【文章內容簡介】 USB 的電氣、機械特性和電源 、機械特性 USB總線中的物理介質是一根 4線的電纜。其中兩根線是用于提供 USB設備工作所需的電源和地，稱為 VBUS和 GND。 VBUS的標稱值為 +5V；另外兩根線用于傳四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 6 輸數(shù)據(jù)，稱為差動數(shù)據(jù)信號線的 D＋和 D－。數(shù)據(jù)信號是通過 D＋和 D－進行雙向傳送。 在 USB協(xié)議中規(guī)定，要根據(jù)不同的 USB設備的傳輸速度 (低速、全速、高速 )，改變在設備端的提升電阻 （ 1 177。 5% ） KΩ的位置，其中對于 輸，這個提升電阻被省略，改以自動切換的方式。另外， D＋和 D－兩條信號線在 PC主機的根集線器或集線器端同時接上 15KΩ的下拉電阻并連接至接地端。整個 PC主機與 USB設備之間的電氣特性是這樣操作的 :在設備未連接至主機的根集線器或集線器的連接端口時， D＋和 D－兩條信號線因為下拉電阻的關系，幾乎都視為接地，但若有一個設備剛連接上時，由于提升電阻與下拉電阻形成了一個分壓器，因此其中有一條數(shù)據(jù)信號線的電位將被提升，當集線器檢測到其中的一條數(shù)據(jù)信號線趨 3V，而另外一條仍維持接地狀態(tài)時就可 確定有一個 USB設備已連接上。 PC主機會不斷的每隔一段時間來查詢根集線器，檢查 D＋和 D－的電位變化，以了解設備的連接狀態(tài)。 USB設備的上行連接器和下行連接器是不可機械的互換，這樣就消除了集線器間非法的循環(huán)往復的連接，電纜中有四根導線 :一對互相纏繞的標準規(guī)格線，一對符合標準的電源線，連接器有四個方向，具有屏蔽層，以避免外界干擾，并具有易拆裝的特性 [8]。 USB的電源包括 :電源分配和電源管理。 電源分配即 USB設備如何通過 USB分配得到由主機提供的電源。無論是集線器還是設備都分為自我供電 (可以選擇電源來源 )或總線供電 (完全依靠電纜提供能源 )兩種類型。電源管理就是通過電源管理系統(tǒng)，使 USB系統(tǒng)軟件、設備與主機協(xié)調工作。 USB主機有獨立于 USB系統(tǒng)的電源管理系統(tǒng)。 USB系統(tǒng)軟件可以與主機的電源管理系統(tǒng)結合，共同處理各種電源事件 (如掛起、喚醒 )。并且有特色的是， USB設備應用特有的電源管理特性，可以讓系統(tǒng)軟件控制其電源管理。 USB 的編碼方式 對于一個設備而言，不僅要無誤的接收主機端送來的數(shù)據(jù)，更要正確的發(fā)出響應信號，因此，在 D＋與 D－差動數(shù)據(jù)線上就必須采用一種特別的編碼方式再加以傳送 出去，以解決在 USB線纜所產(chǎn)生信號延遲及誤差等問題。 USB采用NRZI(Nonreturn to zero invert，不歸零就反向 )的編碼方式，無需同步的時 7 鐘信號也能產(chǎn)生同步的數(shù)據(jù)存取。 NRZI的編碼規(guī)則是 :當數(shù)據(jù)位為“ 1”時不轉換，為“ 0”時再作轉換。但是 NRZI容易出現(xiàn)“塞車”現(xiàn)象。所以需要執(zhí)行“位填塞”工作。即連續(xù) 6個“ 1”后填一個“ 0。因此在發(fā)送端作數(shù)據(jù)傳輸之前，需要先執(zhí)行位填塞和 NRZI編碼，而在接收數(shù)據(jù)之前，需要先執(zhí)行 NRZI譯碼再作位反填塞。這一部分的電路會通過 USB接口控制芯片中的 SIE(串行接口引擎 )來實現(xiàn) [9]。 USB 的 容錯性 為了有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性， USB協(xié)議規(guī)定了對 USB傳輸過程的一系列的錯誤檢測與處理方式，通常 USB的 容錯性 體現(xiàn)在如下幾個方面： （ 1）使用差分的驅動接收和防護，以保證信號完整性； （ 2）在數(shù)據(jù)和控制信息上加了循環(huán)冗余碼 (CRC)； （ 3）對裝卸的檢測和系統(tǒng)資源的配置； （ 4）對丟失或損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸、利用協(xié)議自我恢復； （ 5）對流數(shù)據(jù)進行控制，以保證同步信號和硬件緩沖管理的安全； （ 6）數(shù)據(jù)和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影響獨 立開。 USB 通信協(xié)議 USB系統(tǒng)提出了一些重要的概念和特征來支持現(xiàn)代計算機所提出的可靠性要求， USB的分層結構能使不同層次的實現(xiàn)者只關心相關層次的特性功能細節(jié)，而不必掌握從硬件結構到軟件系統(tǒng)的所有細節(jié)。 USB的這種層次結構如圖 示 。 主機 物理設備 圖 22 USB 主機端和設備端通信圖解 功能件 客戶軟件 USB 系統(tǒng)軟件 USB 邏輯設備 USB主機控制器 USB 總線接口 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 8 如上圖所示，一臺主機與一個 USB設備間的連接是 山許多層上的連接組成。 圖 23 主機端和設備端通信詳解 USB總線接口層提供了在主機和設備之間的物理連接、信令信號和數(shù)據(jù)包連接。 USB設備層對 USB系統(tǒng)軟件是可見的，系統(tǒng)軟件基于它所見的設備層來完成 9 一般的對設備的 USB操作。功能件 (應用層 )可以通過與之相配合的客戶軟件向主機提供一些額外的功能。 USB設備層和應用層的通信是邏輯上的，對應于這些邏輯通信的實際物理通信由 USB總 線接口層來完成 [10]。 更為深入的通信流程如圖 ，對客戶與應用間不同的交互， USB設備對數(shù)據(jù)流有不同的要求。 USB為此提供了更好的總線利用率，它允許各種不同的數(shù)據(jù)流相互獨立地進入一個 USB設備。每種通信流都采取了某種總線訪問方法來完成主機上的軟件與設備之間的通信。每個通信都在設備上的某個端點結束。不同設備的不同端點用于區(qū)分不同的通信流。 圖 24 USB 數(shù)據(jù)傳輸 一個 USB邏輯設備對 USB系統(tǒng)來說就是一個端點集合，端點可以根據(jù)它們實現(xiàn)的接口來分類 。 USB系統(tǒng)軟件通過一個缺省的控制通道來管理設備，而客戶軟件用管道束管理接口。管道束的一端為端點，一端為緩沖區(qū)?？蛻糗浖笸ㄐ艛?shù)據(jù)在主機上的一個緩沖和 USB設備上的一個端點之間進行，主機控制器或一個同步傳送是一個或多個 IN/OUT方向的數(shù)據(jù) 事務。 IRP 數(shù)據(jù)流類型 IRP 事務 事務 事務 所有的傳送都是由一個或多個事務組成。一個 IRP又可由一個或多個傳送組成。 控制傳送 IRP Setup 事務 數(shù)據(jù) 事務 Status 事務 額外的 控制傳送 控制傳送首先是一個 OUT方向的 Setup 事務，然后是多個 IN 方向或 OUT 方向的數(shù)據(jù)事務，最后是一個與數(shù)據(jù)反向的 Status事務。 中斷傳送 IRP 事務 事務 一個中斷傳送是一個或多個 IN/OUT方向的數(shù)據(jù)事務。 同步傳送 IRP 事務 事務 事 務 批傳送 事務 事務 事務 一個批傳送是一個或多個 IN/OUT方向的數(shù)據(jù)事務。 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 10 USB設備 (取決于數(shù)據(jù)傳輸方向 )將數(shù)據(jù)打包后在 USB上傳。由主機控制器協(xié)調何時用總線訪問在 USB上傳遞數(shù)據(jù)。 USB體系結構支持 4種最基本類型的數(shù)據(jù)傳輸 [11](一個管道僅支持一種類型 ): 主要用于在連接時刻配置一個端口。 控制傳輸?shù)奶攸c：保證準確性，用于配置和控制，所有設備都有控制端點 0。控制傳輸 的實現(xiàn)方式如圖 24所示。 用于相對大量的數(shù)據(jù)傳輸，批量數(shù)據(jù)傳輸是有序的、可靠的 (通過錯誤檢測和少量的重發(fā) )、占用的帶寬可變，應用于打印機和掃描儀等。 批量傳輸?shù)奶攸c：保證準確性，不保證傳輸時延，利用 USB的重發(fā)機制，高速模式下最多可在一個數(shù)據(jù)包傳輸 512字節(jié)，多用于需要防錯的設備。 用于實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸，例如回顯或反饋響應。 中斷傳輸?shù)奶攸c：和批量傳輸類似，傳輸發(fā)生在固定的周期間隔 (以幀為單位 )，用于周期性查詢設備狀態(tài)。 占用大量的 USB帶寬 (也稱為 流實時傳輸 )，同步數(shù)據(jù)的實時傳輸通過犧牲數(shù)據(jù)流上的潛在短暫丟失來確保，同步傳輸是持續(xù)的、實時的、速率穩(wěn)定的，同步數(shù)據(jù)的典型是視頻、音頻信號。 同步傳輸?shù)奶攸c：保證傳輸時間，不保證準確性，沒有重發(fā)，高速模式端點允許最大每包 1024字節(jié)，用于實時信息傳輸。 USB 對比 USB 的改善 2020年 4月 USB ，它的最高速率可達 480Mbps，是 的 40倍。新版本中的最大變化是傳輸速率的大幅提高。 USB 率：全速 (12Mbps)和低速 ()。低速速率主要針對那些低消耗的設備，例如鼠標、鍵盤等，它們需要使用柔軟的電纜 (沒有良好屏蔽 )。 USB 種更高速的總線速率：高速 (480Mbps)，這個飛躍使該接口可以面向更多的應用。當然，總線的速率并不等于設備真正傳輸數(shù)據(jù)的速率。數(shù)據(jù)傳輸速率要根據(jù)總 11 線的繁忙程度、以及它所使用的數(shù)據(jù)傳輸類型 (四種類型 :控制傳輸，批量傳輸，中斷傳輸，同步傳輸 )來定。在最好的情況下，高速的批量傳輸?shù)膫鬏斔俾士梢赃_到 53MBps，這時它占用將近 90%的帶寬。下面對 USB 闡述，用以闡明 USB ，以及為提高傳輸速率在描述符、集線器上所作的改進，并講解新的 USB設備開發(fā)需要注意的問題。 微幀和 USB 集線器 盡管 USB ，但它仍允許用戶在高速傳輸時使用低速和全速兩種傳輸?shù)脑O備。在一個全速的總線上，總控制器將總線上的時間分為長度為 l ms的幀，每幀使用作為時間參考的 SOF(startofframe)包開始，在每一幀內，主機安排傳向多個目的的多個傳輸。每個傳輸包括將使用的緩存的端點地址，在多數(shù)傳輸類型中，信息在兩 個方向上傳輸，主機開始事務，從主機或到主機的數(shù)據(jù)傳輸，并且接收返回的狀態(tài)信息。對于高速傳輸，主機將每個 1 ms的幀分為 8個微幀 (每個幀從 SOF包開始 )。每個微幀能夠攜帶到達多個地址的多個傳輸。同全速相比較，單個事務能夠攜帶更多的數(shù)據(jù)，協(xié)議的加強使總線在各種速率時的適應都更加有效。 集線器能夠增加外設的端口數(shù)。一個典型的集線器可以有一個根集線器相連的上游端口以及最多 7個連接外設或其它集線器的下游端口。一個支持 USB 協(xié)議的集線器支持全速和低速的數(shù)據(jù)速率，但是不能實現(xiàn)速率轉換 。它通過傳輸，僅僅改變邊沿速率 來匹配目的速率。如圖 25所示 :一個 USB 當于一個遠程處理器，可以根據(jù)需要實現(xiàn)從高速到低速或全速的轉換。集線器的智能使得高速總線繼續(xù)同 USB 。同時它也意味著 USB USB 。 當把一個設備連接到 USB ，集線器通過測量 D＋和 D－信號之間的電壓來判斷設備的速率。因為高速總線比低速和全速總線要快得多，高速總線在實現(xiàn)速度的轉換時使用了一些其它的技巧來避免總線的堵塞。當把一個 USB USB ，在這些集 線器之間使用高速傳輸數(shù)掘。為了減少信號的抖動，集線器反復同步接收高速數(shù)據(jù)，另一方面它不變地連接到任何高速設備。 四川理工學院本科畢業(yè)（設計）論文 12 圖 25 集線器拓撲圖 優(yōu)化的傳輸協(xié)議 USB USB 。控制傳輸應用于在主機列舉設備時或主機想要發(fā)送定義請求或接收相應的信息時。中斷傳輸用于指示設備或在空隙時需要傳輸數(shù)據(jù)的情況，這種情況需要有一個傳輸?shù)淖畲髸r延作保證。批量傳輸應用那種想要盡可能快地傳輸數(shù)據(jù)但在總線忙時又可以等待的設備，例如打印機、掃描儀等。同步傳輸用于那些需要實時傳輸?shù)脑O備例如實時的音頻、視頻等，這種傳輸需要保證 傳輸?shù)膶崟r性。 除了具有高速傳輸速率以外， USB 法，提出用于在高速總線上全速和低速傳輸?shù)姆至褌鬏?。?21比較了計算機在低速、高速和全速時的 4種傳輸類型。速率提高有兩個理由 :每個事務的包的最大數(shù)目增加了，一個事務中每幀擁有更多的數(shù)據(jù)包。因為每幀能傳輸更多的數(shù)據(jù)，所以高速控制傳輸也比以前更快了。 表 21進出高速端點最大數(shù)據(jù)傳輸速率 (單位 :kbps) 傳輸類型 低速 全速 高速 控制 24 832 15782 中斷 64 24576 批量 不允許 1216 53248 同步 不允許 1023 24576 高速的批量和控制傳輸有一個更好的握手方法。在接收數(shù)據(jù)之后，一個設備端點將通過握手返回一個 NYET(Not Yet)，表示端點已經(jīng)接收過數(shù)據(jù)了，但它沒準備好接收更多的數(shù)據(jù)。當主機認為設備可能已經(jīng)準備好了之后，它將發(fā)送一個 PING標志包，端點返回 ACK(響應 )或 NAK來通知高速主機是否可以進行下次高速 低速 低速 低速 全速 全速 全速 低 速 /高速 高速 高速 集線器 全速設備 高速設備 高速 主機和集線器 低速設備 L 集線器 高速設備 全速設備 低速設備 高速設備 全速設備 低速設備 13