USB接口论文.doc

冯兰兰 0803380103 USB技术的发展和应用提到USB大家肯定都再熟悉不过了，我们基本上每天都会和它打交道，随身携带的U盘、硬盘，电脑上插的鼠标，MP3/MP4等等都是通过USB接口来进行数据的传输。但并非所有人都了解USB接口，事实上USB的全称为Universal Serial Bus，中文为通用串行总线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB技术的推出，可能是近代来计算机技术最重要的发展，因为USB的出现让IT产业的接口产生很大的革命，后来的影响不仅在IT产业，在消费性电子产业也到处可见USB的接口，因此USB的成功是勿庸置疑的。除了在个人计算机、笔记本电脑都是100%的标准配备外，我们也可以轻易在手机、LCD TV 、打印机、复印机等消费性电子产品上发现USB的踪迹，甚至包括全高清数字视频设备，也已有厂商正在研发中，当然这样的技术是基于最新的USB 3.0标准。由此可知USB真是无所不在。那么USB总线是怎么产生的呢？在USB产生以前，外部设备是通过RS232、RS485、并行接口、ISA接口、PCI接口等老式专用接口来实现与计算机的通信。这些接口存在很多缺陷：接口体积庞大，不利于计算机的小型化；老式接口大部分是专用的，规范不统一，使用很不方便；一般都是非共享式接口，扩展性差；这些接口采用传统的I/O模式，不支持热插拔，使得设备的连接十分麻烦。随着技术的发展和工作生活的需要，我们越来越需要一个新型的计算机接口来解决这些问题。此时，USB应运而生，正好满足了这些要求，使得其迅速推广开来。USB的发展历史可以追溯到1994年，Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司成立了USB论坛，并于1994年11月11日发表了USB 的最初版本USB0.7。此后USB版本经历了多年的发展：1995年11月正式制订了USB 0.9通用串行总线规范，1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。 USB 1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mb/s；1998年升级为USB 1.1，速度也大大提升到12Mb/s，现在在部分旧设备上还能看到这种标准的接口。USB1.1是较为普遍的USB规范，其高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps。 USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps，折算为MB为60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0中的“增强主机控制器接口”（EHCI）定义了一个与USB 1.1相兼容的架构。它可以用USB 2.0的驱动程序驱动USB 1.1设备。也就是说，所有支持USB 1.1的设备都可以直接在USB 2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。2007年秋季，由英特尔、微软、惠普、NEC、NXP半导体和德州仪器六家行业巨头组成的USB3.0促进者社团（USB3.0 Promoter Group）发布了超高速USB（SuperSpeed Universal Serial Bus）互联规格，即USB3.0。该社团宣布USB3.0其传输速率可达2.0版的10倍，将广泛应用于PC、消费电子和移动设备领域。规范已于2008年11月中旬制定完毕并对外公布。如今USB 3.0已蓄势眈眈。众所周知，USB 3.0与其它接口相比具有众多优势，其有两大最能拿得出手的东西，就是传输速度和兼容性。USB3.0的速度传输率在5Gbps左右，也就是625MB/s，并向下兼容USB2.0，大约是现在主流USB2.0接口传输速度（理论值480Mb/s）的十倍，虽然在产品实测中距离625MB/s的理论极限速度还差很远，但对比USB 2.0已经进步相当大了。虽然USB 3.0现在还未普及，但目前支持USB3.0接口的相关数码产品已经逐步进入我们的生活，华硕、技嘉就已经推出了相关的支持USB 3.0主板，希捷、西部数据等一线存储厂商也推出了USB3.0接口的移动硬盘，同时其它的相关产品如硬盘盒、转接卡、硬盘底座也在不断涌现。了解一种接口技术，我们必不可少的要谈到其通信协议。由于USB涉及硬件、软件等多个方面，因此USB协议远比普通的并行接口和串行接口要复杂。USB协议包括电源管理、事务处理、数据传输、设备配置、设备请求、集线器配置、集线器请求等几个方面。（1）USB电源管理 ：USB总线接口具有向外提供电源的能力，能在一定程度上满足USB设备的电源需求。USB系统中包含一个完善的电源管理子系统，该系统可以管理USB设备的挂起、恢复等，从而实现系统电源的有效使用和合理分配。（2）USB事务处理：USB事务处理是USB主机和USB设备数据通信的基础。一个完整的USB事务处理包含令牌阶段、数据阶段和握手阶段，其中令牌阶段是必须的。（3）USB数据传输：USB协议对USB的数据传输类型进行了详细的分类，按照传输数据量的大小、传输速率的高低以及对时间的要求，可以分为4种传输类型：块传输、中断传输、同步传输和控制传输。（4）USB设备配置：在USB协议中，将USB设备作为一个配置、端点和接口的集合。一般采用USB描述符对该USB设备的功能进行描述。USB主机通过读取这些描述符来使该USB功能设备执行相应的功能，以及产品信息。（5）USB设备请求：在USB协议中，主机对USB设备的各种配置操作都是通过设备请求来实现的。（6）USB集线器配置：USB集线器是最常用的一类USB设备，用于扩展计算机的USB接口。在USB协议中，对USB集线器进行了单独的定义，除了标准的USB描述符外，还定义了USB集线器类描述符，这样方便了USB集线器设备的使用。（7）USB集线器请求：在USB协议中，USB集线器是作为一个设备类来定义的，USB集线器类使用其特定的类描述符。同样，USB集线器除了需要支持标准的USB设备请求外，还需要支持USB集线器类请求。如今，USB接口不仅已成为了电脑装备中必不可少的一部分，它还广泛应用于各行各业。比如其在工业测控中、在数据采集中、在图像传输系统中都有重要的应用。USB设备之所以会被大量应用，主要是它具有以下优点： (1) USB具有极强的外设连接能力。它能够以菊花链的形式将多个外设连接到同一系统上,允许最多连接127个物理设备,且各种外设均采用统一USB接口标准的连接器 ,这极大地简化了安装过程。 (2) USB支持带电动态插拔 (简称热插拔 ) USB设备。这意味着外设可在不关闭电源的情况下自由地进行安装和拆卸。(3)USB可自动对USB设备进行动态配置。USB系统通过总线枚举技术动态检测并处理总线设备的变化情况，当某外设与主机相连时，USB控制器可自动地识别所有USB设备,并从主机获得指挥其正常运作的智能信息 (包括相应高层驱动程序和配置参数)。这意味着不必重新启动计算机 ，即可动态完成对添加外设的配置 ,因此USB具有即插即用 (PnP)的特性。 (4) USB系统支持多种数据传输要求它适合于各种中/低速外设与主机相连 ,数据带宽可从几kb到12Mbs ,它允许在同一电缆上传输时实和非时实数据 ,且允许多个外设同时操作,并支持复合设备。 (5) USB支持错误检测与恢复处理,具有自动检测并隔离出错设备的能力。在中高速数据传输过程中,数据容易受外界干扰而出错,USB总线协议规定在每个数据包中加入CRC校验,通过校验算法检测传输过程中出现的差错,并通过纠错算法尽可能地恢复出错数据。当然，在接口技术高度发展的今天，USB接口技术相对于某些接口技术也存在一些缺点。比如，现行的USB2.0速度还不是很高，仅为1394的1/6；缺少对老硬件设备的支持；连接距离有限；协议太复杂；存在数据泄漏、传染病毒等安全性问题等等。随着高速USB在个人计算机、消费电子以及移动等各种细分市场内的普及，USB 3.0将迅速取代USB 2.0端口成为高带宽应用领域的最新标准，其卓越的性能将再更多的领域得到应用。比如利用USB 3.0接口进行HDTV传输，对于未压缩的1080p高清信号，如果要达到30fps的帧速至少需要传输速度达到450MB/s，而USB 3.0高达600MB/s的传输速度将让这项应用得以实现。越来越多的应用证明今后用户将摆脱线缆的束缚，无线应