USB系统结构与应用设计

　　摘 要：通用串行总线(USB)是一种简单的计算机外围接口标准。它具有即插即用、扩展方便等优点，已成为计算机必备的一个接口。本文简要介绍USB总线的功能、拓朴结构及其数据传输过程，并举例说明USB接口的实际应用。

　　关键词：通用串行总线 USB接口 外围接口标准

一、USB接口背景

　　在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源(如中断，I/O地址，DMA通道等)。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA 或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。

　　USB总线是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。USB总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上。

二、USB总线优缺点

1.优 点

　　（1）使用简单

　　所用USB系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。

　　（2）应用范围广

　　USB系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB系统最多可支持127个物理设备。USB设备的带宽可从几Kbps 到几Mbps (在USB2.0版本，最高可达几百Mbps)。一个USB系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的ISDN、语音，高速的磁盘、图像等(仅USB2.0版本支持高速设备)。

　　（3）较强的纠错能力

　　USB系统可实时地管理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。

　　（4）总线供电

　　USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电，最大可提供500mA的电流。USB设备也可采用自供电方式。

　　（5）低成本

　　USB接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB系统接口/电缆也比较简单，成本比串口/并口低。

2.缺 点

　　USB技术还不是很成熟，特别是高速设备。市场上现有的USB设备价格都比较昂贵，但随着USB技术的日益成熟，设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。

三、USB系统拓扑结构

　　一个USB系统包含三类硬件设备: USB主机(USB HOST)、 USB设备(USB DEVICE)、USB集线器(USB HUB)，如图1所示。

　　（1）USB HOST

　　在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功能:

　　◇ 管理USB系统；
　　◇ 每毫秒产生一帧数据；
　　◇ 发送配置请求对USB设备进行配置操作；
　　◇ 对总线上的错误进行管理和恢复。

　　（2）USB DEVICE

　　在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。

　　（3）USB HUB

　　USB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB HOST的数据包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说，USB设备与USB HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOT HUB）。

四、USB总线数据传输

　　USB总线上数据传输的结构如图2所示。

　　从物理结构上，USB系统是一个星形结构；但在逻辑结构上，每个USB逻辑设备都是直接与USB HOST相连进行数据传输的。在USB总线上，每ms传输1帧数据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成。USB设备可根据数据包中的地址信息来判断是否响应该数据传输。在USB标准1.1版本中，规定了4种传输方式以适应不同的传输需求：

　　（1）控制传输（control transfer）

　　控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大有效负荷可为64个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅为8个字节。

　　（2）同步传输（isochronous transfer）

　　同步传输仅适用于全速/高速设备。同步传输每ms进行一次传输，有较大的带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为1023个字节。

　　（3）中断传输（interrupt transfer）

　　中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可为1~255ms，而低速设备的中断传输周期为10~255ms。全速设备每次中断传输的最大有效负荷可为64个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为8个字节。

　　（4）块数据传输（bulk transfer）

　　块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行块数据传输。块数据传输每次数据传输的最大有效负荷可为64个字节。