1、USB通用串行總線接口綜 述(第1稿)南京大學(xué)計算機系俞建新2001年7月29日2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新2目 錄一、USB的由來二、USB的基本特點三、USB的體系結(jié)構(gòu)概述四、USB的同類產(chǎn)品IEEE1394五、USB的今后發(fā)展六、USB設(shè)備使用知識2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新3一、USB的由來USB（Universal Serial Bus）是由Compaq、HP、Intel、Lucent（朗訊）、Microsoft、NEC和Philips七家公司聯(lián)合推出的新一代標(biāo)準(zhǔn)接口總線。該總線是一種連接外圍設(shè)備的機外總線，最多可連接127個設(shè)備，為微機系統(tǒng)擴充和配置外部

2、設(shè)備提供了方便。USB規(guī)范有多種版本，最早的版本是1994年11月推出的USB 0.7版 。1996年1月推出了標(biāo)準(zhǔn)版本USB l.0，目標(biāo)是為中低速的外圍設(shè)備提供雙向、低成本的總線，數(shù)據(jù)傳輸率最高為12Mb/s。 YUJIANXIN:馬鳴錦P3242022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新4USB新規(guī)范USB2.0隨著微機系統(tǒng)及其外設(shè)性能和功能的增強，需處理的數(shù)據(jù)量越來越大，2000年4月又推出了新的USB規(guī)范USB 2.0。在新版本中，增加了一種480Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，以滿足日益復(fù)雜的高級外設(shè)與PC機之間的高性能連接需求。USB2.0是USB的自然升級，它在保留原有USB規(guī)范的基礎(chǔ)上又

3、提供了更高的帶寬，并且與現(xiàn)有的外設(shè)保持完全兼容。YUJIANXIN:馬鳴錦P3242022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新5PC機的主要外設(shè)總線回顧串行總線RS232（1969年，EIA頒布）IEEE1394 （1995年，IEEE頒布）USB（1994年，七家公司聯(lián)合推出）并行總線STD（8位，Pro-Log公司1978年推出）ISA（16位，IBM公司1984年推出）EISA（16位，Compaq等公司1989年推出）PCI （32位，1992年Intel倡導(dǎo)下推出1.0版）2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新6USB基本概念（1）近年來USB技術(shù)已經(jīng)成為了計算機領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)

4、之一，并為越來越多的個人計算機界人士所接受。Windows98的問世，使USB的操作系統(tǒng)支持問題得到了解決。從此各種USB設(shè)備不斷涌現(xiàn)。可以認為在Windows 98操作系統(tǒng)推動下，帶來了USB技術(shù)的飛速發(fā)展和普及。現(xiàn)在，不管買什么樣的個人電腦，你都能找到USB端口。USB技術(shù)并不僅限于PC行業(yè)，現(xiàn)在每一個計算機硬件的生產(chǎn)商都在嘗試在他自己的平臺上應(yīng)用USB技術(shù)。YUJIANXIN:張念淮P32022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新7USB基本概念（2）我們通常所用的鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器都是連接在串口上的。但USB并不完全是一個串口，它實際上是一種串行總線。這意味著你的機箱后蓋上的USB端口可以

5、連接許多設(shè)備，這些設(shè)備可以相互連接在一起。而且不同類型的設(shè)備組成可以通過一種稱為USB集線器的硬件分離開來，這些都是與傳統(tǒng)的串口上只能鏈接一個設(shè)備有著本質(zhì)區(qū)別的。USB用來把串口、并口等不同的接口統(tǒng)一起來，使用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭。通過這個標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式(星型結(jié)構(gòu))可以把所有的外設(shè)連接起來，并且不會損失帶寬。YUJIANXIN:張念淮P32022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新8USB基本概念（3）今后USB將取代當(dāng)前PC上的串口和并口。當(dāng)我們提到USB時，與其將它想象成一個串口，還不如將它想象成一個連接有不同設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，就像我們所熟悉的以太網(wǎng)一樣。給出了一個典型的USB設(shè)備網(wǎng)

6、絡(luò)配置的示意圖。YUJIANXIN:張念淮P32022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新9典型的USB配置圖2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新10二、USB的基本特點與傳統(tǒng)的總線接口相比，USB有以下七方面的優(yōu)點。下面分別介紹。2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新11USB總線的主要性能特點（1）每個USB系統(tǒng)中有一個主機，采用“級聯(lián)”方式USB總線可連接多個外部設(shè)備。每個USB設(shè)備用一個USB插頭連接到上一個USB設(shè)備的USB插座上，而其本身又提供一或多個USB插座供下一個或多個USB設(shè)備連接使用。這種多重連接是通過集線器Hub來實現(xiàn)的，整個USB網(wǎng)絡(luò)中最多可連接127個設(shè)備，

7、支持多個設(shè)備同時操作。YUJIANXIN:馬鳴錦P3242022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新12USB總線的主要性能特點（2）USB提供機箱外的熱即插即用功能，連接外設(shè)不必再打開機箱，也不必關(guān)閉主機電源，USB可智能地識別USB鏈上外圍設(shè)備的動態(tài)插入或拆除，具有自動配置和重新配置外設(shè)的能力，因此連接設(shè)備方便。 YUJIANXIN:馬鳴錦P3242022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新13USB總線的主要性能特點（3）適用于帶寬范圍在幾千位/秒（Kb/s）幾百兆位/秒（Mb/s）的設(shè)備。USB總線既可連接鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、游戲設(shè)備、虛擬現(xiàn)實外設(shè)這樣的低速設(shè)備，也可連接電話、聲頻、麥克風(fēng)

8、、壓縮視頻這樣的全速設(shè)備，還可連接視頻、存儲器、圖像這樣的高速設(shè)備。此外，USB總線還允許復(fù)合設(shè)備（即具有多種功能的外設(shè)）連接到PC機。 YUJIANXIN:馬鳴錦P3242022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新14USB總線的主要性能特點（4）低成本的電纜和連接器。USB通過一根四芯的電纜傳送信號和電源，電纜長度可變，可長達5m。USB統(tǒng)一的4針插頭將取代機箱后部眾多的串行口、并行口、鍵盤接口等插頭。USB具有錯誤檢測和處理機制，可識別設(shè)備的錯誤。較低的協(xié)議開銷帶來了高的總線性能，且適合于低成本外設(shè)的開發(fā)。支持主機與設(shè)備之間的多數(shù)據(jù)流和多消息流傳輸，且支持同步和異步傳輸類型。YUJIANX

9、IN:馬鳴錦P3242022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新15過去接口方案存在缺點今天的微型計算機上所使用的大多數(shù)外圍設(shè)備仍然是基于接口實現(xiàn)的，這些接口最早由IBM公司在20世紀(jì)80年代早期設(shè)計。這些接口的設(shè)計有很多缺陷，它們不僅給設(shè)計者帶來了許多麻煩，而且也給用戶帶來諸多不便。下面我們將對這些缺點進行總結(jié)和回顧。在這個過程中我們將會注意到：這些缺點中的很多直接導(dǎo)致了人們需要更好的解決方案來實現(xiàn)外圍設(shè)備與計算機之間的連接。YUJIANXIN:USB系統(tǒng)體系P22022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新16PC的I/O模式的缺點下圖表示了傳統(tǒng)的I/O模式，在那里外圍設(shè)備通常被映射為CPU的I

10、/O地址空間，并且被分配一個指定的IRQ(中斷請求)，在某種情況下它們也可以是一個DMA通道。這些系統(tǒng)資源被分配給指定的外圍設(shè)備，這些地址的分配通常是由IBM公司和其他設(shè)備制造商指定。而且在事實上，這種地址分配方法已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)。軟件開發(fā)者要利用這些關(guān)于中斷請求和DMA通道的信息對指定的設(shè)備進行訪問。YUJIANXIN:USB系統(tǒng)體系P32022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新17傳統(tǒng)外圍設(shè)備所用的系統(tǒng)資源YUJIANXIN:USB系統(tǒng)體系P32022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新18中斷在大多數(shù)情況下，許多關(guān)鍵的系統(tǒng)資源問題都涉及到中斷請求分配，因為PC上所用到的很多設(shè)備都要求使用中

11、斷。這一點對于那些通過ISA總線和PC相連的外圍設(shè)備來說尤其是這樣，因為ISA總線不能可靠地支持共享式中斷。下表列出了每個IRQ以及使用每個IRQ的典型設(shè)備。從這個表中我們可以看到，很多IRQ指定給特定的設(shè)備，這種做法完全是出于傳統(tǒng)的考慮。但是還有一些IRQ可以被很多種外圍設(shè)備使用。基于PCI總線的系統(tǒng)也包括ISA或EISA兩種總線。YUJIANXIN:USB系統(tǒng)體系P32022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新19典型的設(shè)備占用中斷情況表2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新20I/O地址和非共享式接口在PC的環(huán)境中，IO地址沖突是十分常見的。注意外圍設(shè)備通常需要大塊的IO地址單元，這樣

12、他們才能夠報告設(shè)備的狀態(tài)信息并且給設(shè)備發(fā)送命令。盡管x86處理器有能力訪問64KB的IO地址單元，但是傳統(tǒng)的擴展卡通常只能對16條地址線中的10個進行解碼。這就導(dǎo)致了最多只能有1KB的地址空間塊可以被ISA的擴展卡所使用。標(biāo)準(zhǔn)PC的外圍設(shè)備接口支持單個設(shè)備的連接。由于在一個給定的時刻只有一個外圍設(shè)備可以連接，這樣，連接的靈活性就被最小化。由于這個限制，所以通常是做一塊專用的擴展卡插到擴展總線上，通過它來為新的外圍設(shè)備建立一個連接點，但是這種做法相對來說成本比較昂貴。YUJIANXIN:USB系統(tǒng)體系P42022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新21終端用戶遇到的問題種類繁多的數(shù)據(jù)線擴展卡的安裝

13、和配置外圍設(shè)備不能熱插拔成本YUJIANXIN:USB系統(tǒng)體系P52022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新22三、USB的體系結(jié)構(gòu)概述我們討論USB的以下幾個方面系統(tǒng)描述物理接口電源總線協(xié)議健壯性系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)流類型YUJIANXIN:馬鳴錦P325-P3302022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新233.1 USB系統(tǒng)描述一個USB系統(tǒng)由三部分來描述：USB主機、USB設(shè)備和USB互連。USB設(shè)備USB設(shè)備分為Hub(集線器)和Function(功能)兩大類。USB主機在任一USB系統(tǒng)中只有一個主機。到主計算機系統(tǒng)的USB接口被稱作主機（主控制器）。USB互連USB互連指的是USB設(shè)備與主

14、機的連接和通信方式，它包括總線拓撲結(jié)構(gòu)、內(nèi)層關(guān)系、數(shù)據(jù)流模型和USB調(diào)度表。YUJIANXIN:馬鳴錦P3252022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新24USB總線拓撲結(jié)構(gòu)2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新253.2 USB物理接口USB總線的電纜有4根導(dǎo)線一對標(biāo)準(zhǔn)尺寸的雙絞信號線和一對標(biāo)準(zhǔn)尺寸的電源線USB總線支持的數(shù)據(jù)傳輸率有三種：高速信令位傳輸率為480Mbs；全速信令位傳輸率為12Mbs；低速信令位傳輸率為1.5Mbs。USB20支持在主控制器與Hub之間用高速傳輸全速和低速數(shù)據(jù)，而Hub與設(shè)備之間以全速或低速傳輸數(shù)據(jù)， 參看下圖。 YUJIANXIN:馬鳴錦P3262022

15、/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新26USB電纜示意圖2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新273.3 電源USB的電源規(guī)范包括兩個方面：電源分配用來處理USB設(shè)備如何使用主機通過USB總線提供的電源。 電源管理用來處理USB系統(tǒng)軟件和設(shè)備如何適應(yīng)主機上的電源管理系統(tǒng)。 2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新283.4 總線協(xié)議USB是種查詢(Polling)總線，由主控制器啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸。USB上所掛連的外設(shè)通過由主機調(diào)度的(Host-Scheduled)、基于令牌的(Token-Based)協(xié)議來共享USB帶寬。 主機與設(shè)備端點之間的USB數(shù)據(jù)傳輸模型被稱作管道，管道有兩種類型

16、：流和消息。消息數(shù)據(jù)具有USB定義的結(jié)構(gòu)，而流數(shù)據(jù)沒有。YUJIANXIN:馬鳴錦P3272022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新29總線協(xié)議（續(xù)）管道與數(shù)據(jù)帶寬、傳輸服務(wù)類型、端點特性(如方向性和緩沖區(qū)大小)有關(guān)。當(dāng)USB設(shè)備被配置時，大多數(shù)管道就形成了。一旦設(shè)備加電，總是形成一個被稱作缺省控制管道的消息管道，以便提供對設(shè)備配置、狀態(tài)和控制信息的訪問。YUJIANXIN:馬鳴錦P3272022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新303.5 健壯性（Robustness） USB采取以下措施提高它的健壯性： 采用數(shù)據(jù)管道和控制管道結(jié)構(gòu)，以保證功能之間的獨立性 。使用差分驅(qū)動器和接收器以及屏蔽保

17、護，以保證信號的完整性。 控制域和數(shù)據(jù)域的CRC保護校驗。 連接和斷開檢測及系統(tǒng)級資源配置 。協(xié)議的自我修復(fù)，對丟失包或毀壞包執(zhí)行超時(Timeouts)處理 對流數(shù)據(jù)進行流量控制，以保證對等步和硬件緩沖器維持正常的管理。 YUJIANXIN:馬鳴錦P3282022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新313.6 系統(tǒng)配置USB支持USB設(shè)備隨時連到USB總線上，或隨時從USB總線上拆除，因此，系統(tǒng)軟件必須適應(yīng)物理總線拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。 USB設(shè)備的連接 USB設(shè)備的拆除 總線點查（Bus Enumeration）YUJIANXIN:馬鳴錦P3282022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新323

18、.7 數(shù)據(jù)流類型USB數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在主機軟件和USB設(shè)備的一特定端點之間，也就是說，主機軟件發(fā)起的USB數(shù)據(jù)傳輸是面向端點的。主機軟件與USB設(shè)備端點之間的這種聯(lián)系被稱作管道。USB支持USB主機和USB設(shè)備之間通過一組單向管道或一組雙向管道來交換功能數(shù)據(jù)和控制信息。通常情況下，各個管道中的數(shù)據(jù)傳送是相互獨立的。YUJIANXIN:馬鳴錦P3292022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新33數(shù)據(jù)傳輸一個給定的USB設(shè)備可有多個管道，例如，可以分別用兩個端點來支持形成兩個管道，一個管道用來傳輸主機到USB設(shè)備的數(shù)據(jù)，另一個管道用來傳輸USB設(shè)備到主機的數(shù)據(jù)。USB結(jié)構(gòu)包括四種基本類型的數(shù)據(jù)傳輸

19、控制傳輸 批量傳輸 中斷傳輸 等步傳輸 YUJIANXIN:馬鳴錦P3292022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新342022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新35四、同類產(chǎn)品IEEE1394 IEEEl394是Apple公司于1993年首先提出，用以取代SCSI的高速串行總線“FireWire”，后經(jīng)IEEE協(xié)會于1995年12月正式接納成為一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。全稱為IEEEl394高性能串行總線標(biāo)準(zhǔn)（IEEE l394 High Performance Serial BUS Standard）。在1997年和1998年先后兩次由Microsoft、Intel和Compaq幾家公司共同制定的PC

20、97和PC98系統(tǒng)設(shè)計指南中，規(guī)定把USB、IEEEl394作為外設(shè)的新接口標(biāo)準(zhǔn)加以推行。IEEEl394總線有如下特征:YUJIANXIN:劉樂善P3802022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新36IEEE1394的特點（1）IEEEl394與USB有許多相似之處，其主要性能特點如下：采用“級聯(lián)”方式連接各個外設(shè)。IEEEl394不需要集線器(Hub)就可在一個端口上連接63個設(shè)備，設(shè)備間采用樹形或菊花鏈結(jié)構(gòu)，其電纜的最大長度是4.5m。采用樹形結(jié)構(gòu)時可達16層，因此，從主機到最末端外設(shè)電纜總長可達72m。電纜不需要終端器（Terminator）。YUJIANXIN:馬鳴錦P3252022

21、/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新37IEEE1394的特點（2）能夠向被連接的設(shè)備提供電源。IEEEl394使用6芯電纜，其中兩條線為電源線，其它4條線被包裝成兩對雙絞線，用來傳輸信號。具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力。IEEEl394的數(shù)據(jù)傳輸率有三檔：100Mbs、200Mbs、400Mbs，特別適合于高速硬盤以及多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。YUJIANXIN:馬鳴錦P3252022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新38IEEE1394的特點（3）可以實時地進行數(shù)據(jù)傳輸。IEEEl394除了異步傳送外，也提供了一種等時同步(Isochronous)傳送方式，數(shù)據(jù)以一系列固定長度的包，等時間間隔地連續(xù)發(fā)送，端到

22、端既有最大延時限制又有最小延時限制。YUJIANXIN:馬鳴錦P3252022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新39IEEE1394的特點（4）IEEE1394的總線仲裁除了優(yōu)先權(quán)仲裁方式之外，還有均等仲裁和緊急仲裁兩種方式，這保證了多媒體數(shù)據(jù)的實時傳送。采用點對點(Peer to Peer)結(jié)構(gòu)。任何兩個支持IEEEl394的設(shè)備可直接連接，不需要通過主機控制。設(shè)備連接方便。IEEEl394也支持熱即插即用，在增加或拆除外設(shè)后，IEEEl394會自動調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)，重設(shè)整個外設(shè)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。YUJIANXIN:馬鳴錦P3252022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新40IEEE1394的特點（5）USB和IEEE1394的設(shè)計出發(fā)點不同IEEEl394是一種高速串行總線，它一開始就是面向高速外設(shè)的，而USB一開始是面向中低速外設(shè)的。兩種串行總線都在推廣之中。USB20的推出使得USB總線也可以連接高速外設(shè)，再加上USB總線的價格優(yōu)勢，USB總線可能會有廣闊的發(fā)展前景。YUJIANXIN:馬鳴錦P3252022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新41IEEE1394與USB的比較2022/9/28南京大學(xué)計算機系 俞建新42五、USB的今后發(fā)展USB2.0速度快，達到480MB/S，超過IEEE1394。USB和IEEE1394競爭激烈火線標(biāo)準(zhǔn)走向