USB设计的注意事项(08-100)

　　USB最强大的功能之一是可以通过USB电缆对设备供电。USB电缆有四根导线：电源线、地线、D+和D-。D+和D-导线是差分对，用于数据通信。电源和地连接可为设备提供5V的电压和最高500 mA的电流。与某一设备连接后，主控制器将通过一个称为“枚举”的过程查询该设备。枚举过程允许主控制器了解所连接的设备、设备执行的数据传输类型、消耗的功率以及其他参数。在启动时，设备仅允许汲取100 mA的电流。随后，主控制器将允许设备消耗更多的电流，最高可达500 mA，这取决于它向其他已连接设备提供了多少电流。

　　需要注意的一点是有些集线器是非自供电的，这意味着它们通过上行连接供电，然后将电能传递给下行连接。幸运的是，设计人员有两种选择。您可以使用有自己电源的自供电集线器，或使设备具有自己的电源。诸如打印机、扫描仪和扬声器之类的设备都有自己的电源。而诸如鼠标、键盘和闪存U盘之类的设备可通过USB电缆供电。

　　在USB系统中进行连接时，电缆长度不得超过5米。使用集线器，系统可以通过6根电缆和5个额外的集线器，将电缆总长最多扩展到30米。

　　如上所述，枚举过程用于搜索设备的功能。其他功能用于决定设备的数据传输类型，以及加载正确的设备驱动程序。USB定义了以下四种传输类型：

　　* 控制——向设备发送短命令和查询，或接收来自设备的状态响应

　　* 中断——需要确保快速响应的非常小的数据包，用于如鼠标或键盘之类的设备

　　* 批量——带有错误检测的大量数据传输，用于如打印机或硬盘驱动器之类的设备

　　* 同时——不带错误检测的实时数据流传输，用于扬声器之类的设备

　　设备驱动程序将定义每台下行连接的设备的类型。根据设备类型，操作系统可提供一个标准驱动程序。人机接口设备类(HID)和海量存储设备类(MSD)在操作系统中都有自带的驱动程序。其他类型包括音频、打印机、视频以及测试和测量设备。USB也提供了供应商设备类，允许自定义设备类型以建立USB连接。这些驱动程序是针对具体应用程序的，由生产商提供。

　　设计人员经常看到兼容USB 1.1或USB 2.0。这是什么意思?USB 1.1在1998年9月发布，它定义了两种工作速度：低速和全速。低速USB定义最大数据传输速率为1.5 Mb/s。它通常用于使用控制和中断传输类型的HID应用，例如鼠标和键盘。全速USB定义最大数据传输速率为12 Mb/s，包括所有需要较高带宽的设备。由于USB简单实用，过去很多使用串行或并行连接的设备，甚至是插入到计算机ISA和PCI插槽的专用卡都转为使用 USB。在意识到需要更高的速度后，于2000年4月发布了USB 2.0，该标准提供了又一种工作速度：高速——工作速度为480 Mb/s。USB 2.0向后兼容使用低速或全速的USB 1.1设备，但是提供了更高的数据传输速率，以加快音频或视频设备的数据流传输，以及提高外部硬盘驱动器、网络摄像头、扫描仪和打印机等设备的工作效率。

　　需要注意的是，USB将可用带宽划分为由主控制器监控的帧。每个低速或全速帧包含1.5 KB，每毫秒传输一帧。所有使用同时和中断数据传输类型的设备均占用每帧中的一个时隙，所以可保证所需的带宽和时序要求。帧内的所有其他时间都分配给了批量和控制传输。尽管最高比特率可以是1.5、12或480 Mb/s，但是任一设备只会占用带宽的一小段。实际上，总线可能会耗尽带宽，这取决于连接到主控制器的USB设备数。因此计算机上需要拥有多台主控制器。需要注意的另外一点是，许多设备都是作为USB 2.0设备上市的，但不是所有的USB 2.0设备都是高速设备。USB-IF组织提供了USB徽标和USB高速徽标，以帮助区分产品性能。

　　最后是USB OTG。USB OTG补充规范的最初发布时间是2001年12月，并于2003年7月发布了第二次修订版。这个USB扩展规范允许一个端口既可以用作主机也可以用作设备。确定作为主机还是设备取决于插入到设备的是USB电缆的哪一端。USB OTG的出现允许诸如PDA之类的设备用作与计算机进行交互的设备，以建立连接并下载文件、通讯薄和手机号等。然后PDA可与打印机连接以打印图片或文件，与键盘或鼠标连接以输入数据条目，或与其他可增强PDA使用的外设主机连接。由于USB OTG多用于便携式或体积较小的设备，所以定义了两种新型连接器：mini-A和mini-AB型。尽管不如USB 2.0类型众多，集成USB OTG模块的单片机正在逐渐增多且在许多供应商处应该都有销售。

　　对于最终用户而言，USB的简单程度令人难以置信。设备在主机上即插即用的安装方式和热插拔功能，使得在过去使用产品时最头疼的事情现在却变得极其简单。据估计，到2004年为止，全球USB设备使用量超过了10亿。随着USB向高速模式的扩展，唯一不能使用USB的设备就只有诸如显示器和监视器之类的高品质数字视频产品了。