USB技術(shù)入門

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的用戶擴(kuò)展不斷擴(kuò)大。然而一些系統(tǒng)I/O（如IRQ、DMA和I/O端口地址）限制了它的使用。于是一些新的接口標(biāo)準(zhǔn)如USB、IEEE1394應(yīng)運(yùn)而生，本文著重介紹通用串行總線（USB）。對(duì)于使用了USB接口的PC,用戶不需要打開機(jī)蓋，手工配置系統(tǒng)I/O,并為不同的外設(shè)接口發(fā)愁。而只需極其簡(jiǎn)單的安裝與配置即可使用外設(shè)。USB提供即插即用（Plug Play）和熱插拔功能，可以在不斷電的情況下直接將外設(shè)連接到USB上，且馬上就可以被系統(tǒng)識(shí)別使用。所有的USB外設(shè)接口“ONE-SIZE-FITS-ALL”,可以簡(jiǎn)單方便的連接入計(jì)算機(jī)中。USB系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)USB設(shè)備用一個(gè)USB插頭連接到一個(gè)外設(shè)的插座上，而其本身又提供一個(gè)插座供下一個(gè)外設(shè)連接用。通過(guò)這種類似菊花鏈似的連接，一個(gè)USB控制器可以連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)，而每個(gè)外設(shè)間距離（線纜長(zhǎng)度）可達(dá)5米。為PC的USB外設(shè)擴(kuò)充提供了一個(gè)很好的解決方案。

　　二、USB基本特性

　　USB的硬件結(jié)構(gòu)

　　USB采用四線電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行信道，另兩根為下流（Downstream）設(shè)備提供電源，D+、D- 是串行數(shù)據(jù)通信線，它支持兩種數(shù)據(jù)傳輸率，對(duì)于高速需要高帶寬的外設(shè)，USB以全速12Mbps傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于低速外設(shè)，USB則以1.5 Mbps的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會(huì)根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動(dòng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。VBUS是通常為+5V的電源，GND是地線。USB是基于令牌的總線，類似于像令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)或FDDI基于令牌的總線。USB主控制器廣播令牌，總線上設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符，通過(guò)接受或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)作響應(yīng)。USB通過(guò)支持懸掛/恢復(fù)操作來(lái)管理USB總線電源。USB系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)浼搭惥栈ㄦ溸B接

　　該拓?fù)溆扇齻€(gè)基本部分組成：主機(jī)（Host）、集線器（Hub）和功能設(shè)備。主機(jī)，也被稱為根、根結(jié)或根Hub.它是做在主板上的，或作為適配卡安裝在計(jì)算機(jī)上。主機(jī)包含有主控制器和根集線器（Root hub），它控制著USB總線上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動(dòng)。每個(gè)USB系統(tǒng)只能有一個(gè)根集線器，它連接在主控制器上。集線器是USB結(jié)構(gòu)中的特定成分，它提供叫做端口（Port）的點(diǎn)來(lái)將設(shè)備連接到USB總線上。同時(shí)檢測(cè)連接在總線上的設(shè)備，并為這些設(shè)備提供電源管理，負(fù)責(zé)總線故障檢測(cè)和恢復(fù)。集線器或是為總線提供能源，或是自身提供能源（從外部得到電源）。自身提供能源的設(shè)備可插入總線提供能源的集線器中，總線提供能源的設(shè)備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過(guò)四個(gè)的下游端口中?？偩€提供能源的設(shè)備需要超過(guò)的100mA電源時(shí)，不能同總線提供電源的集線器連接。功能設(shè)備通過(guò)端口與總線連接。USB設(shè)備同時(shí)可做Hub使用。例如，USB監(jiān)視器可以提供USB鼠標(biāo)和USB鍵盤的端口。USB集線器使用A類連接器，設(shè)備使用B類連接器。

　　USB的軟件結(jié)構(gòu)

　　USB通信模塊的基本流圖，主機(jī)和設(shè)備被分為幾層。實(shí)箭頭表示主機(jī)上的實(shí)際通信。設(shè)備上的相應(yīng)接口根據(jù)不同的儀器而不同。主機(jī)和設(shè)備間的通信最終發(fā)生在物理線上，然而，在每一水平層之間存在著邏輯接口。主機(jī)中客戶程序軟件與設(shè)備功能間的通信代表了設(shè)備需求與設(shè)備能力之間的約定。

　　每個(gè)USB只有一個(gè)主機(jī)，它包括以下幾層：

　　USB總線接口

　　USB系統(tǒng)

　　USB客戶軟件

　　USB總線接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來(lái)看，相似的總線接口由設(shè)備及主機(jī)同時(shí)給出，例如串行接口機(jī)（SIE）。USB總線接口由主控制器實(shí)現(xiàn)。

USB系統(tǒng)用主控制器管理主機(jī)與USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時(shí)，USB系統(tǒng)也負(fù)責(zé)管理USB資源，例如帶寬和總線能量。這使客戶訪問(wèn)USB成為可能。

　　USB系統(tǒng)有三個(gè)基本組件：

　　主控制器驅(qū)動(dòng)程序（HCD）

　　USB驅(qū)動(dòng)程序（USBD）

　　主機(jī)軟件

　　主控制器驅(qū)動(dòng)程序能夠更容易的將不同主控制器設(shè)備映像到USB系統(tǒng)中。因此客戶可以在不知其設(shè)備連接那個(gè)主控制器的情況下與設(shè)備相互作用。HCD與USBD間的接口叫HCDI,特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義。通用主控制器驅(qū)動(dòng)器（UHCD）處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來(lái)管理和控制主控制器。USB主控制器定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，以提供一個(gè)統(tǒng)一的主控制器可編程接口。UHCD實(shí)現(xiàn)了與USB主控制器通信和控制USB主控制器的一些根本細(xì)節(jié)，并且它對(duì)系統(tǒng)軟件的其它部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的更高層通過(guò)UHCD的軟件接口與主控制器通信。