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USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)接口是近几年推出的一种全新的外部设备接口,它是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种标准化接口,支持各种PC与外设之间的连接,还可实现数字多媒体集成。

USB接口的主要特点是即插即用,允许热插拔。USB连接器将各种各样的外设I/O端口合而为一,使之可以热插拔,并具有自动配置能力,用户只要简单地将外设插入到USB连接器上,PC机就能自动识别和配置USB设备。除此之外,USB接口的其他优点,如带宽更大、增加外设时无需添加接口卡、多个USB集线器可互传数据等,也使得PC机可以用全新的方式控制外设。

随着时间的推移,USB已成为PC机的标准配置,基于USB的外设也逐渐增多,包括调制解调器、键盘、鼠标、光驱、游戏手柄、软驱、扫描仪等。

近年来,USB总线标准由1.1版升级到了2.0版,传输率由12Mbps增加到了480Mbps,连接距离也由原来的5米增加到近百米。

USB设计者尽其所能地在USB接口上体现出未来计算机对接口的需求标准:易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性和低耗性。

1. USB的系统结构

USB总线结构简单,信号定义仅由2条电源线和2条信号线组成。

从硬件结构来说,USB系统采用级联星型拓扑,该拓扑由三个基本部分组成:主机(Host)、集线器(Hub)和功能设备。

(1)主机,也称为根、根结点或根Hub,做在计算机主板上或作为适配卡安装在计算机上。主机包含有主控制器和根集线器(Root Hub),控制USB总线上数据和控制信息的流动,每个USB系统只能有一个根集线器,它连接在主控制器上。

(2)集线器是USB结构中的特定部分,它提供端口(Port),以便将设备连接到USB接口上,同时检测连接在总线上的设备,并为这些设备提供电源管理,负责总线的故障检测和恢复。

(3)功能设备通过端口与总线连接。

从软件结构来说,每个USB只有一个主机,它包括以下几层:

(1)USB总线接口:USB总线接口处理电气层与协议层的互连。

(2)USB系统:USB系统用主控制器管理主机与USB设备间的数据传输,它与主控制器间的接口依赖于主控制器的硬件定义。同时,USB系统也负责管理USB资源,例如带宽和总线能量,这使得客户访问USB成为可能。

(3)USB客户软件:位于软件结构的最高层,负责处理特定USB设备驱动器。客户程序层描述所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到后,这些客户程序将直接作用于外围硬件。

2. 数据传输模式

主控制器负责主机与USB设备间数据流的传输,这些传输数据被当作连续的比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口,每个接口由0个或多个管道组成,它们分别独立地在客户程序与设备的特定终端间传输数据。通用串行总线驱动程序(USBD)为主机软件的现实需求建立了接口和管道,当提出配置请求时,主控制器根据主机软件提供的参数提供服务。 

USB支持四种基本的数据传输模式:控制传输、等时传输、中断传输、数据块传输。每种传输模式应用到同名终端,则具有不同的性质。

(1)控制传输类型:支持外设与主机之间的控制、状态、配置等信息的传输,为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型,这样主机与外设之间就可以传送配置和命令/状态信息。

(2)等时(Isochronous)传输类型:支持有周期性、有限的时延和带宽、且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验,故不能保证正确的数据传输,支持诸如计算机-电话集成系统(CTI)、音频系统与主机的数据传输。

(3)中断传输类型:支持诸如游戏手柄、鼠标、键盘等输入设备,这些设备与主机间的数据传输量小,无周期性,但对响应时间敏感,要求马上响应。

(4)数据块(Bulk)传输类型:支持打印机、扫描仪、数码相机等外设,这些外设与主机间的数据传输量大,USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。

USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准,它使设备具有热插拔、即插即用、自动配置的能力,使设备连接标准化。USB的级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量,使增加、使用外设更加便捷、快速,而USB2.0标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度,使之拥有美好的应用前景。