通用串行接口（USB）,USB的工作原理是什么?

通用串行接口（USB）,USB的工作原理是什么?

由于多媒體技術的發(fā)展對外設與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術應運而生。USB（Universal Serial Bus)，翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。

USB接口的主要特點是：即插即用，可熱插拔。USB連接器將各種各樣的外設I/O端口合而為一，使之可熱插拔，具有自動配置能力，用戶只要簡單地將外設插入到PC以外的總線中，PC就能自動識別和配置USB設備。而且?guī)捀螅黾油庠O時無需在PC內(nèi)添加接口卡，多個USB集線器可相互傳送數(shù)據(jù)，使PC可以用全新的方式控制外設。USB可以自動檢測和安裝外設，實現(xiàn)真正的即插即用。而USB的另一個顯著特點是支持“熱”插拔，即不需要關機斷電，也可以在正運行的電腦上插入或拔除一個USB設備。隨著時間的推移，USB將成為PC的標準配置?；赨SB的外設將逐漸增多，現(xiàn)在滿足USB要求的外設有：調制解調器，鍵盤，鼠標，光驅，游戲手柄，軟驅，掃描儀等，而非獨立性I/O連接的外設將逐漸減少。即主機控制式外設減少，智能控制控制外設增多。USB總線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了240Mbps，更換介質后連接距離由原來的5米增加到近百米?；谶@點，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。如數(shù)據(jù)手套的數(shù)字化儀提供數(shù)據(jù)接口。USB總線結構簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。

基本特性

1.USB的硬件結構

USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游（Downstream)設備提供電源，對于高速且需要高帶寬的外設，USB以全速12Mbps的傳輸數(shù)據(jù)；對于低速外設，USB則以1.5Mbps的傳輸速率來傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會根據(jù)外設情況在兩種傳輸模式中自動地動態(tài)轉換。USB是基于令牌的總線。類似于令牌環(huán)網(wǎng)絡或FDDI基于令牌的總線。USB主控制器廣播令牌，總線上設備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機來響應。USB通過支持懸掛/恢復操作來管理USB總線電源。USB系統(tǒng)采用級聯(lián)星型拓撲，該拓撲由三個基本部分組成：主機（Host)，集線器（Hub)和功能設備。

主機，也稱為根，根結或根Hub，它做在主板上或作為適配卡安裝在計算機上，主機包含有主控制器和根集線器（Root Hub)，控制著USB總線上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動，每個USB系統(tǒng)只能有一個根集線器，它連接在主控制器上。

集線器是USB結構中的特定成分，它提供叫做端口（Port)的點將設備連接到USB總線上，同時檢測連接在總線上的設備，并為這些設備提供電源管理，負責總線的故障檢測和恢復。集線可為總線提供能源，亦可為自身提供能源（從外部得到電源），自身提供能源的設備可插入總線提供能源的集線器中，但總線提供能源的設備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過四個的下游端口中，如總線提供能源設備的需要超過100mA電源時，不能同總線提供電源的集線器連接。

功能設備通過端口與總線連接。USB同時可做Hub使用。

2.USB的軟件結構

每個USB只有一個主機，它包括以下幾層:

(1)USB總線接口

USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來看，相似的總線接口由設備及主機同時給出，例如串行接口機（SIE）。USB總線接口由主控制器實現(xiàn)。

(2)USB系統(tǒng)

USB系統(tǒng)用主控制器管理主機與USB設備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時，USB系統(tǒng)也負責管理USB資源，例如帶寬和總線能量，這使客戶訪問USB成為可能。USB系統(tǒng)還有三個基本組件：

主控制器驅動程序（HCD）這可把不同主控制器設備映射到USB系統(tǒng)中。HCD與USB之間的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義，通用主控制器驅動器（UHCD）處于軟結構的最底層，由它來管理和控制主控制器。UHCD實現(xiàn)了與USB主控制器通信和控制USB主控制器，并且它對系統(tǒng)軟件的其他部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的最高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。

USB驅動程序（USBD）它在UHCD驅動器之上，它提供驅動器級的接口，滿足現(xiàn)有設備驅動器設計的要求。USBD以I/O請求包（IRPs)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸架構，它由通過特定管道（Pipe)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。此外，USBD使客戶端出現(xiàn)設備的一個抽象，以便于抽象和管理。作為抽象的一部分，USBD擁有缺省的管道。通過它可以訪問所有的USB設備以進行標準的USB控制。該缺省管道描述了一條USBD和USB設備間通信的邏輯通道。

主機軟件　在某些操作系統(tǒng)中，沒有提供USB系統(tǒng)軟件。這些軟件本來是用于向設備驅動程序提供配置信息和裝載結構的。在這些操作系統(tǒng)中，設備驅動程序將應用提供的接口而不是直接訪問USBDI（USB驅動程序接口）結構。

（3）USB客戶軟件

它是位于軟件結構的最高層，負責處理特定USB設備驅動器。客戶程序層描述所有直接作用于設備的軟件入口。當設備被系統(tǒng)檢測到后，這些客戶程序將直接作用于外圍硬件。這個共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶和它的設備之間，這就要根據(jù)USBD在客戶端形成的設備映像由客戶程序對它進行處理。

主機各層有以下功能：

檢測連接和移去的USB設備。

管理主機和USB設備間的數(shù)據(jù)流。

連接USB狀態(tài)和活動統(tǒng)計。

控制主控制器和USB設備間的電氣接口，包括限量能量供應。

HCD提供了主控制器的抽象和通過USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的主控制器視角的一個抽象。USBD提供了USB設備的抽象和USBD客戶與USB功能間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€抽象。USB系統(tǒng)促進客戶和功能間的數(shù)據(jù)傳輸，并作為USB設備的規(guī)范接口的一個控制點。USB系統(tǒng)提供緩沖區(qū)管理能力并允許數(shù)據(jù)傳輸同步于客戶和功能的需求。

3.USB的數(shù)據(jù)流傳輸

主控制器負責主機和USB設備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當作連續(xù)的比特流。每個設備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由0個或多個管道組成，它們分別獨立地在客戶程序和設備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機軟件的現(xiàn)實需求建立了接口和管道，當提出配置請求時，主控制器根據(jù)主機軟件提供的參數(shù)提供服務。

USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質。

控制傳輸類型　支持外設與主機之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設與主機之間提供一個控制通道。每種外設都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。

等時（lsochronous)傳輸類型　支持有周期性，有限的時延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設與主機間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無差錯校驗，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計算機－電話集成系統(tǒng)（CTI）和音頻系統(tǒng)與主機的數(shù)據(jù)傳輸。

中斷傳輸類型　支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤等輸入設備，這些設備與主機間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期性，但對響應時間敏感，要求馬上響應。

數(shù)據(jù)塊（Bulk)傳輸類型　支持打印機，掃描儀，數(shù)碼相機等外設，這些外設與主機間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。

USB采用分塊帶寬分配方案，若外設超過當前帶寬分配或潛在的要求，則不能進入該設備。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數(shù)據(jù)按一定的速率傳送。集中和控制終端按可用的最佳帶寬來傳輸傳輸數(shù)據(jù)。

USB應用

USB連接器可以輕松地為計算機添加設備，同時不占用計算機的并口和串口。只要將設備一插就可以使用了。但它有時也難以使用。

讓計算機支持USB
現(xiàn)在大部分的計算機都有USB端口。而一些老式的計算機則沒有USB端口的，只有USB連接器，但它是不起作用的，你可以在啟動計算機時查看BIOS，確定它是否支持USB。你可選擇USB　Legacy支持選項（如果有該選項的話）。如果你的老式主板真的不支持USB設備，你只有去買一塊USB連接卡，這就可以把USB設備添加到你的計算機里了。

讓WINDOWS操作系統(tǒng)支持USB
現(xiàn)在的WINDOWS　98對很多外設都提供了全面的支持。只有WINDOWS　3.X及更早版本的WINDOWS及WINDOWS　NT都不支持USB，如果你想查看你的計算機是否安裝了USB控制器，可進入“控制面板”，雙擊其中的“系統(tǒng)”圖標，然后選擇“設備管理器”選項卡。你就會看到“通用串口總線控制器”點擊該控制器，你會看到兩個項目：Universal Host Controller和Unicersal Root Hub。如果你還沒有安裝USB的驅動程序，則從你的WINDOWS安裝光盤的OTHERUSB文件夾中找到這些項目，雙擊Usbsupp.exe即可安裝USB驅動程序。

讓計算機連接更多的USB設備
一般的計算機只有兩個USB端口，如果你想連接更多的USB外設，則利用USB集線器，該集線器可提供多個USB端口，你只要將該集線器直接插入你的計算機即可。有了足夠的USB端口，你就可以最多連入127個USB設備。

USB為計算機外設輸入輸出提供了新的接口標準。它使設備具有熱插拔，即插即用，自動配置的能力，并標準化設備連接。USB的級聯(lián)星型拓撲結構大大擴充了外設數(shù)量，使增加，使用外設更加便捷，快速。而新提出的USB2.0標準更是將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了一個新的高度，這是具有美好的應用前景。
如今，人們購買的所有計算機的后面幾乎都配有一個或多個通用串行總線接口。通過這些USB接口，您可以將從鼠標到打印機的各種設備連接到計算機上，既方便又快捷。此外，操作系統(tǒng)也支持USB，這使設備驅動程序的安裝變得快捷而簡單。與其他將設備與計算機相連的方式相比（包括并行接口、串行接口以及您在計算機機箱內(nèi)安裝的特殊卡），USB設備真是簡單至極！

在本文中，我們將從用戶和技術這兩個角度來介紹USB接口。您將了解到USB系統(tǒng)為何如此靈活，它如何能夠支持如此多的設備。您將會切實感受到，這真是一種神奇的系統(tǒng)！

如果您使用計算機已有兩三年時間，那么一定知道，過去將設備連接到計算機上是一件讓人十分頭痛的事情，而這也正是通用串行接口在努力解決的問題。

• 過去，打印機都是連接到并行打印接口，而大多數(shù)計算機只有一個接口。諸如Zip驅動器之類的裝置需要與計算機建立高速連接，它們也要使用并行接口，但通常成功率很低，且速度不快。
• 調制解調器使用的是串行接口，而一些打印機以及諸如掌上電腦和數(shù)碼相機等的特殊設備也使用串行接口。大多數(shù)計算機最多有兩個串行接口，而且在多數(shù)情況下它們的速度都很慢。
  
• 那些需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O備會被制成專用硬卡，這就需要將它們裝在計算機機箱的卡槽中。遺憾的是，這些卡槽的數(shù)目也是有限的，而且為某些硬卡安裝驅動程序非常復雜，您恐怕需要請一位專家?guī)兔Σ拍芨愣ā?

USB的目標就是結束這些令人頭痛的麻煩。通用串行總線提供的方法單一、規(guī)范且易于使用，它可以將多達127臺設備連接到計算機上。

如今生產(chǎn)的所有外設幾乎都配有USB端口。下面列舉了一些現(xiàn)在可以買到的USB設備：

• 打印機
• 掃描儀
• 鼠標
• 操縱桿
• 模擬飛行操縱桿
• 數(shù)碼相機
• 網(wǎng)絡攝像機
• 科學數(shù)據(jù)采集設備
• 調制解調器
• 揚聲器
• 電話
• 視頻電話
• 存儲設備，如Zip驅動器
• 網(wǎng)絡連接

將USB設備連接到計算機上非常簡單——您只需在計算機上找到USB接口，然后插入USB接頭即可。

<-- Photo courtesy< font> -->個人計算機背面的典型USB插孔為方型插孔。

<-- Photo courtesy< font> -->稱為“A”接口的典型USB接頭

如果是一個新設備，操作系統(tǒng)會自動檢測到它，并尋找驅動程序。如果設備已經(jīng)安裝，則計算機會激活該設備，并開始與之對話。此后，您便可以隨時連接和斷開USB設備了。

許多USB設備都自帶內(nèi)置線纜，線纜上配有“A”接口。如果未提供內(nèi)置線纜，則設備上會有一個用于插入USB“B”接頭的插孔。

<-- Photo courtesy< font> -->典型的“B”接頭

USB標準使用“A”和“B”兩種接頭以避免產(chǎn)生混淆：

• “A”接頭表示“向上”連接至計算機。
• “B”接頭表示“向下”連接到各個設備。

通過在上端和下端分別使用不同的接頭，就不會產(chǎn)生混淆了。您只需將USB線纜的“B”接頭連接到某臺設備，而將“A”接頭插入“A”插孔就行了。

如今出售的大部分計算機都會提供一到兩個USB插孔。目前市場上提供的USB設備很多，計算機上的插孔很快就會被用光了。比如在一臺計算機上，有一臺USB打印機、一臺USB掃描儀、一個USB網(wǎng)絡攝像機和一個USB網(wǎng)絡連接。但這臺計算機上只有一個USB接口。很明顯，現(xiàn)在的問題是“應該如何將這些設備都連接到計算機上”？

解決問題的簡單辦法就是購買一個價格不高的USB集線器。USB標準可支持多達127臺設備，而USB集線器也屬于該標準的一部分。

<-- Photo courtesy< font> -->典型的USB四口集線器可插入4個“A”接頭。

集線器通常具有4個新端口，但也可能更多。您需要將集線器插入計算機，然后將設備（或其他集線器）插入集線器。通過將集線器串連在一起，您可以在一臺計算機上建立數(shù)十個可用的USB端口。

集線器有的帶電源，也有些不帶電源。正如您將在下一頁所看到的那樣，USB標準允許設備從它們的USB連接中獲取電能。顯而易見，打印機或掃描儀這樣的高功率設備將配有自己的電源，而像鼠標和數(shù)碼相機這樣的低功率設備則會靠總線供電，以簡化自身的構造。這些電能（5伏電壓可提供高達500毫安的電流）都來自計算機。如果您擁有許多自已供電的設備（如打印機和掃描儀），那么就不需要為集線器提供電源了——由于任何連接到該集線器的設備都不再需要額外電源，因而計算機自身便足以滿足集線器的需要了。反之，如果您有許多像鼠標和攝像機之類本身不提供電源的設備，則可能需要一個有電源的集線器。集線器配有自己的變壓器，它會為總線提供電源，以使設備不會加重計算機供電的負擔。

啟動主機后，它會查詢所有與總線相連的設備，并為每個設備分配一個地址。這個過程稱為枚舉——在將設備連接到總線時，主機也會枚舉它們。此外，主機還會查出每臺設備要執(zhí)行的數(shù)據(jù)傳輸類型。

• 中斷——鼠標或鍵盤等設備發(fā)送的數(shù)據(jù)非常少，它們會選擇中斷模式。
  
• 批量——打印機等設備接收的數(shù)據(jù)包含在一個大的數(shù)據(jù)包中，它們會使用批量傳輸模式。這種模式會將大塊數(shù)據(jù)發(fā)送到打印機（塊的大小為64個字節(jié)），并對這些數(shù)據(jù)進行驗證，以確保它們的正確性。
  
• 同步——流式設備（如揚聲器）都使用同步模式。在這種模式下，設備與主機之間的數(shù)據(jù)是實時傳輸?shù)?，其間沒有數(shù)據(jù)糾正過程。

此外，主機還可以通過控制數(shù)據(jù)包發(fā)送命令或查詢參數(shù)。

列舉設備時，主機會一直跟蹤所有同步和中斷設備所請求的總帶寬情況。如果總帶寬為480Mbps（兆比特每秒），這些設備最多可占用90%的帶寬。在用完這部分帶寬后，主機就會拒絕訪問任何其他同步或中斷設備，控制數(shù)據(jù)包和用于批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包將使用剩下的帶寬（至少有10%）。

通用串行總線會將可用帶寬分成多個幀，而主機則控制著這些幀。每個幀包含1,500個字節(jié)的數(shù)據(jù)，每隔一毫秒就會啟動一個新幀。在形成幀的過程中，將為同步和中斷設備分配一個槽，以便保證它們得到所需要的帶寬。批量和控制傳輸將使用剩下的空間來傳輸數(shù)據(jù)。如果想了解更多信息，您可以查看本文末尾的技術鏈接，它們提供了大量的詳細信息。

USB性能特點
通用串行總線具有以下性能特點：

• 計算機可以充當主機。
  
• 主機上可以連接多達127臺設備（可直接連接，也可以通過USB集線器連接）。
  
• 單根USB線纜可達5米之長；使用集線器后，設備最多可以在遠離主機30米的地方工作，這相當于六根線纜的長度。
  
• 使用USB 2.0時，總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達到每秒480兆比特。
  
• USB線纜包含兩根電源線（一根電壓為5伏的電線，另一根是地線）和一對用來承載數(shù)據(jù)的雙絞線。
  
• 在電源線上，計算機在5伏電壓下可提供高達500毫安的電流。

• 低功率設備（如鼠標）可以直接使用總線中的電流。高功率設備（如打印機）則配有自己的電源，總線只向它們提供很少一部分電能。集線器也自己有電源，能夠直接為與之相連的設備供電。

• USB設備都是熱插拔型的，這表示您隨時都可以將它們插入總線和拔掉它們。

• 當計算機進入省電模式時，主計算機可以將許多USB設備置于睡眠狀態(tài)。

與USB端口相連的設備依靠USB線纜來承載電源和數(shù)據(jù)。

<-- Photo courtesy< font> -->USB線纜的內(nèi)部構成：兩根電源線，其中一根是電壓為5伏的電線（紅色），另一根是地線（棕色）；一對用來承載數(shù)據(jù)的雙絞線（黃色和藍色）。該線纜還是屏蔽電纜。

USB 2.0
USB 2.0標準是USB 1.1的升級版本，于2000年4月推出。

USB 2.0（高速USB）為多媒體和存儲應用程序提供了額外帶寬，其數(shù)據(jù)傳輸速度比USB 1.1快40倍。為了讓消費者和制造商順利實現(xiàn)這一過渡，USB 2.0具有完全的向前和向后兼容性，它不僅可以用于原來的USB設備，而且還能使用之前USB制造的線纜和接口。

USB 2.0支持三種速度模式（每秒1.5、12和480兆比特），這樣它既可支持鍵盤和鼠標等低帶寬設備，也可支持高分辨率的網(wǎng)絡攝像機、掃描儀、打印機和高容量的存儲系統(tǒng)等高帶寬設備。隨著USB 2.0的廣泛應用，個人計算機（PC）領域的領導者可以加快新一代PC外設的開發(fā)，以跟上現(xiàn)有高性能PC的發(fā)展步伐。USB 2.0的傳輸速度也促進了新一代PC和應用程序的發(fā)展。除了改進功能和鼓勵創(chuàng)新外，USB 2.0還提高了用戶應用程序的效率，用戶可以同時運行多個PC應用程序或高性能外設。