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為了理解為什么USB會成為如今的通用總線,讓我們看一下早期的PC:它有一個DOS操作系統和一個鍵盤,但沒有圖形用戶接口(GUI)。絕大多數的PC在機箱內沒有硬盤驅動器,也沒有外部存儲。沒有萬維網,也無需外部網絡連接。因此,除了通常用并口連接的打印機之外,需要的外設很少。

隨著Windows引入GUI,開始需要一個備選的輸入設備(HDI)。如今,鼠標變成必需的設備。這種新連接,以及對訪問網絡的需求,要求PC采用一個串口或COM口。那時,絕大多數PC采用P/S-2或專用接口用于鍵盤和鼠標。

不過,這些外設接口都有一些缺點。它們無法進行接口擴展,只能連接有限的外設；它們的性能有限；另外也缺乏一個標準的連接。每個外設提供商都必須決定采用什么樣的接口,然后提供所需的驅動程序,這對用戶來說也是頗為頭痛的事情。

最終,每人都需要連接外設到PC,但過程是復雜的和令人糊涂的。絕大多數人不知道該用什么接口,也沒有人知道某種接口的限制。最后,導致一批權威的業界領導一起來定義一個新的通用PC外設連接,來替代復雜的傳統連接。

該規范定義了一個簡單的四線接口,這是一個點對點,使用方便的以主機為目標架構的接口。可以利用一個集線器來實現總線擴展,并連接到其它的USB目標設備。另外,定義主機目標架構大大降低了成本,因為絕大部分的“大腦”控制功能包含在采用CPU控制的PC中。

USB的架構定義

USB是一個以主機為中心的總線,在這種總線中,由主機發起所有的數據轉移,包括出站和入站。該規范定義了三種基本的設備類型:即主機控制器；集線器和功能模塊(即外設或目標模塊)；以及一個復合設備(集線器加“集成”外設)。

內部的物理連接是一個層疊的星型拓撲結構,集線器位于每個星的中心(圖1)。每個線段是一個位于主機和集線器或功能塊之間的點對點連接,或者是從一個集線器連接到另一個集線器或功能塊。由于時序的限制,所允許的最大層數為7層(包括根層)。在主機和任何設備之間,通信信道可以支持最多達5層的非根層集線器。一個復合設備占用兩層。復合設備不能依附于第7層,在這一層只能使用功能塊,其他將不能用。地址結構允許一個集線器連接的設備最多達127臺。集線器和外設可以任意組合。一臺復合或混合設備占用兩臺或更多的設備。

USB主機控制器

在任何的USB系統中都只有一臺主機。這與網絡架構的定義不同,USB規范只是想實現外設到PC的方便連接。主機的實現的方法可能是硬件,固件或軟件的結合。典型的USB主機PC實現是內核邏輯芯片集的一部分。該主控制器設備利用PC CPU來實現其運算功能,利用系統存儲器來存儲數據和轉移,而在總體實現中利用OS。所有的主機需要在系統中集成一個根集線器。

當今的OS已包括各種驅動設備。這就為外設制造商節約了驅動設備的研發成本,維護成本和運輸成本。通常常用的驅動設備包括音頻、HID、圖像、存儲、打印機和視頻。許多制造商充分利用了這些驅動設備來實現它們的功能,但也會選用一個定制驅動設備或應用軟件來擴展功能。

圖1:層疊星形拓撲結構的內部物理連接。

USB集線器

可以將集線器視為一個分配器和轉發器的結合。集線器提供USB設備和主機之間的電接口,并直接負責支持USB用戶友好方面的許多屬性。它提供比主機能夠提供的更多的連接點,并將來自上游端口的業務流重播到下游的端口上。集線器檢測下游端口的連接和斷開,并上報主機。集線器必須能夠支持下游端口所連接的USB外設的各種不同速率,并檢測和恢復連接中的總線故障。此外,集線器還管理為下游端口提供的電源,并將與此相關的任何問題報告給主機。該規范定義了兩種不同的用于集線器的電源類型,即總線和自供電。

總線供電方式從上游端口吸取功率。它只能從供電的上游端口吸取100mA的電流,而最終的配置后的電流可達到500mA。滿配置功率在集線器、任一個不可拆卸的功能塊或外部端口之間進行分配。它必須為每個下游端口提供100mA。這就限定了總線供電集線器上的下游端口的數量不超過4個。因為每個端口需要100mA,因此四個下游端口需要400mA。因為第五個下游端口也需要100mA,因而為集線器自身留下的電流為0mA。一個總線供電的集線器可以有4個外置下游端口,一個或多于一個的非外置下游端口——假定集線器和所有連接到非外置端口的所有功能塊消耗的總電流少于100mA。

自供電的集線器從本地電源(即墻體電源)提取功率。一個自供電的集線器將從其上游端口吸取高達100mA的電流,在集線器的其余部分的電源關斷時,允許接口為功能塊供電。一個自供電的集線器需要為每個下游端口提供500mA。規范沒有限制一個自供電的集線器所能連接的下游端口數量,但出于供電的考慮通常限制到7個或更少一點。一個7端口的集線器必須能夠為功能塊提供大于(500mA/每端口)的電流。

USB外設

今天的USB外設包括鼠標,存儲器棒,外驅,便攜式音頻播放器和數碼相機。根據規范,一個外設是一個能夠執行某項特定功能的邏輯或物理實體。最低級別的外設指的是一個單獨的硬件部件(即閃存)。而高級別的外設指的是一系列執行特定功能的硬件部件(即:鍵盤,生物指紋識別閱讀器和顯示設備)。

外設支持四種類型的數據發送。控制發送器為主機提供有關所連接的設備的類型和功能。其余的三個(中斷,整塊(bulk),或同步)也都包含控制發送,不過只是專用于數據發送控制應用。中斷發送在外設需要主機對其進行周期性的輪詢以檢查是否有數據需要發送時使用。當數據的完整性的重要性高于數據的延遲時,整塊發送在主機系統和外設(打印機,存儲設備等)之間傳遞數據。這包括錯誤校驗,以及發現錯誤后的重發。當數據流的實時性高于其精度(即網絡攝影,講話和麥克風)的情況下,同步發送實時轉移數據。

規范中規定了兩種供電類型:總線供電和自供電。基于總線供電又被分為低功率和高功率兩種。這兩種都從上游連接點獲取電源。對于低功率,基于總線供電的設備恒定地吸納100mA電流,而對于高功率設備,在配置之前可以吸納100mA電流,而在工作期間可以吸納最高達500mA的電流。對于自供電設備,當從上游連接點提取電流時,具體的限制與自供電的集線器一樣。它們可以吸納100mA的電流使USB接口能夠工作,而其余的功能將會斷電。所有其他的功率將由外部電源提供。此外,所有外設必須支持低功耗掛起狀態,此時所吸納的電流小于500uA,該功率足以使計算機能夠喚醒掛起的設備。

電池供電設備(主要是便攜式多媒體播放器)USB的普及為USB電源管理帶來了一個新挑戰。特別是在設備利用USB接口進行充電時尤其如此。電池供電的設備也必須遵從與標準外設相同的規則。究竟它們能夠從上游連接點吸納多少電流用于充電,包括掛起狀態中的需求,取決于它們自己的報告。這對于沒電的設備來說是一個極大的挑戰。通常,它們需要大電流來啟動初始充電。

USB 2.0規范

雖然USB 1.1,USB 2.0,USB-OTG,WUSB和OTG都經常采用,但這仍然為工程師以及終端用戶們帶來困惑。于1996年頒布的初始的USB1.0規范,所定義的低速率(LS)為,而全速(FS)則為

12Mbps。1998年修訂的USB1.1主要是補充說明和更新。后來又在2000年增加了高速USB,即USB2.0(480Mbps)。USB2.0全面超越了USB1.1,但全面向后兼容。2003年發布的USB OTG補充特別定義了便攜式和電池供電設備的連接。而2005年,又頒布了無線USB規范。

為了確保大量的終端用戶的USB體驗,USB論壇(USB-IF)維持一個資質授予許可程序。為了獲得資質徽標的使用權,設備廠商必須通過USB-IF的認證,包括規范兼容性和互通性測試。對于標準的USB設備有兩個徽標:圖2a給出的是支持低速和全速的設備標志；而圖2b則是用于支持最高數據率的高速設備標志。

圖2:通過資質認證許可的USB標志。

USB OTG是USB2.0的補充。該規范定義了一種新設備,這種設備擴展了外設產品的功能,包括一些主機功能。便攜式設備定位于允許終端用戶在沒有可用的計算機時能夠共享數據(即,可以在支持照相功能的手機之間傳送照片,從照相機中直接打印照片等)。

和標準的USB一樣,OTG也是一種點對點設備,也是以主機為中心,而并非對等網絡連接。當連接到一個標準USB主機(PC)時,OTG產品必須作為一個標準的外設。OTG補充標準主要是解決當設備作為主機并同時提供功率時如何執行任務的問題。電源電流被限制到8mA。由于OTG設備無法通過加載驅動程序的簡單方法來識別未知設備,故需要設備提供商提供一個目標外設列表來說明所支持的設備。同理還需要一個信息顯示,用來通知終端用戶,指明插入了一個無法工作的非支持設備。最后,兩個新協議被定義:即主協議(HNP)(主機和設備間的動態交換協議)和進程請求協議(SRP)(由“主機”決定的總線電源的通/斷)。

OTG設備的資質認證也由USB-IF負責。圖2c為支持低速和全速的OTG設備認證標志；而圖2d為支持高速OTG連接的設備標志。

WUSB是USB規范的最新擴展。它定義了一個易用的無線接口,具有有線USB技術的高速率和安全性。合格的WUSB支持魯棒的高速無線連接,利用的是WiMedia MB-OFDM超寬帶無線平臺。采用專屬的低帶寬連接并支持鍵盤、鼠標等設備的WUSB設備已經面市了一段時間了。不過這些連接與USB-IF開發和促進的WUSB規范是不一樣的。USB-IF對各種WUSB產品(圖2e)進行認證,確保終端用戶能夠識別這些認證的產品,并確保認證產品彼此間具有互操作性和兼容性。

作者:Dan Harmon

TI公司