什么是USBUSB是一种由Intel和Microsoft开发的外设总线的数据通信.docx

1、什么是USBUSB是一种由Intel和Microsoft开发的外设总线的数据通信什么是USBUSB是一种由Intel和Microsoft开发的外设总线的数据通信标准。最大的特点是支持热插拔（Hot plug）和即插即用 (Plug&Play)。当设备插入时，主机枚举（enumerate）此设备并加载所需的驱动程序，因此使用远比PCI和ISA总线方便。它改变了在台式PC背面安装过多连接器和端口的状况，并提供用于计算机电话设备的接口。USB对键盘、鼠标、打印机、调制解调器、游戏杆、音频设备、CDROM、数字相机和其他设备提供单一连接端口，而不是对它们分别进行连接。USB消除了与PC有关的很多问题，

2、例如要拆开计算机才能安装适配卡、更换双列直插开关、配置IRQ(中断请求)等。 USB定义的端口和总线拓扑结构具有高达12Mbits的数据传输速率。它使用一条长达5米的电缆将设备以菊化链的形式串接到一个单一端口上。在这种设计中，可以在不需要重新启动系统的情况随时添加设备，最多可达63台。该拓扑结构是分层的星形结构，它允许外部设备连接到可提供多个端口连接器的中继集线器。在某些情况下，集线器可能需要电源。USB还对某些设备提供电源，因此它们将不需要电线和电池。USB甚至允许设备就它们的电源需求与USB主机控制器进行通信。USB速度比并行总线（Parellel Bus，例如EPP、LPT）与串行端口（

3、Serial Port，例如RS-232）等传统计算机用标准总线快许多。USB有两个规范，即USB 1.1和USB 2.0。 USB1.1是目前较为普遍的USB规范，其高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps（b是bit的意思），1MB/s（兆字节/秒）=8Mbps（兆位/秒），12Mbps=1.5MB/s。 USB2.0规范是由USB 1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps，折算为MB为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

4、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。 通用串行总线Universal Serial Bus (USB) 是连接外部设备的一个串口总线标准，在计算机上使用广泛，但也可以用在机顶盒和游戏机上，补充标准（On-The-Go)使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。 USB的设计为非对称式的，它由一个主机（host）控制器和若干通过hub设备以树形连接的设备组成。 一个控制器下最多可以有5级hub，包括Hub在内，最多可以连接127个设备，而一台计算机可以同时有多个

5、控制器。 和SPI-SCSI等标准不同，USB hub不需要终结器。 USB hubUSB可以连接的外设有鼠标、键盘、gamepad、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网络部件。对数码相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口；由于大大简化了与计算机的连接，USB也逐步取代并口成为打印机的主流连接方式。2004年已经有超过1亿台USB设备；到2005年显示器和高清晰度数字视频外设是仅有的USB未能染指的外设类别，因为他们需要更高的传输速率。 现标准中将UBS统一为USB2.0,分为高速：传输速率25Mbps400Mbps(最大480Mbps)；全速：传输速率500Kbps10Mbps(最大

6、12Mbps）；低速：传输速率10Kbps100Kbps(最大1.5Mbps） 标准USB Implementers Forum (USBIF)负责USB标准制订，其成员包括苹果电脑、惠普、NEC、微软和Intel。USBIF于2001年底公布了2.0规范，之前还有0.9、1.0、和1.1，他们都是完全向后兼容的。On-The-Go Supplement to the USB 2.0 Specification的当前版本是1.0a。 USB的连接器分为A、B两种，分别用于主机和设备；其各自的小型化的连接器是Mini-A和Mini-B，另外还有Mini-AB的插口。 技术细节技术指标 目前USB

7、支持3种数据信号速率，USB设备应该在其外壳或者有时是自身上正确标明其使用的速率。USB-IF进行设备认证并为通过兼容测试并支付许可费用的设备提供基本速率（低速和全速）和高速的特殊商标许可。 1.5Mbit/s (183KiB/s) 的低速速率，主要用于人机接口设备（Human Interface Devices ，HID）例如键盘、鼠标、游戏杆。 12Mbit/s (1.4MiB/s)的全速速率， 在USB2.0之前是曾经是最高速率，后起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率。多个全速设备间可以按照先到先得法则划分带宽；使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见。所有的USB Hub支持全速速

8、率。 480Mbit/s (57MiB/s)的高速速率。 并非所有的USB2.0设备都是高速的。高速设备插入全速hub时应该与全速兼容。而高速hub具有所谓Transaction Translator功能，能够隔离全速、低速设备与高速之间数据流，但是不会影响供电和串联深度。 机械和电气标准 标准USB接口 USB标准A、 B插头及其触点(未按比例绘制)标准USB连接器触点 触点 功能(主机) 功能 (设备) 1 VBUS (4.755.25 V) VBUS (4.45.25 V) 2 D- D- 3 D+ D+ 4 接地 接地 USB信号使用分别标记为D+和D-的双绞线传输，它们各自使用半双工

9、差分信号并协同工作，以抵消长导线的电磁干扰， Mini USB接口 Mini USB A、 B连接器及其触点(未按比例绘制)Mini USB连接器触点 触点 功能 1 VBUS (4.45.25 V) 2 D 3 D+ 4 ID 5 接地 除了第4针，其他标准和mini USB接口功能相同。第4针成为ID，在mini-A上连接到第5针，在mini-B可以悬空亦可连接到第5针。 软件架构 一个USB主机通过hub链可以连接多个设备。由于理论上一个物理设备可以承担多种功能，例如路由器同时也可以是一个SD卡读卡器，USB的术语中设备（device）指得是功能（functions）。集线器（hub）由

10、于作用特殊，按照正式的观点并不认为是function。 直接连接到主机的hub是根（root）hub。 端点 设备/功能（和集线器）与管道pipe （逻辑通道）联系在一起，管道把主机控制器和被称为端点endpoint的逻辑实体连接起来。 管道和比特流（例如UNIX的pipeline）有着相同的含义，而在USB词汇中术语端点经常和管道混用，甚至在正式文档中。 端点（和各自的管道）在每个方向上按照0-15编号，因此一个设备/功能最多有32个活动管道，16个进，16个出。 (出（ OUT）指离开控制器，而入（IN）指进入主机控制器。) 两个方向的端点0总是留给总线管理，占用了32个端点中的2个。在管

11、道中，数据使用不同长度的包传递，端点可以传递的包长度上限一般是2n字节，所以USB包经常包含的数据量依次有8、16、32、64、128、256、512或者024字节。 一个端点只能单向（进/出）传输数据，自然管道也是单向的。每个USB设备至少有两个端点/管道：它们分别是进出方向的，编号为0，用于控制总线上的设备。按照各自的传输类型，管道被分为4类： 控制传输一般用于短的、简单的对设备的命令和状态反馈，例如用于总线控制的0号管道。 等时传输按照有保障的速度（可能但不必然是尽快地）传输，可能有数据丢失，例如实时的音频、视频。 中断传输用于必须保证尽快反应的设备（有限延迟），例如鼠标、键盘。 批量传

12、输使用余下的带宽大量地（但是没有对于延迟、连续性、带宽和速度的保证）传输数据，例如普通的文件传输。 一旦设备（功能）通过总线的hub附加到主机控制器，主机控制器就给它分配一个主机上唯一的7位地址。主机控制器通过投票分配流量，一般是通过轮询模式，因此没有明确向主机控制器请求之前设备不能传输数据。W 为了访问端点，必须获得一个分层的配置。连接到主机的设备有且仅有一个设备描述符（device descriptor），而设备描述符有若干配置描述符(configuration descriptors）。这些配置一般与状态相对应，例如活跃和节能模式。 。每个配置描述符有若干界面描述符，用于描述设备的一定方

13、面，所以可以被用于不同的用途：如一个相机可能拥有视频和音频两个界面。界面描述符有一个缺省界面设置（default interface setting）和可能多个替代界面设置（alternate interface settings），它们都拥有如上所述的端点描述符。一个端点能够在多个界面和替代界面设置之间复用。 HCDThe hardware that contains the host controller and the root hub has an interface toward the programmer which is called Host Controller Devic

14、e (HCD) and is defined by the hardware implementer. In practice, these are hardware registers (ports) in the computer. At version 1.0 and 1.1 there were two competing HCD implementations. Compaqs Open Host Controller Interface (OHCI) was adopted as the standard by the USB-IF. However, Intel subseque

15、ntly created a specification they called the Universal Host Controller Interface (UHCI) and insisted other implementers pay to license and implement UHCI. VIA Technologies licensed the UHCI standard from Intel; all other chipset implementers use OHCI. The main difference between OHCI and UHCI is the

16、 fact that UHCI is more software-driven than OHCI is, making UHCI slightly more processor-intensive but cheaper to implement (excluding the license fees). The dueling implementations forced operating system vendors and hardware vendors to develop and test on both implementations which increased cost

17、. During the design phase of USB 2.0 the USB-IF insisted on only one implementation. The USB 2.0 HCD implementation is called the Extended Host Controller Interface (EHCI). Only EHCI can support high-speed transfers. Each EHCI controller contains four virtual HCD implementations to support Full Spee

18、d and Low Speed devices. The virtual HCD on Intel and Via EHCI controllers are UHCI. All other vendors use virtual OHCI controllers. 某些版本的Microsoft Windows上，打开设备管理器，如果设备说明中是否有“增强”（Enhanced），就能够确认它是2.0版的。而在Linux系统中，命令lspci能够列出所有的PCI设备，而USB会分别命名为OHCI、UHCI或者EHCI。 设备分类Devices that attach to the bus can

19、be full-custom devices requiring a full-custom device driver to be used, or may belong to a device class. These classes define an expected behaviour in terms of device and interface descriptors so that the same device driver may be used for any device that claims to be a member of a certain class. A

20、n operating system is supposed to implement all device classes so as to provide generic drivers for any USB device. The most used device classes are: USB人接口设备类键盘、鼠标等. USB大容量存储设备类用来做U盘, 便携式硬盘, 多媒体读卡器, 数码相机, MP3播放器等. 此设备类都把设备当一个文件系统对待. USB通信设备类 (CDC)用于调制解调器 (及winmodems), 网卡 (及交叉电缆), ISDN连接, Fax USB打印设

21、备类打印机一类的设备 USB音频设备类, 声卡一类的设备 USB视频设备类, webcam之类的设备,可以捕捉动态图像 设备的分类取决于USB构建论坛的设备工作组。 USB连接器The connectors which the USB committee specified were designed to support a number of USBs underlying goals, and to reflect lessons learned from the varied menagerie of connectors then in service. In particular:

22、 The connectors are designed to be robust. Many previous connector designs were fragile, with pins or other delicate components prone to bending or breaking, even with the application of only very modest force. The electrical contacts in a USB connector are protected by an adjacent plastic tongue, a

23、nd the entire connecting assembly is further protected by an enclosing metal sheath. As a result USB connectors can safely be handled, inserted, and removed, even by a small child. The encasing sheath and the tough moulded plug body mean that a connector can be dropped, stepped upon, even crushed or

24、 struck, all without damage; a considerable degree of force is needed to significantly damage a USB connector. 不可能将USB连接器插错，连接器不能上下插反，从外观和kinesthetic sensation可以非常清楚地进行连接 when the plug and socket are correctly mated. 连接器的生产非常的便宜 The connectors enforce the directed topology of a USB network. USB does

25、 not support cyclical networks, so the connectors from incompatible USB devices are themselves incompatible. Unlike other communications systems (e.g. RJ-45 cabling) gender-changers are never used, making it difficult to create a cyclic USB network. A moderate insertion/removal force is specified. U

26、SB cables and small USB devices are held in place by the gripping force from the receptacle (without the need for the screws, clips, or thumbturns other connectors require). The force needed to make or break a connection is modest, allowing connections to be made in awkward circumstances or by those

27、 with motor disabilities. The connector construction always ensures that the external sheath on the plug contacts with its counterpart in the receptacle before the four connectors within are connected. This sheath is typically connected to the system ground, allowing otherwise damaging static charge

28、s to be safely discharged by this route (rather than via delicate electronic components). This means of enclosure also means that there is a (moderate) degree of protection from electromagnetic interference afforded to the USB signal while it travels through the mated connector pair (this is the onl

29、y location when the otherwise twisted data pair must travel a distance in parallel). The USB standard specifies relatively low tolerances for compliant USB connectors, intending to minimize incompatibilities in connectors produced by different vendors (a goal that has been very successfully achieved

30、). Unlike most other connector standards, the USB spec also defines limits to the size of a connecting device in the area around its plug. This was done to avoid circumstances where a device complied with the connector specification but its large size blocked adjacent ports. Compliant devices must e

31、ither fit within the size restrictions or support a compliant extension cable which does. The USB 1.0, 1.1 and 2.0 specifications define two types of connectors for the attachment of devices to the bus: A, and B. However, the mechanical layer has changed in some examples. For example, the IBM UltraP

32、ort is a proprietary USB connector located on the top of IBMs laptop LCDs. It uses a different mechanical connector while preserving the USB signaling and protocol. Other manufacturers of small items also developed their own small form factor connector, and a wide variety of these have appeared. For specification purposes, these devices were treated as having a captive cable. A