通用串行总线USB及其应用

1引言
         
　　如今，随着计算机在各个领域中的应用日益普及和深入，其外设也越来越多，如打印机、扫描仪、游戏杆、MIC、modem等。因计算机本身只提供高性能的运算处理等方面的基本能力，当我们将一台计算机应用于某个具体实际需要时，往往需要对他的基本功能进行扩展。而在对计算机功能扩展时，原则上每个外设都必须插在一个接口上。当外设多了以后，会产生一些问题。
       
　　首先，外设增多，计算机接口也必须增多，但计算机的标准接口总是有限的，虽然可以通过增加功能接口插卡来扩展接口，但可增插卡的数量受计算机插槽个数的限制，并且扩展接口卡存在以下问题：
　　(1)接口卡的插拔过程必须关机，并且需打开机箱进行安装和拆卸；     
　　(2)接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程仍需要各种技术的支持，其安装和配置过程仍需人工干预。当扩展插卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；
　　(3)接口插卡质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性将直接影响计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性；
　　(4)笔记本电脑之类的小体积PC很难用接口插卡进行功能扩展；
　　(5)PC插槽中的各种接口卡受到内部的射频辐射干扰，使其性能受到很大影响，除非接口卡是全数字化的。所以扩展接口卡终究不是解决问题的根本方法。
       
　　其次，随着技术不断发展，大量新外设不断出现，这些外设对计算机接口提出了更高的要求，如高速度、双向传输数据等。传统的计算机接口，如并行打印机接口（数据传输率为1 Mb/s）、串行RS232接口（数据传输率为115～230 kb/s）已经不能满足用户需要。
　　还有，计算机越来越向简单、实用、方便、方向发展。传统计算机外设安装过程中，在加、减设备时，必须关掉电源，完成之后再重新启动机器。
       
　　由于传统计算机接口有上述缺点，不能满足当前计算机发展的需要，于是，Intel，Microsoft，Compaq，NEC，IBM，Digital，Northern
Telecom等7家世界著名的计算机公司和通讯公司联合制定了一种新的通用外部设备总线规范，即通用串行总线USB（Universal Serial
Bus）。1994年11月发表了标准的最早版本Ver0.7， 1998年9月23日公布的Ver1.1是目前普遍采用的标准。现在已经发展到2.0版本。USB协议出台后得到各计算机生产商和外设厂商的广泛支持。如今计算机主板都带有USB接口，Windows 98/CE/2000全面支持USB技术标准，很多计算机外设都采用USB接口。

2USB 的优点
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　　USB与传统的外围接口相比，主要有以下优点：
       
　　(1)使用方便在USB系统中，所有的USB设备可以随时接入和拔离系统，USB主机能够动态识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数。这样，安装USB设备时，不必打开机箱，甚至在计算机工作时也无需关机和重新启动即可加、减已安装过的设备，也不必用手动跳线或拨码开关来设置新的外设。USB的驱动程序和应用软件可以自动启动，USB设备单独使用自己的保留中断，也不涉及IRQ冲突问题，不会同其他设备争用PC有限的资源，省去了硬件配置的烦恼，为用户带来了极大的方便。
　　(2)速度快快速性能是USB技术的突出特点，USB Ver1.1标准有全速12 Mb/s和低速1.5 Mb/s两种模式，主模式为全速，他比串口快了整整100倍，比并口快了十多倍。USB Ver2.0提供高达480Mb/s的数据传输率，可以在其上开发功能更多的电子产品，包括高分辨率的视频摄像机、下一代的扫描仪和打印机，并且，在USB 2.0上多个高速外设可同时运行。
　　(3)易于扩展通过USB HUB 扩展，可连接多达127个外设，且各种外设均采用统一USB接口标准的连接器，大大地简化了安装过程。标准USB电缆长度为3 M（5 M低速），通过HUB 或中继器可以使外设距离达到30 M。
　　(4)独立供电USB 接口提供了内置电源，他能向低压设备提供5 V电源，因此，新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本，并提高了性价比。
 　　(5)使用灵活为适应各种不同类型外围设备的要求，USB 提供了4种不同的数据传输模式：控制(Control)传输、同步(Synchronization)传输、中断(Interrupt)传输、批量(Bulk)传输。
　　(6)支持多个外设同时工作USB系统支持多种数据传输的要求。数据带宽可以从几k到480 Mb/s，他允许在同一电缆上传输实时和非实时数据，在主机和外设之间可以同时传输多个数据和信流，允许多个外设同时操作，并支持复合设备。
       
　　总之，USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。按照协议的规定，多个设备分享USB带宽，当主机和其他设备在运行时，总线允许添加、设置、使用和拆除外设。
     
3USB的拓扑结构
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　　USB总线拓扑为层叠的星形结构，如图1所示。系统由主控制器（Host Controller），USB HUB和USB器件（Device）组成。


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　　(1)主控制器USB系统与主机之间的接口称为主控制器，通常，他被集成在主机系统中，由硬件、系统软件、应用软件构成。主控制器提供一个根结点（Root HUB），他可以直接与USB设备相连，也可以连接USB HUB，通过USB
      HUB来扩展接口。主控制器的主要功能有：动态检测USB设备的连接和拆除、管理主机和USB设备之间的数据通信，给新接入的设备分配地址和配置参数，为连接的USB设备提供电源。
　　(2)USB
　　HUB用来扩展接口，以使系统连接更多的外设。他可以被集成到一个设备内部，如键盘和显示器（称为复合设备），或者作为一个单独的设备实现，如图1所示。在即插即用的USB结构体系中，集线器是一种重要设备，如图2所示。
       
　　HUB简化了USB互连的复杂性。HUB串接在HUB上，可让不同性质的更多设备连在USB上。连接点称为端口。每个HUB上行端口向主机方向连接，下行端口允许连接另外的HUB或设备。HUB可检测每个下行端口的设备的安装或拆卸，并分配电源给下行设备，他能处理属于自己的信号，并将其他的信号放大传输给外设或主机。


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　　(3)USB设备是指带有USB接口的外部设备，如扫描仪、MP3播放器、鼠标等。他们使用标准的USB数据结构与主机进行通信，能识别主机发出的各种命令，并对其做出响应。
　　4USB的物理接口
        USB的物理接口包括电气和机械2方面规范。USB 2.0有3种数据传输速率：
          ①USB高速，480 Mb/s；
          ②USB全速，12M b/s；
          ③USB低速，1.5 Mb/s。
        电气方面，USB通过一种4线电缆与主机或USB
　　HUB相连接来传输信号和电源，如图3所示。在每个点到点段中，通过两根导线（D+和D-）传送信号。在主机控制器和HUB之间可以高速传送全速和低速设备的数据，而在HUB和设备之间全速和低速传送数据。这种性能减少了全速或低速设备对高速设备带宽的影响。定义低速模式是为了支持少量的低带宽设备如鼠标，这类设备不能太多，因为其数目越多对总线利用率的影响就越大。USB采用位填充NRZI编码方案，每个数据包之前是SYNC域，用于同步位时钟。电缆中包括VBUS和GND两条线，用来向设备提供电源。VBUS通常是+5 V电压。


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　　机械方面，所有的设备都有一个上行或下行的连接。上行和下行连接器在机械上不可以互换使用，这样消除了在HUB上非法的回路连接。

5USB的数据流
       
　　在主机和设备间数据交换存在两种通道：流通道和消息通道。总地说来，各通道之间的数据流动是相互独立的，一个指定的USB设备可以有多个通道。例如一个USB设备可建立向其他设备发送数据和从其他设备接收数据的两个通道。USB体系结构支持4种基本的数据传输类型。
　　(1)控制传输采用了严格的差错控制机制，其数据传输是无损的。如USB设备在初次安装时，USB系统软件使用控制传送来设置设备参数   
　　(2)批量传输主要应用在大量传输和接收数据上，同时又没有带宽和时间间隔的要求，保证传输数据正确无误，但对数据的实效性要求不高。如打印机和扫描仪就属这种类型。
　　(3)中断传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。这典型地应用在少量、分散、不可预测数据的传输中。键盘、操纵杆和鼠标就属这一类型。
　　(4)同步传输提供了确定的带宽和间隔时间。该方式用来连接需要连续传输的外围设备，对数据的正确性要求不高，但对时间较为敏感。同步传输的典型事例是声音的传送。
　　当一个通道建立后，USB就会分配给他一定的带宽，一般所分配的带宽要保证缓冲引起的硬件上的延迟限定在几ms内。
　　USB的带宽容量可容纳多种不同的数据流，因此可连接大量的设备，并且USB支持在同一时刻的不同设备具有不同比特率，而且可动态变化。

6USB的“分时复用”和电源管理
       
　　当一个USB外部设备初次接入一个USB系统时，主机就会为该设备分配一个惟一的USB地址，并作为该设备的惟一标识（USB系统最多可以分配这样的地址127个），这称为USB的总线列举。USB使用总线列举方法在计算机系统运行期间动态检测外部设备的连接和摘除，并动态地分配USB地址，从而在硬件意义上实现“即插即用”和“热插拔”。
       
　　在所有的USB信道之间动态地分配带宽是USB总线的特征之一。当一台USB外设在连接并配置以后，主机即会为该USB外设的信道分配带宽；而当他从USB系统中摘除或处于挂起状态时，则他所占用的USB带宽即会被释放，并为其他的USB外设所分享。这种“分时复用”的带宽分配机制大大提高了USB带宽利用率。
　　作为一种先进的总线方式，USB提供了基于主机的电源管理系统。USB系统会在一台外设长时间（一般在3.0 ms以上）处于非使用状态时自动将该设备挂起，此时，USB总线通过USB线缆为该设备仅提供500 μA以下的电流，并把该外设所占用的USB带宽分配给其他的USB外设。USB的电源管理机制支持如远程唤醒这样的高级特性。当一台外设处于挂起状态时，必须先通过主机使该设备“唤醒”，然后才可以执行USB操作。
USB的这种智能电源管理机制，特别适合如笔记本电脑之类的设备的应用。
     
7USB的应用
       
　　今天，计算机通信已经成为当今工业发展的一个重要方向。要想建立这种通信机制并使之在计算机平台上既普遍又易于使用，就意味着必须做到低价格和良好的互连。而USB就能够提供将各种计算机与电话互连的无处不在的连接链路。
       
　　USB使得即插即用与热插拔成为现实，使用户可以方便迅速地连接计算机的外围设备。USB的特点是为所有USB外设连接计算机提供了一类全球通用的连接器，这些连接器将取代传统的各种外部端口，如串口、游戏接口、并口等，自USB Ver1.1版本推出后，USB接口得到广泛的应用。可以预见，未来的计算机只有USB接口。
       
　　USB推出不久，视频会议便成为USB的一个非常流行的应用，许多市场上早期应用的USB产品是视频摄像机。USB的即插即用特点使这些摄像头易于安装，人们乐于使用。由于USB的巨大成功，一些著名的大公司纷纷加入USB标准制定俱乐部，并推出了USB  2.0，他与USB 1.1兼容，而速度是USB 1.1的40倍，即达到480 Mb/s。接口速度的大幅度提高，将使计算机的功能大大增强，使得计算机可以通过USB接口接入宽带Internet，连接高清晰度的数码相机，连接下一代的高速打印机、扫描仪及高速的外存单元。使用USB 2.0接口下载一幅画，将从现在的几分钟缩为几秒钟，USB的数据从硬盘备份只需几分钟，而今天干同样的事需花几个小时。
       
　　USB是新一代商用和家庭用计算机外设的使能技术。他将为商业和家庭用户转换计算机功能，使之进入一个通用信息、通信和娱乐应用领域。除了已有的外设可用USB实现外，USB技术在下面几个方面拓展了计算机的应用范围。
　　(1)扩展商业计算机的功能
　　①CTI（computer telephony integration）设备声音邮件；集成通信；带注释的EMail；呼叫者识别（Call ID）；Web开发；视频压缩和POTS电话会议。
　　②安全设备ID卡阅读器；数字加密设备。
　　③图像和桌面出版设备限定范围的数字相机；个人扫描仪；专用打印机。
　　(2)为家用PC增加新的功能
　　多用户游戏；数字游戏杆；Internet设备；相片扫描仪和限定范围的数字相机；数字音频设备，MIDI接口外设。
       
　　除了作为标准外设接口在计算机外设的扩展方面有着广泛的应用前景之外，USB还正在成为各种新型应用的通用连接标准，包括数据采集、测试测量等，并且在工业控制系统、虚拟仪器等方面也有着重要的发展潜力。
     
　　8结语
　　USB技术作为新一代通用串行总线标准，他的确为消除传统计算机体系结构中的某些缺陷提供了切实可行的解决策略，并且已经展示出广阔的应用前景。

      参考文献
      ［1］张念淮，江浩. USB总线接口开发指南［M］. 北京：国防工业出版社，2001
      ［2］USB 2.0 Specification ［S］. Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, Nec, Philips, 2000
      ［3］龙志宏连接的艺术［J］.中国计算机报，1999(15)
      ［4］黄维柱，许军通用串行总线USB ［J］.计算机应用研究，2001，18（2）：46～48
      ［5］http://www.usb.org