為了理解為什么USB會成為如今的通用總線，讓我們看一下早期的PC：它有一個DOS操作系統和一個鍵盤，但沒有圖形用戶接口(GUI)。絕大多數的PC在機箱內沒有硬盤驅動器，也沒有外部存儲。沒有萬維網，也無需外部網絡連接。因此，除了通常用并口連接的打印機之外，需要的外設很少。

隨著Windows引入GUI，開始需要一個備選的輸入設備(HDI)。如今，鼠標變成必需的設備。這種新連接，以及對訪問網絡的需求，要求PC采用一個串口或COM口。那時，絕大多數PC采用P/S-2或專用接口用于鍵盤和鼠標。

不過，這些外設接口都有一些缺點。它們無法進行接口擴展，只能連接有限的外設;它們的性能有限;另外也缺乏一個標準的連接。每個外設提供商都必須決定采用什么樣的接口，然后提供所需的驅動程序，這對用戶來說也是頗為頭痛的事情。

最終，每人都需要連接外設到PC，但過程是復雜的和令人糊涂的。絕大多數人不知道該用什么接口，也沒有人知道某種接口的限制。最后，導致一批權威的業界領導一起來定義一個新的通用PC外設連接，來替代復雜的傳統連接。

該規范定義了一個簡單的四線接口，這是一個點對點，使用方便的以主機為目標架構的接口。可以利用一個集線器來實現總線擴展，并連接到其它的USB目標設備。另外，定義主機目標架構大大降低了成本，因為絕大部分的“大腦”控制功能包含在采用CPU控制的PC中。

USB的架構定義

USB是一個以主機為中心的總線，在這種總線中，由主機發起所有的數據轉移，包括出站和入站。該規范定義了三種基本的設備類型：即主機控制器;集線器和功能模塊(即外設或目標模塊);以及一個復合設備(集線器加“集成”外設)。

內部的物理連接是一個層疊的星型拓撲結構，集線器位于每個星的中心(圖1)。每個線段是一個位于主機和集線器或功能塊之間的點對點連接，或者是從一個集線器連接到另一個集線器或功能塊。由于時序的限制，所允許的最大層數為7層(包括根層)。在主機和任何設備之間，通信信道可以支持最多達5層的非根層集線器。一個復合設備占用兩層。復合設備不能依附于第7層，在這一層只能使用功能塊，其他將不能用。地址結構允許一個集線器連接的設備最多達127臺。集線器和外設可以任意組合。一臺復合或混合設備占用兩臺或更多的設備。

USB主機控制器

在任何的USB系統中都只有一臺主機。這與網絡架構的定義不同，USB規范只是想實現外設到PC的方便連接。主機的實現的方法可能是硬件，固件或軟件的結合。典型的USB主機PC實現是內核邏輯芯片集的一部分。該主控制器設備利用PC CPU來實現其運算功能，利用系統存儲器來存儲數據和轉移，而在總體實現中利用OS。所有的主機需要在系統中集成一個根集線器。

當今的OS已包括各種驅動設備。這就為外設制造商節約了驅動設備的研發成本，維護成本和運輸成本。通常常用的驅動設備包括音頻、HID、圖像、存儲、打印機和視頻。許多制造商充分利用了這些驅動設備來實現它們的功能，但也會選用一個定制驅動設備或應用軟件來擴展功能。

圖1：層疊星形拓撲結構的內部物理連接。

USB集線器

可以將集線器視為一個分配器和轉發器的結合。集線器提供USB設備和主機之間的電接口，并直接負責支持USB用戶友好方面的許多屬性。它提供比主機能夠提供的更多的連接點，并將來自上游端口的業務流重播到下游的端口上。集線器檢測下游端口的連接和斷開，并上報主機。集線器必須能夠支持下游端口所連接的USB外設的各種不同速率，并檢測和恢復連接中的總線故障。此外，集線器還管理為下游端口提供的電源，并將與此相關的任何問題報告給主機。該規范定義了兩種不同的用于集線器的電源類型，即總線和自供電。

總線供電方式從上游端口吸取功率。它只能從供電的上游端口吸取100mA的電流，而最終的配置后的電流可達到500mA。滿配置功率在集線器、任一個不可拆卸的功能塊或外部端口之間進行分配。它必須為每個下游端口提供100mA。這就限定了總線供電集線器上的下游端口的數量不超過4個。因為每個端口需要100mA，因此四個下游端口需要400mA。因為第五個下游端口也需要100mA，因而為集線器自身留下的電流為0mA。一個總線供電的集線器可以有4個外置下游端口，一個或多于一個的非外置下游端口——假定集線器和所有連接到非外置端口的所有功能塊消耗的總電流少于100mA。

自供電的集線器從本地電源(即墻體電源)提取功率。一個自供電的集線器將從其上游端口吸取高達100mA的電流，在集線器的其余部分的電源關斷時，允許接口為功能塊供電。一個自供電的集線器需要為每個下游端口提供500mA。規范沒有限制一個自供電的集線器所能連接的下游端口數量，但出于供電的考慮通常限制到7個或更少一點。一個7端口的集線器必須能夠為功能塊提供大于3.5A(500mA/每端口)的電流。

USB外設

今天的USB外設包括鼠標，存儲器棒，外驅，便攜式音頻播放器和數碼相機。根據規范，一個外設是一個能夠執行某項特定功能的邏輯或物理實體。最低級別的外設指的是一個單獨的硬件部件(即閃存)。而高級別的外設指的是一系列執行特定功能的硬件部件(即：鍵盤，生物指紋識別閱讀器和顯示設備)。

外設支持四種類型的數據發送。控制發送器為主機提供有關所連接的設備的類型和功能。其余的三個(中斷，整塊(bulk)，或同步)也都包含控制發送，不過只是專用于數據發送控制應用。中斷發送在外設需要主機對其進行周期性的輪詢以檢查是否有數據需要發送時使用。當數據的完整性的重要性高于數據的延遲時，整塊發送在主機系統和外設(打印機，存儲設備等)之間傳遞數據。這包括錯誤校驗，以及發現錯誤后的重發。當數據流的實時性高于其精度(即網絡攝影，講話和麥克風)的情況下，同步發送實時轉移數據。

規范中規定了兩種供電類型：總線供電和自供電。基于總線供電又被分為低功率和高功率兩種。這兩種都從上游連接點獲取電源。對于低功率，基于總線供電的設備恒定地吸納100mA電流，而對于高功率設備，在配置之前可以吸納100mA電流，而在工作期間可以吸納最高達500mA的電流。對于自供電設備，當從上游連接點提取電流時，具體的限制與自供電的集線器一樣。它們可以吸納100mA的電流使USB接口能夠工作，而其余的功能將會斷電。所有其他的功率將由外部電源提供。此外，所有外設必須支持低功耗掛起狀態，此時所吸納的電流小于500uA，該功率足以使計算機能夠喚醒掛起的設備。