总线的基本知识

1、USB总线一、一、USB简介二、USB总线结构三、USB的性能特点四、USB工作原理五、USB的传输方式六六.USB2.0 与USB3.0差别七、七、USB的应用一.USB简介 USB（Universal Serial Bus）通用串行总线通用串行总线是由是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司联合开发的一种流行的家公司联合开发的一种流行的外设接口标准外设接口标准。1994年开始研究，年开始研究，1996年年 USB 1.0 速度只有速度只有1.5Mb/s 1998年年 USB 1.1版

2、本版本传输速率（传输速率（两种模式）两种模式）：低速（：低速（Low Speed）1.5Mbps 全速全速(Full Speed)12Mbps2000年年4月月 USB 2.0版本版本USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps（高速（高速High Speed 系列）。系列）。2008年年11月月 USB 3.0版本版本最大传输速率高达最大传输速率高达5.0Gb/s，也就是，也就是625MB/s Super Speed 引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态

3、USB总线系统中的设备可以分为三个类型USBUSB主机（主机（ USBUSB主控制器主控制器/ /根集线器根集线器(USB Host)(USB Host) ）：只能）：只能有一个，管理有一个，管理USBUSB系统，每秒产生一帧数据；发送配置请系统，每秒产生一帧数据；发送配置请求对求对USBUSB设备进行配置操作，对总线上的错误进行管理和设备进行配置操作，对总线上的错误进行管理和恢复。恢复。USB 集线器（集线器（HUB）：类似于网络集线器，）：类似于网络集线器，完成USB设备的添加（扩展）、删除和电源管理等USB总线设备（总线设备（USB功能外设）功能外设）组成金字塔型结构金字塔型结构，最多可

4、连接7层层，127台设备台设备USB设备及其体系结构设备及其体系结构USB系统拓扑结构系统拓扑结构USB协议定义了在USB系统中主控制器Host与USB设备间的连接和通信，其物理拓扑结构是金字塔型金字塔型的层层向上方式。允许最多连接127个设备，最上层是USB主控制器。三三.USB的性能特点的性能特点 传输速度快传输速度快连接简单快捷连接简单快捷 通用连接器通用连接器无须外接电源无须外接电源 数据线供电数据线供电 扩充外设能力强扩充外设能力强 不需要系统资源不需要系统资源 错误检测和恢复错误检测和恢复1)1)、传输速度快、传输速度快USB低速低速1.5Mbps低速的低速的USB支持低速设备，例

5、如，调制解调器、键盘、支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；等；USB全速全速12Mbps， USB全速的数据传输用于大范围的多媒体设备。全速的数据传输用于大范围的多媒体设备。USB 2.0高速数据传输速度可以高达高速数据传输速度可以高达480Mbps2)2)、连接简单快捷、连接简单快捷可以可以热插拔热插拔，真正的，真正的“即插即用即插即用”。设备连到。设备连到USB时，时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，USB自检测，自检测，软件自动配置，完成后立刻就能使用。软

6、件自动配置，完成后立刻就能使用。3)3)、通用连接器、通用连接器USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为其外型为4针插头。针插头。 mini USB(A型型)、mini USB (B型型)、USB (B型型)、USB (A型型)、USB (A型型)A型连接头用于固定的外围设备；型连接头用于固定的外围设备；B型连接头用于经常插拔的设备；型连接头用于经常插拔的设备； 4)4)、无须外接电源、无须外接电源 数据线供电数据线供电由由USB总线提供电源到外部设备，总线提供电源到外部设备，USB能提供能提供+5V/500mA的电源，供低功耗的电源，

7、供低功耗USB设备如设备如USB键盘、键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；高功耗的鼠标、优盘等作电源使用；高功耗的USB设备设备,如如扫描仪等仍需自带电源；扫描仪等仍需自带电源； U S B 还 采 用还 采 用 A P M （ A d v a n c e d P o w e r Management）技术，可以有效地节省电源功耗。如）技术，可以有效地节省电源功耗。如果果3ms没有总线活动的话，没有总线活动的话，USB会自动进入挂起状态。会自动进入挂起状态。 进入挂起状态的设备消耗的电流不超过进入挂起状态的设备消耗的电流不超过500uA。5)5)、扩充外设能力强、扩充外设能力强USB采用星形层

8、式结构和采用星形层式结构和Hub技术，允许一个技术，允许一个USB主控机可以主控机可以连接多达连接多达127个外设，用户不用担心要连接的设备数目会受到限个外设，用户不用担心要连接的设备数目会受到限制。两个外设间的距离可达制。两个外设间的距离可达5米，扩充方便。米，扩充方便。6)6)、不需要系统资源、不需要系统资源USB设备不占用内存或设备不占用内存或I/O地址空间，而且也占用地址空间，而且也占用IRQ和和DMA通道，所有事务处理都是由通道，所有事务处理都是由USB主机管理。主机管理。7)7)、错误检测和恢复、错误检测和恢复 USB事务处理包括错误保护机制，确保数据无错误发送。在发生错事务处理包

9、括错误保护机制，确保数据无错误发送。在发生错误时，事务处理可以重来。误时，事务处理可以重来。四.USB工作原理 1 USB互连2USB从端口3USB主端口USB互连是指一个USB主端口（USB Host）与USB从端口相连并和其通信的方式，它包括以下几方面。总线的拓扑结构：USB主端口和USB从端口的连接模式。 1 USB互连 数据流模型：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式。任务规划：USB提供多个从端口共享的连接，对USB从端口必须进行规划以分配带宽。数据流模式对于USB设备很关键。USB协议支持以单向或双向的方式，在USB主端口和一个USB设备之间交换功能数据和控制信息

10、。USB的数据传输是在主端口和一个USB从端口上的特定端点之间进行的，一个给定的USB从端口支持多个数据传输端点。USB主端口将分别处理一个USB从端口的任一端点与其他端点上的通信，这种主端口和一个USB从端口之间的联系称为管道。 2USB从端口USB从端口包括USB集线器和功能设备（Function）两大类。集线器为USB总线提供扩展和连接；功能设备是具有一定特殊应用功能的设备，它能发送数据到主机，也可以接收来自主机的数据和控制信息。3USB主端口 USB主机是USB系统的核心，在一个USB系统中只有一个主端口主端口的USB接口称为USB控制器，通过它主机和外围USB设备进行通信。主机所具有

11、的功能包括：检测USB设备的插入和拔出。管理主机与设备之间的数据流。对设备进行必要的控制。收集各种状态信息。对插入的设备供电。五五、USB的传输方式的传输方式 USB有有4种基本的传输方式种基本的传输方式: 批处理方式批处理方式中断传输方式中断传输方式等时传输方式等时传输方式控制传输方式控制传输方式 ） 批处理方式批处理方式批处理可以是单向，也可以是双向。它批处理可以是单向，也可以是双向。它用于传输大批数据，这种数据传输的时间用于传输大批数据，这种数据传输的时间性不强，但要确保数据的正确性。在数据性不强，但要确保数据的正确性。在数据包的传输过程中，出现错误，则需重新传包的传输过程中，出现错误，

12、则需重新传输。其典型的应用是扫描仪、打印机和数输。其典型的应用是扫描仪、打印机和数码相机。码相机。中断传输是中断传输是单向单向的，且仅输入到主机，它用于不固定的、的，且仅输入到主机，它用于不固定的、少量的数据传输，但这些数据需要及时处理。当设备需要少量的数据传输，但这些数据需要及时处理。当设备需要主机为其服务时，向主机发送此类信息以通知主机，像键主机为其服务时，向主机发送此类信息以通知主机，像键盘、鼠标之类的输入设备采用这方式。盘、鼠标之类的输入设备采用这方式。USBUSB的中断传输是的中断传输是PollingPolling（查询）类型。主机要频繁地请求端点输入。（查询）类型。主机要频繁地请求

13、端点输入。USBUSB设备在全速情况下，其端点设备在全速情况下，其端点PollingPolling周期为周期为1 1255ms255ms；对；对于低速情况，于低速情况，PollingPolling周期为周期为1010255ms255ms。因此，最快的。因此，最快的PollingPolling频率是频率是1 1HzHz。在信息的传输过程中，如果出现错。在信息的传输过程中，如果出现错误，则需将在下一个误，则需将在下一个PollingPolling中重新传输中重新传输） 中断传输中断传输等时传输也称同步传输，可以单向也可以双向，等时传输也称同步传输，可以单向也可以双向，用于传输连续性、实时的数据。这

14、种方式的特点用于传输连续性、实时的数据。这种方式的特点是要求传输速率固定，时间性强，忽略传输错误，是要求传输速率固定，时间性强，忽略传输错误，即传输中出错也不重传。因为这样会影响传输速即传输中出错也不重传。因为这样会影响传输速率。传输的最大数据包是率。传输的最大数据包是1024B/ms1024B/ms。如视频设备、。如视频设备、数字声音设备采用这种方式数字声音设备采用这种方式 ） 等时传输等时传输控制传输是双向的，它的传输有控制传输是双向的，它的传输有2 23 3个阶个阶段：段：SetupSetup阶段阶段（ 可 以 没 有 ）（ 可 以 没 有 ） ，DataData阶段和阶段和Status

15、Status阶段。在阶段。在SetupSetup阶段，主机传送命令阶段，主机传送命令给设备；在给设备；在DataData阶段，传输的是阶段，传输的是SetupSetup阶段阶段所设定的数据；所设定的数据；StatusStatus阶段，设备返回握阶段，设备返回握手信号给主机手信号给主机 ） 控制传输控制传输六、USB2.0 与USB3.0差别 物理区别物理区别 USB 2.0和USB 3.0的物理区别在于连线数量。这种全新拓扑结构可显著提高总线利用率，进而提升系统的吞吐量。USB 2.0采用四线连接，支持半双工通信。在该架构中，仅用一条双向数据管道即可在任何给定的时间实现数据单向传输。相比之下，

16、USB 3.0增加了五条连线，使连线总数达到九条，并采用单播双单工数据接口，允许两个单向数据管道分别处理一个单向通信。 更大带宽更大带宽 USB 3.0改进了USB的批量数据传输机制。批量传输方法的有效可用带宽大约为400MB/s，大约是USB 2.0的十倍；这种重要的传输机制使得机器视觉相机厂商能够构建高吞吐量USB 3.0相机。这不仅为集成商大幅节省成本创造了机遇，同时还能提高整个系统的速度和效率。用户现在能够在使用更少相机的同时仍然借助高分辨率USB 3.0相机覆盖相同的成像区域。此外，更大带宽还允许更快的帧速以及更高的系统性能。 功率输出功率输出 USB 3.0还提供了更高效的电源管理功能，并实现了比USB 2.0更强大的功率输出。USB 3.0设备在超高速模式下工作的可支持900mA电流，这就将总输出功率从2.5 W提高到了4.5W（电压为5V时）。 七、七、USB的应用的应用 USB2.0 标准的标准的USB硬盘、扫描仪和数码相机、数码硬盘、扫描仪和数码相机、数码摄像机等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据摄像机等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据传输速度已高达传输速度已高达480Mb/s；出现了出现了USB转接设备，提供转接设备，提供USB接口到其他接口的转接口到其他接口的转换，这样，非换，这样，非USB接口的外设就能间接地使用接接口的