USB总线
显卡等高速设备是十分适合通过PCI/PCIe连入计算机的。但对于键盘、鼠标等设备而言，如果每个设备都占用1个PCI/PCIe的“席位”，那么代价就会较昂贵。于是IBM、Intel、微软等公司联手设计了一种将低速设备连入计算机的方案，于1998年正式发布，称为通用串行总线(USB)。USB设备无需复杂的跳线和插槽、安装设备无需重启，单机可接入127个设备(采用7位的设备地址)，设备直接由数据线供电。USB经过多年的版本迭代，从USB1.0时的1.5Mbps带宽发展到目前USB3.2 Gen2的10Gbps带宽。
USB由接入系统总线(PCI/PCIe)的USB根集线器实现，根集线器可接入设备或扩展集线器，扩展集线器可提供更多接口用于接入设备，故其拓扑结构类似于以根集线器为根的树结构，具体如上图所示。
USB电缆包含4个导线，1个地线，1个5V电源，2个数据线。USB作为串行总线与PCIe总线有些共同点，比如USB电缆中的2个数据线实际上是1对差分信号线(类似于PCIe中的1个信道)。USB和PCIe一样使用了编码和时钟恢复技术，USB使用的编码称为NRZI编码，其编码规则为输入比特为0时电平翻转，为1时电平不翻转。并且为了能够有足够多的电平变化来实现时钟恢复，NRZI编码要求待传输数据中如果有连续7个1，则发送前会在第6个1后追加一个0，保证信号出现翻转。另外USB能和PCIe一样提供类似“逻辑信道”的能力，即每个设备有多个端点，每个端点可以看作是一个“逻辑设备”。
USB设备在接入计算机时，根集线器会检测到并发出中断信号给操作系统，操作系统会查询识别这个设备，得到其所需带宽，如操作系统判断还有足够剩余带宽用于接入该设备，就会赋予其唯一的7位设备地址(1-127)，并将这个地址和一些其他配置信息存入设备自己的寄存器中。USB设备间通信时，必须要经过主机，而不会直接互相通信。
USB协议栈
一、域
域是研究数据的最小单位，可分为如下7种：
同步域(SYNC)：八位，值固定为00000001，用于本地时钟与输入同步；
标识域(PID)：4位标识符+4位标识符反码，表明包的类型和格式；
地址域(ADDR)：7位，地址0000000为零地址，是设备第一次连接到主机时，被主机配置、枚举前的默认地址，零地址以外的地址就是被主机配置后的设备地址，刚好是1-127，即127个设备；
端点域(ENDP)：4位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个；
帧号域(FRAM)：11位，每个帧都有特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对同步传输有重要意义；
数据域(DATA)：0~1023字节，在不同传输类型中，数据域长度不相同，但必须为整数个字节；
校验域(CRC)：对令牌包和数据包中的非PID域进行CRC校验；
二、包
包由多个域构成，共如下4类(每类又可进一步分为好多种，共十几种)：
令牌包：可分为输入包IN、输出包OUT、设置包SETUP和帧起始包SOF，注意这里的输入/输出包是用于设置输入/输出命令的，而不是用于存放数据本身；
数据包：分DATA0和DATA1两种。当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，会把数据拆成多个包，分批交替发送，即前一个数据包是DATA0，那下一个就是DATA1。但也有例外，比如同步传输的所有数据包都是DATA0。格式SYNC+PID+0~1023字节+CRC16；
握手包：结构最简单的包，格式SYNC+PID；
特殊包：PRE等；
三、事务
事务由多个包构成。事务按顺序包含令牌包阶段、数据包阶段、握手包阶段。事务有如下3种：
IN事务
令牌包阶段：主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据。
数据包阶段：分为如下3种情况：
1) 设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)；
2) 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送无效包NAK，事务提前结束，到下一个IN事务才继续；
3) 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL，事务提前结束，总线进入空闲状态；
握手包阶段：主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包；
OUT事务
令牌包阶段：主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据。
数据包阶段：主机向设备发送数据包(DATA0与DATA1交替)；
握手包阶段：分为如下3种情况：
1) 设备端点接收正确，返回ACK，通知主机可发送新数据，如数据包CRC错误，将不返回握手信息；
2) 设备正在忙，无法接收主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；
3) 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态；
SETUP事务
令牌包阶段：主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；
数据包阶段：主机向设备发送数据包，这里只有一个固定8字节的DATA0包，是标准的USB设备请求命令；
握手包阶段：设备返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下个传输(SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输)；
四、传输
传输由多个事务组成。有如下的4种类型，其中同步传输最简单，控制传输最重要和复杂。
中断传输：适用于数据量小，不连续，对实时性要求高的场合，比如USB键盘。由于USB不支持中断，中断传输实际是主机定时轮询设备检查是否有待传输数据，比如USB键盘的每次中断传输为1个IN事务，主机轮询的发送IN令牌(发起IN事务)给键盘，键盘有数据返回ACK，无数据返回NAK或STALL。
批量传输：由多个IN或OUT事务组成，批量传输主要是利用USB总线的空闲带宽进行数据传输的，适合于数据量大，而对时间和传输速率要求不高的场合，只有全速与高速设备，才支持批量传输。通常打印机、扫描仪、USB硬盘、等设备都使用批量传输模式。
同步传输：这种传输是四大传输中唯一不可靠的传输方式，但是好处就是可以保证带宽，并且没有延迟，而且因为是不可靠的传输，所以没有握手包，也不支持 PID 翻转，主机在安排这些传输事务时，同步传输拥有最高的优先级。这种传输用于摄像头、USB音响等，因为它们对实时性要求比较高，但可以容忍错误（摄像头偶尔出现了一帧错误画面，下一帧画面马上就会恢复）。
控制传输：一种可靠的双向传输，所有USB设备必须支持的传输，其一般发生在端点0，发生在USB的枚举、配置（也可能进行其他数据传输）等阶段。当设备插入主机后，主机通过端点0进行控制传输，通过一系列的数据交互，主机可以了解设备有多少个接口，有多少可用的端点等各种设备信息。设备能否被主机正确识别，取决于控制传输能否正常进行。
五、帧
帧是以时间为主线的概念，全速USB传输中1帧为1ms，高速USB传输中1帧为0.125ms。一个帧可包含多个事务，而事务是不允许跨帧的（传输包含多个事务是可以跨帧的）。帧可以起到一个所有USB设备的基准时间的作用，因为每帧除了包含事务外，每帧还会在最开始加入一个特殊的令牌包SOF，为帧起始的标识，这个SOF包是由主机USB根集线器以广播的形式发出给每个设备的。