通用串行總線(xiàn)USB及其應用

1引言
?????????
　　如今，隨著(zhù)計算機在各個(gè)領(lǐng)域中的應用日益普及和深入，其外設也越來(lái)越多，如打印機、掃描儀、游戲桿、MIC、modem等。因計算機本身只提供高性能的運算處理等方面的基本能力，當我們將一臺計算機應用于某個(gè)具體實(shí)際需要時(shí)，往往需要對他的基本功能進(jìn)行擴展。而在對計算機功能擴展時(shí)，原則上每個(gè)外設都必須插在一個(gè)接口上。當外設多了以后，會(huì )產(chǎn)生一些問(wèn)題。
???????
　　首先，外設增多，計算機接口也必須增多，但計算機的標準接口總是有限的，雖然可以通過(guò)增加功能接口插卡來(lái)擴展接口，但可增插卡的數量受計算機插槽個(gè)數的限制，并且擴展接口卡存在以下問(wèn)題：
　　(1)接口卡的插拔過(guò)程必須關(guān)機，并且需打開(kāi)機箱進(jìn)行安裝和拆卸；?????
　　(2)接口插卡設備驅動(dòng)程序的安裝、調試直至正常運行的過(guò)程仍需要各種技術(shù)的支持，其安裝和配置過(guò)程仍需人工干預。當擴展插卡較多時(shí)，常會(huì )出現一塊或多塊插卡因無(wú)法合理配置而不能正常工作的情況，嚴重時(shí)可導致系統崩潰；
　　(3)接口插卡質(zhì)量高低、兼容性和標準性的程度以及驅動(dòng)軟件的可靠性將直接影響計算機的壽命和系統的穩定性、可靠性；
　　(4)筆記本電腦之類(lèi)的小體積PC很難用接口插卡進(jìn)行功能擴展；
　　(5)PC插槽中的各種接口卡受到內部的射頻輻射干擾，使其性能受到很大影響，除非接口卡是全數字化的。所以擴展接口卡終究不是解決問(wèn)題的根本方法。
???????
　　其次，隨著(zhù)技術(shù)不斷發(fā)展，大量新外設不斷出現，這些外設對計算機接口提出了更高的要求，如高速度、雙向傳輸數據等。傳統的計算機接口，如并行打印機接口（數據傳輸率為1 Mb/s）、串行RS232接口（數據傳輸率為115～230 kb/s）已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)需要。
　　還有，計算機越來(lái)越向簡(jiǎn)單、實(shí)用、方便、方向發(fā)展。傳統計算機外設安裝過(guò)程中，在加、減設備時(shí)，必須關(guān)掉電源，完成之后再重新啟動(dòng)機器。
???????
　　由于傳統計算機接口有上述缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足當前計算機發(fā)展的需要，于是，Intel，Microsoft，Compaq，NEC，IBM，Digital，Northern
Telecom等7家世界著(zhù)名的計算機公司和通訊公司聯(lián)合制定了一種新的通用外部設備總線(xiàn)規范，即通用串行總線(xiàn)USB（Universal Serial
Bus）。1994年11月發(fā)表了標準的最早版本Ver0.7， 1998年9月23日公布的Ver1.1是目前普遍采用的標準?，F在已經(jīng)發(fā)展到2.0版本。USB協(xié)議出臺后得到各計算機生產(chǎn)商和外設廠(chǎng)商的廣泛支持。如今計算機主板都帶有USB接口，Windows 98/CE/2000全面支持USB技術(shù)標準，很多計算機外設都采用USB接口。

2USB 的優(yōu)點(diǎn)
??????? 
　　USB與傳統的外圍接口相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
???????
　　(1)使用方便在USB系統中，所有的USB設備可以隨時(shí)接入和拔離系統，USB主機能夠動(dòng)態(tài)識別設備的狀態(tài)，并自動(dòng)給接入的設備分配地址和配置參數。這樣，安裝USB設備時(shí)，不必打開(kāi)機箱，甚至在計算機工作時(shí)也無(wú)需關(guān)機和重新啟動(dòng)即可加、減已安裝過(guò)的設備，也不必用手動(dòng)跳線(xiàn)或撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設置新的外設。USB的驅動(dòng)程序和應用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，USB設備單獨使用自己的保留中斷，也不涉及IRQ沖突問(wèn)題，不會(huì )同其他設備爭用PC有限的資源，省去了硬件配置的煩惱，為用戶(hù)帶來(lái)了極大的方便。
　　(2)速度快快速性能是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)，USB Ver1.1標準有全速12 Mb/s和低速1.5 Mb/s兩種模式，主模式為全速，他比串口快了整整100倍，比并口快了十多倍。USB Ver2.0提供高達480Mb/s的數據傳輸率，可以在其上開(kāi)發(fā)功能更多的電子產(chǎn)品，包括高分辨率的視頻攝像機、下一代的掃描儀和打印機，并且，在USB 2.0上多個(gè)高速外設可同時(shí)運行。
　　(3)易于擴展通過(guò)USB HUB 擴展，可連接多達127個(gè)外設，且各種外設均采用統一USB接口標準的連接器，大大地簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程。標準USB電纜長(cháng)度為3 M（5 M低速），通過(guò)HUB 或中繼器可以使外設距離達到30 M。
　　(4)獨立供電USB 接口提供了內置電源，他能向低壓設備提供5 V電源，因此，新的設備就不需要專(zhuān)門(mén)的交流電源了，從而降低了這些設備的成本，并提高了性?xún)r(jià)比。
?　　(5)使用靈活為適應各種不同類(lèi)型外圍設備的要求，USB 提供了4種不同的數據傳輸模式：控制(Control)傳輸、同步(Synchronization)傳輸、中斷(Interrupt)傳輸、批量(Bulk)傳輸。
　　(6)支持多個(gè)外設同時(shí)工作USB系統支持多種數據傳輸的要求。數據帶寬可以從幾k到480 Mb/s，他允許在同一電纜上傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據，在主機和外設之間可以同時(shí)傳輸多個(gè)數據和信流，允許多個(gè)外設同時(shí)操作，并支持復合設備。
???????
　　總之，USB是一種電纜總線(xiàn)，支持在主機和各式各樣的即插即用的外設之間進(jìn)行數據傳輸。按照協(xié)議的規定，多個(gè)設備分享USB帶寬，當主機和其他設備在運行時(shí)，總線(xiàn)允許添加、設置、使用和拆除外設。
?????
3USB的拓撲結構
??????? 
　　USB總線(xiàn)拓撲為層疊的星形結構，如圖1所示。系統由主控制器（Host Controller），USB HUB和USB器件（Device）組成。


????? 
?????????
　　(1)主控制器USB系統與主機之間的接口稱(chēng)為主控制器，通常，他被集成在主機系統中，由硬件、系統軟件、應用軟件構成。主控制器提供一個(gè)根結點(diǎn)（Root HUB），他可以直接與USB設備相連，也可以連接USB HUB，通過(guò)USB
????? HUB來(lái)擴展接口。主控制器的主要功能有：動(dòng)態(tài)檢測USB設備的連接和拆除、管理主機和USB設備之間的數據通信，給新接入的設備分配地址和配置參數，為連接的USB設備提供電源。
　　(2)USB
　　HUB用來(lái)擴展接口，以使系統連接更多的外設。他可以被集成到一個(gè)設備內部，如鍵盤(pán)和顯示器（稱(chēng)為復合設備），或者作為一個(gè)單獨的設備實(shí)現，如圖1所示。在即插即用的USB結構體系中，集線(xiàn)器是一種重要設備，如圖2所示。
???????
　　HUB簡(jiǎn)化了USB互連的復雜性。HUB串接在HUB上，可讓不同性質(zhì)的更多設備連在USB上。連接點(diǎn)稱(chēng)為端口。每個(gè)HUB上行端口向主機方向連接，下行端口允許連接另外的HUB或設備。HUB可檢測每個(gè)下行端口的設備的安裝或拆卸，并分配電源給下行設備，他能處理屬于自己的信號，并將其他的信號放大傳輸給外設或主機。


????? ????????
　　(3)USB設備是指帶有USB接口的外部設備，如掃描儀、MP3播放器、鼠標等。他們使用標準的USB數據結構與主機進(jìn)行通信，能識別主機發(fā)出的各種命令，并對其做出響應。
　　4USB的物理接口
??????? USB的物理接口包括電氣和機械2方面規范。USB 2.0有3種數據傳輸速率：
????????? ①USB高速，480 Mb/s；
????????? ②USB全速，12M b/s；
????????? ③USB低速，1.5 Mb/s。
??????? 電氣方面，USB通過(guò)一種4線(xiàn)電纜與主機或USB
　　HUB相連接來(lái)傳輸信號和電源，如圖3所示。在每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)段中，通過(guò)兩根導線(xiàn)（D+和D-）傳送信號。在主機控制器和HUB之間可以高速傳送全速和低速設備的數據，而在HUB和設備之間全速和低速傳送數據。這種性能減少了全速或低速設備對高速設備帶寬的影響。定義低速模式是為了支持少量的低帶寬設備如鼠標，這類(lèi)設備不能太多，因為其數目越多對總線(xiàn)利用率的影響就越大。USB采用位填充N(xiāo)RZI編碼方案，每個(gè)數據包之前是SYNC域，用于同步位時(shí)鐘。電纜中包括VBUS和GND兩條線(xiàn)，用來(lái)向設備提供電源。VBUS通常是+5 V電壓。


????? 
　　機械方面，所有的設備都有一個(gè)上行或下行的連接。上行和下行連接器在機械上不可以互換使用，這樣消除了在HUB上非法的回路連接。

5USB的數據流
???????
　　在主機和設備間數據交換存在兩種通道：流通道和消息通道?？偟卣f(shuō)來(lái)，各通道之間的數據流動(dòng)是相互獨立的，一個(gè)指定的USB設備可以有多個(gè)通道。例如一個(gè)USB設備可建立向其他設備發(fā)送數據和從其他設備接收數據的兩個(gè)通道。USB體系結構支持4種基本的數據傳輸類(lèi)型。
　　(1)控制傳輸采用了嚴格的差錯控制機制，其數據傳輸是無(wú)損的。如USB設備在初次安裝時(shí)，USB系統軟件使用控制傳送來(lái)設置設備參數???
　　(2)批量傳輸主要應用在大量傳輸和接收數據上，同時(shí)又沒(méi)有帶寬和時(shí)間間隔的要求，保證傳輸數據正確無(wú)誤，但對數據的實(shí)效性要求不高。如打印機和掃描儀就屬這種類(lèi)型。
　　(3)中斷傳輸主要用于定時(shí)查詢(xún)設備是否有中斷數據要傳輸。這典型地應用在少量、分散、不可預測數據的傳輸中。鍵盤(pán)、操縱桿和鼠標就屬這一類(lèi)型。
　　(4)同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間。該方式用來(lái)連接需要連續傳輸的外圍設備，對數據的正確性要求不高，但對時(shí)間較為敏感。同步傳輸的典型事例是聲音的傳送。
　　當一個(gè)通道建立后，USB就會(huì )分配給他一定的帶寬，一般所分配的帶寬要保證緩沖引起的硬件上的延遲限定在幾ms內。
　　USB的帶寬容量可容納多種不同的數據流，因此可連接大量的設備，并且USB支持在同一時(shí)刻的不同設備具有不同比特率，而且可動(dòng)態(tài)變化。

6USB的“分時(shí)復用”和電源管理
???????
　　當一個(gè)USB外部設備初次接入一個(gè)USB系統時(shí)，主機就會(huì )為該設備分配一個(gè)惟一的USB地址，并作為該設備的惟一標識（USB系統最多可以分配這樣的地址127個(gè)），這稱(chēng)為USB的總線(xiàn)列舉。USB使用總線(xiàn)列舉方法在計算機系統運行期間動(dòng)態(tài)檢測外部設備的連接和摘除，并動(dòng)態(tài)地分配USB地址，從而在硬件意義上實(shí)現“即插即用”和“熱插拔”。
???????
　　在所有的USB信道之間動(dòng)態(tài)地分配帶寬是USB總線(xiàn)的特征之一。當一臺USB外設在連接并配置以后，主機即會(huì )為該USB外設的信道分配帶寬；而當他從USB系統中摘除或處于掛起狀態(tài)時(shí)，則他所占用的USB帶寬即會(huì )被釋放，并為其他的USB外設所分享。這種“分時(shí)復用”的帶寬分配機制大大提高了USB帶寬利用率。
　　作為一種先進(jìn)的總線(xiàn)方式，USB提供了基于主機的電源管理系統。USB系統會(huì )在一臺外設長(cháng)時(shí)間（一般在3.0 ms以上）處于非使用狀態(tài)時(shí)自動(dòng)將該設備掛起，此時(shí)，USB總線(xiàn)通過(guò)USB線(xiàn)纜為該設備僅提供500 μA以下的電流，并把該外設所占用的USB帶寬分配給其他的USB外設。USB的電源管理機制支持如遠程喚醒這樣的高級特性。當一臺外設處于掛起狀態(tài)時(shí)，必須先通過(guò)主機使該設備“喚醒”，然后才可以執行USB操作。
USB的這種智能電源管理機制，特別適合如筆記本電腦之類(lèi)的設備的應用。
?????
7USB的應用
???????
　　今天，計算機通信已經(jīng)成為當今工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。要想建立這種通信機制并使之在計算機平臺上既普遍又易于使用，就意味著(zhù)必須做到低價(jià)格和良好的互連。而USB就能夠提供將各種計算機與電話(huà)互連的無(wú)處不在的連接鏈路。
???????
　　USB使得即插即用與熱插拔成為現實(shí)，使用戶(hù)可以方便迅速地連接計算機的外圍設備。USB的特點(diǎn)是為所有USB外設連接計算機提供了一類(lèi)全球通用的連接器，這些連接器將取代傳統的各種外部端口，如串口、游戲接口、并口等，自USB Ver1.1版本推出后，USB接口得到廣泛的應用?？梢灶A見(jiàn)，未來(lái)的計算機只有USB接口。
???????
　　USB推出不久，視頻會(huì )議便成為USB的一個(gè)非常流行的應用，許多市場(chǎng)上早期應用的USB產(chǎn)品是視頻攝像機。USB的即插即用特點(diǎn)使這些攝像頭易于安裝，人們樂(lè )于使用。由于USB的巨大成功，一些著(zhù)名的大公司紛紛加入USB標準制定俱樂(lè )部，并推出了USB? 2.0，他與USB 1.1兼容，而速度是USB 1.1的40倍，即達到480 Mb/s。接口速度的大幅度提高，將使計算機的功能大大增強，使得計算機可以通過(guò)USB接口接入寬帶Internet，連接高清晰度的數碼相機，連接下一代的高速打印機、掃描儀及高速的外存單元。使用USB 2.0接口下載一幅畫(huà)，將從現在的幾分鐘縮為幾秒鐘，USB的數據從硬盤(pán)備份只需幾分鐘，而今天干同樣的事需花幾個(gè)小時(shí)。
???????
　　USB是新一代商用和家庭用計算機外設的使能技術(shù)。他將為商業(yè)和家庭用戶(hù)轉換計算機功能，使之進(jìn)入一個(gè)通用信息、通信和娛樂(lè )應用領(lǐng)域。除了已有的外設可用USB實(shí)現外，USB技術(shù)在下面幾個(gè)方面拓展了計算機的應用范圍。
　　(1)擴展商業(yè)計算機的功能
　?、貱TI（computer telephony integration）設備聲音郵件；集成通信；帶注釋的EMail；呼叫者識別（Call ID）；Web開(kāi)發(fā)；視頻壓縮和POTS電話(huà)會(huì )議。
　?、诎踩O備ID卡閱讀器；數字加密設備。
　?、蹐D像和桌面出版設備限定范圍的數字相機；個(gè)人掃描儀；專(zhuān)用打印機。
　　(2)為家用PC增加新的功能
　　多用戶(hù)游戲；數字游戲桿；Internet設備；相片掃描儀和限定范圍的數字相機；數字音頻設備，MIDI接口外設。
???????
　　除了作為標準外設接口在計算機外設的擴展方面有著(zhù)廣泛的應用前景之外，USB還正在成為各種新型應用的通用連接標準，包括數據采集、測試測量等，并且在工業(yè)控制系統、虛擬儀器等方面也有著(zhù)重要的發(fā)展潛力。
?????
　　8結語(yǔ)
　　USB技術(shù)作為新一代通用串行總線(xiàn)標準，他的確為消除傳統計算機體系結構中的某些缺陷提供了切實(shí)可行的解決策略，并且已經(jīng)展示出廣闊的應用前景。

????? 參考文獻
????? ［1］張念淮，江浩. USB總線(xiàn)接口開(kāi)發(fā)指南［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2001
????? ［2］USB 2.0 Specification ［S］. Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, Nec, Philips, 2000
????? ［3］龍志宏連接的藝術(shù)［J］.中國計算機報，1999(15)
????? ［4］黃維柱，許軍通用串行總線(xiàn)USB ［J］.計算機應用研究，2001，18（2）：46～48
????? ［5］http://www.usb.org