通用串行总线接口——USB

概念篇
　 　由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，USB总线技术应运而生。USB（Universal Serial Bus)，翻译为中文就是通用串行总线，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和Northen Telecom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免费的标准化连接器，它支持各种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，可热插拔。USB连接器将各种各样的外设I/O端口合而为一，使之可热插拔，具有自动配置能力，用户只要简单地将外 设插入到PC以外的总线中，PC就能自动识别和配置USB设备。而且带宽更大，增加外设时无需在PC内添加接口卡，多个USB集线器可相互传送数据，使 PC可以用全新的方式控制外设。USB可以自动检测和安装外设，实现真正的即插即用。而USB的另一个显著特点是支持“热”插拔，即不需要关机断电，也可 以在正运行的电脑上插入或拔除一个USB设备。随着时间的推移，USB将成为PC的标准配置。基于USB的外设将逐渐增多，现在满足USB要求的外设有： 调制解调器，键盘，鼠标，光驱，游戏手柄，软驱，扫描仪等，而非独立性I/O连接的外设将逐渐减少。即主机控制式外设减少，智能控制控制外设增多。USB 总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了240Mbps，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。基于这点，USB也可 以做生产ISDN以及基于视频的产品。如数据手套的数字化仪提供数据接口。USB总线结构简单，信号定义仅由2条电源线，2条信号线组成。

　 　基本特性
　　1.USB的硬件结构
　 　USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（Downstream)设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，USB以全 速12Mbps的传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。 USB是基于令牌的总线。类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。USB主控制器广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发 送数据给主机来响应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。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。
　　主机，也称为根，根结或根Hub，它做在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)，控制着USB总线上的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。
　 　集线器是USB结构中的特定成分，它提供叫做端口（Port)的点将设备连接到USB总线上，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。集线可为总线提供能源，亦可为自身提供能源（从外部得到电源），自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中，但总线提供 能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中，如总线提供能源设备的需要超过100mA电源时，不能同总线提供电源的集线器连接。
　 　功能设备通过端口与总线连接。USB同时可做Hub使用。

　　2.USB的软件结构
　　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。从互连的角度来看，相似的总线接口由设备及主机同时给出，例 如串行接口机（SIE）。USB总线接口由主控制器实现。
　　(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，这使客户访问USB成为可能。USB系 统还有三个基本组件：
　 　主控制器驱动程序（HCD）这可把不同主控制器设备映射到USB系统中。HCD与USB之间的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作 系统定义，通用主控制器驱动器（UHCD）处于软结构的最底层，由它来管理和控制主控制器。UHCD实现了与USB主控制器通信和控制USB主控制器，并 且它对系统软件的其他部分是隐蔽的。系统软件中的最高层通过UHCD的软件接口与主控制器通信。
　　USB驱动程序（USBD）它在UHCD驱动 器之上，它提供驱动器级的接口，满足现有设备驱动器设计的要求。USBD以I/O请求包（IRPs)的形式提供数据传输架构，它由通过特定管道 （Pipe)传输数据的需求组成。此外，USBD使客户端出现设备的一个抽象，以便于抽象和管理。作为抽象的一部分，USBD拥有缺省的管道。通过它可以 访问所有的USB设备以进行标准的USB控制。该缺省管道描述了一条USBD和USB设备间通信的逻辑通道。
　　主机软件　在某些操作系统中，没 有提供USB系统软件。这些软件本来是用于向设备驱动程序提供配置信息和装载结构的。在这些操作系统中，设备驱动程序将应用提供的接口而不是直接访问 USBDI（USB驱动程序接口）结构。
　　（3）USB客户软件
　 　它是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。这个共享的特性将USB系统软件置于客户和它的设备之间，这就要根据USBD在客户端形成的设备映像由客户程序对它进行处理。
　　 主机各层有以下功能：
　　检测连接和移去的USB设备。
　　管理主机和USB设备间的数据流。
　　连接USB状态和活动统 计。
　　控制主控制器和USB设备间的电气接口，包括限量能量供应。
　 　HCD提供了主控制器的抽象和通过USB传输的数据的主控制器视角的一个抽象。USBD提供了USB设备的抽象和USBD客户与USB功能间数据传输的 一个抽象。USB系统促进客户和功能间的数据传输，并作为USB设备的规范接口的一个控制点。USB系统提供缓冲区管理能力并允许数据传输同步于客户和功 能的需求。

　　3.USB的数据流传输
　　主控制器负责主机和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和设备的特定终端间传输数据。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，中断传输及数据块传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。
　　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。
　 　等时（lsochronous)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，支持像计算机－电话集成系统（CTI）和音频系统与主机的数据传输。
　　中断传输类型　支持像游戏手柄，鼠标和键盘等输入设备， 这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。
　　数据块（Bulk)传输类型　支持打印机，扫描仪，数码相机等外 设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。
　　USB采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分 配或潜在的要求，则不能进入该设备。同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送。集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输传输数据。

　 　USB应用篇
　　USB连接器可以轻松地为计算机添加设备，同时不占用计算机的并口和串口。只要将设备一插就可以使用了。但它有 时也难以使用。
　　一.让计算机支持USB
　 　现在大部分的计算机都有USB端口。而一些老式的计算机则没有USB端口的，只有USB连接器，但它是不起作用的，你可以在启动计算机时查看BIOS， 确定它是否支持USB。你可选择USB　Legacy支持选项（如果有该选项的话）。如果你的老式主板真的不支持USB设备，你只有去买一块USB连接 卡，这就可以把USB设备添加到你的计算机里了。

　　二.让WINDOWS系统支持USB
　　现在的WINDOWS　98对很多 外设都提供了全面的支持。只有WINDOWS　3.X及更早版本的WINDOWS及WINDOWS　NT都不支持USB，如果你想查看你的计算机是否安装 了USB控制器，可进入“控制面板”，双击其中的“系统”图标，然后选择“设备管理器”选项卡。你就会看到“通用串口总线控制器”点击该控制器，你会看到 两个项目：Universal Host Controller和Unicersal Root Hub。如果你还没有安装USB的驱动程序，则从你的WINDOWS安装光盘的\OTHER\USB文件夹中找到这些项目，双击Usbsupp.exe即 可安装USB驱动程序。

　　三.让计算机连接更多的USB设备
　　一般的计算机只有两个USB端口，如果你想连接更多的USB外 设，则利用USB集线器，该集线器可提供多个USB端口，你只要将该集线器直接插入你的计算机即可。有了足够的USB端口，你就可以最多连入127个 USB设备。

　　结束语
　 　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，并标准化设备连接。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。而新提出的USB2.0标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度，这是具有美好的应用前景。