通用串行總線USB及其應(yīng)用

1引言
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　　如今，隨著計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普及和深入，其外設(shè)也越來越多，如打印機(jī)、掃描儀、游戲桿、MIC、modem等。因計(jì)算機(jī)本身只提供高性能的運(yùn)算處理等方面的基本能力，當(dāng)我們將一臺(tái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于某個(gè)具體實(shí)際需要時(shí)，往往需要對(duì)他的基本功能進(jìn)行擴(kuò)展。而在對(duì)計(jì)算機(jī)功能擴(kuò)展時(shí)，原則上每個(gè)外設(shè)都必須插在一個(gè)接口上。當(dāng)外設(shè)多了以后，會(huì)產(chǎn)生一些問題。
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　　首先，外設(shè)增多，計(jì)算機(jī)接口也必須增多，但計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口總是有限的，雖然可以通過增加功能接口插卡來擴(kuò)展接口，但可增插卡的數(shù)量受計(jì)算機(jī)插槽個(gè)數(shù)的限制，并且擴(kuò)展接口卡存在以下問題：
　　(1)接口卡的插拔過程必須關(guān)機(jī)，并且需打開機(jī)箱進(jìn)行安裝和拆卸；?????
　　(2)接口插卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的安裝、調(diào)試直至正常運(yùn)行的過程仍需要各種技術(shù)的支持，其安裝和配置過程仍需人工干預(yù)。當(dāng)擴(kuò)展插卡較多時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)一塊或多塊插卡因無法合理配置而不能正常工作的情況，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；
　　(3)接口插卡質(zhì)量高低、兼容性和標(biāo)準(zhǔn)性的程度以及驅(qū)動(dòng)軟件的可靠性將直接影響計(jì)算機(jī)的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性；
　　(4)筆記本電腦之類的小體積PC很難用接口插卡進(jìn)行功能擴(kuò)展；
　　(5)PC插槽中的各種接口卡受到內(nèi)部的射頻輻射干擾，使其性能受到很大影響，除非接口卡是全數(shù)字化的。所以擴(kuò)展接口卡終究不是解決問題的根本方法。
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　　其次，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，大量新外設(shè)不斷出現(xiàn)，這些外設(shè)對(duì)計(jì)算機(jī)接口提出了更高的要求，如高速度、雙向傳輸數(shù)據(jù)等。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口，如并行打印機(jī)接口（數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s）、串行RS232接口（數(shù)據(jù)傳輸率為115～230 kb/s）已經(jīng)不能滿足用戶需要。
　　還有，計(jì)算機(jī)越來越向簡單、實(shí)用、方便、方向發(fā)展。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)外設(shè)安裝過程中，在加、減設(shè)備時(shí)，必須關(guān)掉電源，完成之后再重新啟動(dòng)機(jī)器。
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　　由于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)接口有上述缺點(diǎn)，不能滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的需要，于是，Intel，Microsoft，Compaq，NEC，IBM，Digital，Northern
Telecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)公司和通訊公司聯(lián)合制定了一種新的通用外部設(shè)備總線規(guī)范，即通用串行總線USB（Universal Serial
Bus）。1994年11月發(fā)表了標(biāo)準(zhǔn)的最早版本Ver0.7， 1998年9月23日公布的Ver1.1是目前普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到2.0版本。USB協(xié)議出臺(tái)后得到各計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商和外設(shè)廠商的廣泛支持。如今計(jì)算機(jī)主板都帶有USB接口，Windows 98/CE/2000全面支持USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很多計(jì)算機(jī)外設(shè)都采用USB接口。

2USB 的優(yōu)點(diǎn)
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　　USB與傳統(tǒng)的外圍接口相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
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　　(1)使用方便在USB系統(tǒng)中，所有的USB設(shè)備可以隨時(shí)接入和拔離系統(tǒng)，USB主機(jī)能夠動(dòng)態(tài)識(shí)別設(shè)備的狀態(tài)，并自動(dòng)給接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)。這樣，安裝USB設(shè)備時(shí)，不必打開機(jī)箱，甚至在計(jì)算機(jī)工作時(shí)也無需關(guān)機(jī)和重新啟動(dòng)即可加、減已安裝過的設(shè)備，也不必用手動(dòng)跳線或撥碼開關(guān)來設(shè)置新的外設(shè)。USB的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，USB設(shè)備單獨(dú)使用自己的保留中斷，也不涉及IRQ沖突問題，不會(huì)同其他設(shè)備爭用PC有限的資源，省去了硬件配置的煩惱，為用戶帶來了極大的方便。
　　(2)速度快快速性能是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)，USB Ver1.1標(biāo)準(zhǔn)有全速12 Mb/s和低速1.5 Mb/s兩種模式，主模式為全速，他比串口快了整整100倍，比并口快了十多倍。USB Ver2.0提供高達(dá)480Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，可以在其上開發(fā)功能更多的電子產(chǎn)品，包括高分辨率的視頻攝像機(jī)、下一代的掃描儀和打印機(jī)，并且，在USB 2.0上多個(gè)高速外設(shè)可同時(shí)運(yùn)行。
　　(3)易于擴(kuò)展通過USB HUB 擴(kuò)展，可連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)，且各種外設(shè)均采用統(tǒng)一USB接口標(biāo)準(zhǔn)的連接器，大大地簡化了安裝過程。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3 M（5 M低速），通過HUB 或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30 M。
　　(4)獨(dú)立供電USB 接口提供了內(nèi)置電源，他能向低壓設(shè)備提供5 V電源，因此，新的設(shè)備就不需要專門的交流電源了，從而降低了這些設(shè)備的成本，并提高了性價(jià)比。
?　　(5)使用靈活為適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求，USB 提供了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制(Control)傳輸、同步(Synchronization)傳輸、中斷(Interrupt)傳輸、批量(Bulk)傳輸。
　　(6)支持多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作USB系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。?shù)據(jù)帶寬可以從幾k到480 Mb/s，他允許在同一電纜上傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在主機(jī)和外設(shè)之間可以同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)和信流，允許多個(gè)外設(shè)同時(shí)操作，并支持復(fù)合設(shè)備。
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　　總之，USB是一種電纜總線，支持在主機(jī)和各式各樣的即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。按照協(xié)議的規(guī)定，多個(gè)設(shè)備分享USB帶寬，當(dāng)主機(jī)和其他設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，總線允許添加、設(shè)置、使用和拆除外設(shè)。
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3USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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　　USB
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　　(1)主控制器USB系統(tǒng)與主機(jī)之間的接口稱為主控制器，通常，他被集成在主機(jī)系統(tǒng)中，由硬件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件構(gòu)成。主控制器提供一個(gè)根結(jié)點(diǎn)（Root HUB），他可以直接與USB設(shè)備相連，也可以連接USB HUB，通過USB
????? HUB來擴(kuò)展接口。主控制器的主要功能有：動(dòng)態(tài)檢測USB設(shè)備的連接和拆除、管理主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，給新接入的設(shè)備分配地址和配置參數(shù)，為連接的USB設(shè)備提供電源。
　　(2)USB
　　HUB用來擴(kuò)展接口，以使系統(tǒng)連接更多的外設(shè)。他可以被集成到一個(gè)設(shè)備內(nèi)部，如鍵盤和顯示器（稱為復(fù)合設(shè)備），或者作為一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。在即插即用的USB結(jié)構(gòu)體系中，集線器是一種重要設(shè)備，如圖2所示。
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　　HUB簡化了USB互連的復(fù)雜性。HUB串接在HUB上，可讓不同性質(zhì)的更多設(shè)備連在USB上。連接點(diǎn)稱為端口。每個(gè)HUB上行端口向主機(jī)方向連接，下行端口允許連接另外的HUB或設(shè)備。HUB可檢測每個(gè)下行端口的設(shè)備的安裝或拆卸，并分配電源給下行設(shè)備，他能處理屬于自己的信號(hào)，并將其他的信號(hào)放大傳輸給外設(shè)或主機(jī)。


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　　(3)USB設(shè)備是指帶有USB接口的外部設(shè)備，如掃描儀、MP3播放器、鼠標(biāo)等。他們使用標(biāo)準(zhǔn)的USB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與主機(jī)進(jìn)行通信，能識(shí)別主機(jī)發(fā)出的各種命令，并對(duì)其做出響應(yīng)。
　　4USB的物理接口
??????? USB的物理接口包括電氣和機(jī)械2方面規(guī)范。USB 2.0有3種數(shù)據(jù)傳輸速率：
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????????? ②USB全速，12M b/s；
????????? ③USB低速，1.5 Mb/s。
??????? 電氣方面，USB通過一種4線電纜與主機(jī)或USB
　　HUB相連接來傳輸信號(hào)和電源，如圖3所示。在每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)段中，通過兩根導(dǎo)線（D+和D-）傳送信號(hào)。在主機(jī)控制器和HUB之間可以高速傳送全速和低速設(shè)備的數(shù)據(jù)，而在HUB和設(shè)備之間全速和低速傳送數(shù)據(jù)。這種性能減少了全速或低速設(shè)備對(duì)高速設(shè)備帶寬的影響。定義低速模式是為了支持少量的低帶寬設(shè)備如鼠標(biāo)，這類設(shè)備不能太多，因?yàn)槠鋽?shù)目越多對(duì)總線利用率的影響就越大。USB采用位填充NRZI編碼方案，每個(gè)數(shù)據(jù)包之前是SYNC域，用于同步位時(shí)鐘。電纜中包括VBUS和GND兩條線，用來向設(shè)備提供電源。VBUS通常是+5 V電壓。


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　　機(jī)械方面，所有的設(shè)備都有一個(gè)上行或下行的連接。上行和下行連接器在機(jī)械上不可以互換使用，這樣消除了在HUB上非法的回路連接。

5USB的數(shù)據(jù)流
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　　在主機(jī)和設(shè)備間數(shù)據(jù)交換存在兩種通道：流通道和消息通道。總地說來，各通道之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是相互獨(dú)立的，一個(gè)指定的USB設(shè)備可以有多個(gè)通道。例如一個(gè)USB設(shè)備可建立向其他設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和從其他設(shè)備接收數(shù)據(jù)的兩個(gè)通道。USB體系結(jié)構(gòu)支持4種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型。
　　(1)控制傳輸采用了嚴(yán)格的差錯(cuò)控制機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳輸是無損的。如USB設(shè)備在初次安裝時(shí)，USB系統(tǒng)軟件使用控制傳送來設(shè)置設(shè)備參數(shù)???
　　(2)批量傳輸主要應(yīng)用在大量傳輸和接收數(shù)據(jù)上，同時(shí)又沒有帶寬和時(shí)間間隔的要求，保證傳輸數(shù)據(jù)正確無誤，但對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)效性要求不高。如打印機(jī)和掃描儀就屬這種類型。
　　(3)中斷傳輸主要用于定時(shí)查詢?cè)O(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳輸。這典型地應(yīng)用在少量、分散、不可預(yù)測數(shù)據(jù)的傳輸中。鍵盤、操縱桿和鼠標(biāo)就屬這一類型。
　　(4)同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間。該方式用來連接需要連續(xù)傳輸?shù)耐鈬O(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)的正確性要求不高，但對(duì)時(shí)間較為敏感。同步傳輸?shù)牡湫褪吕锹曇舻膫魉汀?br /> 　　當(dāng)一個(gè)通道建立后，USB就會(huì)分配給他一定的帶寬，一般所分配的帶寬要保證緩沖引起的硬件上的延遲限定在幾ms內(nèi)。
　　USB的帶寬容量可容納多種不同的數(shù)據(jù)流，因此可連接大量的設(shè)備，并且USB支持在同一時(shí)刻的不同設(shè)備具有不同比特率，而且可動(dòng)態(tài)變化。

6USB的“分時(shí)復(fù)用”和電源管理
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　　當(dāng)一個(gè)USB外部設(shè)備初次接入一個(gè)USB系統(tǒng)時(shí)，主機(jī)就會(huì)為該設(shè)備分配一個(gè)惟一的USB地址，并作為該設(shè)備的惟一標(biāo)識(shí)（USB系統(tǒng)最多可以分配這樣的地址127個(gè)），這稱為USB的總線列舉。USB使用總線列舉方法在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)檢測外部設(shè)備的連接和摘除，并動(dòng)態(tài)地分配USB地址，從而在硬件意義上實(shí)現(xiàn)“即插即用”和“熱插拔”。
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　　在所有的USB信道之間動(dòng)態(tài)地分配帶寬是USB總線的特征之一。當(dāng)一臺(tái)USB外設(shè)在連接并配置以后，主機(jī)即會(huì)為該USB外設(shè)的信道分配帶寬；而當(dāng)他從USB系統(tǒng)中摘除或處于掛起狀態(tài)時(shí)，則他所占用的USB帶寬即會(huì)被釋放，并為其他的USB外設(shè)所分享。這種“分時(shí)復(fù)用”的帶寬分配機(jī)制大大提高了USB帶寬利用率。
　　作為一種先進(jìn)的總線方式，USB提供了基于主機(jī)的電源管理系統(tǒng)。USB系統(tǒng)會(huì)在一臺(tái)外設(shè)長時(shí)間（一般在3.0 ms以上）處于非使用狀態(tài)時(shí)自動(dòng)將該設(shè)備掛起，此時(shí)，USB總線通過USB線纜為該設(shè)備僅提供500 μA以下的電流，并把該外設(shè)所占用的USB帶寬分配給其他的USB外設(shè)。USB的電源管理機(jī)制支持如遠(yuǎn)程喚醒這樣的高級(jí)特性。當(dāng)一臺(tái)外設(shè)處于掛起狀態(tài)時(shí)，必須先通過主機(jī)使該設(shè)備“喚醒”，然后才可以執(zhí)行USB操作。
USB的這種智能電源管理機(jī)制，特別適合如筆記本電腦之類的設(shè)備的應(yīng)用。
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7USB的應(yīng)用
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　　今天，計(jì)算機(jī)通信已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。要想建立這種通信機(jī)制并使之在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上既普遍又易于使用，就意味著必須做到低價(jià)格和良好的互連。而USB就能夠提供將各種計(jì)算機(jī)與電話互連的無處不在的連接鏈路。
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　　USB使得即插即用與熱插拔成為現(xiàn)實(shí)，使用戶可以方便迅速地連接計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。USB的特點(diǎn)是為所有USB外設(shè)連接計(jì)算機(jī)提供了一類全球通用的連接器，這些連接器將取代傳統(tǒng)的各種外部端口，如串口、游戲接口、并口等，自USB Ver1.1版本推出后，USB接口得到廣泛的應(yīng)用。可以預(yù)見，未來的計(jì)算機(jī)只有USB接口。
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　　USB推出不久，視頻會(huì)議便成為USB的一個(gè)非常流行的應(yīng)用，許多市場上早期應(yīng)用的USB產(chǎn)品是視頻攝像機(jī)。USB的即插即用特點(diǎn)使這些攝像頭易于安裝，人們樂于使用。由于USB的巨大成功，一些著名的大公司紛紛加入U(xiǎn)SB標(biāo)準(zhǔn)制定俱樂部，并推出了USB? 2.0，他與USB 1.1兼容，而速度是USB 1.1的40倍，即達(dá)到480 Mb/s。接口速度的大幅度提高，將使計(jì)算機(jī)的功能大大增強(qiáng)，使得計(jì)算機(jī)可以通過USB接口接入寬帶Internet，連接高清晰度的數(shù)碼相機(jī)，連接下一代的高速打印機(jī)、掃描儀及高速的外存單元。使用USB 2.0接口下載一幅畫，將從現(xiàn)在的幾分鐘縮為幾秒鐘，USB的數(shù)據(jù)從硬盤備份只需幾分鐘，而今天干同樣的事需花幾個(gè)小時(shí)。
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　　USB是新一代商用和家庭用計(jì)算機(jī)外設(shè)的使能技術(shù)。他將為商業(yè)和家庭用戶轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)功能，使之進(jìn)入一個(gè)通用信息、通信和娛樂應(yīng)用領(lǐng)域。除了已有的外設(shè)可用USB實(shí)現(xiàn)外，USB技術(shù)在下面幾個(gè)方面拓展了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。
　　(1)擴(kuò)展商業(yè)計(jì)算機(jī)的功能
　?、貱TI（computer telephony integration）設(shè)備聲音郵件；集成通信；帶注釋的EMail；呼叫者識(shí)別（Call ID）；Web開發(fā)；視頻壓縮和POTS電話會(huì)議。
　?、诎踩O(shè)備ID卡閱讀器；數(shù)字加密設(shè)備。
　?、蹐D像和桌面出版設(shè)備限定范圍的數(shù)字相機(jī)；個(gè)人掃描儀；專用打印機(jī)。
　　(2)為家用PC增加新的功能
　　多用戶游戲；數(shù)字游戲桿；Internet設(shè)備；相片掃描儀和限定范圍的數(shù)字相機(jī)；數(shù)字音頻設(shè)備，MIDI接口外設(shè)。
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　　除了作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口在計(jì)算機(jī)外設(shè)的擴(kuò)展方面有著廣泛的應(yīng)用前景之外，USB還正在成為各種新型應(yīng)用的通用連接標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)采集、測試測量等，并且在工業(yè)控制系統(tǒng)、虛擬儀器等方面也有著重要的發(fā)展?jié)摿Α?br /> ?????
　　8結(jié)語
　　USB技術(shù)作為新一代通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)，他的確為消除傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的某些缺陷提供了切實(shí)可行的解決策略，并且已經(jīng)展示出廣闊的應(yīng)用前景。

????? 參考文獻(xiàn)
????? ［1］張念淮，江浩. USB總線接口開發(fā)指南［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2001
????? ［2］USB 2.0 Specification ［S］. Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, Nec, Philips, 2000
????? ［3］龍志宏連接的藝術(shù)［J］.中國計(jì)算機(jī)報(bào)，1999(15)
????? ［4］黃維柱，許軍通用串行總線USB ［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2001，18（2）：46～48
????? ［5］http://www.usb.org