【正文】 USB 的組織在 2021 年定義了一個 USB OnThe _Go 規(guī)范。 USB OnThe_Go 定義了一個功能較少的主計 算機 ，使用連接單一 USB 設(shè)備的嵌入設(shè)備上。 速度的限制 USB 的高速模式可以達到 480Mb/s,可與 IEEE1394(Firewire)40 Mb/s 匹敵 .不過IEEE1394b 的速度更快 ,可以達到 距離的限制 : USB 雖然事設(shè)計使用在臺式計算機上 ,不過其預(yù)期與外圍設(shè)備的距離則是相當短 ,電纜長度可以到 5m遠 .其他的接口 ,例如 RS232,RS485,以及 Ether等 ,則允許使用更長的電纜 . 如果你要延伸 USB 連接的距離 ,您必須通過集線器來延伸 .這種方式的連接 ,最長可與達到 30m 的距離 ,即用 6 條 5m 長的電纜 ,通過 5 個集線器的方式。 從設(shè)計的端的觀點來看 ,USB 的主要缺點是增加了程序設(shè)計的復(fù)雜度 .在外圍設(shè)備的USB 硬件或是 PC 上的錯誤或故障 ,都會延遲計劃的開發(fā)或是在出貨的產(chǎn)品上發(fā)生問題 硬件的錯誤或故障 在早期的主機控制器硬件 ,或是外圍設(shè)備上的芯片 ,有些會含有錯誤或故障 ,所以您需要謹慎地選擇硬件 ,并且常上制造商的網(wǎng)站來尋找最新的 信息 . 協(xié)議的復(fù)雜性 要做 USB 外圍設(shè)備的程序設(shè)計 ,必須先了解 USB 協(xié)議 ,即如何在信道上交換數(shù)據(jù) .雖然控制器的芯片會自動處理大部分的通信 ,不過仍然需要使用程序 ,例如驅(qū)動程序的開發(fā)者就需要熟悉 USB 協(xié)議。 一些早期的接口 ,只需要簡單的電路和協(xié)議 ,例如 PC 的并行接口 ,只需要一序列的數(shù)字輸入和輸出 ,不需要高深的計算機與驅(qū)動程序知識，只要用到基本的輸入與輸出電路 ,例如繼電器 ,開關(guān)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器即可 . 版權(quán)費 在 USB 實施者論壇傷得所有規(guī)范、相關(guān)文件、工具與測試軟件都是免費的，開發(fā) USB軟件的人，不需要付任何的版權(quán)費。 不過如果是販買 USB 接口的設(shè)備制造商，則必須付費來取得一個廠商 ID。從 usb 實施者論壇上取得廠商 ID 的登記費是 1500 美元，如果已經(jīng)加入該論壇 (每年 2500 美元 )，則可以不用支付任何取得廠商 ID 所需的費用。廠商 ID 與產(chǎn)品 ID 會嵌入到設(shè)備內(nèi)，讓操作系統(tǒng)可以識別。 與常用計算機接口比較 常用計算機接口比較（其中，標準并沒有指定最大值，表中列出的是典型的最大值） 接口 格式 設(shè)備數(shù)目（最大） 長度（最大值 , ft） 速度（最大值，b/s） 通常用途 USB 異步串行 127 16（使用 5個集線器可以到達96 英尺） ,12M（在 版本可達480M） 鼠標，鍵盤，磁盤驅(qū)動器，調(diào)制解調(diào)器 RS232 (EIA/TIA232) 異步串行 2 50～ 100 20K(有些啟動器是 115K) 調(diào)制解調(diào)器，鼠標，工具 RS485 (TIA/EIA485) 異步串行 32 單元負載 4000 10M 數(shù)據(jù)獲得和控制系統(tǒng) IrDA 數(shù)據(jù) 紅外異步串行 2 6 115K 打印機 Microwire 同步串行 8 10 2M 微控制器通信 SPI 同步串行 8 10 微控制器通信 I178。C 同步串行 40 18 400K 微控制器通信 IEEE1394 (FireWire) 串行 64 15 400M （ IEEE1394b可以到 ） 視頻 IEEE488 (GPIB) 并行 15 60 8M 工具 以太網(wǎng) 串行 1024 1600 10M/100M/1G 上網(wǎng) PC MIDI 串行電流循環(huán) 2 50 音樂，顯示控制 并行打印機端口 并行 2 或 8（支持戴西鏈） 10～ 30 8M 打印機，掃描儀，磁盤驅(qū)動器 通信基本原理 通用串行總線 USB 是通用串行總線 (Universal Swrial Bus)縮寫 .它不同于串口通信 ,RS232 串口只是一個穿行通信接口 ,每個串口上只能連接一個設(shè)備 .而 USB 是一個總線 ,此總線上課連接多達 127 個設(shè)備 ,這些設(shè)備可同時工作 .在 USB 總線架構(gòu)中 ,有 3 位成員 : ? 主機 (Host):USB 主控制器 ,如 PC 機上就有一個 USB 主控制器 . ? 設(shè)備 (Device):USB 設(shè)備 ,如 U 盤 ,移動硬盤 ? 集線器 (Hub0:用于擴展 usb 端口的設(shè)備 ,主控制器上帶一個根集線器 (Root Hub)。 市面上可買到 4 口、 7 口的 USB 集線器 主控制器和集線器可以集成在一起 ,設(shè)備和集線器也可以集成在一起 .而 USB 主控制器更是可以通過 PCI 總線與系統(tǒng)連接在一起 ,極大地提高了 USB 總線的性能 . USB協(xié)議規(guī)定 ,USB通信的建立是主從模式 .通信只能發(fā)生在主機和設(shè)備之間 ,主機是通信的發(fā)起端 ,占主控地位 .不要試圖將兩個 USB主控制器直接連接一起 ,也不能把兩個設(shè)備直接連接起來 ,把集線器的多個端口連接起來更是沒有意義 .USB 設(shè)備可以被連接到 PC 機上的主控制器 ,主控制器控制與這些設(shè)備的通信 ,使其成為計算機的外設(shè) . 設(shè)備 只能通過集線器連接到主機 .市面上出現(xiàn)了一種能直接連接數(shù)碼相機的打印機 ,看上去似乎是兩個 USB 設(shè)備相連 ,但實際上 ,打印機上既集成了主機 ,也集成了設(shè)備功能 .因此 ,數(shù)碼相機可以連接到打印機 ,直接打印圖片 . 信號在 USB 總線上的傳遞 在穿行通信中 ,并沒有主機與設(shè)備的概念 ,通信雙方無論在那個層面都是對等的 .發(fā)送數(shù)據(jù)方只要把比特位放到總線上 ,接受方就可以檢測到 ,從而接受到數(shù)據(jù) .由于串口通信速度低 ,因此 ,可直接使用高低電平來表達數(shù)據(jù)信號 . 而在 USB 總線中 ,卻有著主機與從設(shè)備的概念存在這種概念 ,USB 是一個總線 ,主控制器要與許多設(shè)備同時通信 .因此決定了總線上要有一個處于控制地位的角色來合理地安排總線的使用 ,處理通信過程中的各方面問題 ,確保通信的正確進行 .而串口通信中 ,通信雙方互為對方的接受方 ,由雙方完成通信的協(xié)調(diào) . USB 通信方式是一種相對串口通信要復(fù)雜得多的通信方式 .串口通信幾乎都是在物理信號層完成的 ,而 USB通信模型卻分好幾個層次 ,主機與設(shè)備的差異 ,更多是存在與功能層與設(shè)備層 .在總線接口層 ,主機與設(shè)備具有相似的物理結(jié)構(gòu) .具有相似的數(shù)據(jù)收發(fā)結(jié)構(gòu) ,都要完成從總線取得數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上的過程 . USB 通信模 型的 3 個層次如下圖所示： 不管主機與設(shè)備在功能層與設(shè)備層對數(shù)據(jù)進行了怎樣的處理和邏輯抽象 ,但數(shù)據(jù)最終是要經(jīng)過總線接口層來傳遞的 ,USB 總線中數(shù)據(jù)在總線接口層上的傳遞 ,與串行通信中數(shù)據(jù)在單根數(shù)據(jù)線上的傳遞有相似之處 ,因為它們都采用串行傳輸反式 ,但它們也有差異 。 最直觀的不同在于連接電纜的數(shù)量不同 ,串口通信最少使用兩根線就可以實現(xiàn)通信 ,而usb 協(xié)議中定義的標準連接電纜需要 4 根 。電源 ,D+,D_和 GND, 其中兩根芯線用于提供最低最高達 500mA 的電力 ，另外兩根芯線用于數(shù)據(jù)通訊。 如下圖示： USB 連接線定義見下表 連接序號 信號名稱 典型連接線 1 VBUS（電源正） 紅 2 D－ (負差分信號 ) 白 3 D＋ (正差分信號 ) 綠 4 GND（電源地） 黑 外層 屏蔽層 － 客戶軟件 USB 系統(tǒng)軟件 USB 主機控制器 應(yīng)用 USB 邏輯設(shè)備 USB 總線接口 USB 主機 UAB 設(shè)備 功能層 USB 設(shè)備層 總線接口層 邏輯通信流 實際通信流 需實現(xiàn)的區(qū)域 前面提到的由于計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)是并行的 ,如一個字節(jié)是 8 位 ,在通過穿行總線傳遞時 ,要完成并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的排隊過程 ,實現(xiàn)這個功能的部件叫 SIE,即穿行接口引擎 .而接收端在接收到數(shù)據(jù)時 ,也要先通過 SIE 將串行的比特流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的并行數(shù)據(jù) ,再送 CPU 處理或存儲 .這是所有 的串行通信模式所共有的 ,USB也不例外 .圖 165說明了從串行輸入的串行數(shù)據(jù)如何被轉(zhuǎn)換成并行輸出 ,而并行輸入的數(shù)據(jù)又要在串行輸入之前先轉(zhuǎn)換成串行 . 圖 165 SIE 功能 NRZI（不歸零反向碼） 編碼與比特填充符合 規(guī)范的全速 USB 設(shè)備工作時 ,總線上的通信速率是 12Mbps,這個速度是非常高的 .前面曾經(jīng)提到 ,串行通信的正確實現(xiàn)和高速實現(xiàn) ,取決于接受方能否在正確的時間得到正確的信號 .如果仍然采用與串口通信一樣的方式 ,以 12Mbps 的速 度發(fā)送數(shù)據(jù) ,則很難保證接收端在正確的時間得到正確的信號 ,因為頻率過高 ,采用單一的高低電平信號 ,信號變化過快 ,接收端很難在極短的時間區(qū)分信號到底是高還是低 .因此 ,USB 在主機和設(shè)備上都使用差模輸出驅(qū)動器來發(fā)送數(shù)據(jù) ,而使用差模輸入接收器來接收數(shù)據(jù) . 使用差模輸出驅(qū)動器和差模輸入接收器時 ,USB 電纜上傳遞的信號及其意義都與串口通信有一些不同 . 對應(yīng)于串口通信中用高低電平來表示邏輯電平 ,USB 通信中采用 J 和 K 數(shù)據(jù)狀態(tài)來表控制寄存器 數(shù)據(jù)輸入寄存器 串行輸入 /并行輸出 并行輸入 /串行輸出 數(shù)據(jù)輸出寄存器 狀態(tài)寄存器 45H＝ 0100， 010 45H＝ 0100， 010 數(shù)據(jù)總線收發(fā)器 聯(lián)絡(luò)信號邏輯 地址譯碼 來自地址總線 中斷請求 讀 R/D/ 寫 W/R/ 寫 D7~D0 控制 串行輸入 串行輸出 發(fā)送時鐘 接收時鐘 D0D1D2D3D4D5D6 D7D6D5D4D3D2D1 示差模數(shù)據(jù)通信中的邏輯電平 .其信號電平含義如表 161 所示 . 表 161 信號電平 總線狀 態(tài) 信號電平 VSE（最小值）＝ VSE（最大值）＝ 始于發(fā)端驅(qū)動器 在 接 受端 器端 差模 “ 1” (D＋ )－ (D－ )200mV 并且 D＋或 D－ VSE(最小值 ) 差模 “ 0” (D＋ )－ (D－ )200mV 并且 D＋或 D－ VSE(最小值 ) 數(shù)據(jù) J 狀態(tài) 低速率時差模 “ 0” ，全速率時差模 “ 1” 數(shù)據(jù) K 狀態(tài) 低速率時差模 “ 1” ，全速率時差模 “ 0” 空閑狀態(tài) 低速率 全速率 差模 “ 0”和 D－ VSE(最大值 )并且 D＋ VSE(最小值 ) 差模 “ 1”和 D＋ VSE(最大值 )并且 D－ VSE(最小值 ) 重新開始狀態(tài) 低速率 全速率 差模 “ 1”和 D＋ VSE(最大值 )并且 D－ VSE(最小值 ) 差模 “ 0”和 D－ VSE(最大值 )并且 D＋ VSE(最小值 ) 分組開始（ SOP） 數(shù)據(jù)線由空閑狀態(tài)變?yōu)?K狀態(tài) 分組結(jié)束（ EOP） D+和 D－ VSE(最小值 )至少持續(xù) 2 個比特周期，再跟上一個比特周期的空閑狀態(tài) D+和 D－ VSE(最小值 )至少持續(xù) 1 個比特周期，再跟上一個 J 狀態(tài) 斷開（對上行口） (.) D+和 D－ VSE(最大值 )應(yīng)至少持續(xù)時間 連接（對上行口） (.) D+和 D－ VSE(最大值 )持續(xù)時間大于等于 復(fù)位（對下行口） D+和 D－ VSE(最小值 )持續(xù)時間大于等于 10ms D+和 D－ VSE(最大值 )持續(xù)時間大于等于 （必須在 內(nèi)識別出來） 當 D+和 D兩個差模輸入接收器的信號處于 (共模輸入電壓范圍 )時 ,接收器可以判斷出差模信號間 200mV 的電壓差異 ,從而區(qū)分出數(shù)據(jù)狀態(tài) .雖然在串行通信中 ,高低電平的狀態(tài)也有一定的容差范圍 ,不需要精確的 5V 和 0V,但是 ,USB 的這種數(shù)據(jù)收發(fā)接口方式狀態(tài)表達機制 ,確實將靈敏度提升到 一個新的高度 ,為高速通信奠定了基礎(chǔ) . 如果對于差?；螂娖叫盘柕雀拍畈皇呛芮宄?,可以部隊這部分內(nèi)容太過計較 .只要知道USB 的數(shù)據(jù)信號是通過 D+和 D兩個差模數(shù)據(jù)信號線來傳遞的 ,在信號的接收端和發(fā)送端 ,通過差模信號輸出驅(qū)動器和差模信號輸入接收器來保證信號的正確傳送 ,為 USB 通信層次中的高層提供了基礎(chǔ) . 通信的完全實現(xiàn) USB 通信是比較復(fù)雜的通信協(xié)議 ,這種通信方式復(fù)雜得多 .為了使在實現(xiàn)通信過程中的各個環(huán)節(jié)的關(guān)系更加清楚 ,USB 協(xié)議中對 USB 的通行模型進行了分層表述 .分層的目的是為了使復(fù)雜的事物簡單 化 .對于串行通信方式 ,當然不需要進行類似的分層 ,否則 ,本來簡單的問題就會被復(fù)雜化 . 在異步串口通信方式中 ,總線上傳遞的就是字節(jié) ,按照起始位 ,數(shù)據(jù)位 ,校驗位和結(jié)束位的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)組織 .而在 USB通信中也有類似的數(shù)據(jù)組織方式 ,不同的是 USB采用幀格式 .不管是主機還是設(shè)備 ,各個邏輯層要傳遞的信息會有所不同 ,但最終都會經(jīng)過總線接口