USB知识介绍

摘要：通用串行总线(USB)是一种简单的计算机外围接口标准。它具有即插即用、扩展方便等优点，已成为计算机必备的一个接口。本文简要介绍USB总线的功能、拓朴结构及其数据传输过程，并举例说明USB接口的实际应用。

关键词：通用串行总线USB接口外围接口标准

一、USB接口背景

　　在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源(如中断，I/O地址，DMA通道等)。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。

　　USB总线是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。USB总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上。

二、USB总线优缺点

1.优点

　　（1）使用简单

　　所用USB系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。

　　（2）应用范围广

　　USB系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB系统最多可支持127个物理设备。USB设备的带宽可从几Kbps到几Mbps (在USB2.0版本，最高可达几百Mbps)。一个USB系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的ISDN、语音，高速的磁盘、图像等(仅USB2.0版本支持高速设备)。

　　（3）较强的纠错能力

　　USB系统可实时地管理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。

　　（4）总线供电

　　USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电，最大可提供500mA的电流。USB设备也可采用自供电方式。

　　（5）低成本

　　USB接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB系统接口/电缆也比较简单，成本比串口/并口低。

2.缺点

　　USB技术还不是很成熟，特别是高速设备。市场上现有的USB设备价格都比较昂贵，但随着USB技术的日益成熟，设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。

三、USB系统拓扑结构

　　一个USB系统包含三类硬件设备: USB主机(USB HOST)、USB设备(USB DEVICE)、USB集线器(USB HUB)，如图1所示。
　

　　（1）USB HOST

　　在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功能:

　　◇管理USB系统；
　　◇每毫秒产生一帧数据；
　　◇发送配置请求对USB设备进行配置操作；
　　◇对总线上的错误进行管理和恢复。

　　（2）USB DEVICE

　　在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。

　　（3）USB HUB

　　USB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)<SPAN style="FONT-SIZE: 9pt; mso-

新闻摘要:USB是英文UniversalSerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术。自从1995年PC机带有USB接口，1998年USB接口逐步走进大规模实用阶段。这几年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。
USB英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应用在PC领域的新型接口技术。自从1995年PC机带有USB接口， 1998年USB接口逐步走进大规模实用阶段。
几年，随着大量支持USB的个电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。在主机(host)端，最新推出的PC机几乎100%支持USB；而在外设(device)端，使用USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。
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，告别“并口和串口先关机，将电缆接上，再开机”的动作。
2、  系统总线供电，低功率设备无需外接电源，采用低功耗设备，并可提供5V/500mA电源。
3、  支持设备众多，支持多种设备类，例如鼠标，键盘，打印机等。
4、  扩展容易，可以连接多个设备，最多可扩127个。
5、  高速数据传输，USB1.1是12Mb/s，USB2.0高达480Mb/S。
6、  方便的设备互连，USB OTG支持点对点通信，例如数码相机和打印机直接互连，无需PC。
当然，USB设备也有其缺点，包括：
1、  供电能力，如果外设的供电电流大于500mA时，设备必须外接电源。
2、  传输距离，USB总线的连线度最大为5m，即便是用HUB来扩展，最远也不超过30米。
为了扩展USB的应用范围，很多公司在USB规范上添加了新的功能，例如PoweredUSB和ExtremeUSB，前者加大了USB的供电能力，后者延长了USB的传输距离

新一代接口标准——USB完全介绍

·什么是USB
USB，全称是Universal Serial Bus（通用串行总线），它是在1994年底康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合制订的，但是直到1999年，USB才真正被广泛应用。自从1994年11月11日发表了USB V0.7以后，USB接口经历了六年的发展，现在USB已经发展到了2.0版本。
·USB有什么用
熟悉电脑硬件的朋友都知道，电脑上的每个设备都有一个接口，用来与其它部件连接。但是由于主板上所能提供的外部接口比较少，一般只有一个并口和两个串口，所能连接的设备十分有限，而且拔插设备的时候需要关机（带电拔插会造成烧毁设备的严重后果），传输速度也很慢，在要求高传输率的场合根本无法满足要求。
而USB接口则很好地解决了以上所有问题，采用USB接口的设备无一例外地支持热拔插（带电拔插），使微软的“即插即用（Plug and Play，PnP）”得以真正实现，用户在开机状态时即可将设备连接到电脑主机上，免除了漫长的重新启动过程。USB接口所能连接的设备多达127个，而且可以同时使用。速度方面，USB 1.1提供了12Mbps的带宽，足以满足大多数诸如键盘、鼠标、MODEM、游戏手柄以及摄像头等等设备的要求。同时也可以提供500毫安的电流，一些耗电量比较小的设备就可以不必外接电源了。
·USB到底有多快
在USB1.1规范中，有高速和低速两种传输速率，高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps。这里要多说一句，很多人都不明白“MB”与“Mb”之间的区别，“MB”是“Mega Byte”，指“兆字节”。而“Mb”则是“Mega bit”，指“兆位”。别看只是大小写之分，它们之间可是相差8倍呢，1MB=8Mb。而“Mbps”则是指“Mega bit per second”，意思是“兆位/秒”，要是想换算成“兆字节/秒”的话需要除以8。
也许大家已经猜到了，象键盘鼠标游戏手柄这样的设备，只要低速方式就可以满足它们的要求了；而ZIP、扫描仪以及打印机等设备就需要用到高速方式。下表是USB接口和其他几种接口的速度对比：

从图中我们可以看出，USB接口虽然不是最快的，但从它普及的速度来看，在未来一两年内，会逐渐替代串口以及并口，成为个人电脑上的标准配置。而且现在几乎所有主板上都内置了两个或四个USB接口，用户不需要另外购买适配器，无形中减少了一笔开支，也是USB能够流行起来的一个重要原因。
·USB的传输方式
针对设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：
1、等时传输方式（Isochronous）　该方式用来联接需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、嗽叭以及电话等。等时传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机与USB 设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。
2、中断传输方式（Interrupt）　该方式传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果，此方式主要用在键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。
3、控制传输方式（Control）　该方式用来处理主机到USB设备的数据传输。包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。当USB设备收到这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据。
4、批（Bulk）传输方式　该方式用来传输要求正确无误的数据。通常打印机、扫描仪和数字相机以这种方式与主机联接
·USB接口能为设备供电吗？
答案是肯定的，USB线缆中包含有两根电源线及两根数据线。部分设备，象读卡器、摄像头、游戏手柄等耗电比较少的设备可以通过USB口直接取电。可通过USB口取电的设备又分低电量模式和高电量模式，前者最大可提供100毫安的电流，而后者则是500毫安。倘若设备需要更大的电流，那就只好通过外置变压器来供电了。
·USB 2.0
由于USB 1.1所规定的最大传输速率只有12Mbps，所以康柏、惠普、Intel、微软、NEC以及飞利浦等几个公司又联合制订了USB 2.0规范。USB 2.0将传输速率提升至480Mbps，合60MB/秒，足以满足大多数外设的速率要求。而且USB 2.0可以向下兼容，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，而且象USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。但是反之，USB 2.0的设备则不可能在USB 1.1上正常工作，除非厂商在设计之初就将其设计为USB 1.1和2.0通用的（实际上就是USB 1.1）。
不过现在市场上的主板所集成的USB接口还都是USB 1.1的，集成USB 2.0接口的主板还如同凤毛麟角一般。所以对消费者来说，想要使用USB 2.0设备，则必须购买一块支持USB 2.0接口的USB 转接卡，这种转接卡是插在PCI插槽上的，种类很少且价格比较贵，鉴于能够买到的USB 2.0设备还很少，所以已经购买了集成USB接口主板的朋友大可不必着急更换，等到USB 2.0象现在的USB 1.1一样普及的时候再说吧（不过估计到那时就该连主板一起换掉了）。
另外，现在的USB Hub均为USB 1.1规范的，将它插在USB 2.0的接口上也同样能够正常工作，但只能提供最大12Mbps的传输速率，要想使用USB 2.0设备的话，要么将它直接插在USB 2.0接口上，要么插在一个支持USB 2.0的USB Hub上。
·Windows的支持
关于这一点很令人泄气，因为Windows全系列产品，包括呼之欲出的Windows XP，都不能直接支持USB 2.0。这也就是说，日后我们买了集成USB 2.0接口的主板后，依然只能通过打补丁的方式来使Windows支持USB 2.0。而且恐怕只有微软正式发布了直接支持USB 2.0的Windows以后，USB 2.0设备才会真正被市场接受。