USB總線的體系結構

　　USB（通用串行總線），由Intel公司提出，帶寬為12Mbps，與傳統(tǒng)接口總線相比，主要優(yōu)點有三個，1.可接入多達127個設備，目前計算機外設越來越多，PC機內有限的插槽和接口已經(jīng)不能滿足要求，USB緩解了這一矛盾。2.可以熱插拔，在電腦通電的情況下可以隨時熱插拔所連接的設備。3.可即插即用。

　　設計USB的設備就必須深入了解USB的體系結構。USB通用串行總線同其他串行并行接口不同，它是一個軟硬件相結合的系統(tǒng)體系，對于剛剛進入USB設計的工程師來說，這個結構是復雜的。為此，下面論述了USB的一些體系結構和基本概念。

整個USB總線可以分為3個部分進行描述：USB連接、USB設備、USB主機（如圖1）。

　　USB連接是指USB主機和USB設備的通信方式與方法，包括：總線拓撲（USB主機和設備之間的連接方式）；層內關系（USB總線每一層中的任務）；數(shù)據(jù)流模式（數(shù)據(jù)在USB總線上的流動方式）；USB調度（USB提供一個共享的服從調度的互連）。

　　USB設備是通過USB總線連接到USB主機上的。USB總線上的物理連接是一個分層的星形拓撲。處于每個星形拓撲中央的是hub(USB集線器)。在主機和一個hub或者一個應用之間以及在hub和其它hub或應用之間都是一個點對點的連接。圖1表示了USB的拓撲類型。

　　在USB總線中只有一個主機。USB總線與計算機主機系統(tǒng)的接口部分就是主機控制器，它可被看做一個硬件、固件和軟件的結合體。主機系統(tǒng)中集成了一個根hub來提供一個或多個連接點。

　　首先USB設備可被分為兩大類：hub類（提供附加USB接入點的設備）和功能 設備類（為系統(tǒng)實現(xiàn)某些功能的設備，如ISDN適配器、數(shù)字游戲桿等）。

　　按照功能，USB設備又可分為很多類，如：音頻、人機交互、顯示、通信、電源、打印機、海量存儲、物理反饋等設備。每個USB設備都必須提供自鑒定信息和通用的設置。

　　USB設備都有一個標準的USB接口，它的作用為：解釋USB協(xié)議；對標準USB操作的響應，如掛起和設置等；提供設備的一些描述信息。

　　在實際的設計應用中，USB設備的接口有自已的特點。USB接口的正確設計與設備的性能緊密相關，在USB接口設計之前必須要對設備的功能、指標進行詳細的分析。

　　連接在USB接口上的設備通過基于令牌和主機控制的協(xié)議來共同享用整個USB帶寬。在其它設備正常工作的前提下，USB允許某設備連接、設置、運行和斷開連接。

　　USB設備在邏輯上分成了幾個層次，分別是設備層、配置層、接口層和節(jié)點層。
USB設備中各層的邏輯關系如圖2所示：

　　　1.節(jié)點：每個設備內有一個或多個邏輯連接點，稱為節(jié)點。

　　　2.接口：一個設備對主機表現(xiàn)為一組合適的節(jié)點，一組相關的節(jié)點稱為一個接口。有多個接口的設備稱為組合設備。

　　　3.配置：設備可以有多組接口，每一組稱為一個配置，一次只能有一個配置是活動的。但是，當前配置中的所有接口（和它們的節(jié)點）可以同時是活動的。大多數(shù)設備只有一個配置和一個接口。當一個設備第一次插入系統(tǒng)時，Windows提示用戶選擇合適的配置。

　　　4.管道：在USB中，傳輸是在USB設備的某一具節(jié)點和主機軟件之間進行的，這個相關的結構就稱為管道，即為設備的一個節(jié)點與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?。管道有兩種：流管道和消息管道。其中消息管道的數(shù)據(jù)結構是USB定義好的，而流管道沒有固定的結構。另外，數(shù)據(jù)傳輸帶寬、傳輸類型、節(jié)點的特性（如方向和緩沖大?。┒加绊懼墓艿捞匦浴４蠖鄶?shù)的管道在USB設備配置好之后就產(chǎn)生了。其中有一個最重要的消息管理是“缺省控制管道”，這個管道在設備一加電的時候就存在了，它提供設備的配置和狀態(tài)等信息的控制。

管道可以是單向的也可以是雙向的。一個USB設備可以有很多個管道，管道之間是相互獨立的，比如設備的一個管道可以從主機接收數(shù)據(jù)而另一個管道可以發(fā)送數(shù)據(jù)。在一個設備配置中每一個管道（即每一個節(jié)點）只能支持下述的一個數(shù)據(jù)傳型。

　　　5.傳輸類型：USB總線包括4種傳輸類型（傳輸管道）：

　　　　●控制傳輸類型：用于傳輸控制信息，如：在連接時配置設備，控制其它管道的狀態(tài)以及完成一些設備自定的用途。

　　　　●塊數(shù)據(jù)傳輸類型：用于傳輸相對比較大的和突發(fā)性強的數(shù)據(jù)，一般這種傳輸?shù)膭討B(tài)范圍比較寬。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎布渝e誤檢測來保證，對錯誤的數(shù)據(jù)可進行重復發(fā)送。塊傳輸 是連續(xù)的，它的帶寬占用依據(jù)其它USB設備的使用情況而不同。這種傳輸類型一般用于打印機、掃描儀等。

　　　　●中斷數(shù)據(jù)傳輸類型：數(shù)據(jù)量小，延遲短，通常用于傳輸設備反饋回計算機的字符和坐標信息，多用于人機交互設備，如鼠標，鍵盤、游戲桿等。

　　　　●同步數(shù)據(jù)傳輸類型：占用預先分配的帶寬，實時傳輸。對于同步傳輸管道，帶寬的要求與設備的采樣率有關，時延的要求與每個節(jié)點的緩沖大小有關。為保證數(shù)據(jù)的實時傳輸，在傳輸過程中的一些誤碼是不被糾正的（如不進行重試等），則實際上USB的心位錯誤率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成問題。

USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬆Ｐ腿鐖D3所示：

　　根據(jù)實際應用中得出的經(jīng)驗，工程技術人員需要預先計劃好的USB接口指標包括：所設計的USB設備的帶寬，由此確定設備為低速設備還是全速設備；是否采用多重配置；是否采用多個接口，即設備是否是復合設備，是否包括多個功能；設備的每個功能都分別包括幾個管道（節(jié)點），各個管道的傳輸方式和它們之間有什么關系。只有把這些問題都分析清楚，才可以著手進行下一下的詳細設計。

　　隨著USB2.0協(xié)議的推出，USB的應用范圍將更為擴大。USB2.0所定義的帶寬為480Mbps，它的出現(xiàn)將徹底改變USB只能在低速設備上應用的現(xiàn)狀。由于有相同的USB高速模式的結構，從現(xiàn)有的USB1.1外設向USB2.0轉移相對來說比較容易的，所以全面了解USB的體系結構對于USB1.1和USB2.0設備的設計都是非常重要的。