速/高速，等时传输）
  • U盘（高速/SuperSpeed，批量传输）
  • 这一切可以同时稳定工作，正是得益于USB的微帧调度（Microframe Scheduling）机制。

5. 规范定义规则

“The USB Specification defines the rules for how each transfer type is allowed access to the bus.”

• 含义：USB官方规范详细定义了四种传输类型（控制、中断、批量、等时）各自如何竞争和使用总线带宽。
• 总结规则：
  • 等时 & 中断：有固定保留带宽，保证准时，但不保证100%可靠（等时不重传）。
  • 控制：保证有少量保留带宽，保证所有设备能被枚举和管理。
  • 批量：没有保留带宽，只在有空闲时传输，但保证100%可靠（重传机制）。