-
什么是
USB
USB
是一种由
Intel
和
Microsoft
开发的
外设总线的数据通信标准。最
大的特点是支
持热插拔(
p>
Hot plug
)和即插即用
(Plug&Play)
。当设备插入时,主机枚举
(
enumerate
)此设备并加载所需的驱动程
序,
因此使用远比
PCI
和
ISA
总线方便。
它
改变了在台式
PC
背面安装过多连接器和端
口的状况,并提供用于计算机电话设备的接
口。
USB
对键盘、鼠标、打印机、调制解调
器、游戏杆、音频设
备、
CD
.
ROM
、数字相机和其他设备提供单一连接端口,
而不是对它们分别进行连接。
USB
消除了与
PC
有关
的很多问题,例如要拆开
计算机才能安装适配卡、更换双列直插开关、配置
IRQ(
中断请求
)
等。<
/p>
USB
定
义的
端口和总线拓扑结构具有高达
12Mbit
/
< br>s
的数据传输速率。
它使用一条长达
5
米的电缆将设备以菊化链的形式串接到一个单一端口上。
在这种设计中,
可以
在不需要重新启动系统的情况随时添加设备
,最多可达
63
台。该拓扑结构是分
层
的星形结构,
它允许外部设备连接到可提供多个端口连接器的中继集线器。
在
某些情况下,集线器可能需要电源。
USB
还对某些设备提供电源,因此它们将
不需要电线和电池。
USB
甚至允许设备就它们的电源需求与
USB
p>
主机控制器进
行通信。
USB
速
度比并行总线(
Parellel Bus
,
< br>例如
EPP
、
LPT
)与串行端口(
Serial Port
,
例如
RS-232
)等传统计算机用标准总线
快
许多。
USB
有两个规范,
即
USB
1.1
和
USB
2.0
。
USB1.1
是目前较为普遍的
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),
1MB/s
(兆字节
/
秒)
=8
Mbps
(兆位
/
秒),
12Mbps=1.5MB/s
。
?
USB2.0
规范是由
USB 1.1
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。
USB
2.0
中的
―
增强主机控制器接口
‖
(
EHCI
)
定义了一个与
USB
1.1
相兼容的
架构。它可以用
USB
2.0
的驱动程序驱动
USB 1.1
设备。也就是说,所
有支持
USB
1.1
的设备都可以直接在
USB 2.0
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。
?
通用串行总线
Universal
Serial Bus (USB)
是连接外部设备的一个串口总线
< br>标准,在计算机上使用广泛,但也可以用在机顶盒和游戏机上,补充标准
(
On-The-
Go)
使其能够用于在便携设备之间直接交换数据。
USB
的设计为非对称式的,它由一个主机(
host
)控制器和若干通过
hub
设备以树形连接的设备组成
。
一个控制器下最多可以有
5
级
hub
,
包括
p>
Hub
在
内,最多可以连接
127
个设备,而一台计算机可以同时有多个控制器。
和
SPI-
SCSI
等标准不同,
USB
hub
不需要终结器。
USB hub
USB
可
以连接的外设有鼠
标、键盘、
gamepad
< br>、游戏杆、
扫描仪、
数码相机、
打印机、
硬盘
和网络部件。
对数码相机
这样的多
媒体外设
USB
已经是缺省接
口;
由于大大简化了与计算机的连接,
USB
< br>也逐步取代并口成为打印机
的主流连接方式。
2004<
/p>
年已经有
超过
1
亿台
USB
设备;到
2005
年显示器和高清晰度数字视频外设是仅有的
USB
未能染指的外设类别,因为他
们需要更高的传输速率。
现标准
中将
UBS
统一为
USB2.0,
p>
分为高速:传输速率
25Mbps
~
400Mbps(
最大
480Mbps)
p>
;
全速:
传输速率
500Kbps
~
10Mbps(
最大
12Mbps
)
;
低速:传输速率
10Kbps
~
1
00Kbps(
最大
1.5Mbps
)
标准
USB
Implementers Forum (USBIF)
负责
USB
标准制订,
其成员包括苹果电
脑
、惠普、
NEC
、微软和
Intel<
/p>
。
USBIF
于
2001
年底公布了
2.0
规范,之前
还有
0.9
、
1.0
< br>、
和
1.1
,
< br>他们都是完全向后兼容的。
On-The-Go Supplement to
the USB
2.0 Specification
的当前
版本是
1.0a
。
USB
的连接器分为
A
、
B
两种,分别用于主机和设备;其各自的小型化的
连接器是
Mini-A
和
Mini-B
,另外还有
Mini-
AB
的插口。
技术细节
技术指标
目前
USB
支持
3
种数据信号速率,
USB
设备应该在其外壳或者有时是自身
上正
确标明其使用的速率。
USB-IF
进行设备认证并为通过兼容测试并支付许可费用
的设备提供基本速率(低速和全速)和
高速的特殊商标许可。
1.5Mbit/s (183KiB/s)
的低速速率,主要用于人机接口设备(
Human
Interface Devices
,
HID
)例如键盘、鼠标、游戏杆。
?
12Mbit/s
(1.4MiB/s)
的全速速率,
在
USB2.0
之前是曾经是最高速率,
后
起的更高速率的高速接口应该兼容全速速率。
多个全速设备
间可以按照先
?
到先得法则划分带宽
;使用多个等时设备时会超过带宽上限也并不罕见。
所有的
US
B Hub
支持全速速率。
?
480Mbit/s
(57MiB/s)
的高速速率。
并
非所有的
USB2.0
设备都是高速的。
高速设备插入全速
hub
时应该与全速兼容。而高速
hub
具有所谓
Transaction Tr
anslator
功能,能够隔离全速、低速设备与高速之间数据
流,但是不会影响供电和串联深度。
机械和电气标准
< br>标准
USB
接口
USB
标准
A
、
B
插头及其触点
(
未按比例绘制
)
标准
USB
连接器
触点
触点
2
D-
3
D+
4
接地
功能
(
主机
)
功能
(
设备
)
D-
D+
接地
BUS
(4.4
-
5.25 V)
1
V
BUS
(4.75
-
5.25 V)
V
p>
USB
信号使用分别标记为
D+
和
D-
的双绞线传输,它们各自使用半双工差分信
号并协同工作,以抵消长导线的电磁干扰,
Mini
USB
接口
Mini USB
A
、
B
连接
器及其触点
(
未按比例绘制
)
Mini USB
连接器触点
触点
2
D?
3
D+
4
ID
5
接地
除了第
4
针
,其他标准和
mini USB
接口功能相同。第
4
针成为
ID
,在
mini-A
上连接到第
5
针,在
mini-B
可以悬空亦可连接到第
5
针。
功能
1
V
BUS
(4.4
–
5.25 V)
软件架构
一个
USB
主机通过
hub
链可以连接多个设备。
由于理论上一个物理设备可
以承担多种功能,例如路由器同时也可以是一个
SD
卡读卡器,
USB
的术
语中
设备(
device
)指得是功能
(
functions
)。集线器(
h
ub
)由于作用特殊,按照
正式的观点并不认为是
function
。
直接
连接到主机的
hub
是根(
root<
/p>
)
hub
。
端点
设备
/<
/p>
功能(和集线器)与管道
pipe
(逻
辑通道)联系在一起,管道把主机
控制器和被称为端点
endp
oint
的逻辑实体连接起来。
管道
和比特流
(例如
UNIX
的
pipeline
)有着相同的含义,而在
USB
词汇中术语端点经常和管道混用,甚
至在正式文档中。
端点(和各自的管道)在每个方向上按照
0-15
编
号,因此一个设备
/
功能最
多有
32
个活动管道,
16
个进,
16
个出。
(
出
(
p>
OUT
)
指离开控制器,
< br>而入
(
IN
)
< br>指进入主机控制器。
)
两个方向的端点
0
总是留给总线管理,占用了
32
个端点
中的
2
个。
在管道中,
数据使用不同长度的包传递,
端点可以传递
的包长度上限
一般是
< math>2^n
p>
字节,
所以
USB
包经常包含的数据量依次有
8
、
16<
/p>
、
32
、
64<
/p>
、
128
、
25
6
、
512
或者
024
字节。
一个端点只能单向(进
/
出)传输数据,自然管道也是单向的。每个
US
B
设
备至少有两个端点
/
管道:
它们分别是进出方向的,
编号为
0
,
用于控制总线上的
设备
。按照各自的传输类型,管道被分为
4
类:
控制传输
——
一般用于短的、
简单的对设备的命令和状态反馈,
例如
用于
总线控制的
0
号管道。
?
等时传输
——
按照有保障的速度
(可能但不必然是尽快地)
传输,
可能有
数据丢失,例如实时的音频、视频。
?
中断传输
——
用于必须保证尽快反应的设备
(有限延迟),
例如鼠标、
键
盘。
?
批量传
输
——
使用余下的带宽大量地
(但是没
有对于延迟、
连续性、
带宽
和速度的保
证)传输数据,例如普通的文件传输。
?
一旦设备(功能)通过总线的
p>
hub
附加到主机控制器,主机控制器就给它分配
< br>一个主机上唯一的
7
位地址。
主
机控制器通过投票分配流量,
一般是通过轮询模
式,因此没有明
确向主机控制器请求之前设备不能传输数据。
W
为了访问端点,
必须获得一个分层的配置。
连接到
主机的设备有且仅有一个设备
描述符(
device desc
riptor
),而设备描述符有若干配置描述符
(confi
guration
descriptors
)。这些配置一般
与状态相对应,例如活跃和节能模式。
。每个配
置描述符有若干界面描述符,
用于描述设备的一定方面,
所以可以被用于不同的
用途:
如一个相机可能拥有视频和音
频两个界面。
界面描述符有一个缺省界面设
置(
default interface setting
)和可能多个替代界面
设置(
alternate interface
setti
ngs
),它们都拥有如上所述的端点描述符。一个端点能够在多个界面和替
代界面设置之间复用。
HCD
The hardware that
contains the host controller and the root hub has
an
interface toward the programmer
which is called Host Controller Device (HCD)
and is defined by the hardware
implementer. In practice, these are hardware
registers (ports) in the computer.
At version 1.0 and 1.1
there were two competing HCD implementations.
Compaq's Open Host Controller Interface
(OHCI) was adopted as the standard
by
the USB-IF. However, Intel subsequently created a
specification they called
the Universal
Host Controller Interface (UHCI) and insisted
other implementers
pay to license and
implement UHCI. VIA Technologies licensed the UHCI
standard from Intel; all other chipset
implementers use OHCI. The main
difference between OHCI and UHCI is the
fact that UHCI is more
software-driven
than OHCI is, making UHCI slightly more processor-
intensive
but cheaper to implement
(excluding the license fees). The dueling
implementations forced operating system
vendors and hardware vendors to
develop
and test on both implementations which increased
cost. During the
design phase of USB
2.0 the USB-IF insisted on only one
implementation. The
USB 2.0 HCD
implementation is called the Extended Host
Controller Interface
(EHCI). Only EHCI
can support high-speed transfers. Each EHCI
controller
contains four virtual HCD
implementations to support Full Speed and Low
Speed devices. The virtual HCD on Intel
and Via EHCI controllers are UHCI.
All
other vendors use virtual OHCI controllers.
某些版本的
Microsoft W
indows
上,
打开设备管理器,
如
果设备说明中是否有
―
增
强
‖
(
),就能够确认它是
2.0
版的。而在
Linux
系统中,命令
lspci
能够列出所有的
PCI
设备,而
USB
会分别命名为
OHCI
、
UHCI<
/p>
或者
EHCI
。
设备分类
Devices that attach to the bus can be
full-custom devices requiring a
full-
custom device driver to be used, or may belong to
a device class. These
classes define an
expected behaviour in terms of device and
interface
descriptors so that the same
device driver may be used for any device that
claims to be a member of a certain
class. An operating system is supposed to
implement all device classes so as to
provide generic drivers for any USB
device. The most used device classes
are:
USB
人接口设备类键盘、鼠标等
.
?
USB
大容量存储设备类用来做
U
盘
,
便携式硬盘
,
多媒体读卡器
,
数码相
机
,
MP3
播放器等
.
此设备类都把设备当一个文件系统对待
.
?
USB
通信设备类
(
用于调制解调器
(
及
winmodems),
网卡
(
及交
叉电缆
),
ISDN
连接
, Fax
?
USB
打印设备类打印机一类的设备
?
USB
音频设备类
,
声卡一类的设备
?
USB
视频设备类
, webcam<
/p>
之类的设备
,
可以捕捉动态图像
?
设备的分类取决于
USB
构建论坛的设备工作组。<
/p>
USB
连接器
The connectors which the USB committee
specified were designed to support
a
number of USB's underlying goals, and to reflect
lessons learned from the
varied
menagerie of connectors then in service. In
particular:
?
?
?
?
?
?
The connectors
are designed to be robust. Many previous connector
designs were fragile, with pins or
other delicate components prone to
bending or breaking, even with the
application of only very modest force.
The electrical contacts in a USB
connector are protected by an adjacent
plastic tongue, and the entire
connecting assembly is further protected
by an enclosing metal sheath. As a
result USB connectors can safely be
handled, inserted, and removed, even by
a small child. The encasing
sheath and
the tough moulded plug body mean that a connector
can be
dropped, stepped upon, even
crushed or struck, all without damage; a
considerable degree of force is needed
to significantly damage a USB
connector.
不可能将<
/p>
USB
连接器插错,连接器不能上下插反,从外观和
kinesthetic
sensation
可以
非常清楚地进行连接
when the plug and
socket are
correctly mated.
连接器的生产非常的便宜
The connectors enforce the directed
topology of a USB network. USB
does not
support cyclical networks, so the connectors from
incompatible
USB devices are themselves
incompatible. Unlike other
communications systems (e.g. RJ-45
cabling) gender-changers are
never
used, making it difficult to create a cyclic USB
network.
A moderate
insertion/removal force is specified. USB cables
and small
USB devices are held in place
by the gripping force from the receptacle
(without the need for the screws,
clips, or thumbturns other connectors
require). The force needed to make or
break a connection is modest,
allowing
connections to be made in awkward circumstances or
by those
with motor disabilities.
The connector construction
always ensures that the external sheath on
the plug contacts with its counterpart
in the receptacle before the four
connectors within are connected. This
sheath is typically connected to
-
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