USB总线技术及应用

1、USBUSB总线技术及应用总线技术及应用信息工程学院信息工程学院 USB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接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。 USB是在1994年底由Intel、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为3.0版本。 USB （Universal Serial Bus），通用串行总线

2、 USB总线技术总线技术USB 1.0USB 1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mbps ；1998年升级为USB 1.1，速度也大大提升到12Mbps，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1.5MB/s，低速方式的传输速率为1.5Mbps。USB2.0 USB2.0的传输速率达到了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US

3、B 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。 USB总线的发展总线的发展USB 3.0 由Intel、 Microsoft 、HP、TI、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0 Promoter Group宣布，该组织负责制定的新一代USB 3.0标准已经正式完成并公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品 。 USB 3.0在实际设备应用中将被称为“USB SuperSpeed”，顺应此前的USB 1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed。USB总

4、线的发展总线的发展USB设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： 1、可以热插拔。、可以热插拔。用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将USB电缆插上使用。 2、携带方便。、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比传统硬盘要轻一半的重量。 3、标准统一。、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机、扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。 USB主要优点主要优点 4

5、、可以连接多个设备。、可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有四个端口的USB HUB时，就可以再连上四个USB设备。 USB的系统描述的系统描述USB系统分为USB主机、USB设备和USB连接3部分。 任何USB系统中只有一台主机，USB系统和主机系统的接口称为主机控制器（Host Controller），它是由硬件和软件综合实现的。 USB设备包括集线器（Hub）和功能部件（Function）两种类型。 集线器为USB提供了更多的连接点，功能部件则为系统提供了具体的功能。USB系统拓扑结构 主机根HubNodeNodeHub1Hub4Nod

6、eNodeHub3Hub2NodeNodeNode主机(根层)第一层第二层第三层Hub：集线器；Node：结点(功能部件)USB的物理连接为的物理连接为分层星型布局，每分层星型布局，每个集线器处于星型个集线器处于星型布局的中心，与其布局的中心，与其他集线器或功能部他集线器或功能部件点对点连接。件点对点连接。根集线器置于主机系统内部，用以提供对外的USB连接点。USB系统的基本构架可以分为三个主要的部分：USB主机控制器主机控制器/根集线器根集线器； USB集线器集线器； USB设备设备。主机主机根集线器根集线器Hub端口端口USB设备设备HubUSB电缆 UBUSDDGNDUBUSDDGNDU

7、SB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源串行通道，另两根为下游设备提供电源 .USB电缆中UBUS、GND两条线用来向USB设备提供电源。UBUS的电压为+5 V。每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速或低速设备。所有设备都有一个上行或或下行的连接器，上行连接器和下行连接器不可互换，因而避免了集线器间非法的、循环往复的连接。 同一根电缆中还有一对互相缠绕的数据线。需要主机提供电源的设备称做总线供电设备（如键盘、 输入笔和鼠标等）。自带电源设备被称做自供电设备。USB系统的主机有与USB相互独立的电源管理系统，系

8、统软件可以与主机的能源管理系统结合，共同处理各种电源事件，如挂起、 唤醒等。 USB总线协议总线协议USB是一种轮询方式的总线，主机控制器初始化所有的数据传送。USB协议反映了USB主机与USB设备进行交互时的语言结构和规则。每次传送开始时，主机控制器将发送一个描述传输的操作种类、方向、USB设备地址和端口号的USB数据包， 被称为标记包（PID，Packet Identifier），USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。传输开始时，由标记包来设置数据的传输方向，然后发送端发送数据包，接收端则发送一个对应的握手数据包以表明是否发送成功。发送端和接收端之间的USB传输有两种类型

9、的信道： 流通道和消息信道。 消息数据采用USB所定义的数据结构、信道与数据带宽、传送服务类型和端口特性（如方向、 缓冲区大小等）有关。多数信道在USB设备设置完成后才会存在，而默认控制信道当设备一启动后即存在，从而为设备的设置、状况查询和输入控制信息提供了方便。 USB数据流数据流USB总线上的数据流就是主机与USB设备之间的通信。这种数据流可分为应用层、USB逻辑设备层和USB总线接口层，共有4种基本的数据传送类型：（1） 控制传送。控制传送采用了严格的差错控制机制，其数据传送是无损的。USB设备在初次安装时，USB系统软件使用控制传送来设置参数。（2）批传送。批量数据即大量数据，如打印机

10、和扫描仪中所使用的。批量数据是连续传送的，在硬件级上使用错误检测以保证可靠的数据传输，在协议中引入了数据的可重复传送。 根据其他的一些总线动作，批量数据占用的带宽可做相应的改变。 （3） 中断传送。中断数据是少量的，要求传送延迟时间短。这种数据可由设备在任何时刻发送，并且以不慢于设备指定的速度在USB上传送。中断数据一般由事件通告、特征及坐标组成， 只有一个或几个字节。 （4） 同步传送。在建立、传送和使用同步数据时，需满足其连续性和实时性。同步数据以稳定的速率发送和接收。为使接收方保持相同的时间安排，同步信道带宽的确定必须满足对相关功能部件的取样特征。 除了传输速率， 同步数据对传送延迟非常

11、敏感，因此也须做相关处理。一个典型的例子是声音传送，如果数据流的传输速率不能保证，则数据丢失将取决于缓冲区和帧的大小。即使数据在硬件上以合适的速率传输，但软件造成的传输延迟也会对实时系统造成损害。一般USB系统会从USB带宽中给同步数据流分配专有部分，以满足所需要的传输速率。USB的带宽可容纳多种不同数据流，因此可连接大量设备， 可容纳从1B+D（64 kb/s+16 kb/s）到T1（1.5 Mb/s)速率的电信设备; 而且USB支持在同一时刻的不同设备具有不同的传输速率， 并可动态地变化。 USB的容错性能的容错性能USB提供了多种数据传输机制，如使用差分驱动、接收和防护，以保证信号的完整

12、性；使用循环冗余码，以进行外设装卸的检测和系统资源的设置，对丢失和损坏的数据包暂停传输；利用协议自我恢复，以建立数据控制信道， 从而使功能部件避免了相互影响。上述机制的建立，极大地保证了数据的可靠传输。在错误检测方面，协议中对每个包的控制位都提供了循环冗余码，并提供了一系列的硬件和软件设施来保证数据的正确性。循环冗余码可对一位或两位的错误进行100%的恢复。在错误处理方面，协议在硬件和软件上均有措施。硬件的错误处理包括汇报错误和重新进行一次传输，传输中若再次遇到错误， 由USB的主机控制器按照协议重新进行传输，最多可进行三次。 若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，使之按特定方式处理。 US

13、B设备设备USB设备有集线器集线器和功能部件功能部件两类。在即插即用的USB结构体系中，集线器简化了USB互连的复杂性，可使更多不同性质的设备连入USB系统中。 集线器各连接点被称作端口，上行端口向主机方向连接（每个集线器只有1个上行端口），下行端口可连接另外的集线器或功能部件。集线器具有检测每个下行端口设备的安装或拆卸的功能，并可对下行端口的设备分配能源， 每个下行端口可辨别所连接的设备是高速还是低速。 集线器包括两部分：集线控制器和集线再生器。 集线再生器位于上行端口和下行端口之间，可放大衰减的信号和恢复畸变的信号，并且支持复位、挂起、 唤醒等功能。通过集线控制器所带的接口寄存器，可使主机

14、对集线器的状态参数和控制命令进行设置， 并监视和控制其端口。 USB集线器示意图 Hub上行端口端口#1端口#2端口#3端口#4端口#7端口#6端口#5功能部件是通过总线进行发送数据、接收数据或控制信息的USB设备，由一根电缆连在集线器某个端口上。功能部件一般相互独立，但也有一种复合设备， 其中有多个功能部件和一个内置集线器，并共同利用一根USB电缆。每个功能部件都含有描述该设备的性能和所需资源的设置信息。主机应在功能部件使用前对其设置，如分配USB带宽等。定位设备（鼠标、光笔）、输入设备（键盘）、输出设备（打印机）等都属于功能部件。 USB系统设置系统设置 USB设备可随时安装或拆卸。所有U

15、SB设备连接在USB系统的某个端口上。集线器有一个状态指示器，可指明USB设备的连接状态。主机将所有集线器排成队列以取回USB设备的连接状态信号。在USB设备安装后，主机通过设备控制信道来激活该端口，并将默认的地址值赋给USB设备（主机对每个设备指定了惟一的USB地址），并检测这种新装的USB设备是下一级的集线器还是功能部件。如果安装的是集线器，并有外设连在其端口上，上述过程对每个USB设备的安装都要做一遍；如果安装的是功能部件， 则主机关于该设备的驱动软件等将被激活。当USB设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口， 并向主机报告设备已不存在，USB系统软件将准确地进行撤消处理。如果拆除的

16、是集线器，则系统软件将对集线器及连接在其上的所有设备进行撤消处理。 USB系统中的主机系统中的主机 USB系统中的主机通过主机控制器与USB设备进行交互。 其主要功能为：检测USB设备的安装或拆卸；管理主机和USB设备间的控制数据流；收集状态和操作信息；向各USB设备提供电源。USB系统软件管理USB设备驱动程序的运作，包括设备编号和设置、同步数据传输、异步数据传输、电源管理、 设备与总线信息管理等。 C968pFR818R+/-1%D12XTAL2R101MD12DPR410KC80.1uF/D12INTC320pF/GOODLNK+ C64.7uF16V 33MHzX2R718R+/-1%

17、+C11.0uF16VD12XTAL1R14470RUSBDPD4D7D12DM/D12RDD2USBDMVCCC120.1uFD0J4UP_CONN12345VBUSD-D+GNDSHIELDU3P89CRD2HBA1312373839181920717164036353433323130P3.3P3.2P0.2P0.1P0.0X2X1VSSP1.6P3.7P3.6VCCP0.3P0.4P0.5P0.6P0.7_EAALE+ C111.0uF16V+3V3U1PDIUSBD1212345678910111213141516171819202122232425262728DATA0DATA1D

18、ATA2DATA3GNDDATA4DATA5DATA6DATA7ALECS_NSUSPENDCLKOUTINT_NRD_NWR_NDMREQDMACK_NEOT_NRESET_NGL_NXTAL1XTAL2VCCD-D+VOUT3.3A0D3C7470pFC220pFR91M/D12WRC1022pFVCCD6D12SUSPD 6MHzX1+3V3D1D12ALE/D12CSD12A0D1LED_GREEND5PDIUSBD12与微控制器的接口与微控制器的接口 各种的USB设备虽然都是采用了USB接口，但是这些设备的数据线并不完全相同。这些数据线在连接PC的一端都是相同的，但是在连接设备端的时候，通常出于体积的考虑而采用了各种不同的接口。从左往右依次为：miniUSB公口(A型插头