通用串行總線USB及其應用

1引言
         
　　如今，隨著計算機在各個領域中的應用日益普及和深入，其外設也越來越多，如印表機、掃描儀、遊戲杆、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於某個具體實際需要時，往往需要對他的基本功能進行擴展。而在對計算機功能擴展時，原則上每個外設都必須插在一個接口上。當外設多了以後，會產生一些問題。
       
　　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，雖然可以通過增加功能接口插卡來擴展接口，但可增插卡的數量受計算機插槽個數的限制，並且擴展接口卡存在以下問題：
　　(1)接口卡的插拔過程必須關機，並且需打開機箱進行安裝和拆卸；     
　　(2)接口插卡設備驅動程序的安裝、調試直至正常運行的過程仍需要各種技術的支持，其安裝和配置過程仍需人工幹預。當擴展插卡較多時，常會出現一塊或多塊插卡因無法合理配置而不能正常工作的情況，嚴重時可導致系統崩潰；
　　(3)接口插卡質量高低、兼容性和標準性的程度以及驅動軟體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)筆記本電腦之類的小體積PC很難用接口插卡進行功能擴展；
　　(5)PC插槽中的各種接口卡受到內部的射頻輻射幹擾，使其性能受到很大影響，除非接口卡是全數位化的。所以擴展接口卡終究不是解決問題的根本方法。
       
　　其次，隨著技術不斷發展，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，如並行印表機接口（數據傳輸率為1 Mb/s）、串行RS232接口（數據傳輸率為115～230 kb/s）已經不能滿足用戶需要。
　　還有，計算機越來越向簡單、實用、方便、方向發展。傳統計算機外設安裝過程中，在加、減設備時，必須關掉電源，完成之後再重新啟動機器。
       
　　由於傳統計算機接口有上述缺點，不能滿足當前計算機發展的需要，於是，Intel，Microsoft，Compaq，NEC，IBM，Digital，Northern
Telecom等7家世界著名的計算機公司和通訊公司聯合制定了一種新的通用外部設備總線規範，即通用串行總線USB（Universal Serial
Bus）。1994年11月發表了標準的最早版本Ver0.7， 1998年9月23日公布的Ver1.1是目前普遍採用的標準。現在已經發展到2.0版本。USB協議出臺後得到各計算機生產商和外設廠商的廣泛支持。如今計算機主板都帶有USB接口，Windows 98/CE/2000全面支持USB技術標準，很多計算機外設都採用USB接口。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/78394.htm

2USB 的優點
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　　USB與傳統的外圍接口相比，主要有以下優點：
       
　　(1)使用方便在USB系統中，所有的USB設備可以隨時接入和拔離系統，USB主機能夠動態識別設備的狀態，並自動給接入的設備分配地址和配置參數。這樣，安裝USB設備時，不必打開機箱，甚至在計算機工作時也無需關機和重新啟動即可加、減已安裝過的設備，也不必用手動跳線或撥碼開關來設置新的外設。USB的驅動程序和應用軟體可以自動啟動，USB設備單獨使用自己的保留中斷，也不涉及IRQ衝突問題，不會同其他設備爭用PC有限的資源，省去了硬體配置的煩惱，為用戶帶來了極大的方便。
　　(2)速度快快速性能是USB技術的突出特點，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，比並口快了十多倍。USB Ver2.0提供高達480Mb/s的數據傳輸率，可以在其上開發功能更多的電子產品，包括高解析度的視頻攝像機、下一代的掃描儀和印表機，並且，在USB 2.0上多個高速外設可同時運行。
　　(3)易於擴展通過USB HUB 擴展，可連接多達127個外設，且各種外設均採用統一USB接口標準的連接器，大大地簡化了安裝過程。標準USB電纜長度為3 M（5 M低速），通過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門的交流電源了，從而降低了這些設備的成本，並提高了性價比。
 　　(5)使用靈活為適應各種不同類型外圍設備的要求，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)支持多個外設同時工作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時和非實時數據，在主機和外設之間可以同時傳輸多個數據和信流，允許多個外設同時操作，並支持複合設備。
       
　　總之，USB是一種電纜總線，支持在主機和各式各樣的即插即用的外設之間進行數據傳輸。按照協議的規定，多個設備分享USB帶寬，當主機和其他設備在運行時，總線允許添加、設置、使用和拆除外設。
     
3USB的拓撲結構
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　　USB總線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。


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　　(1)主控制器USB系統與主機之間的接口稱為主控制器，通常，他被集成在主機系統中，由硬體、系統軟體、應用軟體構成。主控制器提供一個根結點（Root HUB），他可以直接與USB設備相連，也可以連接USB HUB，通過USB
      HUB來擴展接口。主控制器的主要功能有：動態檢測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用來擴展接口，以使系統連接更多的外設。他可以被集成到一個設備內部，如鍵盤和顯示器（稱為複合設備），或者作為一個單獨的設備實現，如圖1所示。在即插即用的USB結構體系中，集線器是一種重要設備，如圖2所示。
       
　　HUB簡化了USB互連的複雜性。HUB串接在HUB上，可讓不同性質的更多設備連在USB上。連接點稱為埠。每個HUB上行埠向主機方向連接，下行埠允許連接另外的HUB或設備。HUB可檢測每個下行埠的設備的安裝或拆卸，並分配電源給下行設備，他能處理屬於自己的信號，並將其他的信號放大傳輸給外設或主機。


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　　(3)USB設備是指帶有USB接口的外部設備，如掃描儀、MP3播放器、滑鼠等。他們使用標準的USB數據結構與主機進行通信，能識別主機發出的各種命令，並對其做出響應。
　　4USB的物理接口
        USB的物理接口包括電氣和機械2方面規範。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通過一種4線電纜與主機或USB
　　HUB相連接來傳輸信號和電源，如圖3所示。在每個點到點段中，通過兩根導線（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滑鼠，這類設備不能太多，因為其數目越多對總線利用率的影響就越大。USB採用位填充NRZI編碼方案，每個數據包之前是SYNC域，用於同步位時鐘。電纜中包括VBUS和GND兩條線，用來向設備提供電源。VBUS通常是+5 V電壓。


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　　機械方面，所有的設備都有一個上行或下行的連接。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上非法的迴路連接。

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。總地說來，各通道之間的數據流動是相互獨立的，一個指定的USB設備可以有多個通道。例如一個USB設備可建立向其他設備發送數據和從其他設備接收數據的兩個通道。USB體系結構支持4種基本的數據傳輸類型。
　　(1)控制傳輸採用了嚴格的差錯控制機制，其數據傳輸是無損的。如USB設備在初次安裝時，USB系統軟體使用控制傳送來設置設備參數   
　　(2)批量傳輸主要應用在大量傳輸和接收數據上，同時又沒有帶寬和時間間隔的要求，保證傳輸數據正確無誤，但對數據的實效性要求不高。如印表機和掃描儀就屬這種類型。
　　(3)中斷傳輸主要用於定時查詢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、操縱杆和滑鼠就屬這一類型。
　　(4)同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間。該方式用來連接需要連續傳輸的外圍設備，對數據的正確性要求不高，但對時間較為敏感。同步傳輸的典型事例是聲音的傳送。
　　當一個通道建立後，USB就會分配給他一定的帶寬，一般所分配的帶寬要保證緩衝引起的硬體上的延遲限定在幾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，並且USB支持在同一時刻的不同設備具有不同比特率，而且可動態變化。

6USB的「分時復用」和電源管理
       
　　當一個USB外部設備初次接入一個USB系統時，主機就會為該設備分配一個惟一的USB地址，並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），這稱為USB的總線列舉。USB使用總線列舉方法在計算機系統運行期間動態檢測外部設備的連接和摘除，並動態地分配USB地址，從而在硬體意義上實現「即插即用」和「熱插拔」。
       
　　在所有的USB信道之間動態地分配帶寬是USB總線的特徵之一。當一臺USB外設在連接並配置以後，主機即會為該USB外設的信道分配帶寬；而當他從USB系統中摘除或處於掛起狀態時，則他所佔用的USB帶寬即會被釋放，並為其他的USB外設所分享。這種「分時復用」的帶寬分配機制大大提高了USB帶寬利用率。
　　作為一種先進的總線方式，USB提供了基於主機的電源管理系統。USB系統會在一臺外設長時間（一般在3.0 ms以上）處於非使用狀態時自動將該設備掛起，此時，USB總線通過USB線纜為該設備僅提供500 μA以下的電流，並把該外設所佔用的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。當一臺外設處於掛起狀態時，必須先通過主機使該設備「喚醒」，然後才可以執行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的設備的應用。
     
7USB的應用
       
　　今天，計算機通信已經成為當今工業發展的一個重要方向。要想建立這種通信機制並使之在計算機平臺上既普遍又易於使用，就意味著必須做到低價格和良好的互連。而USB就能夠提供將各種計算機與電話互連的無處不在的連接鏈路。
       
　　USB使得即插即用與熱插拔成為現實，使用戶可以方便迅速地連接計算機的外圍設備。USB的特點是為所有USB外設連接計算機提供了一類全球通用的連接器，這些連接器將取代傳統的各種外部埠，如串口、遊戲接口、並口等，自USB Ver1.1版本推出後，USB接口得到廣泛的應用。可以預見，未來的計算機只有USB接口。
       
　　USB推出不久，視頻會議便成為USB的一個非常流行的應用，許多市場上早期應用的USB產品是視頻攝像機。USB的即插即用特點使這些攝像頭易於安裝，人們樂於使用。由於USB的巨大成功，一些著名的大公司紛紛加入USB標準制定俱樂部，並推出了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USB接口接入寬帶Internet，連接高清晰度的數位相機，連接下一代的高速印表機、掃描儀及高速的外存單元。使用USB 2.0接口下載一幅畫，將從現在的幾分鐘縮為幾秒鐘，USB的數據從硬碟備份只需幾分鐘，而今天幹同樣的事需花幾個小時。
       
　　USB是新一代商用和家庭用計算機外設的使能技術。他將為商業和家庭用戶轉換計算機功能，使之進入一個通用信息、通信和娛樂應用領域。除了已有的外設可用USB實現外，USB技術在下面幾個方面拓展了計算機的應用範圍。
　　(1)擴展商業計算機的功能
　　①CTI（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開發；視頻壓縮和POTS電話會議。
　　②安全設備ID卡閱讀器；數字加密設備。
　　③圖像和桌面出版設備限定範圍的數字相機；個人掃描儀；專用印表機。
　　(2)為家用PC增加新的功能
　　多用戶遊戲；數字遊戲杆；Internet設備；相片掃描儀和限定範圍的數字相機；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，包括數據採集、測試測量等，並且在工業控制系統、虛擬儀器等方面也有著重要的發展潛力。
     
　　8結語
　　USB技術作為新一代通用串行總線標準，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可行的解決策略，並且已經展示出廣闊的應用前景。

      參考文獻
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      ［2］USB 2.0 Specification ［S］. Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, Nec, Philips, 2000
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      ［4］黃維柱，許軍通用串行總線USB ［J］.計算機應用研究，2001，18（2）：46～48
      ［5］http://www.usb.org

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