USB全规范详细分析技术篇.docx

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USB全规范详细分析技术篇

USB全规范详细分析（技术篇）USB规格设计上面说的那些只是很表面的东西，接下来的就是技术知识深一点的了，大家做好心理准备喔。

USB规格的规范化建立USB规格的厂商们，共同设立了一个称为"USB应用者论坛（USBImplementersForumInc，USB-IF）"的非营利组织。

USB-IF是一个技术支持组织，也是接受各界对USB研发与应用建议的论坛。

这个论坛促进了高品质并具兼容性USB设备的研发，以及通过规格测试的产品的推广。

符合USB1.1规范的标志符合USB2.0规范的标志和其它业界规格（像是IEEE1394、DTS、WiFi、Dolby或是DVD等）一样，USB1.0和USB2.0都有正式的标示。

厂商将这些标示印在产品与包装上，以代表他们的产品是遵照这些规格设计的。

这些标示确保了兼容性，并且代表产品经过测试。

产品上高速USB2.0规格的标示，代表它能够与其它同样有高速USB2.0规格标示的外设一起正常使用。

如果一项产品没有这项标示，却还是声称具有兼容性，那就不能保证能和其它USB2.0一起使用了。

为了顾及到兼容性，建议您只购买通过认证的USB设备。

一家厂商的产品要能够标上高速USB2.0规格的标示，那得先成为USB-IF的付费会员（年费2500美元），而且该产品也需要通过由USB-IF所制定的全速与低速测试程序才行。

测试的目的，是要来检验在全速与低速模式下，这些准备出货的产品的USB功能是否能够正常运作。

详细的测试步骤分成三大项，每一大项的产品都需要分别通过属于该大项的测试步骤.

接口卡、主板和计算机系统o电源提供测试（PowerProvidertesting）o传出信号品质（DownstreamSignalQuality）o互通性（Interoperability）"全速与低速集线器（不含高速支持）o电源提供测试（PowerProvidertesting）o传出信号品质（DownstreamSignalQuality）o回传信号品质（UpstreamSignalQuality）o设备架构测试（DeviceFrameworkTesting）o互通性（Interoperability）o平均电流消费（AverageCurrentConsumption）"全速与低速外设o回传信号品质（UpstreamSignalQuality）o设备架构测试（DeviceFrameworkTesting）o互通性（Interoperability）o平均电流消费（AverageCurrentConsumption）在设计USB2.0这样高速的设备时，设计者尤其要注意到设备封装（DevicePackaging）、电路板设计（BoardLayout）、机身接地（ChassisGrounding）、布线设计（TraceLayout），防治电磁干扰（EMIRemediation）、以及资料信号衰减噪声（DataSignalAttenuation/Jitter）等问题。

USBC&C基本要求USBC&C相关特性要求规定于USB规格第6章，包括电气、机械与环境三部份，完整测试分成8群组（group），详细测试项目如表1所示。

USB连接器目前公告的有A-type、B-type、Mini-B三种；线缆组有可分离式（Detachable）与固定式（Captivecable），高速/全速可分离式线缆组只有AtoB、AtoMinI-B、AtoOpen三种连接型态，低速线缆组基本上不承认可分离式。

使用之线缆（Rawcable）基本上要UL2725或CM或同级以上认证。

USBC&C如何认证?

USB-IF中设有"符合性委员会（Compliancecommittee）"主导产品认证事务，经认定符合USB规格的产品会登录于USB网站中会员区的"合格整合者名单（ApprovedIntegratorsList,AIL）"，合格厂商才会被授权使用USBLOGO，其中AIL是证明产品合格唯一合法管道。

符合性认证分装备（device）与连接器/线缆组（C&C）两部份，前者可透过核可独立实验室或插拔大会进行认证测试，后者则必须透过核可独立实验室进行认证测试。

USBC&C认证理论上采用自愿性质，但由于USB2.0强调高速传输，为避免数据传输环境，因连接器、线缆组品质无法配合，造成系统无法顺畅运作，USB-IF于2.0版起实施新的认证程序。

由于装备制造厂被要求使用合格C&C才能通过装备认证，而C&C制造、销售厂唯有透过核可实验室测试合格、出具报告，才能取得TID并登录于AIL；唯有取得TID者才被授权使用USB2.0（高速USB）LOGO。

ETC目前是USB认可三家C&C测试实验室之一、也是美国本土外唯一一家；以下简单说明透过ETC测试认证之程序（不同实验室可能有差异）及流程。

1.厂商基本要求-认证仅针对USB-IF会员>>送认证的企业必须是USBIF的会员:

USB网站（http:

//www.usb.org）下载表格、填妥数据连同费用（2500/year）寄USB-IF秘书处、完成注册取得VID。

2.委托USB-IF认可实验室进行测试USB网站有合格实验室数据>>检送样品及相关设计图面>>填写Checklist>>办理委托---填工服委托单、签署USB-IF要求之协议书、缴费3.进行测试---实验室须依相关规范要求进行测试>>测试过程任何失败会接获ETC通知，要求变更改善4.测试完成>>ETC通知测试完成，相关文件确认及缴费（尾款）>>ETC在网站上登录公司名称、产品类别名称和型号，得到TID号码>>ETC整理并出具两份测试报告，一份寄交委托者、一份连同测试样品以快递寄交USB-IF5.认证通过>>由USB-IF审查测试报告，产品登录于AIL。

>>USB-IF通知厂商，并寄空白USB高速LOGO使用协议书（厂商签署后正式取得LOGO使用授权）USB-IF为确保产品之品质及合法厂商之权益，除每周电话会议检讨各项问题、定期召集实验室面对面会议，亦加强进行市购抽测、样品抽测，定期对实验室稽核、举办实验室比对，也对非法使用LOGO厂商采取法律行动。

测试流程图USB1.0/1.1/1.2规格列表速度高速12Mb/s;低速1.5Mb/s支持设备127个连线长度不超过5米电压定额3.3V-5v（500mA）芯片组支持IntelVX/HX/TX及以后;SIS5595及以后;AliM1431;ViaMVP3系统支持Win95OSR2、MACOS/8、Linux3.0、BeOS

目前普遍流行的USB规范是USB1.1，USB1.1标准接口传输速率为12Mbps。

理论上可以支持127个设备，通过USBHUB（即USB扩展器）连接多个周边设备，连接线缆的最大长度为5米，这对于一般设备还够用。

说到USB1.1标准接口传输速率，我得多说几句。

许多人都将"12MBPS"误解为12兆/秒。

其实，这是错误的。

事实上"12Mbps"应为"12Mbits/S"（12兆比特/秒），它等同于"1.5Mbytes/S"（1.5兆/秒），怎么样，看到差别了吧。

这要从bit和byte说起：

bit和byte都是数据量度单位，bit=比特，byte=字节，1byte=8bits，即两者换算是8：

1的关系。

通常约定用小写"b"表示"bit"，而用大写"B"表示"byte"。

Mbps=megabitspersecond（兆比特/秒）是速率单位，MB=megabytes（兆字节）是量单位，8Mbps（兆位/秒）＝1MB/S（兆字节/秒）。

现在明白了吧，可别被JS所宣传的12兆"高速"给蒙了。

虽说1.5MB/S对大多数的USB设备来说足够用了，不过你要是用USB硬盘拷贝10GB的数据，至少要用111分钟，而且这只是理论值。

实际中USB接口的速率大都低于1.0MB/S，对于一般的USB设备（如USB键盘）够用，但是拷贝10GB的数据至少要用167分钟。

并且在这期间，你的CPU和硬盘也是分身乏术不能再忙别的啦（要是你此时进行别的操作，所需的时间将会更多），你只有干等。

这虽然是比较极端的情况，但也暴露了USB接口的传输速率需要进一步提高的迫切需要。

现在好了，新发布的USB2.0标准正中我等下怀。

USB的结构USB规范中将USB分为五个部分：

控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。

USB的主要结构大都是树状拓扑结构。

它最多可以分为五层，第一层是我们的电脑，第二层可以连接外设或HUB，HUB的中文名称为集线器，与以太网上用的集线器所起的作用是一样的，都是用作数据的集散处理和外设的分接装置。

一个HUB可以多接几个外设，还可以串联HUB，但向下串联不能超过三层。

此外，USB标准还规定，所有装置的连线不得超过5米，这样也就意味着所有外设向外的长度不能超过20米。

USB的传输速度如何USB既然是用来接键盘、摇杆、鼠标之类的周边外设接口，那速度自然也不是很快，依据USB的规格文件所言，区分成低速、中速、高速等三种传输等级。

低速主要就是针对这些鼠标、键盘而来的，这些称为"InteractiveDevice"，中文暂且称做"交互式设备"吧。

USB指的低速为10-100kbps。

中速是针对音效（Audio）、电话（Phone）、压缩视频（CompressedVideo）等用途的传输而设，速度范围为500k-10Mbps。

至于高速就是指视频（Video）、磁盘（Disk）等用途，速度为25-500Mbps。

目前v1.0、v1.1版的USB，是针对中速与低速应用所制订，最高传输上限为12Mbps，低速通道则为1.5Mbps，高速部分目前尚未有明确规格。

USB总线最多可支持127个USB外设连接到计算机系统。

USB的拓扑是树形结构，有1个USB根集线器（roothub），下面还可有若干集线器。

1个集线器下面可接若干USB接口。

USB线缆包括4条线：

Vbus（USB电源）、D+（数据）、D-（数据）和Gnd（USB地）。

线缆最大长度不超过5m。

USB1.1的传输速率最高为12Mb/s（低速外设的标准速率为1.5Mb/s，高速外设的标准速率为12Mb/s）。

图1典型USB功能器件结构框图图2高速外设的USB线缆与电阻的连接图图1是典型的USB功能器件结构框图，图2是高速外设的USB线缆与电阻的连接图。

图2中：

FS为全速（高速）；LS为低速；R1=15kΩ，R2=15kΩ。

USB外设可以采用计算机里的电源（+5V，500mA），也可外接USB电源。

在所有的USB信道之间动态地分配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的利用率。

当一台USB外设长时间（3ms以上）不使用时，就处于挂起状态，这时只消耗0.5mA电流。

按USB1.0/1.1标准，USB的标准脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms（1kHz），即每隔1ms，USB器件应为USB线缆产生1个时钟脉冲序列。

这个脉冲系列称为帧开始数据包（SOF）。

高速外设长度为每帧12000bit（位），而低速外设长度只有每帧1500bit。

1个USB数据包可包含0~1023字节数据。

每个数据包的传送都以1个同步字段开始。

图3USB的Hub（集线器）结构USB的主要传输方式有几种？

USB的传输类型共有四种，分别是控制型传输（ControlTransfer）、中断型传输（InterruptTransfer）、巨量型传输（BulkTransfer）以及实时型传输（IsochronousTransfer）。

其中，需要特别注意的是慢速装置仅支持控制型传输与中断型传输而已。

以下将分别简述各个传输的特性。

控制型传输属于双向传输，用来支持介于主机与装置之间的配置，命令或状态的通讯。

控制型传输包含了三种的控制传输型态：

控制读取、控制写入以及无数据控制。

其中，又可再分为2～3个阶段：

设定阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。

在数据阶段中，数据传输（IN/OUT执照封包）是以设定阶段中所订定的为方向作数据传输，而在状态阶段中，装置将传回一个交握封包给主机。

而每一个USB装置需要将端点0作为控制传输的端点，每当装置第一次连接到主机时，控制型传输就可用来交换讯息，设定装置的地址或是读取装置的描述元与要求，由于控制型传输非常的重要，所以USB必须确保传输的过程没有发生任何的错误。

这个侦错的过程可以使用CRC（CyclicRedundancyCheck；循环检核）的错误检查方式，如果这个错误无法恢复的话，只好再重新传送一次。

中断型传输

由于USB不支持硬件的中断，所以必须靠PC主机以周期性地方式加以轮询，以便知悉是否有装置需要传送数据给PC。

由此也可知道，中断型传输仅是一种「轮询」的过程，而非过去我们所认知的「中断」功能。

而轮询的周期非常的重要，因为如果太低的话，数据可能会流失掉，但反之太高的话，则又会占去太多的总线的频宽。

对于全速装置（12Mbps）而言，端点可以订定1ms至255ms之间的轮询间隔。

因此，换算可得全速装置的最快轮询速度为1KHz。

另外对于低速的装置而言，仅能订定10ms至255ms的轮询间隔，如果因为错误而发生传送失败的话，可以在下一个轮询的期间重新再传送一次，而应用这类型传输的有键盘，摇杆或鼠标等称之为人机接口装置（HID）。

其中，键盘是一个很好的应用例，当按键被按下后，可以经由PC主机的轮询将小量的数据传回给主机，进而了解到那个按键刚被按下。

巨量型传输属于单向或双向的传输，顾名思意，这类型的传输是用来传送大量的数据。

虽然这些大量的数据须准确地传输，但是并无传输速度上的限制（即没有固定传输的速率）。

这是因为这类型的传输是针对未使用到的USB频宽提出要求的，而根据所有可以使用到的频宽为基准，不断地调整本身的传输速率。

如果因为某些错误而发生传送失败的话，就重新再传一次，应用这类型的传输装置有：

打印机或扫描仪等。

其中，打印机是一个很好的应用例，它须要准确地传送大量的数据，但却无需实时地传送。

实时型传输

可以是单向或双向的传输。

此种传输需要维持一定的传输速度，且可以默许错误的发生。

它采用了事先与PC主机协议好的固定频宽，以确保发送端与接收端的速度的速率相互吻合。

而应用这类型的传输装置有：

USB麦克风、喇叭或是MPEGI等装置，如此可以确保播放的频率不会被扭曲。