通用串行總線USB及其應(yīng)用

1、通用串行總線usb及其應(yīng)用 如今，隨著計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普及和深化，其外設(shè)也越來(lái)越多，如打印機(jī)、掃描儀、嬉戲桿、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)詳細(xì)實(shí)際需要時(shí)，往往需要對(duì)他的基本功能舉行擴(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)都必需插在一個(gè)接口上。當(dāng)外設(shè)多了以后，會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。首先，外設(shè)增多，計(jì)算機(jī)接口也必需增多，但計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口總是有限的，雖然可以通過(guò)增強(qiáng)功能接口插卡來(lái)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(wèn)題：(1)接口卡的插拔過(guò)程必需關(guān)機(jī)，并且需打開(kāi)機(jī)箱舉行安裝和拆卸

2、；(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(guò)程仍需要各種技術(shù)的支持，其安裝和配置過(guò)程仍需人工干預(yù)。當(dāng)擴(kuò)展插卡較多時(shí)，常會(huì)浮現(xiàn)一塊或多塊插卡因無(wú)法合理配置而不能正常工作的狀況，嚴(yán)峻時(shí)可導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；(3)接口插卡質(zhì)量凹凸、兼容性和標(biāo)準(zhǔn)性的程度以及驅(qū)動(dòng)軟件的牢靠性將挺直影響計(jì)算機(jī)的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、牢靠性；(4)筆記本電腦之類的小體積pc很難用接口插卡舉行功能擴(kuò)展；(5)pc插槽中的各種接口卡受到內(nèi)部的輻射干擾，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(wèn)題的根本辦法。第二，隨著技術(shù)不斷進(jìn)展，大量新外設(shè)不斷浮現(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

3、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115230 kb/s）已經(jīng)不能滿足用戶需要。還有，計(jì)算機(jī)越來(lái)越向容易、有用、便利、方向進(jìn)展。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)外設(shè)安裝過(guò)程中，在加、減設(shè)備時(shí)，必需關(guān)掉電源，完成之后再重新啟動(dòng)機(jī)器。因?yàn)閭鹘y(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)進(jìn)展的需要，于是，intel，microsoft，compaq，nec，ibm，digital，northerntelecom等7家世界聞名的計(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)備規(guī)范，即通用串行總線（universal serialbus）。19

4、94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是目前普遍采納的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)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)，無(wú)數(shù)計(jì)算機(jī)外設(shè)都采納usb接口。2 usb 的優(yōu)點(diǎn)usb與傳統(tǒng)的外圍接口相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)用法便利在usb系統(tǒng)中，全部的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(kāi)機(jī)箱，甚至在計(jì)算機(jī)工作時(shí)也無(wú)需關(guān)機(jī)和重新啟動(dòng)即可加

5、、減已安裝過(guò)的設(shè)備，也不必用手動(dòng)跳線或撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)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)用法自己的保留中斷，也不涉及irq矛盾問(wèn)題，不會(huì)同其他設(shè)備爭(zhēng)用pc有限的資源，省去了硬件配置的苦惱，為用戶帶來(lái)了極大的便利。(2)速度快迅速性能是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(kāi)發(fā)功能更多的產(chǎn)品，包括高辨別率的視頻攝像機(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

6、。(3)易于擴(kuò)展通過(guò)usb hub 擴(kuò)展，可銜接多達(dá)127個(gè)外設(shè)，且各種外設(shè)均采納統(tǒng)一usb接口標(biāo)準(zhǔn)的，大大地簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)usb電纜長(zhǎng)度為3 m（5 m低速），通過(guò)hub 或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30 m。(4)自立供電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)備就不需要特地的溝通電源了，從而降低了這些設(shè)備的成本，并提高了性價(jià)比。(5)用法靈便為適應(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)

7、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?？傊?，usb是一種電纜總線，支持在主機(jī)和各種各樣的即插即用的外設(shè)之間舉行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)協(xié)議的規(guī)定，多個(gè)設(shè)備共享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、用法和拆除外設(shè)。3 usb的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)usb總線拓?fù)錇閷盈B的星形結(jié)構(gòu)，1所示。系統(tǒng)由主控制器（host controller），usb hub和usb器件（device）組成。(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

8、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），他可以挺直與usb設(shè)備相連，也可以銜接usb hub，通過(guò)usb hub來(lái)擴(kuò)展接口。主控制器的主要功能有：動(dòng)態(tài)檢測(cè)usb設(shè)備的銜接和拆除、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)，為銜接的usb設(shè)備提供電源。(2)usb hub用來(lái)擴(kuò)展接口，以使系統(tǒng)銜接更多的外設(shè)。他可以被集成到一個(gè)設(shè)備內(nèi)部，如鍵盤和（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)，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，2所示。hub簡(jiǎn)化了usb互連的復(fù)雜性。hub串接在hub上，

9、可讓不同性質(zhì)的更多設(shè)備連在usb上。銜接點(diǎn)稱為端口。每個(gè)hub上行端口向主機(jī)方向銜接，下行端口允許銜接另外的hub或設(shè)備。hub可檢測(cè)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)。(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。他們用法標(biāo)準(zhǔn)的usb數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與主機(jī)舉行通信，能識(shí)別主機(jī)發(fā)出的各種指令，并對(duì)其做出響應(yīng)。4 usb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：usb高速，480 mb/s；usb全速，12m b/s；usb低速，1.5 mb/s。電氣

10、方面，usb通過(guò)一種4線電纜與主機(jī)或usb hub相銜接來(lái)傳輸信號(hào)和電源，3所示。在每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)段中，通過(guò)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)。這種性能削減了全速或低速設(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，由于其數(shù)目越多對(duì)總線利用率的影響就越大。usb采納位填充nrzi編碼計(jì)劃，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(lái)向設(shè)備提供電源。vbus通常是+5 v。機(jī)械方面，全部的設(shè)備都有一個(gè)上行或下行的銜接。上行和下行

11、銜接器在機(jī)械上不行以互換用法，這樣消退了在hub上非法的回路銜接。5 usb的數(shù)據(jù)流在主機(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?？偟卣f(shuō)來(lái)，各通道之間的數(shù)據(jù)流淌是互相自立的，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)控制傳輸采納了嚴(yán)格的差錯(cuò)控制機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳輸是無(wú)損的。如usb設(shè)備在初次安裝時(shí)，usb系統(tǒng)軟件用法控制傳送來(lái)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(méi)有帶寬和時(shí)光間隔的要求，保證傳輸數(shù)據(jù)正確無(wú)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

12、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、簇?fù)?、不行預(yù)測(cè)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)光。該方式用來(lái)銜接需要延續(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)光較為敏感。同步傳輸?shù)牡湫褪吕锹曇舻膫魉?。?dāng)一個(gè)通道建立后，usb就會(huì)分配給他一定的帶寬，普通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，因此可銜接大量的設(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)變幻。6 usb的“分時(shí)復(fù)用”和當(dāng)一個(gè)usb外部設(shè)備初次接入一個(gè)

13、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用法總線列舉辦法在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)檢測(cè)外部設(shè)備的銜接和摘除，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”。在全部的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)在銜接并配置以后，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)所共享。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

14、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(zhǎng)時(shí)光（普通在3.0 ms以上）處于非用法狀態(tài)時(shí)自動(dòng)將該設(shè)備掛起，此時(shí)，usb總線通過(guò)usb線纜為該設(shè)備僅提供500 a以下的，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)，必需先通過(guò)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，特殊適合如筆記本電腦之類的設(shè)備的應(yīng)用。7 usb的應(yīng)用今日，計(jì)算機(jī)通信已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)進(jìn)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)上既普遍又易于用法，就意味著必需做到低價(jià)格和良

15、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(wú)處不在的銜接鏈路。usb使得即插即用與熱插拔成為現(xiàn)實(shí)，用法戶可以便利快速地銜接計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。usb的特點(diǎn)是為全部usb外設(shè)銜接計(jì)算機(jī)提供了一類全球通用的銜接器，這些銜接器將取代傳統(tǒng)的各種外部端口，如串口、嬉戲接口、并口等，自u(píng)sb ver1.1版本推出后，usb接口得到廣泛的應(yīng)用。可以預(yù)見(jiàn)，將來(lái)的計(jì)算機(jī)惟獨(dú)usb接口。usb推出不久，視頻會(huì)議便成為usb的一個(gè)十分流行的應(yīng)用，許多市場(chǎng)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(lè)于用法。因?yàn)閡sb的巨大勝利，一些聞名的大公司紛紛加入usb標(biāo)準(zhǔn)制定俱樂(lè)

16、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)的功能大大增加，使得計(jì)算機(jī)可以通過(guò)usb接口接入寬帶internet，銜接高清楚度的數(shù)碼相機(jī)，銜接下一代的高速打印機(jī)、掃描儀及高速的外存單元。用法usb 2.0接口下載一幅畫(huà)，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，而今日干同樣的事需花幾個(gè)小時(shí)。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、通信和消遣應(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cti（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(kāi)發(fā)；視頻壓縮和pots電話會(huì)議。平安設(shè)備id卡閱讀器；數(shù)字加密設(shè)備。圖像和桌面出版設(shè)備限定范圍的