USB的結構及工作原理

USB的結構及工作原理？USB的結構及通訊原理？為什么現在的USB才4條線就可以代替打印機口（25針）？USB的優(yōu)點缺點？還有，有什么控件可以進行USB通訊（VB）?USB（UniversalSerialBus）是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司聯合制定的一種新的PC串行通信協議。USB協議出臺后得到各PC廠商、芯片制造商和PC夕卜設廠商的廣泛支持。USB本身也處于不斷的發(fā)展和完善中從當初的0.7、0.8到現在廣泛采用的1.0、1.1版本到即將被采用的2.0版本。USB外設在國外以驚人的速度發(fā)展，迄今為止，各種USB的外設已經有上千種。那么，USB為什么如此受親睞呢？這要從它自身所具有的很多優(yōu)點談起。PC為什么急需USBUSB的出現就能夠為您完全解決掉上面提到的這些尷尬，每臺PC通過USB端口最多可以接127個外設！把您所有的東西全接上來吧，沒問題！還有，USB完全是PNP的，在您第一次安裝完成以后，加減設備只需要拔出或插上USB插頭就一切OK了，不必理會機器是開還是關，就這么簡單?？刹灰驗槁孟笪伵５?32而使你聯想到串行就代表慢。USB有快速和慢速工作方式，傳輸速率分別為12Mbps和1.5Mbps，比232快了不知道多少倍。USB的結構框架roothub | hubhub___|__ | ||||||||d1d2d3h1h2d4d5d6d*外設h*hub上圖顯示了USB的拓撲結構。PC主板上的那兩個插口，就是roothub°roothub是一個USB系統(tǒng)的總控制端口。它既可以直接接外設，也可以通過hub控制更多的外設。USBhub結構類似通常的網絡集線器，有一個upperlink和很多子端口，每個子端口可以接一個外設，也可以再通過一個hub接入更多外設，直到所有外設加起來到127為止。USB設備的加載過程當USB設備接入hub或roothub后，主機控制器和主機軟件(hostcontroller&hostsoftware)能自動偵測到設備的接入。然后hostsoftware讀取一系列的數據用于確認設備特征，如vendorID,productID,interface工作方式，電源消耗量等參數。之后主機分配給外設一個單獨的地址。地址是動態(tài)分配的，各次可能不同。在分配完地址之后對設備進行初始化，初始化完成以后就可以對設備進行IO操作了。USB的適用范圍其實除了象顯卡這種需要極高數據量和一些實時性要求特別高的控制設備幾乎所有的PC外設都可以移植到USB上來。而事實上國外幾乎已經做到了這一點。我想對于國內的開發(fā)者來說，在鼠標、鍵盤等產品上就不必去和國外競爭了。但即使這樣，USB的PC外設仍然有大得不可限量的發(fā)展空間。我歸納了以下幾個大類供開發(fā)者參考：.傳統(tǒng)PC夕卜設，象鼠標、鍵盤、音箱、游戲桿、掃描儀、打印機等。.基于PC的通信設備，如Modem,ISDN等.端口轉接器，如USB-->232,USB-->LPT等，以適應原來的設備。.具有中國特色的設備，象漢字輸入筆那樣的東西。.工業(yè)領域。三、USB系統(tǒng)拓撲結構-個USB系統(tǒng)包含三類硬件設備:USB主機(USBHOST)、USB設備(USBDEVICE)、USB集線器(USBHUB)，如圖1所示。1)USBHOST在一個USB系統(tǒng)中，當且僅當有一個USBHOST時，USBHOST有以下功能:?管理USB系統(tǒng);?每毫秒產生一幀數據；?發(fā)送配置請求對USB設備進行配置操作；?對總線上的錯誤進行管理和恢復。（2）USBDEVICE在一個USB系統(tǒng)中，USBDEVICE和USBHUB總數不能超過127個。USBDEVICE接收USB總線上的所有數據包，通過數據包的地址域來判斷是不是發(fā)給自己的數據包：若地址不符，則簡單地丟棄該數據包；若地址相符，則通過響應USBHOST的數據包與USBHOST進行數據傳輸。（3）USBHUBUSBHUB用于設備擴展連接，所有USBDEVICE都連接在USBHUB的端口上。一個USBHOST總與一個根HUB（USBROOTHUB相連。USBHUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USBHUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USBHOST的數據包把端口狀態(tài)匯報給USBHOST。一般來說，USB設備與USBHUB間的連線長度不超過5m，USB系統(tǒng)的級聯不能超過5級（包括ROOTHUB）。四、USB總線數據傳輸USB總線上數據傳輸的結構如圖2所示。從物理結構上，USB系統(tǒng)是一個星形結構；但在邏輯結構上，每個USB邏輯設備都是直接與USBHOST相連進行數據傳輸的。在USB總線上，每ms傳輸1幀數據。每幀數據可由多個數據包的傳輸過程組成。USB設備可根據數據包中的地址信息來判斷是否響應該數據傳輸。在USB標準1.1版本中，規(guī)定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求：控制傳輸(controltransfer)控制傳輸發(fā)送設備請求信息，主要用于讀取設備配置信息及設備狀態(tài)、設置設備地址，設置設備屬性、發(fā)送控制命令等功能。全速設備每次控制傳輸的最大有效負荷可為64個字節(jié)，而低速設備每次控制傳輸的最大有效負荷僅為8個字節(jié)。同步傳輸(isochronoustransfer)同步傳輸僅適用于全速/高速設備。同步傳輸每ms進行一次傳輸，有較大的帶寬，常用于語音設備。同步傳輸每次傳輸的最大有效負荷可為1023個字節(jié)。中斷傳輸(interrupttransfer)中斷傳輸用于支持數據量少的周期性傳輸需求。全速設備的中斷傳輸周期可為1?255ms,而低速設備的中斷傳輸周期為10?255ms。全速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷可為64個字節(jié)，而低速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷僅為8個字節(jié)。(4)塊數據傳輸(bulktransfer)塊數據傳輸是非周期性的數據傳輸，僅全速/高速設備支持塊數據傳輸，同時，當且僅當總線帶寬有效時才進行塊數據傳輸。塊數據傳輸每次數據傳輸的最大有效負荷可為64個字節(jié)。五、典型應用USB系統(tǒng)的典型應用如圖3所示。在圖3所示系統(tǒng)中，顯示器、Audio、Modem皆為全速設備，鍵盤、鼠標為低速設備。其數據傳輸為：USBHOST通過控制傳輸更改顯示器屬性。USBHOST通過塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。USBHOST通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。USBHOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統(tǒng)。USBHOST通過控制傳輸更改Audio屬性。USBHOST通過同步傳輸與Audio設備傳輸數據。USBHOST通過控制傳輸更改Modem屬性。USBHOST通過塊數據傳輸與Modem設備傳輸數據。、一個USBHOST接口的軟硬件設計市場上現已有很多公司提供的USB接口器件如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12,OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11,等等。同時也有很多帶USB接口的處理器，如CYPRESS的EZ-USB,AMD的AM186CC,ATMEL的AT43320,MOTOROLA的PPC823/PPC850,等等。下面給出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT實現嵌入式USBHOST的例子。1.SL11HT特點?遵從USB1.1標準；支持全速/低速傳輸；支持主機/設備端兩種模式；?3.3/5.0V供電;?片內包含256個字節(jié)的SRAM；?48MHz晶振輸入。當SL11HT被用作USBHOST接口時，對系統(tǒng)有以下要求：?由系統(tǒng)維護SOF幀數目；?由系統(tǒng)生成CRC5效驗碼；?要求系統(tǒng)中斷潛伏期小于1?5ms。2.SL11HT接口硬件框圖圖4簡單地給出了使用SL11HT擴展USB接口的框圖，更詳細的硬件連線圖請見參考文獻2,3。3.USBHOST端軟件結構USBHOST端軟件結構如圖5所示。USB接口驅動程序USB接口驅動程序需實現以下功能：USB接口器件的初始化；?計算上層數據包的效驗和，發(fā)送上層的數據包；?發(fā)送SOF幀；?接收從USB接口傳送來的數據，并檢查數據的有效性;將接收到的數據送往上層。USB協議棧驅動程序USB協議棧驅動程序需實現以下功能：提供與設備驅動程序的接口；?讀取并解析USB設備描述符，配置描述符；?為USB設備分配唯一的地址;?使用默認的配置來配置設備；?支持基本的USB命令請求；連接設備與相應的驅動程序；轉發(fā)設備驅動程序的數據包。設備驅動程序設備驅動程序需實現以下功能:提供與應用程序的接口；?讀取并解析USB設備特有的描述符，獲得設備提供的傳輸通道；?發(fā)送設備特有的和基本的USB命令請求；通過設備提供的傳輸通道與設備進行數據傳輸；?通過USB命令請求重新配置設備。USB的硬件結構USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另兩根為下游(Downstream)設備提供電源，對于高速且需要高帶寬的外設,USB以全速12Mbps的傳輸數據；對于低速外設，USB則以1.5Mbps的傳輸速率來傳輸數據。USB總線會根據外設情況在兩種傳輸模式中自動地動態(tài)轉換。USB是基于令牌的總線。類似于令牌環(huán)網絡或FDDI基于令牌的總線。USB主控制器廣播令牌，總線上設備檢測令牌中的地址是否與自身相符，通過接收或發(fā)送數據給主機來響應。USB通過支持懸掛/恢復操作來管理USB總線電源。USB系統(tǒng)采用級聯星型拓撲，該拓撲由三個基本部分組成：主機（Host）、集線器（Hub）和功能設備。主機，也稱為根，根結或根Hub,它做在主板上或作為適配卡安裝在計算機上，主機包含有主控制器和根集線器（RootHub），控制著USB總線上的數據和控制信息的流動，每個USB系統(tǒng)只能有一個根集線器，它連接在主控制器上。集線器是USB結構中的特定成分，它提供叫做端口（Port）的點將設備連接到USB總線上，同時檢測連接在總線上的設備，并為這些設備提供電源管理，負責總線的故障檢測和恢復。集線可為總線提供能源，也可為自身提供能源（從外部得到電源），自身提供能源的設備可插入總線提供能源的集線器中，但總線提供能源的設備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過四個的下游端口中，如總線提供能源設備的需要超過100mA電源時，不能同總線提供電源的集線器連接。功能設備通過端口與總線連接。USB同時可做Hub使用。/Html/jiadian/jd03/13510922.htmlUSB接口的特點很突出：速度快、兼容性好、不占中斷、可以串接、支持熱插撥等等USB接口定義很簡單：＋5VDATA－數據－DATA＋數據＋GND地USB接線方法---有圖主板USB管腳接口大全一、概述因為每個USB接口能夠向外設提供+5V500MA的電流，當我們在連接板載USB接口時，一定要嚴格按照主板的使用說明書進行安裝。絕對不能出錯，否則將燒毀主板或者外設。相信有不少朋友在連接前置USB插線時也發(fā)生過類似的“冒煙事見"。這就需要我們能夠準確判別前置USB線的排列順序如果我們曉得USB接口的基本布線結構，那問題不是就迎刃而解了嗎。二、USB接口實物圖主機端：接線圖：VCCData－Data＋GND實物圖：設備端：接線圖：VCCGNDData－Data+三、市面上常見的USB接口的布線結構這兩年市面上銷售的主板板載的前置USB接口使用的都是標準的九針USB接口，第九針是空的，比較容易判斷。但是多數品牌電腦使用的都是廠家定制的主板，我們維修的時候根本沒有使用說明書；還有像以前的815主板，440BX,440VX主板等，前置USB的接法非?；靵y，沒有一個統(tǒng)一的標準。當我們維修此類機器時，如何判斷其接法呢？現在，把市面上的比較常見的主板前置USB接法進行匯總，供大家參考。(說明：■代表有插針，□代表有針位但無插針。)1、六針雙排這種接口不常用這種類型的USB插針排列方式見于精英P6STP-FL(REV:1.1)主板，用于海爾小超人766主機。其電源正和電源負為兩個前置USB接口共用，因此前置的兩個USB接口需要6根線與主板連接，布線如下表所示?！鯠ATA1+■DATA1-■VCC■DATA2-■DATA2+■GND2、八針雙排這種接口最常見，實際上占用了十針的位置，只不過有兩個針的位置是空著的，如精英的P4VXMS(REV:1.0莊板等。該主板還提供了標準的九針接法，這種作是為了方便DIY在組裝電腦時連接容易。■VCC■DATA－■DATA＋□NUL■GND■GND□NUL■DATA＋■DATA－■VCC微星MS-5156主板采用的前置USB接口是八針互反接法。雖然該主板使用的是Intel430TX芯片組，但首先提供了當時并不多見的USB1.0標準接口兩個，只不過需要使用單獨的引線外接。由于該主板的USB供電采用了限流保護技術，所以即使我們把USB的供電線接反，也不會導致主板無法啟或燒毀USB設備的情況產生?！鯲CC■DATA－■DATA＋■GND■GND■DATA＋■DATA-■VCC以下這種接口比較常見，多使用于815，或440BX較早的主板上?！鯲CC■DATA＋■DATA－■GND■VCC■DATA＋■DATA-■GND以下這種接口現在不多見，也見于2001，2002年時期的主板上?！鯲CC■DATA－■DATA＋□NUL■GND■VCC■DATA－■DATA＋□NUL■GND3、九針雙排這種前置USB接口最常見,大多數主板都使用這種接口，有的還帶有插槽來限位。如：精英P6IEA,INTELD845GLVA主板丄4IBMGL2(REV:1.0B)，青英865PE-A(REV:2.0)，捷波P4X400DA主板，捷波JP4MFM。■VCC■DATA－■DATA＋■GND■NC■VCC■DATA－■DATA＋■GND□NUL有的主板的第十針也接地了，但這對性能改變不大，也沒有多大差別，可以接也可以不接?！鯲CC■DATA－■DATA＋■GND■GND■VCC■DATA－■DATA＋□NUL有的主板上不但帶有限位設計，同時也明確標明了每一根針的定義，如微星MS-845GLML主板。捷波生產的幾款主板的前置USB接口雖然也是九針，但空針的位置有所有同和其他廠家有點特殊，空針的位置正好相反，如845GPRO,845DBA,845DBAR2等主板，空針的位置正好是第十針，而非第九針。精英L4S5M主板也是九針前置USB接口，但空針的位置是第七針，同時第四針是不使用的，兩個USB接口的正好互反。對于互反的USB接口，我們一定要注意不能接錯，因為這種情況因為我們接對了一個，往往按經驗來判斷連接另一個，造成部件損壞。■GND■NC■DATA＋■DATA－■VCC■VCC■DATA－■DATA＋□NUL4、十針雙排精英P6STM主板，神舟電腦使用的FC-810T主板使用十針雙排USB接口，第九，十兩名為閑置插針，兩個USB接口的接法相同。■VCC■DATA－■DATA＋■GND■NC■VCC■DATA－■DATA＋■GND■NC像微星845UltraVER:1主板，雖然使用的也是十針雙排接法，但兩組USB接法相反，并且使用了雙地線?！鯲CC■DATA－■DATA＋■GND■GND■GND■DATA＋■DATA－■VCC微星815EPRO(VER:1)N1996■VCC■DATA－■DATA＋■GND■NC■NC■GND■DATA＋■DATA－■VCC［此貼子已經被作者于2005-5-140:05:02編輯過］--作者：cjsafty--發(fā)布時間:2005-5-1323:45:005、十五針雙排這種接口不多見，見于佰鈺P4X266(PR22-S)，碩泰克SL-65KV2主板上面，雖然插針多，但USB接口也只是兩個，多余的上面一排都是地線，是為了減少USB線間的干擾，提高工作性能設計的。NULL■GND■GND■GND■GND■GND■GND■VCC■DATA－■DATA＋■GND■VCC■DATA－■DATA＋■GND實物：些OEM些OEM主板上面?！鯣ND■GND■DATA+■DATA-■VCC□NUL■DATA+■GND■VCC■DATA－■DATA＋■GND■GND□NUL■VCC■DATA-6、四針單排見于華碩CUSL2-C(REV:1.02)，三帝P651ML,精英L4VXA2等主板?！鯲CC■DATA+■DATA-■GND□NUL四、機箱端的接法目前市場上銷售的DIY機箱的USB接頭也有兩種，一種是散的，一種是組合的，分別對應使用于非標USB接口和標準USB接口。1、散線接頭2、標準組合接頭一般情況下，機箱使用的USB接頭都使用4種不同顏色的線來使用之區(qū)別，其中黑色線為地線(GND)，紅色線為電源正級(VCC或+5Volt)，白色線為數據負線(USBPort-或Data-)，綠色線為數據正線(USBPort+或Data+)。無論是散頭接法還是組合接法，我們一定確定我們的安裝正確無誤后(特別是電源正負的接法)才能加電試機否則就必須使用萬用表來幫助我們判斷板載USB插針的正確接法。五、USB接口的基本判斷方法USB線的插頭方法最多，有六針的，也有八針，九針，十針的，但是因為USB線使用+5V電源和地線，這就為我們判別其正確定義提供了幫助。因為計算機在使用過程中會向空氣中發(fā)射頻帶很寬的大量的電磁波，為了防止這些電磁波對其他家用電器的干擾，都使用了全鋼機箱，并且箱體安全接地。還有一點需要大家明白，不但機箱接地，同時機箱也是開關電源次級的電源地，即我們通常所說的"電源負極"。所以在我們判別USB接口的地時，只要把萬用表置于*1檔或導通檔，測試USB接口中那根針與機箱是導通的，這樣就可以馬上判斷出地線。只要知道地線了，與其隔兩根針的就是“電源正"，即VCC端。其余就可以按位置排列了?；痉椒ǎ簩⑷f用表置于通斷檔或電阻檔的*1檔。用黑表筆接觸主板的地線，如USB接口或鍵盤接口，固定螺絲位置的邊緣，這些位置都是地線。黑表筆不動，用紅表筆記逐個接觸前置USB接口的插針。當接到某一插針時，萬用表發(fā)出鳴叫或電阻檔指示為0或較小數值時，就表示此時紅表筆接觸的前置USB插針是地線(GND)。接下來再根據USB連線的基本布局就可以判斷電源正(VCC)和其他兩根數據線了。如果還不放心，我們還可以繼續(xù)判斷電源正。因為USB使用的+5V電源，是由ATX20針電源插頭的+5V(紅色)或者是+5VSB(紫色)供應的，只要測量有哪根針與ATX電源的紅或紫導通就可以了。一些高檔主板的USB供電不是直接由電源提供的，而是通過功率電源管按制USB供電當故障發(fā)生時切斷對外設供電或者使用限流IC把USB接口的輸出電流限定為500MA。我們可以通過觀察PCB板上線路連接來判斷電源正的接法；也可以通過使用萬用表的電阻檔測量，與USB接口相連的保險電阻或控制電源管導通的插針，就是USB接口的正極。六、USB接口的供電方法1、采用+5VSB或+5V供電一些低端主板生產廠家出于生產成本的考慮有的是直接使用開關電源送出的+5VSB或+5V供電，其間有一個或根本沒有保險電源或限流電阻。這樣做的話會導致如是USB接口或USB外設出現故障時會造成主機不能加電或無法啟動。如果是主機正在工作時插入了問題USB外設就會導致主板立即重啟。中檔主板的生產廠家多數都在USB供電回路中設計了電源濾波和可恢復保險電阻以保護主板穩(wěn)定工作，避免受到熱插拔USB外設時出現死機或重啟現象。如下圖因為生產廠家采用簡單供電，導致供電回路中的濾波電感比較嚴重的燒毀。因為后置USB接口與鍵盤接口相近，所以大部分主板在設計時都采用了后置USB接口和鍵鼠一起供電的做法，在鍵盤接口附近一般會有一個JB1跳線，用戶可以選擇是使用+5VSB（可以提供鍵鼠開機功能，網絡喚醒功能，但電流較小，無法滿足移動硬盤供電）供電；或者是使用+5V電源供電（提供電流較大，但無法鍵鼠開機）。不過一些主板在設計時就取消了跳線，所以當電腦關機時鍵鼠燈常亮，這種情況只能在電腦關機后拔下主機的電源插頭才能徹底斷電。像映泰KBNHAG主板為了使用主板后置USB接口的供電更穩(wěn)定，把鍵鼠和USB供電進行了分離。［此貼子已經被作者于2005-5-1323:47:30編輯過］獎勵用戶：原因：好文章用戶操作：金錢15,操作者：anger555--作者：cjsafty--發(fā)布時間：2005-5-1323:48:002、采用+5V電源通過限流IC供電或使用電源管可控供電這種設計一般見于中高檔主板，在USB供電回路中有電容濾波，保險電阻，限流IC或功率電源管，這種設計可以保證主板的每個USB接口向外設提供最大500MA的供電電流，同時當外設短路時，限流IC會自動切斷USB接口的供電，保證主機正常穩(wěn)定的工作。不過，因為最大供電電流只有500MA，所以當我們使用移動硬盤時，往往就會出現無法認盤，認盤后文件讀取不易，只能拷貝小文件不能拷貝大文件，拷貝文件容易死機等情況。七、注意事項六針的USB接口，其中的電源正和電源地是共用的。九針和十針的USB接口，第九針為空，是為了定位，防止USB接口反接，造成燒主板的情況。如果我們在判斷時有疑問，我們還可以通過萬用表輔助判斷，以確定連接準確無誤。八、與其他接口的區(qū)別1、九針的COM接口現在因為USB接口和1394接口的迅速普及，二者的連接安裝方便，可以帶電拔插，所以原來經常使用的COM端口現在已經較少出現在主板上了。生產廠家為了兼顧不同的客戶群，只是在主板保留COM口的插針，供有需要的用戶單獨外接使用。由于COM使用的也是九針接口，一些用戶在連接