通用串行總線接口——USB

　　由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對(duì)外設(shè)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。USB（Universal Serial Bus)，翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和Northen Telecom等公司為簡(jiǎn)化PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種PC與外設(shè)之間的連接，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。 
　　USB接口的主要特點(diǎn)是：即插即用，可熱插拔。USB連接器將各種各樣的外設(shè)I/O端口合而為一，使之可熱插拔，具有自動(dòng)配置能力，用戶只要簡(jiǎn)單地將外設(shè)插入到PC以外的總線中，PC就能自動(dòng)識(shí)別和配置USB設(shè)備。而且?guī)捀?，增加外設(shè)時(shí)無(wú)需在PC內(nèi)添加接口卡，多個(gè)USB集線器可相互傳送數(shù)據(jù)，使PC可以用全新的方式控制外設(shè)。USB可以自動(dòng)檢測(cè)和安裝外設(shè)，實(shí)現(xiàn)真正的即插即用。而USB的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是支持“熱”插拔，即不需要關(guān)機(jī)斷電，也可以在正運(yùn)行的電腦上插入或拔除一個(gè)USB設(shè)備。隨著時(shí)間的推移，USB將成為PC的標(biāo)準(zhǔn)配置?；赨SB的外設(shè)將逐漸增多，現(xiàn)在滿足USB要求的外設(shè)有：調(diào)制解調(diào)器，鍵盤，鼠標(biāo)，光驅(qū)，游戲手柄，軟驅(qū)，掃描儀等，而非獨(dú)立性I/O連接的外設(shè)將逐漸減少。即主機(jī)控制式外設(shè)減少，智能控制控制外設(shè)增多。USB總線標(biāo)準(zhǔn)由1.1版升級(jí)到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了240Mbps，更換介質(zhì)后連接距離由原來(lái)的5米增加到近百米?；谶@點(diǎn)，USB也可以做生產(chǎn)ISDN以及基于視頻的產(chǎn)品。如數(shù)據(jù)手套的數(shù)字化儀提供數(shù)據(jù)接口。USB總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)定義僅由2條電源線，2條信號(hào)線組成。 

　　基本特性 
　　1.USB的硬件結(jié)構(gòu) 
　　USB采用四線電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游（Downstream)設(shè)備提供電源，對(duì)于高速且需要高帶寬的外設(shè)，USB以全速12Mbps的傳輸數(shù)據(jù)；對(duì)于低速外設(shè)，USB則以1.5Mbps的傳輸速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會(huì)根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動(dòng)地動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。USB是基于令牌的總線。類似于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)或FDDI基于令牌的總線。USB主控制器廣播令牌，總線上設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符，通過(guò)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)來(lái)響應(yīng)。USB通過(guò)支持懸掛/恢復(fù)操作來(lái)管理USB總線電源。USB系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)?，該拓?fù)溆扇齻€(gè)基本部分組成：主機(jī)（Host)，集線器（Hub)和功能設(shè)備。 
　　主機(jī)，也稱為根，根結(jié)或根Hub，它做在主板上或作為適配卡安裝在計(jì)算機(jī)上，主機(jī)包含有主控制器和根集線器（Root Hub)，控制著USB總線上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動(dòng)，每個(gè)USB系統(tǒng)只能有一個(gè)根集線器，它連接在主控制器上。 
　　集線器是USB結(jié)構(gòu)中的特定成分，它提供叫做端口（Port)的點(diǎn)將設(shè)備連接到USB總線上，同時(shí)檢測(cè)連接在總線上的設(shè)備，并為這些設(shè)備提供電源管理，負(fù)責(zé)總線的故障檢測(cè)和恢復(fù)。集線可為總線提供能源，亦可為自身提供能源（從外部得到電源），自身提供能源的設(shè)備可插入總線提供能源的集線器中，但總線提供能源的設(shè)備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過(guò)四個(gè)的下游端口中，如總線提供能源設(shè)備的需要超過(guò)100mA電源時(shí)，不能同總線提供電源的集線器連接。 
　　功能設(shè)備通過(guò)端口與總線連接。USB同時(shí)可做Hub使用。 

　　2.USB的軟件結(jié)構(gòu) 
　　每個(gè)USB只有一個(gè)主機(jī)，它包括以下幾層: 
　　(1)USB總線接口 
　　USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來(lái)看，相似的總線接口由設(shè)備及主機(jī)同時(shí)給出，例如串行接口機(jī)（SIE）。USB總線接口由主控制器實(shí)現(xiàn)。 
　　(2)USB系統(tǒng) 
　　USB系統(tǒng)用主控制器管理主機(jī)與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時(shí)，USB系統(tǒng)也負(fù)責(zé)管理USB資源，例如帶寬和總線能量，這使客戶訪問(wèn)USB成為可能。USB系統(tǒng)還有三個(gè)基本組件： 
　　主控制器驅(qū)動(dòng)程序（HCD）這可把不同主控制器設(shè)備映射到USB系統(tǒng)中。HCD與USB之間的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義，通用主控制器驅(qū)動(dòng)器（UHCD）處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來(lái)管理和控制主控制器。UHCD實(shí)現(xiàn)了與USB主控制器通信和控制USB主控制器，并且它對(duì)系統(tǒng)軟件的其他部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的最高層通過(guò)UHCD的軟件接口與主控制器通信。 
　　USB驅(qū)動(dòng)程序（USBD）它在UHCD驅(qū)動(dòng)器之上，它提供驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，滿足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求。USBD以I/O請(qǐng)求包（IRPs)的形式提供數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，它由通過(guò)特定管道（Pipe)傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。此外，USBD使客戶端出現(xiàn)設(shè)備的一個(gè)抽象，以便于抽象和管理。作為抽象的一部分，USBD擁有缺省的管道。通過(guò)它可以訪問(wèn)所有的USB設(shè)備以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的USB控制。該缺省管道描述了一條USBD和USB設(shè)備間通信的邏輯通道。 
　　主機(jī)軟件　在某些操作系統(tǒng)中，沒(méi)有提供USB系統(tǒng)軟件。這些軟件本來(lái)是用于向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供配置信息和裝載結(jié)構(gòu)的。在這些操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)用提供的接口而不是直接訪問(wèn)USBDI（USB驅(qū)動(dòng)程序接口）結(jié)構(gòu)。 
　?。?）USB客戶軟件 
　　它是位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層，負(fù)責(zé)處理特定USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。客戶程序?qū)用枋鏊兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到后，這些客戶程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?。這個(gè)共享的特性將USB系統(tǒng)軟件置于客戶和它的設(shè)備之間，這就要根據(jù)USBD在客戶端形成的設(shè)備映像由客戶程序?qū)λM(jìn)行處理。 
　　主機(jī)各層有以下功能： 
　　檢測(cè)連接和移去的USB設(shè)備。 
　　管理主機(jī)和USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)流。 
　　連接USB狀態(tài)和活動(dòng)統(tǒng)計(jì)。 
　　控制主控制器和USB設(shè)備間的電氣接口，包括限量能量供應(yīng)。 
　　HCD提供了主控制器的抽象和通過(guò)USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的主控制器視角的一個(gè)抽象。USBD提供了USB設(shè)備的抽象和USBD客戶與USB功能間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)抽象。USB系統(tǒng)促進(jìn)客戶和功能間的數(shù)據(jù)傳輸，并作為USB設(shè)備的規(guī)范接口的一個(gè)控制點(diǎn)。USB系統(tǒng)提供緩沖區(qū)管理能力并允許數(shù)據(jù)傳輸同步于客戶和功能的需求。 

　　3.USB的數(shù)據(jù)流傳輸 
　　主控制器負(fù)責(zé)主機(jī)和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)作連續(xù)的比特流。每個(gè)設(shè)備提供了一個(gè)或多個(gè)可以與客戶程序通信的接口，每個(gè)接口由0個(gè)或多個(gè)管道組成，它們分別獨(dú)立地在客戶程序和設(shè)備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機(jī)軟件的現(xiàn)實(shí)需求建立了接口和管道，當(dāng)提出配置請(qǐng)求時(shí)，主控制器根據(jù)主機(jī)軟件提供的參數(shù)提供服務(wù)。 
　　USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應(yīng)用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質(zhì)。 
　　控制傳輸類型　支持外設(shè)與主機(jī)之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。 
　　等時(shí)（lsochronous)傳輸類型　支持有周期性，有限的時(shí)延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無(wú)差錯(cuò)校驗(yàn)，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計(jì)算機(jī)－電話集成系統(tǒng)（CTI）和音頻系統(tǒng)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 
　　中斷傳輸類型　支持像游戲手柄，鼠標(biāo)和鍵盤等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸量小，無(wú)周期性，但對(duì)響應(yīng)時(shí)間敏感，要求馬上響應(yīng)。 
　　數(shù)據(jù)塊（Bulk)傳輸類型　支持打印機(jī)，掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)，這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進(jìn)行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。 
　　USB采用分塊帶寬分配方案，若外設(shè)超過(guò)當(dāng)前帶寬分配或潛在的要求，則不能進(jìn)入該設(shè)備。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數(shù)據(jù)按一定的速率傳送。集中和控制終端按可用的最佳帶寬來(lái)傳輸傳輸數(shù)據(jù)。 

　　USB應(yīng)用篇 
　　USB連接器可以輕松地為計(jì)算機(jī)添加設(shè)備，同時(shí)不占用計(jì)算機(jī)的并口和串口。只要將設(shè)備一插就可以使用了。但它有時(shí)也難以使用。 
　　一.讓計(jì)算機(jī)支持USB 
　　現(xiàn)在大部分的計(jì)算機(jī)都有USB端口。而一些老式的計(jì)算機(jī)則沒(méi)有USB端口的，只有USB連接器，但它是不起作用的，你可以在啟動(dòng)計(jì)算機(jī)時(shí)查看BIOS，確定它是否支持USB。你可選擇USB　Legacy支持選項(xiàng)（如果有該選項(xiàng)的話）。如果你的老式主板真的不支持USB設(shè)備，你只有去買一塊USB連接卡，這就可以把USB設(shè)備添加到你的計(jì)算機(jī)里了。 

　　二.讓W(xué)INDOWS系統(tǒng)支持USB 
　　現(xiàn)在的WINDOWS　98對(duì)很多外設(shè)都提供了全面的支持。只有WINDOWS　3.X及更早版本的WINDOWS及WINDOWS　NT都不支持USB，如果你想查看你的計(jì)算機(jī)是否安裝了USB控制器，可進(jìn)入“控制面板”，雙擊其中的“系統(tǒng)”圖標(biāo)，然后選擇“設(shè)備管理器”選項(xiàng)卡。你就會(huì)看到“通用串口總線控制器”點(diǎn)擊該控制器，你會(huì)看到兩個(gè)項(xiàng)目：Universal Host Controller和Unicersal Root Hub。如果你還沒(méi)有安裝USB的驅(qū)動(dòng)程序，則從你的WINDOWS安裝光盤的OTHERUSB文件夾中找到這些項(xiàng)目，雙擊Usbsupp.exe即可安裝USB驅(qū)動(dòng)程序。 

　　三.讓計(jì)算機(jī)連接更多的USB設(shè)備 
　　一般的計(jì)算機(jī)只有兩個(gè)USB端口，如果你想連接更多的USB外設(shè)，則利用USB集線器，該集線器可提供多個(gè)USB端口，你只要將該集線器直接插入你的計(jì)算機(jī)即可。有了足夠的USB端口，你就可以最多連入127個(gè)USB設(shè)備。 

　　USB為計(jì)算機(jī)外設(shè)輸入輸出提供了新的接口標(biāo)準(zhǔn)。它使設(shè)備具有熱插拔，即插即用，自動(dòng)配置的能力，并標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備連接。USB的級(jí)聯(lián)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大擴(kuò)充了外設(shè)數(shù)量，使增加，使用外設(shè)更加便捷，快速。而新提出的USB2.0標(biāo)準(zhǔn)更是將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了一個(gè)新的高度，這是具有美好的應(yīng)用前景。