USB的設計要素

通用串行總線(xiàn)（USB）就像20年來(lái)無(wú)所不在的RS232串行接口一樣應用廣泛?，F今發(fā)售的大部分PC僅有USB接口，而沒(méi)有串口或并口。USB最初是為連接一些基本外設而設計的，但它的易用性和普及性卻使之被用在視頻游戲、PDA、MP3播放器、數據記錄儀等方面。

在進(jìn)行USB接口設計時(shí)，有許多因素需要考慮：是選擇低速、全速，還是高速傳輸速率；采用A型還是B型連接器；功率消耗和兼容性測試問(wèn)題以及設備類(lèi)型的選擇都需要考慮。目前，USB OTG（On-The Go）設備是一個(gè)很好的選擇。

USB基本結構

一個(gè)USB系統是一種分層的星型結構，由一個(gè)主控制器和多個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)或菊花鏈型連接的從設備組成。每個(gè)端口可以且僅可以連接一個(gè)設備，這個(gè)設備也可以是用來(lái)擴展端口的USB 集線(xiàn)器（Hub）。多個(gè)設備可以形成菊花鏈，但也有一個(gè)限制：每個(gè)控制器允許有5級分支，并且最多只能有127個(gè)設備可以連接到一個(gè)主控制器上。

這些設備可以在計算機啟動(dòng)時(shí)插入，也可以熱插入。熱插拔技術(shù)對于像數碼相機或便攜音樂(lè )播放器這樣的設備是非常方便的，因為這些設備僅僅是為了上傳或下載數據。如果每次想要連接或斷開(kāi)它們時(shí)都要重新啟動(dòng)系統，則非常不方便。

主機和Hub之間的連接是通過(guò)3種類(lèi)型USB連接器中的一種實(shí)現的：用于和主控制器上行連接的“Ａ型”連接器；用于和從設備下行連接的“Ｂ型”連接器；“mini-B”型連接器是小型的“B型”連接器，這些不同的連接器可以避免用戶(hù)連接錯誤。

不同類(lèi)型的USB連接器

USB設備的供電

USB的一個(gè)最大特征是USB設備可以通過(guò)USB電纜獲得電源。USB電纜有4根導線(xiàn)：電源線(xiàn)、地線(xiàn)以及差分信號對D+和D-。電源和地線(xiàn)可以提供5V電壓，電流高達500mA。

當一個(gè)設備接入時(shí)，主控制器將通過(guò)枚舉的方式來(lái)發(fā)現它。枚舉使主控制器能夠了解接入的是哪一個(gè)設備，它希望執行哪種類(lèi)型的數據傳輸，它要消耗多少功率，以及其他一些參數。當設備剛插入時(shí)，僅允許它吸入100mA的電流，隨后主控制器才允許它吸入最高500mA的電流，這還取決于主控制器分配給已經(jīng)連接的其他設備所吸入的電流。

在供電上還有一個(gè)限制，有些Hub不是自帶電源的，而是簡(jiǎn)單地將主控制器的電源直接傳遞到下行連接器上。像打印機、掃描儀和音箱等設備通常自己帶有電源適配器，而像鼠標、鍵盤(pán)和閃存盤(pán)等設備則是通過(guò)USB電纜供電的。

在使用USB電纜時(shí)，其最大長(cháng)度被限制在5m。不過(guò)，可以通過(guò)6根電纜和5個(gè)Hub將電纜延長(cháng)到30m。

設備配置功能

正如前面提到的，枚舉過(guò)程決定了設備的能力。其他功能決定了數據傳輸類(lèi)型，并幫助裝入合適的驅動(dòng)程序。USB定義了以下四種傳輸類(lèi)型。

● 控制傳輸：向設備發(fā)送短的命令和查詢(xún)，或接收設備發(fā)出的狀態(tài)響應。

● 中斷傳輸：以非常小的數據包傳輸以保證快速的響應，如鼠標或鍵盤(pán)等。

● 塊傳輸：具有錯誤檢測的大數據量傳輸，如打印機或硬盤(pán)等。

● 同步傳輸：沒(méi)有錯誤檢測的實(shí)時(shí)流數據傳輸，如音箱等。

設備內部的驅動(dòng)程序設置每個(gè)下行設備的設備類(lèi)型，根據不同的設備類(lèi)型，操作系統可以加載標準的驅動(dòng)程序。人機接口設備類(lèi)（HID）和海量存儲設備類(lèi)（MSD）有操作系統自帶的驅動(dòng)程序。其他的類(lèi)型包括音頻類(lèi)、打印機類(lèi)、視頻類(lèi)以及測試測量類(lèi)等。此外，USB也規定了供應商類(lèi)，以允許客戶(hù)自定義。

USB1.1和USB2.0的傳輸速率

USB1.1在1998年9月份發(fā)布，并定義了兩種傳輸速率。低速率USB定義了最大1.5Mb/s的傳輸速率，通常用于HID設備，如鼠標或鍵盤(pán)。全速率USB定義了最大12Mb/s的傳輸速率。

2000年4月USB2.0發(fā)布，它定義了更高的傳輸速率，可以高達480Mb/s。USB2.0對USB1.1 向下兼容，更高的數據傳輸速率可滿(mǎn)足如音視頻流設備、外置硬盤(pán)驅動(dòng)器接口性能的改善、網(wǎng)絡(luò )攝像機、掃描儀和打印機等的數據傳輸要求。

USB將可獲得的帶寬分成由主控制器管理的幀的形式，每個(gè)低速或全速幀的幀長(cháng)為1.5Kb，每一毫秒發(fā)送一次。在每個(gè)幀中，所有的設備都使用同步傳輸或中斷傳輸獲得時(shí)隙，以保證所需的時(shí)序要求，其他額外的時(shí)間分配給塊傳輸和控制傳輸。雖然最高傳輸速率是1.5、12或480Mb/s，但任何一個(gè)設備所用的只是總帶寬的一部分。實(shí)際上，總線(xiàn)可以超出最大帶寬的限制，這取決于連接到主控制器上的設備數量，因此，在計算機上有時(shí)就需要多個(gè)主控制器。

需要注意的另外一點(diǎn)是，市場(chǎng)上的許多設備標稱(chēng)是USB2.0的，但并不是所有的USB2.0 設備都是高速設備。USB-IF組織提供了“USB標志”和“USB高速標志”，通過(guò)這些標志可以區分USB產(chǎn)品的兼容性。

連接USB OTG設備

USB OTG標準最初發(fā)行時(shí)間是2001年11月，2003年6月進(jìn)行了一次重要的修訂。主要的變更是允許一個(gè)端口即可以是USB主設備，還可以是USB從設備。以主設備或從設備方式工作是由插入設備的電纜的端接形式?jīng)Q定的。

USB OTG的擴充使得像PDA這樣的USB設備能夠與計算機連接，并進(jìn)行上傳數據或文件。而PDA也可以與打印機連接，來(lái)打印圖片或文件，還可以連接USB接口的鍵盤(pán)或鼠標，或其他增強PDA使用靈活性的USB設備。由于大部分USB OTG設備是便攜設備或小尺寸設備，所以定義了兩種新型的連接器：“mini-A型”連接器和“mini-B型”連接器。目前，集成USB OTG模塊的MCU雖然不像USB2.0那樣隨處可見(jiàn)，但也逐漸多了起來(lái)。