USB总线体系的概述.docx

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USB总线体系的概述

USB总线

一、USB总线的体系结构

　　USB,是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

是应用在PC领域的接口技术。

USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

USB（通用串行总线），由Intel公司提出，带宽为12Mbps，与传统接口总线相比，主要优点有三个，1.可接入多达127个设备，目前计算机外设越来越多，PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求，USB缓解了这一矛盾。

2.可以热插拔，在电脑通电的情况下可以随时热插拔所连接的设备。

3.可即插即用。

　　设计USB的设备就必须深入了解USB的体系结构。

USB通用串行总线同其他串行并行接口不同，它是一个软硬件相结合的系统体系，对于刚刚进入USB设计的工程师来说，这个结构是复杂的。

为此，下面论述了USB的一些体系结构和基本概念。

USB总线的总体结构

整个USB总线可以分为3个部分进行描述：

USB连接、USB设备、USB主机（如图1）。

USB连接

　　USB连接是指USB主机和USB设备的通信方式与方法，包括：

总线拓扑（USB主机和设备之间的连接方式）；层内关系（USB总线每一层中的任务）；数据流模式（数据在USB总线上的流动方式）；USB调度（USB提供一个共享的服从调度的互连）。

　　USB设备是通过USB总线连接到USB主机上的。

USB总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑。

处于每个星形拓扑中央的是hub（USB集线器）。

在主机和一个hub或者一个应用之间以及在hub和其它hub或应用之间都是一个点对点的连接。

图1表示了USB的拓扑类型。

USB主机

　　在USB总线中只有一个主机。

USB总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器，它可被看做一个硬件、固件和软件的结合体。

主机系统中集成了一个根hub来提供一个或多个连接点。

USB设备

　　首先USB设备可被分为两大类：

hub类（提供附加USB接入点的设备）和功能设备类（为系统实现某些功能的设备，如ISDN适配器、数字游戏杆等）。

　　按照功能，USB设备又可分为很多类，如：

音频、人机交互、显示、通信、电源、打印机、海量存储、物理反馈等设备。

每个USB设备都必须提供自鉴定信息和通用的设置。

　　USB设备都有一个标准的USB接口，它的作用为：

解释USB协议；对标准USB操作的响应，如挂起和设置等；提供设备的一些描述信息。

　　在实际的设计应用中，USB设备的接口有自已的特点。

USB接口的正确设计与设备的性能紧密相关，在USB接口设计之前必须要对设备的功能、指标进行详细的分析。

　　连接在USB接口上的设备通过基于令牌和主机控制的协议来共同享用整个USB带宽。

在其它设备正常工作的前提下，USB允许某设备连接、设置、运行和断开连接。

USB数据传逻辑结构

　　USB设备在逻辑上分成了几个层次，分别是设备层、配置层、接口层和节点层。

USB设备中各层的逻辑关系如图2所示：

　　　1.节点：

每个设备内有一个或多个逻辑连接点，称为节点。

　　　2.接口：

一个设备对主机表现为一组合适的节点，一组相关的节点称为一个接口。

有多个接口的设备称为组合设备。

　　　3.配置：

设备可以有多组接口，每一组称为一个配置，一次只能有一个配置是活动的。

但是，当前配置中的所有接口（和它们的节点）可以同时是活动的。

大多数设备只有一个配置和一个接口。

当一个设备第一次插入系统时，Windows提示用户选择合适的配置。

　　　4.管道：

在USB中，传输是在USB设备的某一具节点和主机软件之间进行的，这个相关的结构就称为管道，即为设备的一个节点与主机之间的数据传输的模型。

管道有两种：

流管道和消息管道。

其中消息管道的数据结构是USB定义好的，而流管道没有固定的结构。

另外，数据传输带宽、传输类型、节点的特性（如方向和缓冲大小）都影响着它的管道特性。

大多数的管道在USB设备配置好之后就产生了。

其中有一个最重要的消息管理是“缺省控制管道”，这个管道在设备一加电的时候就存在了，它提供设备的配置和状态等信息的控制。

管道可以是单向的也可以是双向的。

一个USB设备可以有很多个管道，管道之间是相互独立的，比如设备的一个管道可以从主机接收数据而另一个管道可以发送数据。

在一个设备配置中每一个管道（即每一个节点）只能支持下述的一个数据传型。

　　　5.传输类型：

USB总线包括4种传输类型（传输管道）：

　　　　●控制传输类型：

用于传输控制信息，如：

在连接时配置设备，控制其它管道的状态以及完成一些设备自定的用途。

　　　　●块数据传输类型：

用于传输相对比较大的和突发性强的数据，一般这种传输的动态范围比较宽。

数据传输的可靠性由硬件层错误检测来保证，对错误的数据可进行重复发送。

块传输是连续的，它的带宽占用依据其它USB设备的使用情况而不同。

这种传输类型一般用于打印机、扫描仪等。

　　　　●中断数据传输类型：

数据量小，延迟短，通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息，多用于人机交互设备，如鼠标，键盘、游戏杆等。

　　　　●同步数据传输类型：

占用预先分配的带宽，实时传输。

对于同步传输管道，带宽的要求与设备的采样率有关，时延的要求与每个节点的缓冲大小有关。

为保证数据的实时传输，在传输过程中的一些误码是不被纠正的（如不进行重试等），则实际上USB的心位错误率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成问题。

USB数据传输的逻辑模型如图3所示：

　　根据实际应用中得出的经验，工程技术人员需要预先计划好的USB接口指标包括：

所设计的USB设备的带宽，由此确定设备为低速设备还是全速设备；是否采用多重配置；是否采用多个接口，即设备是否是复合设备，是否包括多个功能；设备的每个功能都分别包括几个管道（节点），各个管道的传输方式和它们之间有什么关系。

只有把这些问题都分析清楚，才可以着手进行下一下的详细设计。

结束语

随着USB2.0协议的推出，USB的应用范围将更为扩大。

USB2.0所定义的带宽为480Mbps，它的出现将彻底改变USB只能在低速设备上应用的现状。

由于有相同的USB高速模式的结构，从现有的USB1.1外设向USB2.0转移相对来说比较容易的，所以全面了解USB的体系结构对于USB1.1和USB2.0设备的设计都是非常重要的。

二、USB2.0

USB2.0规范使用

　　注意：

本文所说的Mbps乃是“兆位每秒”，并不是我们日常用的“兆字节每秒”。

一字节等于八位。

　　这里有必要先说清楚一下USB2.0规范的由来。

USB2.0技术规范是有由Compaq、HewlettPackard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC、Philips共同制定、发布的，规范把外设数据传输速度提高到了480Mbps，是USB1.1设备的40倍！

但按照原定计划新的USB2.0标准只是准备把这个标准定在240Mbps，后来，经过努力将它提高到了480Mbps。

　　由于当时制订的标准有了变化，USB规范就产生了三种速度选择：

480Mbps、12Mbps、1.5Mbps。

而2003年6月份，当USB2.0标准开始逐渐深入人心之后，USB协会重新命名了USB的规格和标准，也许当时USB协会的举措只是为了更好的统一标准而不至于混乱，但也许USB协会没想到这个标准给闪存盘和MP3市场造成一个混乱的局面。

　　重新命名了USB标准将原先的USB1.1改成了USB2.0FullSpeed（全速版），同时将原有的USB2.0改成了USB2.0High-Speed（高速版），并同时公布了新的标识。

不言而喻，高速版的USB2.0速度当然超过全速版的USB2.0。

　　所以，如果你用USB2.0的扫描仪，就完全不同了，扫一张40M的图片只需半秒钟左右的时间，一眨眼就过去了，效率大大提高。

不言而喻，现在市面上不少闪存盘和MP3采用的USB2.0，其实就是原来USB1.1的，被USB协会命名为FullSpeed的USB2.0版本。

速度上只有12Mbps，与高速版的480Mbps有很大的差距。

USB2.0兼容USB1.1，也就是说USB1.1设备可以和USB2.0设备通用，但是这时USB2.0设备只能工作在全速状态下（12Mbit/s）。

USB2.0有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s，低速是1.5Mbit/s。

其中全速和低速是为兼容USB1.1和USB1.0而设计的，因此选购USB产品时不能只听商家宣传USB2.0,还要搞清楚是高速、全速还是低速设备。

USB总线是一种单向总线，主控制器在PC机上，USB设备不能主动与PC机通信。

为解决USB设备互通信问题，有关厂商又开发了USBOTG标准，允许嵌入式系统通过USB接口互相通信，从而甩掉了PC机。

　　新USB2.0规范重新命名了USB标准将原先的USB1.1改成了USB2.0FullSpeed（全速版），同时将原有的USB2.0改成了USB2.0High-Speed（高速版），并同时公布了新的标识。

不言而喻，高速版的USB2.0速度当然超过全速版的USB2.0。

电脑USB端口可以提供最大电流为500mA。

　　USB2.0支持的操作系统：

　　MicrosoftWindows7

　　MicrosoftWindowsServer2008

　　MicrosoftWindowsvista

　　MicrosoftWindowsServer2003

　　MicrosoftWindowsXP（所有版本）

　　MicrosoftWindows2000（确保已安装最新的服务包）

　　MicrosoftWindows98SE

　　MicrosoftWindowsMe

USB2.0

　　1998年后，随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走进了实用阶段。

USB2.0

这几年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为个人电脑的标准接口已经是大势所趋。

在主机端，最新推出的个人电脑几乎100%支持USB；而在外设端，使用USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、游戏杆、磁带和软驱、图像设备、打印机、键盘、鼠标等等。

　　USB设备大多以“小、轻、薄”见长。

标准统一

　　大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。

可以连接多个设备

　　而且，USB2.0可以使用原来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USB1.1的优秀特色，并且，USB2.0的设备不会和USB1.X设备在共同使用的时候发生任何冲突。

三、USB3.0

USB3.0

USB3.0是最新的USB规范，该规范由英特尔等大公司发起。

USB2.0已经得到了PC厂商普遍认可，接口更成为了硬件厂商接口必备，看看家里常用的主板就清楚了。

USB2.0的最高传输速率为480Mbps，即60MB/s。

不过，大家要注意这是理论传输值，如果几台设备共用一个USB通道，主控制芯片会对每台设备可支配的带宽进行分配、控制。

如在USB1.1中，所有设备只能共享1.5MB/s的带宽。

如果单一的设备占用USB接口所有带宽的话，就会给其他设备的使用带来困难。

USB3.0标准接口与线缆样品

新一代USB3.0标准已经正式完成并公开发布。

新规范提供了十倍于USB2.0的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。

　　制定完成的USB3.0标准已经移交给该规范的管理组织USBImplementersForum（简称USB-IF）。

该组织将与硬件厂商合作，共同开发支持USB3.0标准的新硬件，不过实际产品上市还要等一段时间。

　　第一版USB1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mbps；两年后升级为USB1.1，速度也大大提升到12Mbps，至今在部分旧设备上还能看到这种标准的接口；2000年4月，目前广泛使用的USB2.0推出，速度达到了480Mbps，是USB1.1的四十倍；如今八个半年头过去了，USB2.0的速度早已经无法满足应用需要，USB3.0也就应运而生，最大传输带宽高达5.0Gbps，也就是625MB/s，同时在使用A型的接口时向下兼容。

　　IEEE组织最近也批准了新规范IEEE1394-2008，不过新版FireWire的传输速度只有3.2Gbps，相当于USB3.0的60％多一点。

难怪苹果等业界厂商普遍对该技术失去了兴趣。

　　USB2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，故而支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。

　　除此之外，USB3.0还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。

　　测量仪器大厂泰克（Tektronix）在上个月第一家宣布了用于USB3.0的测试工具，可以帮助开发人员验证新规范与硬件设计之间的兼容性。

Standard-A型公口、母口实物模拟图

USB3.0在实际设备应用中将被称为“USBSuperSpeed”，顺应此前的USB1.1FullSpeed和USB2.0HighSpeed。

预计支持新规范的商用控制器将在2009年下半年面世，消费级产品则有望在2010年上市。

USB3.0规范

　　传输速率这款新的超高速接口的实际传输速率大约是3.2Gbps（即400MB/S）。

理论上的最高速率是5.0Gbps（即625MB/S）。

　　数据传输USB3.0引入全双工数据传输。

5根线路中2根用来发送数据，另2根用来接收数据，还有1根是地线。

也就是说，USB3.0可以同步全速地进行读写操作。

以前的USB版本并不支持全双工数据传输。

（2代的十倍）

　　电源电源的负载已增加到150毫安（USB2.0是100毫安左右），配置设备可以提高到900毫安。

这比USB2.0高了80%，充电速度更快。

另外，USB3.0的最小工作电压从4.4伏特降到4伏特，更加省电。

　　电源管理USB3.0并没有采用设备轮询，而是采用中断驱动协议。

因此，在有中断请求数据传输之前，待机设备并不耗电。

简而言之，USB3.0支持待机、休眠和暂停等状态。

　　物理外观上述的规范也会体现在USB3.0的物理外观上。

但USB3.0的线缆会更“厚”，这是因为USB3.0的数据线比2.0的多了4根内部线。

不过，这个插口是USB3.0的缺陷。

它包含了额外的连接设备。

　　已支持的操作系统WindowsVista、Windows7（据传要等到Windows7SP1）和Linux已支持USB3.0.Mac还在观望，应该也会支持的。

鉴于WindowsXP的“年纪”，它能支持USB3.0的希望几乎渺茫。

USB3.0的影响

　　从USB1.1的12Mbps升级到USB2.0的480Mbps，提升幅度达到了40倍，而从USB2.0标准升级到USB3.0标准仅为10倍，但这10倍速度的提升却有着很大的应用意义，既然USB3.0的数据传输率达到了4.8Gbps，要远远高于其他传输标准，比如IEEE1394（IEEE1394接口是苹果公司开发的串行标准，中文译名为火线接口（firewire）。

同USB一样，IEEE1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步数据传输）的数据传输通常为400Mbps～3.2Gbps之间，而号称“USB移动硬盘终结者”的新一代eSATA（是2.0的六倍）标准也仅有3Gbps的数据传输率。

USB3.0

USB3.0速度

　　USB2.0为各式各样的设备以及应用提供了充足的带宽，但是，随着高清视频、TB（1000GB）级存储设备、高达千万像素数码相机、大容量的手机以及便携媒体播放器的出现，更高的带宽和传输速度就成为了必须。

　　每秒480Mb的传输速度可能都已经不算快了，更何况没有哪个USB2.0设备能够达到这个理论上的最高限速。

在实际应用中，能够达到每秒320Mb的平均速度就已经很不错了。

　　同样，其实USB3.0同样达不到5.0Gb的理论值，若只能达到理论值的5成，那也是接近于USB2.0的10倍了。

USB3.0的物理层采用8b/10b编码方式，这样算下来的理论速度也就4Gb/s，实际速度还要扣除协议开销，在4Gb/s基础上要再少点。

　　新的“SuperspeedUSB”将比现有的USB2.0速度快10倍，USB3.0规范已经进入最后的完成阶段。

USB推广小组主席JeffRavencraft称，SuperspeedUSB的最高传输速度将是USB2.0的10倍，最低传输速度达到300MB/s.他将给闪存产品带来更高的速度，使用固态硬盘，如果接口从USB2.0升级到3.0，那么就是螺旋桨飞机到喷气式飞机的飞跃。

SuperspeedUSB的线缆和端口将采用向下兼容模式，intel已经弃用之前光纤互连的方式作为传输方式，据了解，此举是节约成本，而目前USB3.0的速度也达到了“令人满意的效果”，而无需在这方面深入开发。

USB3.0的接口分为两部分，一部分采用和USB2.0一致的针脚；另外增加了一系列电气接口供USB3.0信号传输使用。

据Ravencraft透露，USB3.0将于明年中期正式发布。

USB3.0工作原理

　　USB3.0之所以有“超速”的表现，完全得益于技术的改进。

相比目前的USB2.0接口，USB3.0增加了更多并行模式的物理总线。

USB3.0接口尺寸标准

可以拿起身边的一根USB线，看看接口部分。

在原有4线结构（电源，地线，2条数据）的基础上，USB3.0再增加了4条线路，用于接收和传输信号。

因此不管是线缆内还是接口上，总共有8条线路。

正是额外增加的4条（2对）线路提供了“SuperSpeedUSB”所需带宽的支持，得以实现“超速”。

显然在USB2.0上的2条（1对）线路，是不够用的。

　　此外，在信号传输的方法上仍然采用主机控制的方式，不过改为了异步传输。

USB3.0利用了双向数据传输模式，而不再是USB2.0时代的半双工模式。

简单说，数据只需要着一个方向流动就可以了，简化了等待引起的时间消耗。

　　其实USB3.0并没有采取什么鲜有听闻的高深技术，却在理论上提升了10倍的带宽。

也因此更具亲和力和友好性，一旦SuperSpeedUSB产品问世，可以让更多的人轻松接受并且做出更出色的定制化产品。

USB3.0迷你接口规格

USB3.0线缆横截面图

USB3.0先进之处

　　需要时能提供更多电力USB3.0能够提供50%—80%更多的电力支持那些需要更多电能驱动的设备，而那些通过USB来充电的设备，则预示着能够更快的完成充电。

　　不需要时就自动减少耗电转换到USB3.0，功耗也是要考虑的很重要的一个问题，因此有效的电源管理就很必要，可以保证设备的空闲的时候减少电力消耗。

大量的数据流传输需要更快的性能支持，同时传输的时候，空闲时设备可以转入到低功耗状态。

甚至可以空下来去接收其他的指令，完成其他动作。

　　虽然在USB3.0规范中，没有明确指定USB线缆有多长，但是电缆材质和信号质量还是影响了传输的效果。

因此在传输数百兆大数据流的时候，线缆长度最好不要超过3米。

网络上有一些非官方的言论谈到了USB3.0可以使用光纤，其实这正是USB规范组织正在考虑的问题，也许会在下一个修正版本中推出，也许会让一些有能力的第三方公司来尝试一下。

USB3.0应用

　　简单说，所有的高速USB2.0设备拿到USB3.0上来只能会有更好的表现，至少不会更加的糟糕。

这些设备包括：

外置硬盘-在传输速度上至少有两倍的提升，更不用担心供电不足的问题了。

高分辨率的网络摄像头、视频监视器；视频显示器，例如采用DisplayLinkUSB视频技术的产品；USB接口的数码相机、数码摄像机；蓝光光驱等

　　另外，最常用的读卡器设备，尤其是当设备中同时使用多种类型的闪存卡，或者是读卡器连接到USBHub上，而USBHub上又有多个读卡器的时候，那种传输速度简直是难以忍受的折磨。

USB3.0则提供了更多的空间，来解决这样的问题，提供5-10倍的带宽不是问题。

　　还有一点是可以预见的，理论上每秒4.8Gb的传输速度，足以让USB侵入到以前从不敢涉猎的范围，例如磁盘阵列系统。

USB3.0出台，前景何在？

　USB鼠标、USB键盘、USB摄像头、USB打印机、USB……接触电脑的人就不可能不接触到USB这种大众到极点的接口，但并非所有人都了解USB接口，而正是这种融入生活的忽略从一个侧面验证了USB的成功——我们已经把它当做自然而然理应存在的东西。

看到目前动辄以TB计算的磁盘容量，和动辄以10GB为单位的蓝光视频源，我们不禁苦笑——USB2.0已然捉襟见肘。

　　3.0更高的传输性能提供了更快的数据转换能力，高性能外置显卡成为可能，这意味着游戏爱好者们甚至可以在任何计算机上享受同样的显示待遇，实际上华硕在USB2.0接口的基础上就已经研发出了这样的产品，而在USB3.0的支持下，这一产品概念应该会得到迅速落实，毕竟有需求就有市场。

当然了，还有USB连接的显示器也将成为可能，甚至更夸张一些，外置CPU都有可能出现在未来USB3.0的平台基础上，而各大公司的全力支持则让USB3.0几乎不存在任何普及方面的问题，或许唯一要考虑的就是价格。

中国制造!

世界第一款USB3.0扩展卡

　　这一块USB3.0扩展卡来自国外品牌ACASIS阿卡西斯，它采用PCI-E1×总线设计，采用了一颗NECD720200F1控制芯片，提供两个USB3.0扩展接口。

扩展卡采用绿色PCB，并采用了大量贴片电容和电阻，做工相当豪华。

（ACASIS阿卡西斯为国际品牌，和NEC等上游半导体厂商建立起良好的合作关系，并在深圳设立公司及生产线）

扩展卡采用日本NEC半导体控制芯片

提供两个USB3.0接口

爱国者发布技术挑战USB3.0

　　中国品牌爱国者发布了全新的USBPLUS接口技术移动硬盘。

并且放出豪言：

“未来2年中移动存储的通用性标准可能既不是SATAII代或III代，也不是USB3.0，而是USBPLUS”。

此言一出即“震惊全球IT界”，“爱国者也将会凭借USBPLUS再次走在全球移动存储的最前端”。

　　USBPLUS实际并不是一个固定的接口，而是一种高速的新型接口与一种已经普遍应用的低速接口的结合方法，是一种无总线供电的接口与有总线供电接口的结合方法。

即高速的ESATA2.0（3Gbps）与低速的USB2.0（480Mbps）的结合，将SATA的高速性和USB的总线供电特性有机的整合在一起，可以给用户提供Gbps（每秒100MB/s）的实际读写速度