串行总线介绍（三）—— USB串行接口

       凤凰涅槃，欲火重生。1995年，由Compaq、Intel、Microsoft和NEC等几家公司推出的USB接口首次出现在PC机上，1998年起即进入大规模实用阶段，作为IEEE 1284并行口和RS-232C串行口的接班人，USB现在已经呈现出大红大紫了。

       USB虽然只有一位的位宽，但数据传输速度却比并行口要高，而且具有很大的发展空间。USB设备通信速率的自适应性，使得它可以自动选择HS（High-Speed，高速，480 Mbps）、FS（Full-Speed，全速，12Mbps）和LS（Low-Speed，低速，1.5Mbps）三种模式中的一种。USB总线还具有自动的设备检测能力，设备插入之后，操作系统软件会自动地检测、安装和配置该设备，免除了增减设备时必须关闭PC机的麻烦。

                                                       图3  采用差模信号传送方式的USB

                                                图4  差分传输方式具有更好的抗干扰性能

        USB接口之所以能够获得很高的数据传输率，主要是因为其摒弃了常规的单端信号传输方式，转而采用差分信号（differential signal）传输技术，有效地克服了因天线效应对信号传输线路形成的干扰，以及传输线路之间的串扰。USB接口中两根数据线采用相互缠绕的方式，形成了双绞线结构，如图3。
　　图4是由两根信号线缠绕在环状铁氧体磁芯上构成的扼流线圈。在单端信号传输方式下，线路受到电磁辐射干扰而产生共模电流时，磁场被叠加变成较高的线路阻抗，这样虽然降低了干扰，但有效信号也被衰减了。而在差动传输模式下，共模干扰被磁芯抵消，但不会产生额外的线路阻抗。换句话说，差动传输方式下使用共模扼流线圈，既能达到抗干扰的目的，又不会影响信号传输。
　　差分信号传输体系中，传输线路无需屏蔽即可取得很好的抗干扰性能，降低了连接成本。不过，由于USB接口3.3V的信号电平相对较低，最大通信距离只有5m。USB规范还限制物理层的层数不超过7层，这意味着用户可以通过最多使用5个连接器，将一个USB设备置于距离主机最远为30m的位置。
　　为了解决长距离传输问题，扩展USB的应用范围，一些厂商在USB规范上添加了新的功能，例如Powered USB和Extreme USB，前者加大了USB的供电能力，后者延长了USB的传输距离。譬如采用CAT5电缆和RJ45连接器，可以简单地将扩展至100m；采用光纤更可扩展至2km，只是成本比CAT5更高。
        小知识：双绞线，绞在一起有什么好?
　　双绞线互相缠绕的目的是利用铜线中电流产生的电磁场互相作用抵消邻近线路的干扰并减少来自外界的干扰。每对线在每英寸长度上相互缠绕的次数决定了抗干扰的能力和通讯的质量，缠绕得越紧密其通讯质量越高，所支持的数据传输率越高，制造成本当然也相应提高。双绞线即使外面没有屏蔽层，也能获得很好的抗干扰性能，所以局域网中选用CAT5非屏蔽双绞线（UTP）便能满足传输100Mbps信号的要求，且通信距离可以达到100m。