USB的设计要素

通用串行总线（USB）就像20年来无所不在的RS232串行接口一样应用广泛。现今发售的大部分PC仅有USB接口，而没有串口或并口。USB最初是为连接一些基本外设而设计的，但它的易用性和普及性却使之被用在视频游戏、PDA、MP3播放器、数据记录仪等方面。

在进行USB接口设计时，有许多因素需要考虑：是选择低速、全速，还是高速传输速率；采用A型还是B型连接器；功率消耗和兼容性测试问题以及设备类型的选择都需要考虑。目前，USB OTG（On-The Go）设备是一个很好的选择。

USB基本结构

一个USB系统是一种分层的星型结构，由一个主控制器和多个点对点或菊花链型连接的从设备组成。每个端口可以且仅可以连接一个设备，这个设备也可以是用来扩展端口的USB 集线器（Hub）。多个设备可以形成菊花链，但也有一个限制：每个控制器允许有5级分支，并且最多只能有127个设备可以连接到一个主控制器上。

这些设备可以在计算机启动时插入，也可以热插入。热插拔技术对于像数码相机或便携音乐播放器这样的设备是非常方便的，因为这些设备仅仅是为了上传或下载数据。如果每次想要连接或断开它们时都要重新启动系统，则非常不方便。

主机和Hub之间的连接是通过3种类型USB连接器中的一种实现的：用于和主控制器上行连接的“Ａ型”连接器；用于和从设备下行连接的“Ｂ型”连接器；“mini-B”型连接器是小型的“B型”连接器，这些不同的连接器可以避免用户连接错误。



不同类型的USB连接器

USB设备的供电

USB的一个最大特征是USB设备可以通过USB电缆获得电源。USB电缆有4根导线：电源线、地线以及差分信号对D+和D-。电源和地线可以提供5V电压，电流高达500mA。

当一个设备接入时，主控制器将通过枚举的方式来发现它。枚举使主控制器能够了解接入的是哪一个设备，它希望执行哪种类型的数据传输，它要消耗多少功率，以及其他一些参数。当设备刚插入时，仅允许它吸入100mA的电流，随后主控制器才允许它吸入最高500mA的电流，这还取决于主控制器分配给已经连接的其他设备所吸入的电流。

在供电上还有一个限制，有些Hub不是自带电源的，而是简单地将主控制器的电源直接传递到下行连接器上。像打印机、扫描仪和音箱等设备通常自己带有电源适配器，而像鼠标、键盘和闪存盘等设备则是通过USB电缆供电的。

在使用USB电缆时，其最大长度被限制在5m。不过，可以通过6根电缆和5个Hub将电缆延长到30m。

设备配置功能

正如前面提到的，枚举过程决定了设备的能力。其他功能决定了数据传输类型，并帮助装入合适的驱动程序。USB定义了以下四种传输类型。

● 控制传输：向设备发送短的命令和查询，或接收设备发出的状态响应。

● 中断传输：以非常小的数据包传输以保证快速的响应，如鼠标或键盘等。

● 块传输：具有错误检测的大数据量传输，如打印机或硬盘等。

● 同步传输：没有错误检测的实时流数据传输，如音箱等。

设备内部的驱动程序设置每个下行设备的设备类型，根据不同的设备类型，操作系统可以加载标准的驱动程序。人机接口设备类（HID）和海量存储设备类（MSD）有操作系统自带的驱动程序。其他的类型包括音频类、打印机类、视频类以及测试测量类等。此外，USB也规定了供应商类，以允许客户自定义。

USB1.1和USB2.0的传输速率

USB1.1在1998年9月份发布，并定义了两种传输速率。低速率USB定义了最大1.5Mb/s的传输速率，通常用于HID设备，如鼠标或键盘。全速率USB定义了最大12Mb/s的传输速率。

2000年4月USB2.0发布，它定义了更高的传输速率，可以高达480Mb/s。USB2.0对USB1.1 向下兼容，更高的数据传输速率可满足如音视频流设备、外置硬盘驱动器接口性能的改善、网络摄像机、扫描仪和打印机等的数据传输要求。

USB将可获得的带宽分成由主控制器管理的帧的形式，每个低速或全速帧的帧长为1.5Kb，每一毫秒发送一次。在每个帧中，所有的设备都使用同步传输或中断传输获得时隙，以保证所需的时序要求，其他额外的时间分配给块传输和控制传输。虽然最高传输速率是1.5、12或480Mb/s，但任何一个设备所用的只是总带宽的一部分。实际上，总线可以超出最大带宽的限制，这取决于连接到主控制器上的设备数量，因此，在计算机上有时就需要多个主控制器。

需要注意的另外一点是，市场上的许多设备标称是USB2.0的，但并不是所有的USB2.0 设备都是高速设备。USB-IF组织提供了“USB标志”和“USB高速标志”，通过这些标志可以区分USB产品的兼容性。

连接USB OTG设备

USB OTG标准最初发行时间是2001年11月，2003年6月进行了一次重要的修订。主要的变更是允许一个端口即可以是USB主设备，还可以是USB从设备。以主设备或从设备方式工作是由插入设备的电缆的端接形式决定的。

USB OTG的扩充使得像PDA这样的USB设备能够与计算机连接，并进行上传数据或文件。而PDA也可以与打印机连接，来打印图片或文件，还可以连接USB接口的键盘或鼠标，或其他增强PDA使用灵活性的USB设备。由于大部分USB OTG设备是便携设备或小尺寸设备，所以定义了两种新型的连接器：“mini-A型”连接器和“mini-B型”连接器。目前，集成USB OTG模块的MCU虽然不像USB2.0那样随处可见，但也逐渐多了起来。