USB总线技术及应用分析

USB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。
USB总线技术及应用
信息工程学院
USB总线技术
USB （Universal Serial Bus），通用串行总线
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 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主要优点
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。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。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。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。
4、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。
UBU S D＋ D－ GND
UBU S D＋ D－ GND
USB电缆பைடு நூலகம்
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
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总线的发展
USB 1.0 USB 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。
USB的物理连接为 分层星型布局，每 个集线器处于星型 布局的中心，与其 他集线器或功能部 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。
主 机 根 Hub Hub1 主 机 (根 层 )
第 一 层
Hub2
Node
Node
第 二 层
Hub3
Hub4
Node
Node
第 三 层
Hub ： 集 线 器 ； Node ： 结 点 (功 能 Node Node Node
USB系统拓扑结构
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 /根集线器； USB集线器； USB设备。
主机
根集线器
Hub端口 USB设备
Hub
USB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 .
USB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。