總線的基本知識(shí)

1、USB總線一、一、USB簡(jiǎn)介二、USB總線結(jié)構(gòu)三、USB的性能特點(diǎn)四、USB工作原理五、USB的傳輸方式六六.USB2.0 與USB3.0差別七、七、USB的應(yīng)用一.USB簡(jiǎn)介 USB（Universal Serial Bus）通用串行總線通用串行總線是由是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種流行的家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種流行的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。1994年開(kāi)始研究，年開(kāi)始研究，1996年年 USB 1.0 速度只有速度只有1.5Mb/s 1998年年 USB 1.1版

2、本版本傳輸速率（傳輸速率（兩種模式）兩種模式）：低速（：低速（Low Speed）1.5Mbps 全速全速(Full Speed)12Mbps2000年年4月月 USB 2.0版本版本USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外部設(shè)備及電纜線等，傳輸速率達(dá)外部設(shè)備及電纜線等，傳輸速率達(dá)480Mbps（高速（高速High Speed 系列）。系列）。2008年年11月月 USB 3.0版本版本最大傳輸速率高達(dá)最大傳輸速率高達(dá)5.0Gb/s，也就是，也就是625MB/s Super Speed 引入了新的電源管理機(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)引入了新的電源管理機(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)

3、USB總線系統(tǒng)中的設(shè)備可以分為三個(gè)類(lèi)型USBUSB主機(jī)（主機(jī)（ USBUSB主控制器主控制器/ /根集線器根集線器(USB Host)(USB Host) ）：只能）：只能有一個(gè)，管理有一個(gè)，管理USBUSB系統(tǒng)，每秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置請(qǐng)系統(tǒng)，每秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)求對(duì)USBUSB設(shè)備進(jìn)行配置操作，對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和設(shè)備進(jìn)行配置操作，對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)。恢復(fù)。USB 集線器（集線器（HUB）：類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)集線器，）：類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)集線器，完成USB設(shè)備的添加（擴(kuò)展）、刪除和電源管理等USB總線設(shè)備（總線設(shè)備（USB功能外設(shè)）功能外設(shè)）組成金字塔型結(jié)構(gòu)金字塔型結(jié)構(gòu)，最多可

4、連接7層層，127臺(tái)設(shè)備臺(tái)設(shè)備USB設(shè)備及其體系結(jié)構(gòu)設(shè)備及其體系結(jié)構(gòu)USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB協(xié)議定義了在USB系統(tǒng)中主控制器Host與USB設(shè)備間的連接和通信，其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是金字塔型金字塔型的層層向上方式。允許最多連接127個(gè)設(shè)備，最上層是USB主控制器。三三.USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 傳輸速度快傳輸速度快連接簡(jiǎn)單快捷連接簡(jiǎn)單快捷 通用連接器通用連接器無(wú)須外接電源無(wú)須外接電源 數(shù)據(jù)線供電數(shù)據(jù)線供電 擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng) 不需要系統(tǒng)資源不需要系統(tǒng)資源 錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)1)1)、傳輸速度快、傳輸速度快USB低速低速1.5Mbps低速的低速的USB支持低速設(shè)備，例

5、如，調(diào)制解調(diào)器、鍵盤(pán)、支持低速設(shè)備，例如，調(diào)制解調(diào)器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)、硬盤(pán)、光驅(qū)、網(wǎng)卡、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)、硬盤(pán)、光驅(qū)、網(wǎng)卡、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等；等；USB全速全速12Mbps， USB全速的數(shù)據(jù)傳輸用于大范圍的多媒體設(shè)備。全速的數(shù)據(jù)傳輸用于大范圍的多媒體設(shè)備。USB 2.0高速數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達(dá)高速數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達(dá)480Mbps2)2)、連接簡(jiǎn)單快捷、連接簡(jiǎn)單快捷可以可以熱插拔熱插拔，真正的，真正的“即插即用即插即用”。設(shè)備連到。設(shè)備連到USB時(shí)，時(shí)，不必打開(kāi)機(jī)箱，也不必關(guān)閉主機(jī)電源，不必打開(kāi)機(jī)箱，也不必關(guān)閉主機(jī)電源，USB自檢測(cè)，自檢測(cè)，軟件自動(dòng)配置，完成后立刻就能使用。軟

6、件自動(dòng)配置，完成后立刻就能使用。3)3)、通用連接器、通用連接器USB用一種通用的連接器可以連接多種類(lèi)型的外設(shè)，用一種通用的連接器可以連接多種類(lèi)型的外設(shè)，其外型為其外型為4針插頭。針插頭。 mini USB(A型型)、mini USB (B型型)、USB (B型型)、USB (A型型)、USB (A型型)A型連接頭用于固定的外圍設(shè)備；型連接頭用于固定的外圍設(shè)備；B型連接頭用于經(jīng)常插拔的設(shè)備；型連接頭用于經(jīng)常插拔的設(shè)備； 4)4)、無(wú)須外接電源、無(wú)須外接電源 數(shù)據(jù)線供電數(shù)據(jù)線供電由由USB總線提供電源到外部設(shè)備，總線提供電源到外部設(shè)備，USB能提供能提供+5V/500mA的電源，供低功耗的電源，

7、供低功耗USB設(shè)備如設(shè)備如USB鍵盤(pán)、鍵盤(pán)、USB鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)等作電源使用；高功耗的鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)等作電源使用；高功耗的USB設(shè)備設(shè)備,如如掃描儀等仍需自帶電源；掃描儀等仍需自帶電源； U S B 還 采 用還 采 用 A P M （ A d v a n c e d P o w e r Management）技術(shù)，可以有效地節(jié)省電源功耗。如）技術(shù)，可以有效地節(jié)省電源功耗。如果果3ms沒(méi)有總線活動(dòng)的話(huà)，沒(méi)有總線活動(dòng)的話(huà)，USB會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掛起狀態(tài)。會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掛起狀態(tài)。 進(jìn)入掛起狀態(tài)的設(shè)備消耗的電流不超過(guò)進(jìn)入掛起狀態(tài)的設(shè)備消耗的電流不超過(guò)500uA。5)5)、擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)、擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)USB采用星形層

8、式結(jié)構(gòu)和采用星形層式結(jié)構(gòu)和Hub技術(shù)，允許一個(gè)技術(shù)，允許一個(gè)USB主控機(jī)可以主控機(jī)可以連接多達(dá)連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)，用戶(hù)不用擔(dān)心要連接的設(shè)備數(shù)目會(huì)受到限個(gè)外設(shè)，用戶(hù)不用擔(dān)心要連接的設(shè)備數(shù)目會(huì)受到限制。兩個(gè)外設(shè)間的距離可達(dá)制。兩個(gè)外設(shè)間的距離可達(dá)5米，擴(kuò)充方便。米，擴(kuò)充方便。6)6)、不需要系統(tǒng)資源、不需要系統(tǒng)資源USB設(shè)備不占用內(nèi)存或設(shè)備不占用內(nèi)存或I/O地址空間，而且也占用地址空間，而且也占用IRQ和和DMA通道，所有事務(wù)處理都是由通道，所有事務(wù)處理都是由USB主機(jī)管理。主機(jī)管理。7)7)、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù) USB事務(wù)處理包括錯(cuò)誤保護(hù)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)誤發(fā)送。在發(fā)生錯(cuò)事務(wù)處理包

9、括錯(cuò)誤保護(hù)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)誤發(fā)送。在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，事務(wù)處理可以重來(lái)。誤時(shí)，事務(wù)處理可以重來(lái)。四.USB工作原理 1 USB互連2USB從端口3USB主端口USB互連是指一個(gè)USB主端口（USB Host）與USB從端口相連并和其通信的方式，它包括以下幾方面?？偩€的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB主端口和USB從端口的連接模式。 1 USB互連 數(shù)據(jù)流模型：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過(guò)USB從產(chǎn)生方到使用方的流動(dòng)方式。任務(wù)規(guī)劃：USB提供多個(gè)從端口共享的連接，對(duì)USB從端口必須進(jìn)行規(guī)劃以分配帶寬。數(shù)據(jù)流模式對(duì)于USB設(shè)備很關(guān)鍵。USB協(xié)議支持以單向或雙向的方式，在USB主端口和一個(gè)USB設(shè)備之間交換功能數(shù)據(jù)和控制信息

10、。USB的數(shù)據(jù)傳輸是在主端口和一個(gè)USB從端口上的特定端點(diǎn)之間進(jìn)行的，一個(gè)給定的USB從端口支持多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)。USB主端口將分別處理一個(gè)USB從端口的任一端點(diǎn)與其他端點(diǎn)上的通信，這種主端口和一個(gè)USB從端口之間的聯(lián)系稱(chēng)為管道。 2USB從端口USB從端口包括USB集線器和功能設(shè)備（Function）兩大類(lèi)。集線器為USB總線提供擴(kuò)展和連接；功能設(shè)備是具有一定特殊應(yīng)用功能的設(shè)備，它能發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，也可以接收來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)和控制信息。3USB主端口 USB主機(jī)是USB系統(tǒng)的核心，在一個(gè)USB系統(tǒng)中只有一個(gè)主端口主端口的USB接口稱(chēng)為USB控制器，通過(guò)它主機(jī)和外圍USB設(shè)備進(jìn)行通信。主機(jī)所具有

11、的功能包括：檢測(cè)USB設(shè)備的插入和拔出。管理主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流。對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的控制。收集各種狀態(tài)信息。對(duì)插入的設(shè)備供電。五五、USB的傳輸方式的傳輸方式 USB有有4種基本的傳輸方式種基本的傳輸方式: 批處理方式批處理方式中斷傳輸方式中斷傳輸方式等時(shí)傳輸方式等時(shí)傳輸方式控制傳輸方式控制傳輸方式 ） 批處理方式批處理方式批處理可以是單向，也可以是雙向。它批處理可以是單向，也可以是雙向。它用于傳輸大批數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間用于傳輸大批數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間性不強(qiáng)，但要確保數(shù)據(jù)的正確性。在數(shù)據(jù)性不強(qiáng)，但要確保數(shù)據(jù)的正確性。在數(shù)據(jù)包的傳輸過(guò)程中，出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需重新傳包的傳輸過(guò)程中，出現(xiàn)錯(cuò)誤，

12、則需重新傳輸。其典型的應(yīng)用是掃描儀、打印機(jī)和數(shù)輸。其典型的應(yīng)用是掃描儀、打印機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。碼相機(jī)。中斷傳輸是中斷傳輸是單向單向的，且僅輸入到主機(jī)，它用于不固定的、的，且僅輸入到主機(jī)，它用于不固定的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理。當(dāng)設(shè)備需要少量的數(shù)據(jù)傳輸，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理。當(dāng)設(shè)備需要主機(jī)為其服務(wù)時(shí)，向主機(jī)發(fā)送此類(lèi)信息以通知主機(jī)，像鍵主機(jī)為其服務(wù)時(shí)，向主機(jī)發(fā)送此類(lèi)信息以通知主機(jī)，像鍵盤(pán)、鼠標(biāo)之類(lèi)的輸入設(shè)備采用這方式。盤(pán)、鼠標(biāo)之類(lèi)的輸入設(shè)備采用這方式。USBUSB的中斷傳輸是的中斷傳輸是PollingPolling（查詢(xún)）類(lèi)型。主機(jī)要頻繁地請(qǐng)求端點(diǎn)輸入。（查詢(xún)）類(lèi)型。主機(jī)要頻繁地請(qǐng)求

13、端點(diǎn)輸入。USBUSB設(shè)備在全速情況下，其端點(diǎn)設(shè)備在全速情況下，其端點(diǎn)PollingPolling周期為周期為1 1255ms255ms；對(duì)；對(duì)于低速情況，于低速情況，PollingPolling周期為周期為1010255ms255ms。因此，最快的。因此，最快的PollingPolling頻率是頻率是1 1HzHz。在信息的傳輸過(guò)程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)。在信息的傳輸過(guò)程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需將在下一個(gè)誤，則需將在下一個(gè)PollingPolling中重新傳輸中重新傳輸） 中斷傳輸中斷傳輸?shù)葧r(shí)傳輸也稱(chēng)同步傳輸，可以單向也可以雙向，等時(shí)傳輸也稱(chēng)同步傳輸，可以單向也可以雙向，用于傳輸連續(xù)性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。這

14、種方式的特點(diǎn)用于傳輸連續(xù)性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。這種方式的特點(diǎn)是要求傳輸速率固定，時(shí)間性強(qiáng)，忽略傳輸錯(cuò)誤，是要求傳輸速率固定，時(shí)間性強(qiáng)，忽略傳輸錯(cuò)誤，即傳輸中出錯(cuò)也不重傳。因?yàn)檫@樣會(huì)影響傳輸速即傳輸中出錯(cuò)也不重傳。因?yàn)檫@樣會(huì)影響傳輸速率。傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包是率。傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包是1024B/ms1024B/ms。如視頻設(shè)備、。如視頻設(shè)備、數(shù)字聲音設(shè)備采用這種方式數(shù)字聲音設(shè)備采用這種方式 ） 等時(shí)傳輸?shù)葧r(shí)傳輸控制傳輸是雙向的，它的傳輸有控制傳輸是雙向的，它的傳輸有2 23 3個(gè)階個(gè)階段：段：SetupSetup階段階段（ 可 以 沒(méi) 有 ）（ 可 以 沒(méi) 有 ） ，DataData階段和階段和Status

15、Status階段。在階段。在SetupSetup階段，主機(jī)傳送命令階段，主機(jī)傳送命令給設(shè)備；在給設(shè)備；在DataData階段，傳輸?shù)氖请A段，傳輸?shù)氖荢etupSetup階段階段所設(shè)定的數(shù)據(jù)；所設(shè)定的數(shù)據(jù)；StatusStatus階段，設(shè)備返回握階段，設(shè)備返回握手信號(hào)給主機(jī)手信號(hào)給主機(jī) ） 控制傳輸控制傳輸六、USB2.0 與USB3.0差別 物理區(qū)別物理區(qū)別 USB 2.0和USB 3.0的物理區(qū)別在于連線數(shù)量。這種全新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可顯著提高總線利用率，進(jìn)而提升系統(tǒng)的吞吐量。USB 2.0采用四線連接，支持半雙工通信。在該架構(gòu)中，僅用一條雙向數(shù)據(jù)管道即可在任何給定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)單向傳輸。相比之下，

16、USB 3.0增加了五條連線，使連線總數(shù)達(dá)到九條，并采用單播雙單工數(shù)據(jù)接口，允許兩個(gè)單向數(shù)據(jù)管道分別處理一個(gè)單向通信。 更大帶寬更大帶寬 USB 3.0改進(jìn)了USB的批量數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。批量傳輸方法的有效可用帶寬大約為400MB/s，大約是USB 2.0的十倍；這種重要的傳輸機(jī)制使得機(jī)器視覺(jué)相機(jī)廠商能夠構(gòu)建高吞吐量USB 3.0相機(jī)。這不僅為集成商大幅節(jié)省成本創(chuàng)造了機(jī)遇，同時(shí)還能提高整個(gè)系統(tǒng)的速度和效率。用戶(hù)現(xiàn)在能夠在使用更少相機(jī)的同時(shí)仍然借助高分辨率USB 3.0相機(jī)覆蓋相同的成像區(qū)域。此外，更大帶寬還允許更快的幀速以及更高的系統(tǒng)性能。 功率輸出功率輸出 USB 3.0還提供了更高效的電源管理功能，并實(shí)現(xiàn)了比USB 2.0更強(qiáng)大的功率輸出。USB 3.0設(shè)備在超高速模式下工作的可支持900mA電流，這就將總輸出功率從2.5 W提高到了4.5W（電壓為5V時(shí)）。 七、七、USB的應(yīng)用的應(yīng)用 USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的USB硬盤(pán)、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼硬盤(pán)、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等需大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男庐a(chǎn)品也已投入使用，其數(shù)據(jù)攝像機(jī)等需大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男庐a(chǎn)品也已投入使用，其數(shù)據(jù)傳輸速度已高達(dá)傳輸速度已高達(dá)480Mb/s；出現(xiàn)了出現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)接設(shè)備，提供轉(zhuǎn)接設(shè)備，提供USB接口到其他接口的轉(zhuǎn)接口到其他接口的轉(zhuǎn)換，這樣，非換，這樣，非USB接口的外設(shè)就能間接地使用接接口的