高速接口USB与IEEE1394的性能分析.docx
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高速接口USB与IEEE1394的性能分析
网络与多媒体!
"#$%&’（）*+,-#./"*.0
·新技术·
高速接口!
"#与$%%%&’（）的性能分析
李洋，邹建华
（西安交通大学，陕西西安*&++）（）
【摘要】对计算机外设高速接口!
"#和$%%%&’（）的技术特点和数据传输机制进行了较详
细的分析，比较了两种接口的性能，并对其应用前景进行了展望。
【关键词】高速数字接口；通用串行总线标准!
"#；$%%%&’（）
【!
"#$%&’$】,-./01234.0567.184!
92:
.710;".720;#61
"#=09>$%%%&’（）07.090;?
@.>
09>38AB07.>295-21B0B.7C09>5-.487.D7869>845-.5E8295.7403.107.>.1372/.>F
【（）*+,%-#】-2D-G1B..>>2D250;295.7403.；!
92:
.10;".720;#61（!
"#）；$%%%&’（）
&引言
随着个人计算机（HI）功能的不断增强以及外
设的不断更新和进步，越来越多的外设要添加到HI
系统中。
而现在HI机外设接口并没有一个统一标
准，各个设备在HI机背后有各自的接口（如键盘、
鼠标用H"JK接口，打印机用并口等），从而带来系
统资源分配，传输速率上的限制，以及接口类型不统
一等等问题。
为了使HI机更容易使用，指定一个统
一且独立的规格是必然的趋势。
!
"#接口和$%%%
&’（）接口正是基于这样的需求而产生的。
!
"#和
$%%%&’（）针对多种外设提供统一的接口。
由于实
现了单一的数据通用接口，用户在连接设备时无须
选取某个专用接口。
K通用串行总线标准!
"#
通用串行总线标准!
"#（!
92:
.710;".720;#61），
$95.;，
是&（（L年由I8AB0M，N%I，$#O，O23781845和
N875-.79,.;.38A等*家大厂商共同制定的。
&（（L
年&&月定义了!
"#+F（版本，随后推出了!
"#&F&
版本，它是目前推出的支持!
"#的电脑和外设上普
遍使用的标准，K+++年又推出了!
"#KF+版本。
它提
供了标准化的接口，用户使用方便，可以实现主机系
统和!
"#的外围设备间数据的实时传输。
由于电脑系统连接外围设备的接口并无统一的
标准，如键盘用H"JK接口，连接打印机要用KL针
的并行接口，鼠标则要用P"GK’K或H"JK接口。
S作者简介T李洋，西安交通大学工程与科学研究院硕士。
邹建华，西安交通大学工程与科学研究院副教授。
））
!
"#则将这些不同的接口统一起来，使用一个）针
插头作为标准插头（图&）。
通过这个标准插头，采用
菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会
损失带宽。
也就是说，!
"#将取代当前HI上的串口
和并口。
但请注意，!
"#不是一种新的总线标准，而
是电脑系统接驳外围设备<如键盘、鼠标、打印机等=
的输入J输出接口标准。
!
"#需要主机硬件、操作系统和外设’个方面
的支持才能工作。
目前出品的主板一般都采用支持
!
"#功能的控制芯片组，主板上也安装有!
"#接口
插座。
Q29>8E1（R操作系统是支持!
"#功能的。
目
前已经有很多!
"#外设问世，如数字照相机、计算
机电话、数字音箱、数字游戏杆、打印机、扫描仪、键
盘和鼠标等。
./0!
"#接口的功能特点
!
"#为所有的!
"#外设提供了单一的、易于操
作的标准的连接类型。
这样一来就简化了!
"#外设
《电声技术》!
""#年第#期总第#$%期
的设计，同时也简化了用户判断哪个插头对应哪个
插槽的过程，实现了单一的数据通用接口。
（
!
）"#$排除了各个设备像鼠标、调制解调器、
键盘和打印机设备对系统资源的需求，因而减少了
硬件的复杂性和对端口的占用，整个的"#$系统只
有一个端口和一个中断，节省了系统资源。
（%）"#$支持热插拔&’（）*+,-.，也就是说在不
关闭*/的情况下可以安全地插上和断开"#$设
备，动态地加载驱动程序。
其他普通的外围连接标
准，如#/#0设备等必须在关掉主机的情况下才能增
加或移走外围设备。
（
1）"#$支持即插即用（*2*）。
当插入"#$设备
的时候，计算机系统检测该外设并且通过自动的加
载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正
常工作。
（
3）"#$在设备供电方面提供了灵活性。
"#$
直接连接到’,4或者是连接到’（5）的设备可以通
过"#$电缆供电，也可以通过电池或者其它的电力
设备来供电，或使用两种供电方式的组合；并且，支
持节约能源的挂机和唤醒模式。
（6）"#$提供全速!
%7485的速率和低速!
96
7485的速率来适应各种不同类型的外设。
（
:
）针对不能处理突然发生的非连续传送的设
备，如音频和视频设备，"#$可以保证其固定带宽。
（
;）为了适应各种不同类型外围设备的要求，
"#$提供了3种不同的数据传送类型。
（
<）"#$使得多个外围设备可以跟主机通信。
!
"!
"#$接口的技术构成和数据传送机制
在物理上，"#$接口技术由1个部分组成，一
是具备"#$接口的*/机系统；二是支持"#$接口
的系统软件；三是使用"#$接口的设备。
在*/机系
统中，微软的=0>?
6第%版（=0>?
;）开始支持
"#$，
=0>?
<直接内置了对"#$接口的支持模块，
解决了"#$接口的*/机系统支持问题。
（
!
）硬件：
"#$框架中包含的硬件有：
"#$主机
控制器、"#$根集线器、"#$集线器和"#$设备。
"#$主机控制器在主板芯片组里，它来控制整个的
"#$设备。
"#$集线器给所有的"#$设备提供端
口，它是"#$所有动作的分配者。
集线器采用一对
多的方式连接外设，这样呈发射状的连接可以保证
使用!
%;个外设，因为"#$使用;个$@）保存地址，
%的;次方共有!
%<个，而"#$主机控制器必须保
留一个，还有!
%;个地址可以连接"#$设备。
"#$
!
"#$%&’（）*+,-#./".0网络与多媒体
设备是指采用"#$介面的外设，鼠标、键盘、打印机
等等。
（%）软件：
"#$框架中包含的软件有：
"#$主机
控制器驱动程序、"#$驱动程序、"#$设备驱动程
序。
"#$主机控制器驱动程序负责安排所有"#$处
理动作的顺序，"#$驱动程序负责检测"#$设备的
特性，"#$设备驱动程序通过总线将请求送给"#$
驱动程序，建立与目标设备间的传输动作。
（
1）传输方式：
"#$的数据传送，有3种传输方
式———控制&/
（2）A（+.、同步&05（BCA（2（,5.、中断&02D
）EAA,8）.和大量&$,+F.。
如果你是从硬件开始来设计整
个的系统，你还要正确选择传送的方式；而作为一个
驱动程序的书写者，就只需要弄清楚他所采用的工
作方式就行了。
通常所有的传送方式下的主动权都
在*/边，也就是C（5）边。
&G.控制&/
（2）A（+.方式传送：
控制传送是双向传
送，数据量通常较小。
"#$系统软件用来主要进行
查询、配置和给"#$设备发送通用的命令。
控制传
送方式可以包括<，!
:
，1%和:
3字节的数据，这依赖
于设备和传输速度。
典型的控制传输用在主计算机
和"#$外设端点&H2I8（@2）.之间的数据传输，但是指
定供应商的控制传输可能用到其它的端点。
（
$）同步&05（BCA（2（,5.方式传送：
同步传输提供
了确定的带宽和间隔时间（+J）E2BK.。
它被用于时间
严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要
求恒定的数据传送率的即时应用中。
例如执行即时
通话的网络电话应用时，使用同步传输模式是很好
的选择。
同步数据要求确定的带宽值和确定的最大
传送次数。
对于同步传送来说，即时的数据传递比完
美的精度和数据的完整性更重要一些。
（
/）中断&02）EAA,8）.方式传送：
中断方式传输主
要用于定时查询设备是否有中断数据要传送。
设备
的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从!
到
%66L5之间。
这种传输方式典型的应用在少量的分
散的、不可预测数据的传输。
键盘、操纵杆和鼠标就
属于这一类型。
中断方式传送是单向的并且对于
C（5）来说只有输入的方式。
（
M）大量&$,+F.传送：
主要应用在数据大量传送
和接收数据上，同时又没有带宽和间隔时间要求的
情况下，要求保证传输。
打印机和扫描仪属于这种类
型。
这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延
迟的传输，可以等到所有其它类型的数据传送完成
之后再传送和接收此类数据。
36
《电声技术》!
""#年第#期总第#$%期
网络与多媒体!
"#$%&’（）*+,-#./"*.0
（）*将其有效的带宽分成各个不同的帧
+,-./01，每帧通常是$/2时间长。
每个设备每帧只
能传送一个同步的传送包。
在完成了系统的配置信
息和连接之后，（）*的3425就会对不同的传送点和
传送方式做一个统筹安排，用来适应整个的（）*的
带宽。
通常情况下，同步方式和中断方式的传送会占
据整个带宽的&67，剩下的就安排给控制方式传送
数据。
!
"#（）*接口的不足之处
尽管在理论上，（）*可以实现高达$!
8个设备
的串联连接，但是在实际应用中，也许串联%到’个
设备就可能导致一些设备失效。
而且，实际的（）*
产品中，只有键盘是有一个输入口、一个输出口的设
备，其它的则只有一个输入口而已，根本无法再连接
下一个（）*设备，所以在当前的（）*应用中，使用
9:
;来连接多个（）*设备是必须的。
另一个问题出
在（）*的电源上，尽管（）*本身可以提供<66/=
的电力，但一旦碰到高电耗的设备，就会导致供电不
足。
解决这个问题的办法仍然是使用9:
;。
因此，配
置一个包括键盘、数码相机+摄像机1和扫描仪在内
的（）*系统，用户还要额外花费几百元人民币来购
买9:
;。
另外一个变通的方法，就是串接两个（）*
设备，对其它的（）*设备进行热插拨，不过，这虽然
省了钱，却很费事。
至于产生问题的原因，（）*的开发商认为问题
不在于（）*接口本身，而是由于（）*设备的产品
不符合标准造成的。
如果要在一个（）*口上连接
$!
8个设备，必须使用9:
;。
%"###$%&’技术标准
"###$%&’是美国=>>?
0公司开发的称为“@A-0
BA-0”的串行总线接口的产物，是"###制订的计算
机及其外围设备的高速数字接口标准。
$&&<年颁布
的这一标准，规定传输速率为$66C;>2，!
66C;>2
和’66C;>2，其技术特点有：
图!
"###$%&’电缆结构
’D
"###$%&’为串行接口，由D根线组成，包括一
对电源线和两对双绞信号线（见图!
）。
"###$%&’
协议通过减弱缆线中的噪声实现高速的数据传输速
率，但是为了保证数据的实际传输速率，缆线的长度
最好不要超过’E
每一个支持"###$%&’标准
的设备都具有输入和输出接口，用户可以采用方便
的节点串联方式一次性连接最多可达D%个不同的
设备。
"###$%&’标准通过所有连接设备建立起一种
对等网络，从而不需要由网络中的某一个节点来控
制整个网络中的数据流。
因此，与（）*技术不同，
"###$%&’不要求FG端作为所有接入外设的控制
器，不同的外设可以直接在彼此之间传递信息。
此
外，采用"###$%&’技术，两台FG还可以共享使用
同一个外设，这是（）*或其它任何输入输出协议都
无法实现的。
在"###$%&’技术标准中，数据是通过双绞线
以数据包的方式进行传送的，其中数据包包含了传
送的数据信息和相应设备的地址信息。
"###$%&’
同时支持同步和异步两种数据传输模式。
在异步传
输模式下，信息的传送可以被中断；而在同步传输模
式下，数据将在不受任何中断和干扰的情况下实现
连续的传送。
当采用异步模式传送数据时，"###$%&’会根
据不同设备的实际需要分配相应的带宽。
当某个设
备需要向其它设备发送信息时，会发出专门的连接
信号，告知其它设备自己将要使用某一带宽。
如果用
户希望在设备网络中传送视频流信息的话，使用上
述模式则无法实现视频信息的连续正常传送。
这是
因为如果在发送视频信息的同时有其它的设备要求
占用总线带宽的话，视频数据流将会被中断，从而导
致画面质量的降低。
为了解决这一问题，"###$%&’
提供了同步传输模式，该模式保证了视频和其它类
似设备能够持续的占据和使用自己所需要的带宽。
与（）*一样，"###$%&’设备同样也支持热插
拔，这样使用者无须重新启动机器就可以直接将新
的设备添加到自己的FG中。
在接入新设备时，该设
备会通过广播方式把自己的唯一标识代码通知给同
一网络上连接的其它所有设备，从而成为该网络的
一员。
除了热插拔特性外，"###$%&’设备也支持即
插即用。
如果用户的操作系统提供了对"###$%&’
标准的支持，用户则不需要再安装任何额外的驱动。
《电声技术》!
""#年第#期总第#$%期
为了能够充分发挥<+++"#’$标准的功能，用户最
好使用M/;1NO:
’*>+或M/;1NO:
!
%%%操作系
统。
$<+++"#’$与=>?
的性能比较
<+++"#’$和=>?
都是新一代多媒体PB机的
高速接口，其主要性能比较如表"所示。
表"<+++"#’$与=>?
的性能比较
项目名称<+++"#’$=>?
连接节点数（#"!
）
等时传送有有
传输数据速度"%%@$%%A75:
"!
A75:
节点间距离$8&-&-
总线仲裁功能所有节点之控制器数据包大小&"!
7CDE!
&（7CDE
芯线数!
对信号线F!
对电源线"对信号线F!
对电源线
编码方式G>H即插即用支持支持
热插拔支持支持
它们共同特点是高速，=>?
可以达到"!
A75:
（该速率与一个标准的串行端口相比Q大约快出"%%
倍Q与一个标准的并行端口相比Q也快出近"%倍），
<+++"#’$的传输速率更快，可以达到$%%A75:
。
就当前的产品而言，=>?
主要用于连接低速外设，
<+++"#’$可连接高速外设和新兴的信息家电设
备，尤其适合连接高档视频设备。
但是，已经推出的
=>?
!
8%的标准，其传输速率为#（%@$*%A75:
，与
<+++"#’$不相上下。
<+++"#’$和=>?
都有一个
最大的弱点是传输距离近，<+++"#’$是$8&-，
=>?
是&-。
值得一提的是，<+++"#’$设备比=>?
设备的成本高，这也是制约<+++"#’$发展的一个
因素。
&发展前景
<+++"#’$和=>?
技术，将在改进计算机结构
和构建家庭多媒体网络等方面起关键性的作用。
!
"#改进计算机结构
现在提出的设备插架（GER/3E?
.C）技术是从硬
件方面进一步完善了P06STP0.C的功能，这样用户
扩充磁盘驱动器作业时，就犹如看录像一般方便，一
推入录像带就可以立即欣赏节目了。
可以看到，设备
插架取代PB<总线插槽已成必然，但其取代PB<的
先决条件是开发具备<+++"#’$接口的H><电路，
这也是现在的当务之急。
<;DE0公司已于"’’）年$
%567189*:
;0<=6>?
5>@网络与多媒体
月发表了“U61/N’’*KN.1-.5”规范，建议半导体厂
家把声源H><和译码编码器的接口由PB<转向
<+++"#’$和=>?
。
对于作为设备插架连接端的=>?
串行接口，目
前由于M件，得到了全面的技术支持，并很快还将在M和M并且，当
前U550E的平台也已提供了对=>?
的支持Q随着
!
%%%年*月份的/A.3推出，=>?
已进入了A.3系
列。
/A.3是彻底采用=>?
技术实现计算机与外设
连接的第一批新型PB，它没有串、并行或磁盘端口。
过去A.3也支持即插即用的外设安装，但其非标准
的技术不能与=>?
协同工作。
U550E认为，=>?
不仅
可使A.3用户拥有对外设更大范围的选择，而且还
使它与外设数据交换的速度更快。
预计今后>6;和G/S/D.0的平台也将会提供
=>?
的技术支持。
目前=>?
已得到了一个由$&%家
技术公司组成的技术联盟的支持，据G.D.W6E:
D报
告：
"’’*年配有=>?
的PB数量增长了#%%X，达到
"8#（亿台。
预计这一标准将在!
%%"年出现在大约
"%%X的台式PB和*%X的笔记本电脑中。
总之，由于设备插架技术得到了微软、英特尔
等大公司及许多非盈利组织的支持，具有广阔的发
展前景。
!
"$构建家庭多媒体网络
<+++"#’$可用于连接信息家电设备，尤其适
合连接高档视频设备。
由于<+++"#’$具有传输速
率高的特点，在多媒体数据传输方面占优，许多厂商
都将其作为家庭网络的主干。
<+++"#’$用于家庭
网络的不足，在于其最大使用长度仅为$8&-，据报
道正在制订利用&类=VP传输&%-（速率为"%%
A75:
）、利用塑料光纤传输&%-（速率为!
%%A75:
）
和利用石英多模光纤传输"%%-（速率为"8（Y75:
）
的标准草案。
日本的I+B公司在世界范围内首次成功地开
发了符合<+++"#’$高速串行总线要求的无线传
输技术。
传输速率达到$%%A75:
。
穿透墙壁的传输
距离可达）-；可
见范围内的传输
距离可达"!
-。
通过开发无线
<+++"#’$网络
（）（）
/0：
/388823
武进市丰宝电子材料有限公司
主要产品：
扬声器音圈引出线（锦丝线）
地址：
江苏省武进市邹区镇邮编：
!
"#"$$
电话：
%&"’#（#"$（）传真：
%&"’#（#$"**
+,-.12310345670329:
3;
总经理：
戴志成
!
"#$%&’%（）*+
’,’-./$-0*.’/$*,-1,.4$）
《电声技术》!
""#年第#期总第#$%期
网络与多媒体!
"#$%&’（）*+,-#./"*.0
技术，可以不用安置新的连接线路，即可建立家庭多
媒体网络。
为了达到上述目的，采用了!
"#$%毫米
波的传输技术，因为使用该频段不需要申请任何许
可。
同时开发了采用键控调幅制式的低价位收发装
置。
此外，还利用回波信号检测功能，防止由于信号
反射引起收发装置的工作不稳定。
综上所述，&’’’（）*+和,-.的应用，将改进
个人计算机结构；而&’’’（）*+应用领域将扩展到
通信和信息家电。
随着高速数据通信网络的开通，
&’’’（）*+连接的家庭网络将同/0-12/3456789:
09;97<=->?
3:
89?
6819@6A，
1B0-21C:
<=B>=79DC9@7
093789?
>76E-43765A、有线电视网和数字化电视广
播网等沟通，使每个用户家庭享受到高速数据通信
的服务，其前途将是无可限量的。
F参考文献G
F（G张小英，居悌H&’’’（）*+传输机制H电子工程师，
（**!
（+）：
IJ（"H
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NJIH
F）G李嘉伶H通用串行总线,-.H电子技术，K"""（））：
（"J（KH
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信息H（***（N）：
N*J!
"H
FNG,@9O683<=-689<=.>3-D6:
9P9:
<79C@2Q6O93C@KH"AR77DSTT
UUUH>3?
HC8;H
F!
G,-.开发之标准篇，R77DSTTUUUH796H（!
）H@67T376D3CP
>3?
H
FIGV<73>4<1;<8<3R9H$C56W67UC8XY9=6343765YC8$C56
W67UC8X.<36EC@&’’’J（）*+V:
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R@C=C;4Z&’’’VM’Z
（***，+N（））：
（"""J（""）H
F[G部分资料来自R77DSTTUUUH79H:
C5，R77DSTTUUUH（）*+H
C8;R77DSTT@6:
;=C?
<=H:
C5，R77DSTTUUUHC5等网站H
F收稿日期G!
"""#$"#"%
《#期
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·联
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·电
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《
电声技术》!
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投稿须知
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