USB通用串行总线接口综述

USB通用串行总线接口综述(第1稿),南京大学计算机系俞建新2001年7月29日,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,2,目录,一、USB的由来二、USB的基本特点三、USB的体系结构概述四、USB的同类产品IEEE1394五、USB的今后发展六、USB设备使用知识,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,3,一、USB的由来,USB（UniversalSerialBus）是由Compaq、HP、Intel、Lucent（朗讯）、Microsoft、NEC和Philips七家公司联合推出的新一代标准接口总线。该总线是一种连接外围设备的机外总线，最多可连接127个设备，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便。USB规范有多种版本，最早的版本是1994年11月推出的USB0.7版。1996年1月推出了标准版本USBl.0，目标是为中低速的外围设备提供双向、低成本的总线，数据传输率最高为12Mb/s。,YUJIANXIN:马鸣锦P324,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,4,USB新规范USB2.0,随着微机系统及其外设性能和功能的增强，需处理的数据量越来越大，2000年4月又推出了新的USB规范USB2.0。在新版本中，增加了一种480Mb/s的数据传输率，以满足日益复杂的高级外设与PC机之间的高性能连接需求。USB2.0是USB的自然升级，它在保留原有USB规范的基础上又提供了更高的带宽，并且与现有的外设保持完全兼容。,YUJIANXIN:马鸣锦P324,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,5,PC机的主要外设总线回顾,串行总线RS232（1969年，EIA颁布）IEEE1394（1995年，IEEE颁布）USB（1994年，七家公司联合推出）并行总线STD（8位，Pro-Log公司1978年推出）ISA（16位，IBM公司1984年推出）EISA（16位，Compaq等公司1989年推出）PCI（32位，1992年Intel倡导下推出1.0版）,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,6,USB基本概念（1）,近年来USB技术已经成为了计算机领域发展最快的技术之一，并为越来越多的个人计算机界人士所接受。Windows98的问世，使USB的操作系统支持问题得到了解决。从此各种USB设备不断涌现。可以认为在Windows98操作系统推动下，带来了USB技术的飞速发展和普及。现在，不管买什么样的个人电脑，你都能找到USB端口。USB技术并不仅限于PC行业，现在每一个计算机硬件的生产商都在尝试在他自己的平台上应用USB技术。,YUJIANXIN:张念淮P3,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,7,USB基本概念（2）,我们通常所用的鼠标和调制解调器都是连接在串口上的。但USB并不完全是一个串口，它实际上是一种串行总线。这意味着你的机箱后盖上的USB端口可以连接许多设备，这些设备可以相互连接在一起。而且不同类型的设备组成可以通过一种称为USB集线器的硬件分离开来，这些都是与传统的串口上只能链接一个设备有着本质区别的。USB用来把串口、并口等不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式(星型结构)可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。,YUJIANXIN:张念淮P3,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,8,USB基本概念（3）,今后USB将取代当前PC上的串口和并口。当我们提到USB时，与其将它想象成一个串口，还不如将它想象成一个连接有不同设备的网络，就像我们所熟悉的以太网一样。给出了一个典型的USB设备网络配置的示意图。,YUJIANXIN:张念淮P3,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,9,典型的USB配置图,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,10,二、USB的基本特点,与传统的总线接口相比，USB有以下七方面的优点。下面分别介绍。,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,11,USB总线的主要性能特点（1）,每个USB系统中有一个主机，采用“级联”方式USB总线可连接多个外部设备。每个USB设备用一个USB插头连接到上一个USB设备的USB插座上，而其本身又提供一或多个USB插座供下一个或多个USB设备连接使用。这种多重连接是通过集线器Hub来实现的，整个USB网络中最多可连接127个设备，支持多个设备同时操作。,YUJIANXIN:马鸣锦P324,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,12,USB总线的主要性能特点（2）,USB提供机箱外的热即插即用功能，连接外设不必再打开机箱，也不必关闭主机电源，USB可智能地识别USB链上外围设备的动态插入或拆除，具有自动配置和重新配置外设的能力，因此连接设备方便。,YUJIANXIN:马鸣锦P324,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,13,USB总线的主要性能特点（3）,适用于带宽范围在几千位/秒（Kb/s）几百兆位/秒（Mb/s）的设备。USB总线既可连接键盘、鼠标、摄像头、游戏设备、虚拟现实外设这样的低速设备，也可连接电话、声频、麦克风、压缩视频这样的全速设备，还可连接视频、存储器、图像这样的高速设备。此外，USB总线还允许复合设备（即具有多种功能的外设）连接到PC机。,YUJIANXIN:马鸣锦P324,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,14,USB总线的主要性能特点（4）,低成本的电缆和连接器。USB通过一根四芯的电缆传送信号和电源，电缆长度可变，可长达5m。USB统一的4针插头将取代机箱后部众多的串行口、并行口、键盘接口等插头。USB具有错误检测和处理机制，可识别设备的错误。较低的协议开销带来了高的总线性能，且适合于低成本外设的开发。支持主机与设备之间的多数据流和多消息流传输，且支持同步和异步传输类型。,YUJIANXIN:马鸣锦P324,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,15,过去接口方案存在缺点,今天的微型计算机上所使用的大多数外围设备仍然是基于接口实现的，这些接口最早由IBM公司在20世纪80年代早期设计。这些接口的设计有很多缺陷，它们不仅给设计者带来了许多麻烦，而且也给用户带来诸多不便。下面我们将对这些缺点进行总结和回顾。在这个过程中我们将会注意到：这些缺点中的很多直接导致了人们需要更好的解决方案来实现外围设备与计算机之间的连接。,YUJIANXIN:USB系统体系P2,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,16,PC的I/O模式的缺点,下图表示了传统的I/O模式，在那里外围设备通常被映射为CPU的I/O地址空间，并且被分配一个指定的IRQ(中断请求)，在某种情况下它们也可以是一个DMA通道。这些系统资源被分配给指定的外围设备，这些地址的分配通常是由IBM公司和其他设备制造商指定。而且在事实上，这种地址分配方法已经成为一种标准。软件开发者要利用这些关于中断请求和DMA通道的信息对指定的设备进行访问。,YUJIANXIN:USB系统体系P3,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,17,传统外围设备所用的系统资源,YUJIANXIN:USB系统体系P3,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,18,中断,在大多数情况下，许多关键的系统资源问题都涉及到中断请求分配，因为PC上所用到的很多设备都要求使用中断。这一点对于那些通过ISA总线和PC相连的外围设备来说尤其是这样，因为ISA总线不能可靠地支持共享式中断。下表列出了每个IRQ以及使用每个IRQ的典型设备。从这个表中我们可以看到，很多IRQ指定给特定的设备，这种做法完全是出于传统的考虑。但是还有一些IRQ可以被很多种外围设备使用。基于PCI总线的系统也包括ISA或EISA两种总线。,YUJIANXIN:USB系统体系P3,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,19,典型的设备占用中断情况表,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,20,I/O地址和非共享式接口,在PC的环境中，IO地址冲突是十分常见的。注意外围设备通常需要大块的IO地址单元，这样他们才能够报告设备的状态信息并且给设备发送命令。尽管x86处理器有能力访问64KB的IO地址单元，但是传统的扩展卡通常只能对16条地址线中的10个进行解码。这就导致了最多只能有1KB的地址空间块可以被ISA的扩展卡所使用。标准PC的外围设备接口支持单个设备的连接。由于在一个给定的时刻只有一个外围设备可以连接，这样，连接的灵活性就被最小化。由于这个限制，所以通常是做一块专用的扩展卡插到扩展总线上，通过它来为新的外围设备建立一个连接点，但是这种做法相对来说成本比较昂贵。,YUJIANXIN:USB系统体系P4,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,21,终端用户遇到的问题,种类繁多的数据线扩展卡的安装和配置外围设备不能热插拔成本,YUJIANXIN:USB系统体系P5,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,22,三、USB的体系结构概述,我们讨论USB的以下几个方面系统描述物理接口电源总线协议健壮性系统配置数据流类型,YUJIANXIN:马鸣锦P325-P330,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,23,3.1USB系统描述,一个USB系统由三部分来描述：USB主机、USB设备和USB互连。USB设备USB设备分为Hub(集线器)和Function(功能)两大类。USB主机在任一USB系统中只有一个主机。到主计算机系统的USB接口被称作主机（主控制器）。USB互连USB互连指的是USB设备与主机的连接和通信方式，它包括总线拓扑结构、内层关系、数据流模型和USB调度表。,YUJIANXIN:马鸣锦P325,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,24,USB总线拓扑结构,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,25,3.2USB物理接口,USB总线的电缆有4根导线一对标准尺寸的双绞信号线和一对标准尺寸的电源线USB总线支持的数据传输率有三种：高速信令位传输率为480Mbs；全速信令位传输率为12Mbs；低速信令位传输率为1.5Mbs。USB20支持在主控制器与Hub之间用高速传输全速和低速数据，而Hub与设备之间以全速或低速传输数据，参看下图。,YUJIANXIN:马鸣锦P326,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,26,USB电缆示意图,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,27,3.3电源,USB的电源规范包括两个方面：电源分配用来处理USB设备如何使用主机通过USB总线提供的电源。电源管理用来处理USB系统软件和设备如何适应主机上的电源管理系统。,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,28,3.4总线协议,USB是种查询(Polling)总线，由主控制器启动所有的数据传输。USB上所挂连的外设通过由主机调度的(Host-Scheduled)、基于令牌的(Token-Based)协议来共享USB带宽。主机与设备端点之间的USB数据传输模型被称作管道，管道有两种类型：流和消息。消息数据具有USB定义的结构，而流数据没有。,YUJIANXIN:马鸣锦P327,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,29,总线协议（续）,管道与数据带宽、传输服务类型、端点特性(如方向性和缓冲区大小)有关。当USB设备被配置时，大多数管道就形成了。一旦设备加电，总是形成一个被称作缺省控制管道的消息管道，以便提供对设备配置、状态和控制信息的访问。,YUJIANXIN:马鸣锦P327,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,30,3.5健壮性（Robustness）,USB采取以下措施提高它的健壮性：采用数据管道和控制管道结构，以保证功能之间的独立性。使用差分驱动器和接收器以及屏蔽保护，以保证信号的完整性。控制域和数据域的CRC保护校验。连接和断开检测及系统级资源配置。协议的自我修复，对丢失包或毁坏包执行超时(Timeouts)处理对流数据进行流量控制，以保证对等步和硬件缓冲器维持正常的管理。,YUJIANXIN:马鸣锦P328,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,31,3.6系统配置,USB支持USB设备随时连到USB总线上，或随时从USB总线上拆除，因此，系统软件必须适应物理总线拓扑结构的动态变化。USB设备的连接USB设备的拆除总线点查（BusEnumeration）,YUJIANXIN:马鸣锦P328,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,32,3.7数据流类型,USB数据传输发生在主机软件和USB设备的一特定端点之间，也就是说，主机软件发起的USB数据传输是面向端点的。主机软件与USB设备端点之间的这种联系被称作管道。USB支持USB主机和USB设备之间通过一组单向管道或一组双向管道来交换功能数据和控制信息。通常情况下，各个管道中的数据传送是相互独立的。,YUJIANXIN:马鸣锦P329,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,33,数据传输,一个给定的USB设备可有多个管道，例如，可以分别用两个端点来支持形成两个管道，一个管道用来传输主机到USB设备的数据，另一个管道用来传输USB设备到主机的数据。USB结构包括四种基本类型的数据传输控制传输批量传输中断传输等步传输,YUJIANXIN:马鸣锦P329,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,34,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,35,四、同类产品IEEE1394,IEEEl394是Apple公司于1993年首先提出，用以取代SCSI的高速串行总线“FireWire”，后经IEEE协会于1995年12月正式接纳成为一个工业标准。全称为IEEEl394高性能串行总线标准（IEEEl394HighPerformanceSerialBUSStandard）。在1997年和1998年先后两次由Microsoft、Intel和Compaq几家公司共同制定的PC97和PC98系统设计指南中，规定把USB、IEEEl394作为外设的新接口标准加以推行。IEEEl394总线有如下特征:,YUJIANXIN:刘乐善P380,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,36,IEEE1394的特点（1）,IEEEl394与USB有许多相似之处，其主要性能特点如下：采用“级联”方式连接各个外设。IEEEl394不需要集线器(Hub)就可在一个端口上连接63个设备，设备间采用树形或菊花链结构，其电缆的最大长度是4.5m。采用树形结构时可达16层，因此，从主机到最末端外设电缆总长可达72m。电缆不需要终端器（Terminator）。,YUJIANXIN:马鸣锦P325,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,37,IEEE1394的特点（2）,能够向被连接的设备提供电源。IEEEl394使用6芯电缆，其中两条线为电源线，其它4条线被包装成两对双绞线，用来传输信号。具有高速数据传输能力。IEEEl394的数据传输率有三档：100Mbs、200Mbs、400Mbs，特别适合于高速硬盘以及多媒体数据的传输。,YUJIANXIN:马鸣锦P325,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,38,IEEE1394的特点（3）,可以实时地进行数据传输。IEEEl394除了异步传送外，也提供了一种等时同步(Isochronous)传送方式，数据以一系列固定长度的包，等时间间隔地连续发送，端到端既有最大延时限制又有最小延时限制。,YUJIANXIN:马鸣锦P325,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,39,IEEE1394的特点（4）,IEEE1394的总线仲裁除了优先权仲裁方式之外，还有均等仲裁和紧急仲裁两种方式，这保证了多媒体数据的实时传送。采用点对点(PeertoPeer)结构。任何两个支持IEEEl394的设备可直接连接，不需要通过主机控制。设备连接方便。IEEEl394也支持热即插即用，在增加或拆除外设后，IEEEl394会自动调整拓扑结构，重设整个外设的网络状态。,YUJIANXIN:马鸣锦P325,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,40,IEEE1394的特点（5）,USB和IEEE1394的设计出发点不同IEEEl394是一种高速串行总线，它一开始就是面向高速外设的，而USB一开始是面向中低速外设的。两种串行总线都在推广之中。USB20的推出使得USB总线也可以连接高速外设，再加上USB总线的价格优势，USB总线可能会有广阔的发展前景。,YUJIANXIN:马鸣锦P325,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,41,IEEE1394与USB的比较,2020/6/14,南京大学计算机系俞建新,42,五、USB的今后发展,USB2.0速度快，达到480MB/S，超过IEEE1394。USB和IEEE1394竞争激烈火线标准走向普及发展趋势：USB将胜过IEEE1394P4芯片组将集成US