通用串行总线USB及其应用
发布时间:2008/8/23 0:00:00 访问次数:699
1引言
如今，随着计算机在各个领域中的应用日益普及和深入，其外设也越来越多，如打印机、扫描仪、游戏杆、mic、modem等。因计算机本身只提供高性能的运算处理等方面的基本能力，当我们将一台计算机应用于某个具体实际需要时，往往需要对他的基本功能进行扩展。而在对计算机功能扩展时，原则上每个外设都必须插在一个接口上。当外设多了以后，会产生一些问题。
首先，外设增多，计算机接口也必须增多，但计算机的标准接口总是有限的，虽然可以通过增加功能接口插卡来扩展接口，但可增插卡的数量受计算机插槽个数的限制，并且扩展接口卡存在以下问题：
(1)接口卡的插拔过程必须关机，并且需打开机箱进行安装和拆卸；
(2)接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程仍需要各种技术的支持，其安装和配置过程仍需人工干预。当扩展插卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；
(3)接口插卡质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性将直接影响计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性；
(4)笔记本电脑之类的小体积pc很难用接口插卡进行功能扩展；
(5)pc插槽中的各种接口卡受到内部的射频辐射干扰，使其性能受到很大影响，除非接口卡是全数字化的。所以扩展接口卡终究不是解决问题的根本方法。
其次，随着技术不断发展，大量新外设不断出现，这些外设对计算机接口提出了更高的要求，如高速度、双向传输数据等。传统的计算机接口，如并行打印机接口（数据传输率为1 mb/s）、串行rs232接口（数据传输率为115～230 kb/s）已经不能满足用户需要。
还有，计算机越来越向简单、实用、方便、方向发展。传统计算机外设安装过程中，在加、减设备时，必须关掉电源，完成之后再重新启动机器。
由于传统计算机接口有上述缺点，不能满足当前计算机发展的需要，于是，intel，microsoft，compaq，nec，ibm，digital，northern
telecom等7家世界著名的计算机公司和通讯公司联合制定了一种新的通用外部设备总线规范，即通用串行总线usb（universal serial
bus）。1994年11月发表了标准的最早版本ver0.7， 1998年9月23日公布的ver1.1是目前普遍采用的标准。现在已经发展到2.0版本。usb协议出台后得到各计算机生产商和外设厂商的广泛支持。如今计算机主板都带有usb接口，windows 98/ce/2000全面支持usb技术标准，很多计算机外设都采用usb接口。
2usb 的优点
usb与传统的外围接口相比，主要有以下优点：
(1)使用方便在usb系统中，所有的usb设备可以随时接入和拔离系统，usb主机能够动态识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数。这样，安装usb设备时，不必打开机箱，甚至在计算机工作时也无需关机和重新启动即可加、减已安装过的设备，也不必用手动跳线或拨码开关来设置新的外设。usb的驱动程序和应用软件可以自动启动，usb设备单独使用自己的保留中断，也不涉及irq冲突问题，不会同其他设备争用pc有限的资源，省去了硬件配置的烦恼，为用户带来了极大的方便。
(2)速度快快速性能是usb技术的突出特点，usb ver1.1标准有全速12 mb/s和低速1.5 mb/s两种模式，主模式为全速，他比串口快了整整100倍，比并口快了十多倍。usb ver2.0提供高达480mb/s的数据传输率，可以在其上开发功能更多的电子产品，包括高分辨率的视频摄像机、下一代的扫描仪和打印机，并且，在usb 2.0上多个高速外设可同时运行。
(3)易于扩展通过usb hub 扩展，可连接多达127个外设，且各种外设均采用统一usb接口标准的连接器，大大地简化了安装过程。标准usb电缆长度为3 m（5 m低速），通过hub 或中继器可以使外设距离达到30 m。
(4)独立供电usb 接口提供了内置电源，他能向低压设备提供5 v电源，因此，新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本，并提高了性价比。
(5)使用灵活为适应各种不同类型外围设备的要求，usb 提供了4种不同的数据传输模式：控制(control)传输、同步(synchronization)传输、中断(interrupt)传输、批量(bulk)传输。
(6)支持多个外设同时工作usb系统支持多种数据传输的要求。数据带宽可以从几k到480 mb/s，他允许在同一电缆上传输实时和非实时数据，在主机和外设之间可以同时传输多个数据和信流，允许多个外设同时操作，并支持复合设备。
总之，usb是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。按照协议的规定，多个设备分享usb带宽，当主机和其他设备在运行时，总线允许添加、设置、使用和拆除外设。
3usb的拓扑结构
usb总线拓扑为层叠的星形结构，如图1所示。系统由主控制器（host controller），usb hub和usb器件（device）组成。
1引言
如今，随着计算机在各个领域中的应用日益普及和深入，其外设也越来越多，如打印机、扫描仪、游戏杆、mic、modem等。因计算机本身只提供高性能的运算处理等方面的基本能力，当我们将一台计算机应用于某个具体实际需要时，往往需要对他的基本功能进行扩展。而在对计算机功能扩展时，原则上每个外设都必须插在一个接口上。当外设多了以后，会产生一些问题。
首先，外设增多，计算机接口也必须增多，但计算机的标准接口总是有限的，虽然可以通过增加功能接口插卡来扩展接口，但可增插卡的数量受计算机插槽个数的限制，并且扩展接口卡存在以下问题：
(1)接口卡的插拔过程必须关机，并且需打开机箱进行安装和拆卸；
(2)接口插卡设备驱动程序的安装、调试直至正常运行的过程仍需要各种技术的支持，其安装和配置过程仍需人工干预。当扩展插卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；
(3)接口插卡质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性将直接影响计算机的寿命和系统的稳定性、可靠性；
(4)笔记本电脑之类的小体积pc很难用接口插卡进行功能扩展；
(5)pc插槽中的各种接口卡受到内部的射频辐射干扰，使其性能受到很大影响，除非接口卡是全数字化的。所以扩展接口卡终究不是解决问题的根本方法。
其次，随着技术不断发展，大量新外设不断出现，这些外设对计算机接口提出了更高的要求，如高速度、双向传输数据等。传统的计算机接口，如并行打印机接口（数据传输率为1 mb/s）、串行rs232接口（数据传输率为115～230 kb/s）已经不能满足用户需要。
还有，计算机越来越向简单、实用、方便、方向发展。传统计算机外设安装过程中，在加、减设备时，必须关掉电源，完成之后再重新启动机器。
由于传统计算机接口有上述缺点，不能满足当前计算机发展的需要，于是，intel，microsoft，compaq，nec，ibm，digital，northern
telecom等7家世界著名的计算机公司和通讯公司联合制定了一种新的通用外部设备总线规范，即通用串行总线usb（universal serial
bus）。1994年11月发表了标准的最早版本ver0.7， 1998年9月23日公布的ver1.1是目前普遍采用的标准。现在已经发展到2.0版本。usb协议出台后得到各计算机生产商和外设厂商的广泛支持。如今计算机主板都带有usb接口，windows 98/ce/2000全面支持usb技术标准，很多计算机外设都采用usb接口。
2usb 的优点
usb与传统的外围接口相比，主要有以下优点：
(1)使用方便在usb系统中，所有的usb设备可以随时接入和拔离系统，usb主机能够动态识别设备的状态，并自动给接入的设备分配地址和配置参数。这样，安装usb设备时，不必打开机箱，甚至在计算机工作时也无需关机和重新启动即可加、减已安装过的设备，也不必用手动跳线或拨码开关来设置新的外设。usb的驱动程序和应用软件可以自动启动，usb设备单独使用自己的保留中断，也不涉及irq冲突问题，不会同其他设备争用pc有限的资源，省去了硬件配置的烦恼，为用户带来了极大的方便。
(2)速度快快速性能是usb技术的突出特点，usb ver1.1标准有全速12 mb/s和低速1.5 mb/s两种模式，主模式为全速，他比串口快了整整100倍，比并口快了十多倍。usb ver2.0提供高达480mb/s的数据传输率，可以在其上开发功能更多的电子产品，包括高分辨率的视频摄像机、下一代的扫描仪和打印机，并且，在usb 2.0上多个高速外设可同时运行。
(3)易于扩展通过usb hub 扩展，可连接多达127个外设，且各种外设均采用统一usb接口标准的连接器，大大地简化了安装过程。标准usb电缆长度为3 m（5 m低速），通过hub 或中继器可以使外设距离达到30 m。
(4)独立供电usb 接口提供了内置电源，他能向低压设备提供5 v电源，因此，新的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本，并提高了性价比。
(5)使用灵活为适应各种不同类型外围设备的要求，usb 提供了4种不同的数据传输模式：控制(control)传输、同步(synchronization)传输、中断(interrupt)传输、批量(bulk)传输。
(6)支持多个外设同时工作usb系统支持多种数据传输的要求。数据带宽可以从几k到480 mb/s，他允许在同一电缆上传输实时和非实时数据，在主机和外设之间可以同时传输多个数据和信流，允许多个外设同时操作，并支持复合设备。
总之，usb是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。按照协议的规定，多个设备分享usb带宽，当主机和其他设备在运行时，总线允许添加、设置、使用和拆除外设。
3usb的拓扑结构
usb总线拓扑为层叠的星形结构，如图1所示。系统由主控制器（host controller），usb hub和usb器件（device）组成。
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