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而且所有外设上行接口的规格都是相同的,用户可以简单方便地将其连入PC机。
USB的即插即用(PlugandPlay)和热插拔功能,使得用户可以在不断电的情况下直接将USB外设连接到PC机上,并马上被操作系统所识别。
所以,USB为外设的连接提供了一个很好的解决方案。
表1.1把USB和其他常用计算机接口进行了比较。
表1.1常用计算机接口的性能对比(典型值)
接口类数据格传输速率(s)最大设备数/电缆长度m是否支持热插
126USB3.l.5串12480M
2RS23220k301串12flO32RS485IOM串
4.563IEEE-1394串4003.2G
500107AIO以太100串lG
8M并并行端8
9
128MISA并266MEISA并否——1056M,2112MPCI否并行——2112M
AGP
≧否并行注:
①USB1.0规定低速USB电缆最长为3m,全速USB电缆最长为5m。
USBl.1和USB2.0对电缆长度无要求。
二、USB的特点
USB从传统I/O模式的桎梏中解放出来,开辟了一条外设与PC机连接的新方法。
与其他老式PC机接口相比,USB具有如下优点:
(1)热插拔。
用户可以把USB外设连接到一台正在运行的PC机上,操作系统能自动识别,并且用户可以立刻使用。
而不需要重新启动PC机。
用户也可以在任何时候断开USB外设,而不管计算机是否正在运行,这都不会损坏PC机和外设。
(2)即插即用。
USB实现了自动配置,它不需要用户手工配置I/0地址和中断请求(IRO)。
当USB外设接入PC机时,操作系统会自动检测到这个连接,并加载合适的驱动程序。
对用户来说,只需稍稍等几秒钟,USB外设的安装就完成了。
如果是外设的第一次连接,操作系统可能会需要用户为其选择合适的设备驱动程序,除此之外,所有的安装都是自动的。
(3)共享式接口。
USB端口支持多个外设的连接,采用“菊花瓣”式的连接方式。
通过USB集线器,一个USB主控制器上最多可以连接126个外设。
(4)接口体积小巧。
和其他老式PC机接口相比,USB接口小且薄,更适合于接口和并行接口体积的对比图。
RS232接口、USB是1.1外设体积的小型化。
图
线IRQ系统中,只有USB主控制器需要使用一根(5)节省系统资源。
在USB
系统为其分配USB对USB外设来说,它需要的仅仅是和一些I/O地址空间。
。
一个唯一的地址,而这个地址只有USB子系统知道1.5Mb:
USB2.0标准)USB支持三种类型的传输速率(目前USB只有(6)灵活。
Full(USB2.012Mb/s的全速传输/s的低速传输(USB2.0Lowspeed)、种传输类型:
;
4USB2.0Highspeed)sspeed)和480Mb/的高速传输(块传输、同步传输、中断传输和控制传输,这使其能适合多种外设的需要。
表USB的应用范围及特性。
1.2列出了2USB的应用范围和特性表1.速度应用特性
价格低廉、键盘、鼠标、:
低速(LS)易于使用、输入笔、?
交互设备热插拔,游戏外设、s
100kb10kb·
/s~/可支持多种外设虚拟现实外设价格低廉、
易于使用、ISBN、:
全速(FS)热插拔、PBX、·
电话、音频信号可支持多种外没、POTS、s
500kb10Mb//s~·
保证带宽、音频保证时延
价格低廉、
易于使用、
高速(HS):
热插拔、视频、可支持多种外设、·
视频,磁盘磁盘保证带宽、~/·
25Mbs400Mb0
/
保证时延、
高带宽
(7)低成本。
USB能实现强大的功能,它比以前的接口更加复杂。
但是,它的
组件和电缆并不贵,带有USB接口的外设和具有同样功能的老接口外设相比,所需费用差不多,有时会更少一些。
(8)性能可靠。
USB系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。
USB发送器、接收器和电缆的硬件规范消除了大多数可能引起数据错误的噪声。
在USB协议中包含了数据错误的检测机制,用来确保数据准确无误地发送和接收。
(9)提供电源。
USB电缆向外设提供了一根+5V的电源线,电流的大小取决于集线器端口,最小为100mA,最大不会超过500mA,用户可以直接使用这个总线电源。
另外,USB支持低功耗模式,如果其连续3s没有总线活动的话,USB就会自动进入挂起状态,以节省电能消耗。
(10)兼容性。
USB规范有良好的向下兼容性,如USB2.0的主控制器就能很好地兼容USB1.1的产品,操作系统在检测到全速USB设备接入时,会自动按照12Mb/s的速率进行传输,而其他高速USB设备,并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率,它们仍可继续使用480Mb/s的速率进行传输。
当然,USB还不能完成一切,其480Mb/s的传输速率还不是很高,仅为IEEE-1394传输速率(3.2Gb/s)的六分之一,这使其只适用于连接低速和中速的外设,如键盘、打印机、视频等。
同时,USB还有许多不尽人意之处,如缺少对老硬件设备的支持,连接距离有限,协议太复杂等等。
虽然USB存在着一些缺点,但其突出的优点使之得到了广泛的应用。
随着操作系统硬件厂商对USBR的进一步支持,其缺点会慢慢消失的。
的发展历史及前景展望USB三、1994年11月11日,USB总线规范0.7版问世,标志着USB的正式诞生,但
这时它还不够完善,当然用户也很少,直到1996年1月15日USB1.0版本发布后,USB技术才相对成熟,但windows95的OSR2.1版本公布后,它才首次在PC机上使用,而且USB接口的外设也很少。
可是1998年6月windows98和同年9月USB1.1版发布后,情况就不同了,USB开始变成一个流行的接口,市场上出现了大量的USB外设,但其传输速率仅限于12Mb/s。
2000年4月27日,USB2.0版发布,其传输速率提高到480Mb/s,这使其能应用于更广泛的红遍全球。
USB场合,一时之间,
USB自1994年提出,到现在盛行,已经历了8年多的发展,早期的USB很不受重视,其原因主要有以下几点:
(1)PC机主板的支持不够。
早期的PC机主板,主要以AT结构为主,USB接口在许多主板上都是一种选配的功能,大多数制造商为了节省成本,而在其主板上省去了USB接口。
而且,在主板的BIOS固件方面也缺乏支持,当时有很多主板只是提供了USB接口,但其BIOS并没有真正支持USB。
这种情形一直到ATX结构的主板诞生后才有所改观。
不过一开始ATX主板在支持USB方面做的也不是很好,因为一般ATX主板外部接口都设计成一层的高度,其所能使用的接口空间都被老式的串行接口和并行接口所占用。
所以当时要使用USB接口,还需使用USB转接卡才能够实现。
后来ATX主板被设计为两层,USB接口才有了立足之地。
(2)操作系统的支持不够。
微软在Windows95OSR2.1版才开始支持USB,但仅限于极少数USB设备,如最基本的USB键盘和鼠标等。
直到Windows98推出后,才全面支持USB,随后的WindowsMe和Windows2000增加了对USB设备类的支持,但USB版本仍是1.1。
对于使用USB2.0的外设,这些操作系统虽能识别出来,也能使其工作,但并不能充分发挥外设的性能优势,系统会提示说该USB设备需要优化,只有通过安装特定的USB驱动程序,这个问题才能够得到解决。
现在微软公司只有WindowsXP的ServicePackl版本才完全支持USB2.0。
WindowsNT,Windows3.x和DOS都不支持USB,如果外设需要在这些操作系统下工作,则需安装一些专用的驱动。
(3)USB的协议太抽象。
USB接口比以前的老式接口更复杂,其协议过于抽象。
而且在早期,USB硬件、软件的开发工具还没有十分流行,当时的开发者必须面对缺少相关资料而带来的困难,这使得USB产品的开发进度变得非常缓慢。
(4)USB接口芯片昂贵。
在早期,USB的接口芯片还不是很多,其价格也相当昂贵,这使其整个产品的开发成本居高不下。
如今就整体而言,USB外设还是比老式接口的设备贵,但价格正在逐渐拉近。
(5)USB外设与老式接口外设的性能无明显差异。
USB虽然支持了热插拔和即插即用,但对于某些设备来说,其性能并无明显差异,如键盘和鼠标。
另外,早期USB只有低速传输和全速传输两种方式,当PC机只连接一个USB外设时,其性能表现还不错;
但如果有几个USB外设同时工作,其速度就会变得相对慢起来,因为这时USB带宽会平均分配给每个设备,因此严重影响数据的传输速度。
尤其对于需要交换大量数据的设备,如打印机、扫描仪等,当几个这样的设备同时工作时,其速度会慢于并口的连接。
随着USB2.0版本的发布,USB越来越流行,它已经成为一个标准接口。
目前市场上出售的所有PC机都百分之百支持USB,而且很多外设只推出了USB版的应用肯定会越来越广泛,其传输USB。
可以预见,本,如移动硬盘和电子盘等.
速率也会越来越高。
在USB外设普及后,目前纠缠在PC机箱后面的各式各样的连接线将有所改观,大多数老式接口将被淘汰,如ISA接口、PS/2接口、串并行接口等,取而代之的是各种USB接口。
但有些接口是USB所无法取代的,如显示器接口、SCSI接口和IEEE一1394接口等。
不过,将来一台PC机使用三五个USB外设的情形是可以想象的。
因此在PC机箱上提供多个USB接口也是发展趋势。
3.3.2USB系统描述
在终端用户看来,USB系统就是外设通过一根USB电缆和PC机连接起来,如图1.2所示。
USB在外设和PC机之间提供通信服务,通常把外设称为USB设备,把其所连接的PC机称为USB主机,且把指向USB主机的数据传输称为上行通信,把指向USB设备的数据传输称为下行通信。
一、USB主机
USB主机内部含有USB主控制器,负责完成主机和USB设备之间的物理数据传输。
目前,USB主控制器分为两种类型:
开放型主控制器(OHC)和通用型主控制器(UHC)。
这两种主控制器执行相同的操作,只是在处理方式上稍有差异。
主控制器内部包含一个USB根集线器,用于给USB系统提供一个或多个连接点(端口),现在PC机机箱后面的那两个USB端口就是由根集线器提供的。
进入Windows操作系统的“设备管理器”,并选择“按类型查看设备”,其中的“通用串行总线控制器”项列出了PC机所使用的USB主控制器和根集线器,如图1.3所示。
选择其“属性”,就可以查看它们当前的状态和所使用的驱动程序。
1.4显示了USB主控制器所使用的驱动程序,其中uhcd.sys是通用型主控制器驱动程序(如果是开放型主控制器则为Openhci.sys)、USBD.SYS是USB总线驱动程序、USBHUB.SYS是USB集线器驱动程序。
USB主机中还含有客户软件:
USB设备驱动程序和界面应用程序,用于和指定的USB设备进行通信,以实现其特殊功能,如传输文件、播放声音等。
客户软件是专用的,根据具体设备的不同而不同,且一般需开发人员自行编写。
USB的数据传输是基于令牌的,其所有的通信(不论是上行通信还是下行通信)都由USB主机启动,所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。
USB规定在USB系统中只允许存在一个主机。
二、USB设备
按USB设备功能的不同,可以把其分为两大类:
集线器和功能设备。
其中,集线器为USB系统提供额外的连接点,它使得一个USB端口可以连接多个设备;
功能设备为主机提供额外的功能,如USB键盘、数码相机等。
1.集线器
集线器(HUB)是USB系统中的关键元件,它用于扩展主机的USB端口,USB设备(包括功能设备和其他集线器)可以通过其下行端口连入主机,典型连接如图1.5所示。
值得注意的是,USB系统虽然规定集线器可以级连,但层次最的USB集线器简化了从用户的角度来看,。
)不包括主机方的根集线器(个5多是
连接,并具有很好的稳定性,而且价格便宜。
图1.6是一个典型集线器的示意图,其上行端口用于连接USB主机,下
行端口用于连接其他集线器或USB功能设备。
集线器能检测到其每个下行端口上USB设备的连接和断开,并可以独立使能。
根据上行端口的连接情况,集线器可被分为高速集线器、全速集线器和低速集线器。
其中,高速集线器的上行通信采用480Mb/s的高速传输速率;
全速集线器的上行通信采用12Mb/s的全速传输速率;
低速集线器的上行通信采用1.5Mb/s的低速传输速率。
USB低速传输是在全速传输环境中实现的(使用PRE事务处理,详细信息见4.3.7节),即低速集线器足全速集线器采用低速传输速率时的特殊情况。
从图1.6中可以看出,USB集线器可以将一个上行端口转化为多个下行端口,从而为USB系统提供额外的连接点。
对于USB2.O集线器,其上行端口既可采用高速传输速率又可采用全速传输速率,下行端口支持高速、全速和低速USB设备的连接,即它可以作为高速、全速和低速集线器。
当作为高速集线器时(上行端口采用高速传输速率),不论其下行端口连接的是高速、全速还是低速USB设备,其上行通信都是高速的,这样可以减少低速和全速传输对高速USB总线带宽造成的影响。
对于USBl.1集线器,其上行端口采用全速传输速率,下行端口支持全速和低速USB设备的连接,即它可以作为全速和低速集线器。
2.功能设备
功能设备可以和USB主机进行数据和控制信息的交互,并为主机提供额外的功能。
在每个功能设备内部都包含有描述其功能和资源需求的配置信息,如USB带宽、接口种类等。
主机必须在它们能够被使用前对其进行配置。
功能设备通常是一个独立的外围设备,具有单一的功能。
但有的USB设备可实现两个或多个不同的功能,如具有键盘和音效功能的传真机(这时称其为合成只有一个设备地址。
设备,其USB。
对主机而言,合成设备是一个单独的)设备.
对某些特殊应用,有时需要将一个或多个功能设备嵌入到一个集线器中,并通过一根USB电缆进行连接,这被称为复合设备,如集成了集线器的USB键盘。
对主机而言,一个复合设备就是一个永远连接有一个或多个USB功能设备的集线器。
3.USB的连接
USB物理连接是指一个集线器下行端口和另一集线器上行端口或USB功能设备之间通过USB电缆的连接。
USB高速(480Mb/s)和全速(12Mb/s)传输需要使用外壳屏蔽、而且数据线双绞的USB电缆;
而低速(1.5Mb/s)电缆不需要屏蔽和双绞。
所有USB电缆都支持热插拔,其插头上USB图标的触脚指明了正确连接的方向。
USB采用层次星型的拓扑连接结构。
通过USB集线器,一台含有一个USB主控制器的PC机最多可以连接126个外设。
(1)连接器
USB定义了两种类型的连接器:
A系列和B系列,如图1.7所示。
A系列连接器包括A型插头和A型插座,它们相互匹配。
A型插座总是作为USB主机或集线器的下行端口,所以A型插头总是指向上行USB主机。
B系列连接器也包括B型插头和B型插座,它们相互匹配。
B型插座总是作为USB设备或集线器的上行端口,所以B型插头总是指向下行USB设备或集线器。
(2)电缆
图1.8是一根典型的USB电缆,它由三部分组成:
A型插头、电缆线和B型插头。
其中,A型插头是必需的,且尺寸也应该是标准的,用以连接至主机或集线器的下行端口;
电缆线和B型插头都是可选的,如USB鼠标的电缆就不含有B型插头,而电子盘的USB电缆只含有A型插头。
另外,供应商还可以自己定义B型插头的尺寸,如MP3播放机专用USB电缆的B型插头就比标准尺寸小。
通常,把具有标准B型插头的USB电缆称为可分离电缆,表示其可以和USB设备分离;
把不含有B型插头、或含有非标准尺寸B型插头的USB电缆称为束设备永久连接。
USB缚电缆,但这并不意味着其必须和
电+5V和D-。
其中,VBUS是USB电缆线内部含有四根导线:
VBUS、GND、D+连接器上有四个管脚.分USBD+和D-是差分数据线对。
在源线,GND是地线,以保证电源信号先于数据信号而且电源管脚比数据管脚长,别对应这四根导线,1.3到达USB设备。
这些管脚都有编号,其对应导线的颜色也各不相同,见表。
1.3USB连接器的四个管脚表导线颜色管脚编号导线名称VBUSl红D-2白D+3绿GND
4
黑
规范规定全速/高速电缆USB为了保证数据能在USB电缆中无错误地传输,
对低速电所示。
必须具有外层屏蔽和铜漏线,且差分数据线必须双绞.如图1.9缆来说.其传输的
所以不需要以设备永久连接,B型插头,而需要与USB速率较低,且其一般不含但可以使用全速/高速电缆来低速电缆不能传输高速和全速信号,上特殊处理。
全传输低速信号,但要注意其长度不要超过低速电缆所允许的最大长度。
另外,而低速电缆必须是束缚电速/高速电缆既可以是束缚电缆也可以是可分离电缆,种电缆进行了对比。
对这3缆。
表1.4表1.4低速申缆和全速/高速电缆的对比
低速电缆全速/高速电缆
—差分特征阻抗/Ω90
否是否需要屏蔽是否是是否需要铜漏线
否是数据线是否需要双绞
否是是否可用作可分离电缆
是是是否可用作束缚电缆
关于USB电缆的长度,USB1.1和2.0都没有明确说明,供应商可以根据信号
全速电缆,3m版本中规定低速电缆长度不超过USB1.0的具体环境自行定义。
在.
长度不超过5m,这是一个非常好的方案和依据。
(3)USB总线拓扑结构
USB采用层次星型的总线拓扑结构,这可以防止在USB系统中出现环形连接
的情况,如图1.10所示。
主控制器(包括根集线器)是该拓扑结构的起点,USB集线器是其中心,每一层都是集线器和功能设备之间点到点的连接,其层次最多为7层(包括根层)。
通过这种层次星型的总线拓扑结构,USB系统最多可以支持127个USB设备(包括根集线器)的连接。
在这7层中,除根集线器外,最多支持5个集线器的级连,即一个USB功能设备最多可以经过5个集线器来连接至主机。
复合设备被看作是两层,所以它不能连接在第7层。
如果采用5m长USB的电缆,则最大的级连长度为30m,可见USB现在还不适合长距离的数据传输。
在USB2.0系统中,高速集线器(包括根集线器)有一个特殊的作用:
把全速
/低速信号和高速信号隔离开。
高速集线器的下行端口允许直接连接全速/低速USB设备,而且它们之间的通信仍是全速/低速的,但高速集线器与USB2.0主控制器间的通信却始终是高速的。
图1.11描述了高速、全速和低速USB设备的混合连接。
3.3.3USB接口芯片
USB接口芯片(或称USB芯片)是一种集成了USB协议的微处理器,它能自
动对各种USB事件做出响应,以处理USB总线上的数据传输。
USB接口芯片按功能可以分为USB主控制器芯片、USB集线器芯片和USB功能设备芯片。
所有的主机和设备上都至少含有一块实现其功能的USB芯片。
主控制器芯片USB一、USB主控制器芯片负责实现主机和USB设备间的物理数据传输,它是构成USB
440HX功能的USBl.0月首次推出了支持2年1996公司在Intel主机的必需部件。
.
和440VXPCI芯片组,其实现USB主控制器接口的模块为82371SB。
它标志着USB主控制器芯片的正式诞生,但它是集成在PCI控制器中的。
世界上第一块单片USB2.0主控制器芯片是2001年6月NEC公司发布的uPD720100,它具有5个USB端口,并支持PCI总线。
表1.5列出了世界上主要USB芯片供应商的一些USB主控制器芯片。
表1.5USB主控制芯片
公司USB芯片推出时间/USS-344AgereuPD720100NECuPD720101PhilipsISPl561VIAVI6202
(年.月)
下行端口/个
USB规范
45542或4
1998.8
1.O
2001.6
2.O
2002.8
2.0
2001.62001.9
2.02.0
随着嵌入式技术的飞速发展,USB主机已不再局限于单纯的PC机,可以是含有USB主控制器的任何设备,如PDA、MP3播放机等。
在USB2.0规范中也增加了USB嵌入式没备的标准——On—The—Go(OTG),它使得外设可以在主机和USB设备之间相互切换,即当其连接至PC机时,它是一个USB设备,而与其他USB设备(如USB打印机)相连接时,它将作为USB主机。
各大USB芯片供应商也相继推出了USB嵌入主控制器芯片,其中以Philip
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