作者：廣州五山華南理工大學電子與通信工程系９８級碩士研究生（510641）劉 炎 馮穗力 葉 梧 來源：《電子技術應用》

通用串行總線(usb)原理及接口設計 摘要：以ｕｓｂ１．１為基礎討論了ｕｓｂ的基本原理、工作流程、通信協(xié)議和相應的關鍵技術，并介紹了一種ｕｓｂ接口的１０ｍ以太網(wǎng)卡的設計方案。已經(jīng)發(fā)布的ｕｓｂ２．０支持４８０ｍｂｐｓ的高速數(shù)據(jù)傳輸，這將使ｐｃ可以通過ｕｓｂ接口傳輸更高速更大量的數(shù)據(jù)。還論述了ｕｓｂ２．０的改進和優(yōu)點。 關鍵詞：通用串行總線(ｕｓｂ) 設備驅動程序 ｗｄｍ

通用串行總線ｕｓｂ (ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ)是ｉｎｔｅｌ、ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ等大廠商為解決計算機外設種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于１９９５年提出制定的。它是一種用于將適用ｕｓｂ的外圍設備連接到主機的外部總線結構，主要用在中速和低速的外設。ｕｓｂ同時又是一種通信協(xié)議，支持主機和ｕｓｂ的外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前較多設備支持的是ｕｓｂ１．１１，最新的ｕｓｂ２．０３已于２０００年４月正式發(fā)布。

ｕｓｂ設備具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴展等優(yōu)點。

ｕｓｂ１．１有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為１．５ｍｂｐｓ，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實時性的設備，如鼠標等；全速模式為１２ｍｂｐｓ，可以外接速率更高的外設。在剛剛發(fā)布的ｕｓｂ２．０中，增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達到４８０ｍｂｐｓ，可以滿足更加高速的外設的需要。

安裝ｕｓｂ設備不必打開主機箱，它支持即插即用(ｐｌｕｇ ａｎｄ ｐｌａｙ) 和熱插拔(ｈｏｔ ｐｌｕｇ)。當插入ｕｓｂ設備的時候，主機檢測該外設并且通過自動加載相關的驅動程序來對該設備進行配置，并使其正常工作。

１ ｕｓｂ的結構與工作原理

１．１物理結構

ｕｓｂ的物理拓撲結構如圖１所示。在ｕｓｂ２．０中，高速方式下ｈｕｂ使全速和低速方式的信令環(huán)境獨立出來，圖２中顯示了高速方式下ｈｕｂ的作用。

通過使用集線器(ｈｕｂ)擴展可外接多達１２７個外設。ｕｓｂ的電纜有四根線，兩根傳送的是５ｖ的電源，另外的兩根是數(shù)據(jù)線。功率不大的外圍設備可以直接通過ｕｓｂ總線供電，而不必外接電源。ｕｓｂ總線最大可以提供５ｖ ５００ｍａ電流，并支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。

１．２ ｕｓｂ設備邏輯結構

ｕｓｂ的設備可以分成多個不同類型，同類型的設備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議，這樣可以使設備驅動程序的編寫變得簡單一些。ｕｓｂ ｆｏｒｕｍ在ｕｓｂ類規(guī)范２中定義了ｕｓｂ的設備類型，比如音頻、通信、ｈｉｄ、ｈｕｂ等設備類。

每一個ｕｓｂ設備會有一個或者多個的邏輯連接點在里面每個連接點叫端點。在ｕｓｂ的規(guī)范中用４位地址標識端點地址，每個設備最多有１６個端點。端點０都被用來傳送配置和控制信息。在ｎｓ公司的ｕｓｂ接口芯片ｕｓｂｎ９６０２４中有７個端點。

管道實現(xiàn)了在主機的一個內存緩沖區(qū)和設備的端點之間的數(shù)據(jù)傳輸，連接端點０的叫做缺省管道。管道是具有多個特征的信道，如帶寬分配，包大小，管道類別以及數(shù)據(jù)流向。管道有兩種類型分別是流管道(ｓｔｒｅａｍ ｐｉｐｅ)和消息管道(ｍｅｓｓａｇｅ ｐｉｐｅ)。流管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的內容不具有ｕｓｂ要求的結構，它是單向傳輸?shù)模涣鞴艿乐С峙�、等時和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先，由主機發(fā)請求給ｕｓｂ設備，然后在適當?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù)，最后是到達一個狀態(tài)階段。為了保證三個階段的數(shù)據(jù)傳輸，消息管道定義了一個數(shù)據(jù)結構使命令可靠地被識別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。