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USB接口分析.docx
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USB接口分析
USB接口分析
1、USB接口的定义
USB是UniversalSerialBus的缩写,中文含义是“通用串行总线”。
它是一种应用在PC领域的新型接口技术。
USB是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。
最新一代是USB3.1,传输速度为10Gbit/s,三段式电压5V/12V/20V,最大供电100W,新型TypeC插型不再分正反。
2、工作原理
USB是一个外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。
USB接口即插即用和热插拔功能。
USB接口可连接127种外设,如鼠标和键盘等。
USB是在1994年底由英特尔等多家公司联合在1996年推出后,已成功替代串口和并口,已成为当今电脑与大量智能设备的必配接口。
1998年后,随着微软在98中内置了对USB接口的支援模块,,加上USB设备的日渐增多,USB接口才逐步走进了了实用阶段。
USB版本经历了多年的发展,到如今已经发展为3.0版本。
对于大多数工程师来说,开发USB2.0接口产品主要障碍在于:
要面对复杂的USB2.0协议、自己编写USB设备的驱动程序、熟悉单片机的编程。
这不仅要求有相当的VC编程经验、还能够编写USB接口的硬件(固件)程序。
所以大多数人放弃了自己开发USB产品。
为了将复杂的问题简单化,西安达泰电子特别设计了USB2.0协议转换模块。
USB20D模块[1]可以被看作是一个USB2.0协议的转换器,将电脑的USB2.0接口转换为一个透明的并行总线,就象单片机总线一样。
从而几天之内就可以完成USB2.0产品的设计。
3、发展历程
3.1USB1.0
USB1.0是在1996年出现的,速度只有1.5Mb/s(位每秒);1998年升级为USB1.1,速度也大大提升到12Mb/s,在部分旧设备上还能看
到这种标准的接口。
USB1.1是较为普遍的USB规范,其高速方式的传输速率为12Mbps,低速方式的传输速率为1.5Mbps(b是Bit的意思),b/s一般表示位传输速度,bps表示位传输速率,数值上相等。
B/s与b/s,BPS(字节每秒)与bps(位每秒)不能混淆。
1MB/s(兆字节/秒)=8Mbps(兆位/秒),12Mbps=1.5MB/s,大部分MP3为此类接口类型。
图3.1
3.2USB2.0
USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。
它的传输速率达到了480Mbps,折算为MB为60MB/s,足以满足大多数外设的速率要求。
USB2.0中的"增强主机控制器接口"(EHCI[2])定义了一个与USB1.1相兼容的架构。
它可以用USB2.0的驱动程序驱动USB1.1设备。
也就是说,所有支持USB1.1的设备都可以直接在USB2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题,而且像USB线、插头等等附件也都可以直接使用。
使用USB为打印机应用带来的变化则是速度的大幅度提升,USB接口提供了12Mbps的连接速度,相比并口速度提高达到10倍以上,在这个速度之下打印文件传输时间大大缩减。
USB2.0标准进一步将接口速度提高到480Mbps,是普通USB速度的20倍,更大幅度降低了打印文件的传输时间。
3.3USB3.0
由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB3.0PromoterGroup宣布,该组织负责制定的新一代USB3.0标准已经正式完成并公开发布。
USB3.0的理论速度为5.0Gb/s,其实只能达到理论值的5成,那也是接近于USB2.0的10倍了。
USB3.0的物理层采用8b/10b编码方式[3],这样算下来的理论速度也就4Gb/s,实际速度还要扣除协议开销,在4Gb/s基础上要再少点。
可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。
USB3.0在实际设备应用中将被称为"USBSuperSpeed",顺应此前的USB1.1FullSpeed和USB2.0HighSpeed。
USB3.0的传输速度是4.8Gbps,是USB2.0的十倍。
没错,是G级的,但这是位(bit),而不是字节(Byte)。
就像你拉一条4Mbps的网线,实际下载速度只能达到512KB/S一样。
因为8位=1字节,即4.8Gbps=600MB/S,这还是理论值,600MB/S,确实挺快的。
但要达到这个速度,必须突破这两个瓶颈:
主板接口、存储介质。
买了个USB3.0的移动硬盘回来试,发现还是USB2.0的速度,这瓶颈很可能出在主板接口上。
4、主要优点
USB设备主要具有以下优点:
a.可以热插拔。
就是用户在使用外接设备时,不需要关机再开机等动作,而是在电脑工作时,直接将USB插上使用。
b.携带方便。
USB设备大多以"小、轻、薄"见长,对用户来说,随身携带大量数据时,很方便。
当然USB硬盘是首要之选了。
c.标准统一。
大家常见的是IDE接口的硬盘,串口的鼠标键盘,并口的打印机扫描仪,可是有了USB之后,这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接,这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。
d.可以连接多个设备。
USB在个人电脑上往往具有多个接口,可以同时连接几个设备,如果接上一个有四个端口的USBHUB时,就可以再连上;四个USB设备,以此类推,尽可以连下去,将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题(注:
最高可连接至127个设备)。
5、接口布置
USB是一种常用的PC接口,他只有4根线,两根电源两根信号,故信号是串行传输的,USB接口也称为串行口,USB2.0的速度可以达到480Mbps。
可以满足各种工业和民用需要.USB接口的输出电压和电流是:
+5V500mA实际上有误差,最大不能超过+/-0.2V也就是4.8-5.2V。
USB接口的4根线一般是下面这样分配的,需要注意的是千万不要把正负极弄反了,否则会烧掉USB设备或者电脑的南桥芯片:
黑线:
GND红线:
VCC绿线:
DATE+白线:
DATE。
一般的排列方式是:
红白绿黑从左到右定义:
针脚
名称
说明
接线颜色
1
VCC
+5V电压
红线
2
D-
数据线负极
白线
3
D+
数据线正极
绿线
4
GND
接地
黑线
6、接口种类
6.1USBA型公口
随着各种数码设备的大量普及,特别是手机和个人电脑的普及,我们周围的USB设备渐渐多了起来。
然而这些设备虽然都是采用了USB接口,但是这些设备的数据线并不完全相同。
这些数据线在连接PC的一端都是相同的,但是在连接设备端的时候,通常出于体积的考虑而采用了各种不同的接口。
下面简单介绍Mini类型sub接口的各种应用。
6.2B-5Pin
这种接口可以说是最常见的一种接口了,这种接口由于防误差性能出
众,体积也比较小巧,所以正在赢得越来越多的厂商青睐,如今这种接口广泛应用出如今读卡器、MP3、手机、数码相机以及移动硬盘上。
MiniB型5Pin
6.3B-4Pin
MiniB型4Pin还有一种形式,那就是MiniB型4PinFlat。
顾名思义,这种接口比MiniB型4Pin要更加扁平,在设备中的应用也比较广泛。
这种接口常见于以下品牌的数码产品:
奥林巴斯的C系列和E系列,柯达的大部分数码相机,三星的MP3产品(如Yepp),SONY的DSC系列,康柏的IPAQ系列产品……
MiniB型4Pin
6.4B-8Pin
该接口和前面的普通型比起来,就是将原来的D型接头改成了圆形接头,并且为了防止误插在一边设计了一个凸起。
这种接头可以见于一些Nikon的数码相机,CoolPix系列比较多见。
虽然Nikon一直坚持用这种接口,但是在一些较新的机型中,例如D100和CP2000也都采用了普及度最高的MiniB型5Pin接口。
MiniB型8PinRound
6.5B-8Pin-2×4
B-8Pin-2×4接口也是一种比较常见的接口了,例如我们熟悉的iRiver的著名的MP3系列,其中号称"铁三角"的180TC,以及该系列的很多其他产品采用的均是这种接口。
这种接口的应用范围也还算是广,不过从iRiver自3XX系列全面换成MiniB型5Pin的接口后,这种规格明显没有MiniB型5Pin抢眼了。
MiniB型8Pin2×4
6.6MicroUSB
MicroUSB是USB2.0标准的一个便携版本,比部分手机使用的MiniUSB接口更小,Micro-USB是Mini-USB的下一代规格,由USB标准化组织美国USBImplementersForum(USB-IF)于2007年1月4日制定完成。
Micro-USB支持OTG,和Mini-USB一样,也是5pin的。
Micro系列的定义包括标准设备使用的Micro-B系列插槽;OTG设备使用的Micro-AB插槽;Micro-A和Micro-B插头,还有线缆。
Micro系列的独特之处是他们包含了不锈钢外壳,万次插拔不成问题。
2009年10月26日在瑞士日内瓦举办的国际电联ITU-T第五研究组(SG5)全会上完成了"通用移动终端及其它ICT设备的电源适配器和充电器方案"框架标准讨论并通过,并申请进入报批程序。
这实际意味着全球都统一手机充电器的标准。
7、应用
虽然很多电视机都配有USB接口,但是通过USB接口连接存储设备后能实现的功能却不太相同。
有的电视机只支持播放USB存储设备中的图片,有的可以播放音乐文件和一些特定格式的视频。
7.1USB线
说到USB播放能力,当前的国产电视在USB播放能力上还都是比较出色的,H.264编码和RM/RMVB格式的高清视频一般都能流畅播放,效果虽然比高端的高清播放机还是有差距,但是也足够一般用户使用了。
7.2电视USB接口
下图中为电视侧面的UAB接口,可以直接接插U盘或者移动硬盘。
8、总结
首先,如果你的电视配有HDMI接口的话,那么看高清视频的话,它一定是最佳选择,因为HDMI接口不仅能够将高清信号完美无损的传输,而且还能够传输高质量的音频信号。
如果笔记本或者电脑并没有HDMI接口的话,也不用担心,因为用VGA接口连接电视同样能够获得好的图像效果,只不过是音频需要另外的音频接口来连接。
当然有的S端子也是电脑上常见的接口,效果也过去。
色差分量接口和AV接口都是有三根线组成的,很多人都容易把他们搞混,其实色差分量线可以看成是红、绿、蓝三原色的分别输出,所以它的线是由红、绿、蓝三种线组成,色差分量接口是大多数大品牌的蓝光播放机的必备接口,可想而知它的效果还是非常不错的。
而AV接口呢,可以不用就不要用了。
USB接口可以说是现年来电视上最新兴起的多媒体接口,如果用户比较注重USB播放能力,最好自己带着视频文件去卖场进行测试,防止被骗。
9、各种USB插头实物图:
注释
[1]USB20D模块:
USB20D是由西安达泰电子有限公司设计的USB2.0设备通用接口模块,它隐藏了通过USB总线进行数据传输所需的繁琐技术细节。
应用程序通过调用本模块的函数,可以把相应的功能转变成模块硬件接口上的一系列脉冲和电平,发送到外围逻辑,进行指定的数据传输,从而极大地简化了USB设备的设计工作。
[2]EHCI(EnhancedHostControllerInterface)增强型主机控制器接口规范描述了一个通用串行总线(USB)2.0版的主机控制器的寄存器级接口。
该规范包括系统软件和主机控制器硬件之间的硬件/软件接口的描述。
本规范的目的是为硬件组件设计,系统集成商和设备驱动程序(软件)开发。
[3]8B/10B编码方式,也叫做8比特/10比特或8b10b。
8b/10b方式最初由IBM公司于1983年发明并应用于ESCON(200M互连系统),由AlWidmer和PeterFranaszek在IBM的刊物“研究与开发”上描述。
8b/10b编码是目前许多高速串行总线采用的编码机制,如USB3.0、1394b、SerialATA、PCIExpress、Infini-band、FibreChannel(光纤通道)、RapidIO等总线或网络等。
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