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USB概述
3.3USB总线技术
3.3.1USB的产生
USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）是一种应用在计算机领域的新型串行接口技术，最早是由Compaq、Intel、Microsoft等多家公司于1994年11月共同提出的，其目的是用USB来取代PC现有的各种外围接口，使外围设备（简称外设）的连接具有单一化、即插即用、热插拔等特点。
它的出现大大简化了PC机和外设的连接过程，使PC机接口的扩展变得更加容易。
可以说，USB是计算机外设连接技术的重大变革。
一、背景
在USB产生之前，外设与PC工程队机的通信主要是通过PC机主板所提供的各种接口来实现的，如ISA接口、PCI接口、PS／2接口、串行接口、并行接口等。
这些老式的接口最初是由IBM公司在20世纪80年代早期设计提出的，存在很多缺陷：
（1）它们是非共享式接口，只支持单个外设的连接，即在同一时刻一个接口只能连接一个外设。
而当前Pc机接口的数量是有限的，根本无法满足大量外设连接的需要。
这时，PC机的可用接口数就显得越来越紧张了。
（2）这些接口的体积庞大。
它们几乎占用了PC机主板面积的一半，而硬件厂商不可能无限制地增加主板的面积来扩充这些老式的接口。
而且，大体积的接口不利于PC机外设的小型化。
（3）这些接口的规格不一。
当用户需要把一些外设连接到PC机时，他们不得不面对种类繁多的I／O扩展槽和外部端口，这会使用户觉得很不方便。
（4）这些接口采用传统的I／O模式。
外设被映射为CPU的I／O地址空间，并被分配一个指定的IRQ（中断请求），或是一个DMA通道。
这种模式会带来诸如I／O地址冲突、所指定的IRQ已被别的外设占用等问题。
这时用户需要采用手工的方法设置一些开关和跳线以重新配置这些设备，有时还必须打开机箱盖，而且在设置完毕后，用户必须重新启动计算机，才能使这些新的配置生效。
不论对外设的开发者还是使用者来说，这个过程都相当繁琐。
为了克服老式接口的上述缺陷，PC机制造商和用户迫切需要一种新型的外设连接方式。
这时USB应运而生，它是一种快速、双向、同步、廉价，并支持热插拔功能的串行接口。
它支持多个外设的连接，一台PC机（含一个USB主控制器时）可以连接多达126个USB外设；而且所有外设上行接口的规格都是相同的，用户可以简单方便地将其连入PC机。
USB的即插即用（PlugandPlay）和热插拔功能，使得用户可以在不断电的情况下直接将USB外设连接到PC机上，并马上被操作系统所识别。
所以，USB为外设的连接提供了一个很好的解决方案。
表1.1把USB和其他常用计算机接口进行了比较。
表1.1常用计算机接口的性能对比（典型值）
接口类型
数据格式
传输速率／（b／s）
最大设备数／个
电缆长度／m
是否支持热插拔
USB
串行
l.5M、12M、480M
126
3.5①
是
RS232
串行
20k
2
15～30
否
RS485
串行
IOM
32
12flO
否
IEEE-1394
串行
400M、3.2G
63
4.5
是
以太网
串行
IOM、100M、lG
107A
500
否
并行端口
并行
8M
2或8
3～9
否
ISA
并行
128M
—
—
否
EISA
并行
266M
—
—
否
PCI
并行
1056M,2112M
—
—
否
AGP
并行
≧2112M
—
—
否
注：
①USB1.0规定低速USB电缆最长为3m,全速USB电缆最长为5m。
USBl.1和USB2.0对电缆长度无要求。
二、USB的特点
USB从传统I／O模式的桎梏中解放出来，开辟了一条外设与PC机连接的新方法。
与其他老式PC机接口相比，USB具有如下优点：
（1）热插拔。
用户可以把USB外设连接到一台正在运行的PC机上，操作系统能自动识别,并且用户可以立刻使用。
而不需要重新启动PC机。
用户也可以在任何时候断开USB外设，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏PC机和外设。
（2）即插即用。
USB实现了自动配置，它不需要用户手工配置I／0地址和中断请求（IRO）。
当USB外设接入PC机时，操作系统会自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。
对用户来说，只需稍稍等几秒钟，USB外设的安装就完成了。
如果是外设的第一次连接，操作系统可能会需要用户为其选择合适的设备驱动程序，除此之外，所有的安装都是自动的。
（3）共享式接口。
USB端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式。
通过USB集线器，一个USB主控制器上最多可以连接126个外设。
（4）接口体积小巧。
和其他老式PC机接口相比，USB接口小且薄，更适合于外设体积的小型化。
图1.1是USB接口、RS232接口和并行接口体积的对比图。
（5）节省系统资源。
在USB系统中，只有USB主控制器需要使用一根IRQ线和一些I／O地址空间。
对USB外设来说，它需要的仅仅是USB系统为其分配一个唯一的地址，而这个地址只有USB子系统知道。
（6）灵活。
USB支持三种类型的传输速率（目前USB只有USB2.0标准）：
1.5Mb／s的低速传输（USB2.0Lowspeed）、12Mb／s的全速传输（USB2.0Fullspeed）和480Mb／s的高速传输（USB2.0Highspeed）；4种传输类型：
块传输、同步传输、中断传输和控制传输，这使其能适合多种外设的需要。
表1.2列出了USB的应用范围及特性。
表1.2USB的应用范围和特性
速度
应用
特性
低速（LS）：
•交互设备
·10kb／s～100kb／s
键盘、鼠标、
输入笔、
游戏外设、
虚拟现实外设
价格低廉、
易于使用、
热插拔，
可支持多种外设
全速（FS）：
·电话、音频信号
·500kb／s～10Mb／s
ISBN、
PBX、
POTS、
音频
价格低廉、
易于使用、
热插拔、
可支持多种外没、
保证带宽、
保证时延
高速（HS）：
·视频，磁盘
·25Mb／s～400Mb／0
视频、
磁盘
价格低廉、
易于使用、
热插拔、
可支持多种外设、
保证带宽、
保证时延、
高带宽
（7）低成本。
USB能实现强大的功能，它比以前的接口更加复杂。
但是，它的组件和电缆并不贵，带有USB接口的外设和具有同样功能的老接口外设相比，所需费用差不多，有时会更少一些。
（8）性能可靠。
USB系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。
USB发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。
在USB协议中包含了数据错误的检测机制，用来确保数据准确无误地发送和接收。
（9）提供电源。
USB电缆向外设提供了一根+5V的电源线，电流的大小取决于集线器端口，最小为100mA，最大不会超过500mA，用户可以直接使用这个总线电源。
另外，USB支持低功耗模式，如果其连续3s没有总线活动的话，USB就会自动进入挂起状态，以节省电能消耗。
（10）兼容性。
USB规范有良好的向下兼容性，如USB2.0的主控制器就能很好地兼容USB1.1的产品，操作系统在检测到全速USB设备接入时，会自动按照12Mb／s的速率进行传输，而其他高速USB设备，并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率，它们仍可继续使用480Mb／s的速率进行传输。
当然，USB还不能完成一切，其480Mb／s的传输速率还不是很高，仅为IEEE-1394传输速率（3.2Gb／s）的六分之一，这使其只适用于连接低速和中速的外设，如键盘、打印机、视频等。
同时，USB还有许多不尽人意之处，如缺少对老硬件设备的支持，连接距离有限，协议太复杂等等。
虽然USB存在着一些缺点，但其突出的优点使之得到了广泛的应用。
随着操作系统硬件厂商对USBR的进一步支持，其缺点会慢慢消失的。
三、USB的发展历史及前景展望
1994年11月11日，USB总线规范0.7版问世，标志着USB的正式诞生，但这时它还不够完善，当然用户也很少，直到1996年1月15日USB1.0版本发布后，USB技术才相对成熟，但windows95的OSR2.1版本公布后，它才首次在PC机上使用，而且USB接口的外设也很少。
可是1998年6月windows98和同年9月USB1.1版发布后，情况就不同了，USB开始变成一个流行的接口，市场上出现了大量的USB外设，但其传输速率仅限于12Mb／s。
2000年4月27日，USB2.0版发布，其传输速率提高到480Mb／s，这使其能应用于更广泛的场合，一时之间，USB红遍全球。
USB自1994年提出，到现在盛行，已经历了8年多的发展，早期的USB很不受重视，其原因主要有以下几点：
（1）PC机主板的支持不够。
早期的PC机主板，主要以AT结构为主，USB接口在许多主板上都是一种选配的功能，大多数制造商为了节省成本，而在其主板上省去了USB接口。
而且，在主板的BIOS固件方面也缺乏支持，当时有很多主板只是提供了USB接口，但其BIOS并没有真正支持USB。
这种情形一直到ATX结构的主板诞生后才有所改观。
不过一开始ATX主板在支持USB方面做的也不是很好，因为一般ATX主板外部接口都设计成一层的高度，其所能使用的接口空间都被老式的串行接口和并行接口所占用。
所以当时要使用USB接口，还需使用USB转接卡才能够实现。
后来ATX主板被设计为两层，USB接口才有了立足之地。
（2）操作系统的支持不够。
微软在Windows95OSR2.1版才开始支持USB，但仅限于极少数USB设备，如最基本的USB键盘和鼠标等。
直到Windows98推出后，才全面支持USB，随后的WindowsMe和Windows2000增加了对USB设备类的支持，但USB版本仍是1.1。
对于使用USB2.0的外设，这些操作系统虽能识别出来，也能使其工作，但并不能充分发挥外设的性能优势，系统会提示说该USB设备需要优化，只有通过安装特定的USB驱动程序，这个问题才能够得到解决。
现在微软公司只有WindowsXP的ServicePackl版本才完全支持USB2.0。
WindowsNT，Windows3.x和DOS都不支持USB，如果外设需要在这些操作系统下工作，则需安装一些专用的驱动。
（3）USB的协议太抽象。
USB接口比以前的老式接口更复杂，其协议过于抽象。
而且在早期，USB硬件、软件的开发工具还没有十分流行，当时的开发者必须面对缺少相关资料而带来的困难，这使得USB产品的开发进度变得非常缓慢。
（4）USB接口芯片昂贵。
在早期，USB的接口芯片还不是很多，其价格也相当昂贵，这使其整个产品的开发成本居高不下。
如今就整体而言，USB外设还是比老式接口的设备贵，但价格正在逐渐拉近。
（5）USB外设与老式接口外设的性能无明显差异。
USB虽然支持了热插拔和即插即用，但对于某些设备来说，其性能并无明显差异，如键盘和鼠标。
另外，早期USB只有低速传输和全速传输两种方式，当PC机只连接一个USB外设时，其性能表现还不错；但如果有几个USB外设同时工作，其速度就会变得相对慢起来，因为这时USB带宽会平均分配给每个设备，因此严重影响数据的传输速度。
尤其对于需要交换大量数据的设备，如打印机、扫描仪等，当几个这样的设备同时工作时，其速度会慢于并口的连接。
随着USB2.0版本的发布，USB越来越流行，它已经成为一个标准接口。
目前市场上出售的所有PC机都百分之百支持USB，而且很多外设只推出了USB版本，如移动硬盘和电子盘等。
可以预见，USB的应用肯定会越来越广泛，其传输速率也会越来越高。
在USB外设普及后，目前纠缠在PC机箱后面的各式各样的连接线将有所改观，大多数老式接口将被淘汰，如ISA接口、PS／2接口、串并行接口等，取而代之的是各种USB接口。
但有些接口是USB所无法取代的，如显示器接口、SCSI接口和IEEE一1394接口等。
不过，将来一台PC机使用三五个USB外设的情形是可以想象的。
因此在PC机箱上提供多个USB接口也是发展趋势。
3.3.2USB系统描述
在终端用户看来，USB系统就是外设通过一根USB电缆和PC机连接起来，如图1.2所示。
USB在外设和PC机之间提供通信服务，通常把外设称为USB设备，把其所连接的PC机称为USB主机，且把指向USB主机的数据传输称为上行通信，把指向USB设备的数据传输称为下行通信。
一、USB主机
USB主机内部含有USB主控制器，负责完成主机和USB设备之间的物理数据传输。
目前，USB主控制器分为两种类型：
开放型主控制器（OHC）和通用型主控制器（UHC）。
这两种主控制器执行相同的操作，只是在处理方式上稍有差异。
主控制器内部包含一个USB根集线器，用于给USB系统提供一个或多个连接点（端口），现在PC机机箱后面的那两个USB端口就是由根集线器提供的。
进入Windows操作系统的“设备管理器”，并选择“按类型查看设备”，其中的“通用串行总线控制器”项列出了PC机所使用的USB主控制器和根集线器，如图1.3所示。
选择其“属性”，就可以查看它们当前的状态和所使用的驱动程序。
图1.4显示了USB主控制器所使用的驱动程序，其中uhcd.sys是通用型主控制器驱动程序（如果是开放型主控制器则为Openhci.sys）、USBD.SYS是USB总线驱动程序、USBHUB.SYS是USB集线器驱动程序。
USB主机中还含有客户软件：
USB设备驱动程序和界面应用程序，用于和指定的USB设备进行通信，以实现其特殊功能，如传输文件、播放声音等。
客户软件是专用的，根据具体设备的不同而不同，且一般需开发人员自行编写。
USB的数据传输是基于令牌的，其所有的通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机启动，所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。
USB规定在USB系统中只允许存在一个主机。
二、USB设备
按USB设备功能的不同，可以把其分为两大类：
集线器和功能设备。
其中，集线器为USB系统提供额外的连接点，它使得一个USB端口可以连接多个设备；功能设备为主机提供额外的功能，如USB键盘、数码相机等。
1．集线器
集线器（HUB）是USB系统中的关键元件，它用于扩展主机的USB端口，USB设备（包括功能设备和其他集线器）可以通过其下行端口连入主机，典型连接如图1.5所示。
值得注意的是，USB系统虽然规定集线器可以级连，但层次最多是5个（不包括主机方的根集线器）。
从用户的角度来看，集线器简化了USB的连接，并具有很好的稳定性，而且价格便宜。
图1.6是一个典型集线器的示意图，其上行端口用于连接USB主机，下行端口用于连接其他集线器或USB功能设备。
集线器能检测到其每个下行端口上USB设备的连接和断开，并可以独立使能。
根据上行端口的连接情况，集线器可被分为高速集线器、全速集线器和低速集线器。
其中，高速集线器的上行通信采用480Mb／s的高速传输速率；全速集线器的上行通信采用12Mb／s的全速传输速率；低速集线器的上行通信采用1.5Mb／s的低速传输速率。
USB低速传输是在全速传输环境中实现的（使用PRE事务处理，详细信息见4.3.7节），即低速集线器足全速集线器采用低速传输速率时的特殊情况。
从图1.6中可以看出，USB集线器可以将一个上行端口转化为多个下行端口，从而为USB系统提供额外的连接点。
对于USB2.O集线器，其上行端口既可采用高速传输速率又可采用全速传输速率，下行端口支持高速、全速和低速USB设备的连接，即它可以作为高速、全速和低速集线器。
当作为高速集线器时（上行端口采用高速传输速率），不论其下行端口连接的是高速、全速还是低速USB设备，其上行通信都是高速的，这样可以减少低速和全速传输对高速USB总线带宽造成的影响。
对于USBl.1集线器，其上行端口采用全速传输速率，下行端口支持全速和低速USB设备的连接，即它可以作为全速和低速集线器。
2．功能设备
功能设备可以和USB主机进行数据和控制信息的交互，并为主机提供额外的功能。
在每个功能设备内部都包含有描述其功能和资源需求的配置信息，如USB带宽、接口种类等。
主机必须在它们能够被使用前对其进行配置。
功能设备通常是一个独立的外围设备，具有单一的功能。
但有的USB设备可实现两个或多个不同的功能，如具有键盘和音效功能的传真机（这时称其为合成设备）。
对主机而言，合成设备是一个单独的USB设备，其只有一个设备地址。
对某些特殊应用，有时需要将一个或多个功能设备嵌入到一个集线器中，并通过一根USB电缆进行连接，这被称为复合设备，如集成了集线器的USB键盘。
对主机而言，一个复合设备就是一个永远连接有一个或多个USB功能设备的集线器。
3．USB的连接
USB物理连接是指一个集线器下行端口和另一集线器上行端口或USB功能设备之间通过USB电缆的连接。
USB高速（480Mb／s）和全速（12Mb／s）传输需要使用外壳屏蔽、而且数据线双绞的USB电缆；而低速（1.5Mb／s）电缆不需要屏蔽和双绞。
所有USB电缆都支持热插拔，其插头上USB图标的触脚指明了正确连接的方向。
USB采用层次星型的拓扑连接结构。
通过USB集线器，一台含有一个USB主控制器的PC机最多可以连接126个外设。
（1）连接器
USB定义了两种类型的连接器：
A系列和B系列，如图1.7所示。
A系列连接器包括A型插头和A型插座，它们相互匹配。
A型插座总是作为USB主机或集线器的下行端口，所以A型插头总是指向上行USB主机。
B系列连接器也包括B型插头和B型插座，它们相互匹配。
B型插座总是作为USB设备或集线器的上行端口，所以B型插头总是指向下行USB设备或集线器。
（2）电缆
图1.8是一根典型的USB电缆，它由三部分组成：
A型插头、电缆线和B型插头。
其中，A型插头是必需的，且尺寸也应该是标准的，用以连接至主机或集线器的下行端口；电缆线和B型插头都是可选的，如USB鼠标的电缆就不含有B型插头，而电子盘的USB电缆只含有A型插头。
另外，供应商还可以自己定义B型插头的尺寸，如MP3播放机专用USB电缆的B型插头就比标准尺寸小。
通常，把具有标准B型插头的USB电缆称为可分离电缆，表示其可以和USB设备分离；把不含有B型插头、或含有非标准尺寸B型插头的USB电缆称为束缚电缆，但这并不意味着其必须和USB设备永久连接。
USB电缆线内部含有四根导线：
VBUS、GND、D+和D-。
其中，VBUS是+5V电源线，GND是地线，D+和D-是差分数据线对。
在USB连接器上有四个管脚．分别对应这四根导线，而且电源管脚比数据管脚长，以保证电源信号先于数据信号到达USB设备。
这些管脚都有编号，其对应导线的颜色也各不相同，见表1.3。
表1.3USB连接器的四个管脚
管脚编号
导线名称
导线颜色
l
VBUS
红
2
D-
白
3
D+
绿
4
GND
黑
为了保证数据能在USB电缆中无错误地传输，USB规范规定全速／高速电缆必须具有外层屏蔽和铜漏线，且差分数据线必须双绞．如图1.9所示。
对低速电缆来说．其传输的
速率较低，且其一般不含B型插头，而需要与USB设备永久连接，所以不需要以上特殊处理。
低速电缆不能传输高速和全速信号，但可以使用全速／高速电缆来传输低速信号，但要注意其长度不要超过低速电缆所允许的最大长度。
另外，全速／高速电缆既可以是束缚电缆也可以是可分离电缆，而低速电缆必须是束缚电缆。
表1.4对这3种电缆进行了对比。
表1．4低速申缆和全速／高速电缆的对比
低速电缆
全速／高速电缆
差分特征阻抗／Ω
—
90
是否需要屏蔽
否
是
是否需要铜漏线
否
是
数据线是否需要双绞
否
是
是否可用作可分离电缆
否
是
是否可用作束缚电缆
是
是
关于USB电缆的长度，USB1.1和2.0都没有明确说明，供应商可以根据信号的具体环境自行定义。
在USB1.0版本中规定低速电缆长度不超过3m，全速电缆长度不超过5m，这是一个非常好的方案和依据。
（3）USB总线拓扑结构
USB采用层次星型的总线拓扑结构，这可以防止在USB系统中出现环形连接的情况，如图1.10所示。
主控制器（包括根集线器）是该拓扑结构的起点，USB集线器是其中心，每一层都是集线器和功能设备之间点到点的连接，其层次最多为7层（包括根层）。
通过这种层次星型的总线拓扑结构，USB系统最多可以支持127个USB设备（包括根集线器）的连接。
在这7层中，除根集线器外，最多支持5个集线器的级连，即一个USB功能设备最多可以经过5个集线器来连接至主机。
复合设备被看作是两层，所以它不能连接在第7层。
如果采用5m长USB的电缆，则最大的级连长度为30m，可见USB现在还不适合长距离的数据传输。
在USB2.0系统中，高速集线器（包括根集线器）有一个特殊的作用：
把全速／低速信号和高速信号隔离开。
高速集线器的下行端口允许直接连接全速／低速USB设备，而且它们之间的通信仍是全速／低速的，但高速集线器与USB2.0主控制器间的通信却始终是高速的。
图1.11描述了高速、全速和低速USB设备的混合连接。
3.3.3USB接口芯片
USB接口芯片（或称USB芯片）是一种集成了USB协议的微处理器，它能自动对各种USB事件做出响应，以处理USB总线上的数据传输。
USB接口芯片按功能可以分为USB主控制器芯片、USB集线器芯片和USB功能设备芯片。
所有的主机和设备上都至少含有一块实现其功能的USB芯片。
一、USB主控制器芯片
USB主控制器芯片负责实现主机和USB设备间的物理数据传输，它是构成USB主机的必需部件。
Intel公司在1996年2月首次推出了支持USBl.0功能的440HX和440VXPCI芯片组，其实现USB主控制器接口的模块为82371SB。
它标志着USB主控制器芯片的正式诞生，但它是集成在PCI控制器中的。
世界上第一块单片USB2．0主控制器芯片是2001年6月NEC公司发布的uPD720100，它具有5个USB端口，并支持PCI总线。
表1.5列出了世界上主要USB芯片供应商的一些USB主控制器芯片。
表1.5USB主控制芯片
公司
USB芯片
推出时间／（年．月）
下行端口／个
USB规范
Agere
USS-344
1998.8
4
1.O
NEC
uPD720100
uPD720101
2001.6
2002.8
5
5
2.O
2.0
Philips
ISPl561
2001.6
2或4
2.0
VIA
VI6202
2001.9
4
2.0
随着嵌入式技术的飞速发展，USB主机已不再局限于单纯的PC机，可以是含有USB主控制器的任何设备，如PDA、MP3播放机等。
在USB2.0规范中也增加了USB嵌入式没备的标准——On—The—Go（OTG），它使得外设可以在主机和USB设备之间相互切换，即当其连接至PC机时，它是一个USB设备，而与其他USB设备（如USB打印机）相连接时，它将作为USB主机。
各大USB芯片供应商也相继推出了USB嵌入主控制器芯片，其中以Philips公司最为成功。
部分USB嵌入主控制器芯片数据见表1.6。
表1.6部分USB嵌入主控制器芯片
公司
USB芯片
推出时间／（年．月）
下行端n／C-
USB规范
应用
Cypress
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