USB總線(xiàn)的體系結構

　　USB（通用串行總線(xiàn)），由Intel公司提出，帶寬為12Mbps，與傳統接口總線(xiàn)相比，主要優(yōu)點(diǎn)有三個(gè)，1.可接入多達127個(gè)設備，目前計算機外設越來(lái)越多，PC機內有限的插槽和接口已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，USB緩解了這一矛盾。2.可以熱插拔，在電腦通電的情況下可以隨時(shí)熱插拔所連接的設備。3.可即插即用。

　　設計USB的設備就必須深入了解USB的體系結構。USB通用串行總線(xiàn)同其他串行并行接口不同，它是一個(gè)軟硬件相結合的系統體系，對于剛剛進(jìn)入USB設計的工程師來(lái)說(shuō)，這個(gè)結構是復雜的。為此，下面論述了USB的一些體系結構和基本概念。

整個(gè)USB總線(xiàn)可以分為3個(gè)部分進(jìn)行描述：USB連接、USB設備、USB主機（如圖1）。

　　USB連接是指USB主機和USB設備的通信方式與方法，包括：總線(xiàn)拓撲（USB主機和設備之間的連接方式）；層內關(guān)系（USB總線(xiàn)每一層中的任務(wù)）；數據流模式（數據在USB總線(xiàn)上的流動(dòng)方式）；USB調度（USB提供一個(gè)共享的服從調度的互連）。

　　USB設備是通過(guò)USB總線(xiàn)連接到USB主機上的。USB總線(xiàn)上的物理連接是一個(gè)分層的星形拓撲。處于每個(gè)星形拓撲中央的是hub(USB集線(xiàn)器)。在主機和一個(gè)hub或者一個(gè)應用之間以及在hub和其它hub或應用之間都是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)的連接。圖1表示了USB的拓撲類(lèi)型。

　　在USB總線(xiàn)中只有一個(gè)主機。USB總線(xiàn)與計算機主機系統的接口部分就是主機控制器，它可被看做一個(gè)硬件、固件和軟件的結合體。主機系統中集成了一個(gè)根hub來(lái)提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)。

　　首先USB設備可被分為兩大類(lèi)：hub類(lèi)（提供附加USB接入點(diǎn)的設備）和功能 設備類(lèi)（為系統實(shí)現某些功能的設備，如ISDN適配器、數字游戲桿等）。

　　按照功能，USB設備又可分為很多類(lèi)，如：音頻、人機交互、顯示、通信、電源、打印機、海量存儲、物理反饋等設備。每個(gè)USB設備都必須提供自鑒定信息和通用的設置。

　　USB設備都有一個(gè)標準的USB接口，它的作用為：解釋USB協(xié)議；對標準USB操作的響應，如掛起和設置等；提供設備的一些描述信息。

　　在實(shí)際的設計應用中，USB設備的接口有自已的特點(diǎn)。USB接口的正確設計與設備的性能緊密相關(guān)，在USB接口設計之前必須要對設備的功能、指標進(jìn)行詳細的分析。

　　連接在USB接口上的設備通過(guò)基于令牌和主機控制的協(xié)議來(lái)共同享用整個(gè)USB帶寬。在其它設備正常工作的前提下，USB允許某設備連接、設置、運行和斷開(kāi)連接。

　　USB設備在邏輯上分成了幾個(gè)層次，分別是設備層、配置層、接口層和節點(diǎn)層。
USB設備中各層的邏輯關(guān)系如圖2所示：

　　　1.節點(diǎn)：每個(gè)設備內有一個(gè)或多個(gè)邏輯連接點(diǎn)，稱(chēng)為節點(diǎn)。

　　　2.接口：一個(gè)設備對主機表現為一組合適的節點(diǎn)，一組相關(guān)的節點(diǎn)稱(chēng)為一個(gè)接口。有多個(gè)接口的設備稱(chēng)為組合設備。

　　　3.配置：設備可以有多組接口，每一組稱(chēng)為一個(gè)配置，一次只能有一個(gè)配置是活動(dòng)的。但是，當前配置中的所有接口（和它們的節點(diǎn)）可以同時(shí)是活動(dòng)的。大多數設備只有一個(gè)配置和一個(gè)接口。當一個(gè)設備第一次插入系統時(shí)，Windows提示用戶(hù)選擇合適的配置。

　　　4.管道：在USB中，傳輸是在USB設備的某一具節點(diǎn)和主機軟件之間進(jìn)行的，這個(gè)相關(guān)的結構就稱(chēng)為管道，即為設備的一個(gè)節點(diǎn)與主機之間的數據傳輸的模型。管道有兩種：流管道和消息管道。其中消息管道的數據結構是USB定義好的，而流管道沒(méi)有固定的結構。另外，數據傳輸帶寬、傳輸類(lèi)型、節點(diǎn)的特性（如方向和緩沖大?。┒加绊懼?zhù)它的管道特性。大多數的管道在USB設備配置好之后就產(chǎn)生了。其中有一個(gè)最重要的消息管理是“缺省控制管道”，這個(gè)管道在設備一加電的時(shí)候就存在了，它提供設備的配置和狀態(tài)等信息的控制。

管道可以是單向的也可以是雙向的。一個(gè)USB設備可以有很多個(gè)管道，管道之間是相互獨立的，比如設備的一個(gè)管道可以從主機接收數據而另一個(gè)管道可以發(fā)送數據。在一個(gè)設備配置中每一個(gè)管道（即每一個(gè)節點(diǎn)）只能支持下述的一個(gè)數據傳型。

　　　5.傳輸類(lèi)型：USB總線(xiàn)包括4種傳輸類(lèi)型（傳輸管道）：

　　　　●控制傳輸類(lèi)型：用于傳輸控制信息，如：在連接時(shí)配置設備，控制其它管道的狀態(tài)以及完成一些設備自定的用途。

　　　　●塊數據傳輸類(lèi)型：用于傳輸相對比較大的和突發(fā)性強的數據，一般這種傳輸的動(dòng)態(tài)范圍比較寬。數據傳輸的可靠性由硬件層錯誤檢測來(lái)保證，對錯誤的數據可進(jìn)行重復發(fā)送。塊傳輸 是連續的，它的帶寬占用依據其它USB設備的使用情況而不同。這種傳輸類(lèi)型一般用于打印機、掃描儀等。

　　　　●中斷數據傳輸類(lèi)型：數據量小，延遲短，通常用于傳輸設備反饋回計算機的字符和坐標信息，多用于人機交互設備，如鼠標，鍵盤(pán)、游戲桿等。

　　　　●同步數據傳輸類(lèi)型：占用預先分配的帶寬，實(shí)時(shí)傳輸。對于同步傳輸管道，帶寬的要求與設備的采樣率有關(guān)，時(shí)延的要求與每個(gè)節點(diǎn)的緩沖大小有關(guān)。為保證數據的實(shí)時(shí)傳輸，在傳輸過(guò)程中的一些誤碼是不被糾正的（如不進(jìn)行重試等），則實(shí)際上USB的心位錯誤率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成問(wèn)題。

USB數據傳輸的邏輯模型如圖3所示：

　　根據實(shí)際應用中得出的經(jīng)驗，工程技術(shù)人員需要預先計劃好的USB接口指標包括：所設計的USB設備的帶寬，由此確定設備為低速設備還是全速設備；是否采用多重配置；是否采用多個(gè)接口，即設備是否是復合設備，是否包括多個(gè)功能；設備的每個(gè)功能都分別包括幾個(gè)管道（節點(diǎn)），各個(gè)管道的傳輸方式和它們之間有什么關(guān)系。只有把這些問(wèn)題都分析清楚，才可以著(zhù)手進(jìn)行下一下的詳細設計。

　　隨著(zhù)USB2.0協(xié)議的推出，USB的應用范圍將更為擴大。USB2.0所定義的帶寬為480Mbps，它的出現將徹底改變USB只能在低速設備上應用的現狀。由于有相同的USB高速模式的結構，從現有的USB1.1外設向USB2.0轉移相對來(lái)說(shuō)比較容易的，所以全面了解USB的體系結構對于USB1.1和USB2.0設備的設計都是非常重要的。