通用串行总线

3.3.2　USB通用串行总线

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种应用在PC领域的新型接口技术。USB在1995年被应用于PC，1998年后，随着微软在Windows 98中内置了对USB接口的支持模块，USB接口才进入实用阶段。USB传输规范有USB 1.1和USB 2.0两个版本，下面主要介绍USB 1.1的数据传输规范。

通用串行总线（USB）用于微机与外设之间的数据交换，USB允许外设在主机和其他外设工作时进行连接、配置、使用和移走。USB的应用可减少微机与外设连接的I/O端口，仅用一个串行接口来代替，使其与外设之间的连接更容易。

1．总线拓扑结构

USB的物理连接是一种分层的星型结构，集线器（Hub）是每个星型结构的中心，PC机是根集线器（RootHub），外设或附加的Hub与之相连。USB最多可支持5个Hub层、127个外设，USB的拓扑结构如图3.20所示。

图3.20　USB拓扑图

2．USB的物理层

USB通过4线电缆传输数据和电源，其中D+和D−是差模信号线，Vbus为+5V电源，GND为电源地。USB提供12Mb/s高速模式和1.5Mb/s低速模式传输数据，两种模式可并存于一个系统中。低速模式主要用于一些低速设备（如鼠标、键盘等）。高速模式用于系统中的高速设备（如磁盘、CD刻录机等）。高速模式必须使用带屏蔽层的双绞线，最大长度为5m。低速模式可用一般双绞线，最大长度为3m。

3．USB设备

USB设备包括Hub和功能设备。功能设备又可分为定位设备和字符设备。一个USB设备可以分为三层：最底层是总线用户接口，用于发送和接收包；中间层是逻辑设备，用于处理总线接口与不同端点之间的数据流通；最上层是功能层，即USB设备所提供的功能，如鼠标、键盘等，如图3.21所示。

（1）集线器（Hub）

Hub在USB结构中是一个关键部件，它提供和扩展附加的USB节点，Hub可以检测出每一个下行端口的状态，并给下端的设备提供电源。

（2）即插即用

USB设备可以即插即用，但在使用之前必须对设备进行配置。USB设备连接到一个USB节点上，USB就会产生一系列操作完成对USB设备的配置（总线枚举）。当连接的USB设备移走，Hub将报告主机关闭端口，改写当前结构的信息。

（3）设备电源

USB设备的电源可以由USB总线提供，也可自备。一个USB设备可以具有两种供电方式，但同一时刻只能采用一种。

（4）设备挂起

为了节约电能，当USB设备在指定时间内没有总线传输，USB设备将自动进入挂起状态。另外，如果设备所连接的Hub端口被禁止，设备也将进入挂起状态。当USB总线活动时，设备就会离开挂起状态而恢复工作状态。

图3.21　USB设备结构

图3.22　USB主机层结构

4．USB主机

USB主机在USB系统中处于中心地位，对连接的USB设备进行控制。主机控制所有USB的访问，一个USB外设只有主机允许时才有权访问USB总线。USB主机包括：设备驱动程序、USB系统软件、USB主控制器，如图3.22所示。另外，USB还有两个软件接口：USB驱动接口（USBD）和主机控制驱动接口（HCD）。

5．USB数据传输方式

USB数据传输是通过管道进行的，USB提供了控制传输、同步传输、中断传输和数据块传输等四种数据传输方式。它们在数据格式、传输方向、数据包容量限制、总线访问限制等方面有不同的特征。

（1）控制传输

控制传输通常用于配置、命令、状态等情况，支持双向传输，允许数据包容量为8、16、32、64字节，不能指定总线访问的频率和总线占用时间，传输可靠性高。

（2）同步传输

同步传输是一种周期性、连续的传输方式，通常用于与时间有密切关系的信息传输，是单向传输（若需要双向传输，必须使用另外一个端点），只能用于高速设备，数据容量为0～1 023字节，具有带宽保证（保持恒定的传输速率），没有数据重发机制，要求具有一定的容错性。

（3）中断传输

中断传输用于非周期的、自然发生的、数据量小的信息传输，只有输入一种传输方式（外设到主机），对于高速设备数据包大小为64字节（低速设备小于或等于8字节），具有最大的服务周期保证（在规定时间内至少有一次数据传输），具有数据保证（错误可重发）。

（4）数据块传输

数据块传输用于大量的没有时间要求的数据传输，是单向传输（若需要双向传输，必须使用另外一个端点），对于高速设备数据包大小为8、16、32、64字节，没有带宽保证（总线空闲即可传数据），具有数据保证（必要时可重试、重发）。

6．USB总线协议

在USB中，任何操作都是从主机开始的，主机以预先安排的时序，发出一个描述操作类型、方向、外设地址以及端点号的包（令牌包），然后在令牌中指定数据发送者发出一个数据包或指出它没有数据传输。而USB外设要以一个确认包作出响应，表明传输成功。

（1）域类型

一个包包括：同步域、标识域、地址域、端点域、帧号域、数据域及CRC校验等。其中同步域用于本地时钟与输入信号的同步；标识域指明包的类型及格式；地址域指明外设端点地址；端点域说明设备所使用的子通道；帧号域指明目前帧的序号；数据域包含传输的数据；CRC校验包含令牌校验和数据校验。

（2）包类型

USB中有令牌包、数据包、应答包等，其中应答包包含：确认包、无效包、出错包、特殊包等。令牌包包含输入（IN）、输出（OUT）、设置（SETUP）和帧起始（SOF）四种类型；数据包包含标识域、数据域和CRC校验域；应答包用于报告数据传输状态，仅有支持流控制的传输类型。

（3）总线操作

USB的总线操作包含：批操作、控制操作、中断操作、同步操作等。批操作包含令牌、数据、应答三个阶段；控制操作包含设置和状态两个操作阶段；中断操作只有输入一个方向，与批操作的输入相同；同步操作包含令牌和数据两个阶段，不支持重发功能。

（4）错误检验与恢复

USB具有检查错误能力，可以根据传输类型的要求进行相应的处理。如数据传输要求较高的数据准确度，因此支持所有的错误检验与重试来对端对端数据的完整传输。USB可进行PID检验、CRC校验、总线时间溢出及EOP错误检验等。

7．USB 2.0标准

由于USB 1.1传输速率较慢，1999年由COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS等联合制定了USB 2.0接口标准。USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，比USB 1.1快40倍左右。

USB 2.0可使用原来USB定义中同样规格的电缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下一样保持了USB 1.1的优秀特色，并且，USB 2.0设备不会和USB 1.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。

Windows完整支持USB 1.X，对于USB 2.0系统能够正常工作。Windows XP已完全支持USB 2.0设备，由于得到Intel和微软的支持，USB 2.0标准已成为当代设备接口。