?

??? 通用串行總線 (USB) 外設接口已廣泛應用于所有個人計算平臺及眾多工業(yè)和基礎設施平臺。不過，與此同時，人們對給定應用適用的 USB 版本，如 USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、On-the-Go (OTG)、無線 USB (WUSB) 等的規(guī)范還不太清楚。隨著 USB 1.1 規(guī)范的發(fā)布，以及 Microsoft 操作系統(tǒng)為這一標準提供原生支持，這促使 USB 主機接口在 PC 中快速普及，同時也推動眾多傳統(tǒng)接口，如串行 (RS-232)、鼠標和鍵盤 (PS-2) 及并行端口（打印機使用的Centronix 與 IEEE-1284）等，向這種新型通用接口標準過渡。隨著可支持更高速度連接的 USB 2.0 規(guī)范的發(fā)布，USB外設的數(shù)量出現(xiàn)激增，從而大幅改善了用戶的使用體驗。本文的上半部分將講述 USB 標準的發(fā)展過程，下半部分則將探討其常見的應用，并介紹給定應用采用哪種 USB 標準最好。

我們?yōu)槭裁葱枰ㄓ么锌偩€這種技術？

??? 為了充分了解為什么 USB 已成為我們所不可或缺的通用接口，我們就必須回過頭來了解個人電腦早期的發(fā)展情況，即上世紀 80 年代的情況。對我們這些上了一定年紀的人來說，應該還記得當時最早的 PC 和 DOS 操作系統(tǒng)，既沒有圖形用戶接口 (GUI)，也沒有萬維網(wǎng)的存在。這種系統(tǒng)架構和使用模式僅支持很有限的“外設”。大多數(shù)計算機都不自帶硬盤驅(qū)動器，更別說支持什么外部存儲設備了。外部網(wǎng)絡連接也不存在，甚至根本不知道什么是網(wǎng)絡。唯一所需的人機接口設備就是鍵盤，而鍵盤有自己專用的連接端口；當時唯一常見的其它外設就是打印機，通常采用某種并行端口連接。隨著 Windows? 操作系統(tǒng) GUI 的推出，人們需要另一種輸入設備，也就是 MAC 操作系統(tǒng)已經(jīng)使用的那種設備。這種最常見的人機互動應用點擊設備就是鼠標。隨著新的連接技術的出現(xiàn)，以及用戶聯(lián)網(wǎng)的要求，推動 PC 開始采用新的連接端口，即通常所說的串行端口或 COM 端口。隨著時間的推移，大多數(shù) PC 都針對鍵盤和鼠標提供專門的接口，即 P/S-2 端口。

?

??? 并行、串行及 P/S-2 等上述常見的外設端口存在三大不足之處。圖 1.1 （PS/2 與 COM 斷口）和圖 2.1 （打印機）顯示了機箱背后各種端口的典型特性。首先，這些端口不支持端口擴展，這限制了接入 PC 的外設數(shù)量。在使用這些端口的情況下，為了增加連接點，最終用戶一是要購買支持所需端口的插卡；二是要打開機箱；三是要安裝插卡；四是要關閉機箱；五是要重新配置系統(tǒng)，讓系統(tǒng)識別新增的端口，避免出現(xiàn)沖突。其次，每種端口的性能有限。表 1.1 總結了上述每種端口的性能。第三大不足則在于缺乏標準連接方法。不同的外設制造商必須自己決定到底使用哪種端口，還要提供相應的驅(qū)動程序，確保硬件能在 PC 系統(tǒng)中使用，這也會讓最終用戶頭疼。

?

圖 1.1：機箱背面的 PS/2 與 COM 端口

?

圖 2.1：機箱背面的并行端口

?

表 1.1：不同端口功能總結

USB的誕生！

??? 我們將時間快進到上世紀 90 年代的初中期，越來越多的用戶希望增加 PC 的外設。在端口選擇方面，如上所述，用戶遇到了不少問題。此外，外設連接多種多樣，這也給普通用戶制造了麻煩。大多數(shù)人不知道使用哪種端口，也不了解各端口性能的局限性。在此情況下，部分業(yè)界領先企業(yè)在Intel 的帶領下開始一起定義新的通用 PC 外設連接標準，旨在取代所有傳統(tǒng)連接標準，解決以上不足問題。

?

??? 他們定義了一種簡單的四線接口，其主要目的就是簡化 PC 用戶的使用。這種標準定義了一種點對點、主機到目標的架構。在規(guī)范中還包括了 USB 集線器設備的定義，這樣就能支持總線擴展，能連接到更多的 USB 目標設備。這一標準制定的目的，就是簡化外設與 PC 的連接，增加 PC 支持的外設數(shù)量，同時確保用戶根本不必考慮到底該使用什么接口。此外，通過定義主機到目標的架構，目標實施的成本也能降低，因為大多數(shù)連接處理工作都由主機來完成，即通常用PC中的 CPU 控制進行。

USB到底是一種什么技術？

??? 如前所述，USB 是一種以主機為中心的總線，換言之，主機必須啟動包括接收和發(fā)送在內(nèi)的所有傳輸。該規(guī)范定義了三種基本的設備類型：一是主機控制器；二是集線器；三是功能設備（也稱作外設或目標設備）。以下我們將詳細介紹這三類設備。除了這三種基本類型之外，我們還定義了另外兩類設備。一是復合設備，即同時包括集線器和集成式外設的設備；二是組合設備，即同一設備集成多種類型外設功能的設備。

?

??? 物理互連采用多層星形拓撲（見圖 3.1），集線器位于每個星形連接的中心。每個連線段(wire segment)是主機到集線器、主機到功能設備、集線器到集線器、集線器到功能設備間的點對點連接。由于集線器時序限制和線纜傳輸時間，因此所允許的層數(shù)最多為 7 層（包括根層(root tier)）。請注意，在 7 層中，主機到任何設備的通信路徑內(nèi)只能支持 5 個非根層集線器。復合設備（見圖 4.1）包括兩層，因此如果它連接在第 7 層上就不能工作。只有功能設備能在第 7 層上工作。USB 系統(tǒng)中設備所用的尋址技術使一臺主機最多可連接 127 臺設備。這 127 臺設備可采用任意集線器或外設組合。這 127 臺設備中包括兩臺或更多復合設備或組合設備。

圖 3.1：多層星形拓撲的物理互連

什么是主機控制器？

??? 在制定規(guī)范時，我們應確保任何 USB 系統(tǒng)中只有一臺主機。USB 規(guī)范不旨在作為一種網(wǎng)絡架構，它的目的就是實現(xiàn)外設到 PC 的簡單互連。主機可以是硬件、固件或軟件的組合。目前電腦中最常見的 USB 主機實施方案是所謂核心邏輯芯片組的一部分。這種主機控制器設備采用 PC CPU 的計算功能，用系統(tǒng)存儲器支持數(shù)據(jù)存儲與移動，并通過 PC 操作系統(tǒng)實現(xiàn)整體實施。所有主機都必須在系統(tǒng)中集成根集線器。主機主要負責以下工作：

?

• 檢測 USB 設備的外接與移除
• 管理主機與 USB 設備之間的控制流程
• 管理主機與 USB 設備之間的數(shù)據(jù)流程
• 收集狀態(tài)與活動數(shù)據(jù)
• 為外接的 USB 設備供電
• USB系統(tǒng)軟件
• 管理主機與設備間以下五個方面的互動情況
• • 設備列舉與配置
  • 同步數(shù)據(jù)傳輸
  • 異步數(shù)據(jù)傳輸
  • 電源管理
  • 設備與總線管理信息

??? 大多數(shù)操作系統(tǒng)現(xiàn)在還包括一系列“類驅(qū)動程序”，可便于外設的連接。類驅(qū)動程序使外設廠商能提供操作系統(tǒng)軟件原生支持的產(chǎn)品，這樣就節(jié)約了開發(fā)驅(qū)動程序的成本，并能為新的主機系統(tǒng)提供驅(qū)動程序，而且新的存儲設備推出后，外設直接就能支持驅(qū)動程序。大多數(shù)操作系統(tǒng)支持的一些常見的類驅(qū)動程序，其中包括音頻類、人機接口設備 (HID) 類、影像類、海量存儲類、打印機類以及視頻類等。目前許多廠商都利用上述類驅(qū)動程序來實現(xiàn)產(chǎn)品功能，不過他們同時也提供定制驅(qū)動程序或應用軟件，以支持類驅(qū)動程序規(guī)范之外的更多功能。

什么是集線器？

??? 最簡單的方法，就是將 USB 集線器設想為一種分離器和中繼器的統(tǒng)一體。集線器提供USB 設備與主機之間的電子接口。集線器直接負責支持 USB 的眾多屬性，給用戶提供友好的界面并避免遇到復雜的使用問題。除為主機實施提供接口外，集線器還能夠提供更多接口（充分發(fā)揮分離器功能），而且還能將上游端口（連接到主機）上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较掠味丝冢ㄟB接到目標設備），從而發(fā)揮中繼器的作用。集線器負責檢測下游端口上的連接和斷連事件，并向主機報告有關信息。集線器必須能支持下游端口上連接的任何速度規(guī)范的各類 USB 外設（詳見以下有關內(nèi)容）。集線器還必須能夠檢測并恢復由于目標設備錯誤狀態(tài)(error condition)造成的任何總線故障。

?

??? 此外，集線器還負責管理下游端口的供電，向主機報告供電問題，并向用戶發(fā)出通知。有關規(guī)范制定了兩種集線器供電類型，一種是總線供電；一種是自供電。

?

??? 總線供電集線器從上游端口獲得所有電力，不過加電時只能從上游連接獲得最大 100mA 的電流，經(jīng)過配置，最終獲得的電流不超過 500mA。全面配置后，要在集線器、不可移除的功能設備（復合設備）及外部端口間分配電力?？偩€供電集線器需要為每個下游端口提供 100mA的電流，這樣，在總線供電集線器上，能給下游供電的外部（用戶可以直接使用的）端口不能超過 4 個。由于每個端口電流為 100mA，共有四個端口，那么下游連接的可用電流就是 400mA。要是再增加第五個下游端口的話，這個端口也需要100mA的電流，這就造成集線器本身沒有電流可用了?？偩€供電集線器可以提供 4 個外部下游端口以及一個或更多內(nèi)部端口，但前提是集線器本身以及連接到內(nèi)部端口上的所有功能設備的耗電總和不到100mA。

?

??? 自供電集線器從局部電源獲得電力，比如墻上變壓器或其它局部電源。其電力并不來自上游連接。自供電集線器可從上游端口獲得最高 100mA 的電流，這樣在集線器其它部分斷電時，該端口也能發(fā)揮作用。自供電集線器應為每個下游端口提供 500mA 的電流。盡管規(guī)范并沒有限定自動電集線器可支持的下游端口數(shù)量，但在實踐中，通常不超過7個端口，這主要是出于供電方面的考慮。7 端口集線器的電源電流必須超過3.5A（共 7 個端口，每個端口電流500mA）才能確保集線器正常工作。

什么是外設？

??? 我們大多數(shù)人都是通過 USB 外設熟悉 USB 的。目前常見的 USB 外設包括鍵盤、鼠標、打印機、閃存棒、外部驅(qū)動、便攜式音頻播放器和數(shù)碼相機 (DSC) 等。就規(guī)范而言，外設可分為執(zhí)行特定功能的邏輯或物理外設。從最基本的角度說，外設可以看作是單個的硬件組件，如閃存設備。從高級角度說，外設可以是執(zhí)行功能的一系列硬件組件，如包括鍵盤、生物識別指紋讀取器和滾動設備在內(nèi)的人機接口設備。

?

??? 規(guī)范定義了外設支持的四種數(shù)據(jù)傳輸。控制傳輸用于為主機提供有關外接設備類型與功能的信息。所有設備都必須支持控制傳輸。另外三種傳輸類型分別為中斷傳輸、批量傳輸及同步傳輸，可根據(jù)應用的數(shù)據(jù)處理方式進行選擇。如果外設需要被主機定期輪詢，檢查是否需向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，那么就應采用中斷傳輸。鍵盤、鼠標和游戲桿就是采用中斷傳輸?shù)牡湫驮O備；如果數(shù)據(jù)完整性非常重要，而不太在意數(shù)據(jù)時延，那么就要用批量傳輸在主機系統(tǒng)與外設之間傳輸數(shù)據(jù)。此外，這種傳輸還支持糾錯功能，在檢查到錯誤時可以重新傳輸。打印機、掃描儀和存儲設備都是采用批量傳輸機制的典型設備；同步傳輸用于“實時”數(shù)據(jù)的轉移。在這種情況下，數(shù)據(jù)流比數(shù)據(jù)的準確性更為重要，同步傳輸不支持糾錯和重新傳輸功能。網(wǎng)絡攝像頭、揚聲器和擴音器等是采用同步傳輸機制的典型應用。

?

??? 與集線器一樣，這種規(guī)范也定義了兩種通用外設電源類，分別為總線供電外設和自供電外設。總線供電外設進一步分為低功耗總線供電功能設備和高功耗總線供電功能設備。在兩種情況下，設備所有用電均來自上游連接。低功耗總線供電設備隨時都會獲得 100mA 電流，而高功耗總線供電設備可在配置前獲得 100mA電流，在工作期間則能得到規(guī)范要求的最大 500mA 電流。自供電功能設備的條件限制與自供電集線器一樣，其電力并不來自上游連接。自供電功能設備可從上游端口獲得最高 100mA 的電流，這樣在功能外設其它部分斷電時，該USB 接口也能發(fā)揮作用。所有其它電力都用外部電源提供。此外，外設必須支持低功耗休眠模式，使電流消耗低于 500uA，這樣計算機就能將設備從掛休眠模式中喚醒。

?

??? 近期，支持 USB 功能的電池供電設備廣泛推廣，主要是便攜式媒體播放器大幅流行，這就向 USB電源管理提出了新的挑戰(zhàn)。如果設備通過 USB 連接充電的話，那么這一問題就會變得尤其突出。電池供電設備必須遵循標準外設的規(guī)則。這種設備如何報告自己，將決定它們能從上游連接獲得多少充電電流，也包括能否支持休眠模式。這方面的技術挑戰(zhàn)甚至高過電池完全放電后的設備需要高電流來啟動充電方面的難題。

USB 2.0是一種規(guī)范，而不是指速度本身

??? 現(xiàn)在，您已經(jīng)了解了USB規(guī)范發(fā)展的一些歷史背景，接下來我們不妨來看看該技術目前的發(fā)展狀況。目前常用的標準為USB 1.1、USB 2.0、USB-OTG、WUSB 和 OTG。在許多情況下，這些不同標準會使工程師和最終用戶產(chǎn)生混淆。最早的 USB 1.0 規(guī)范發(fā)布于 1996 年 1 月，定義了兩種設備速度，即 1.5 Mbps 的低速 (LS) 和 12 Mbps 的全速 (FS)。該規(guī)范在 1998 年 7 月經(jīng)過修訂，隨后發(fā)布了 USB 1.1 規(guī)范，實現(xiàn)了較大升級改進。2000 年 4 月，該規(guī)范又進行了大規(guī)模更新，隨后發(fā)布了 USB 2.0。這一版本也是現(xiàn)行版本，全面超越了 USB 1.1。USB 2.0 的優(yōu)勢在于，它能全面向后兼容于 USB 1.1 設備，同時它也增加了需求極高的第三種設備速度，即480 Mbps的高速，同時也能繼續(xù)支持低速和全速模式。2003 年 7月，USB OTG 文件發(fā)布，定義了面向便攜式電池供電設備的新一類設備。最后，于 2005 年 5 月，發(fā)布了 Wireless USB 規(guī)范。

?

??? USB 應用廠商論壇 (USB-IF) 建立了認證徽標許可證計劃(Certified Logo License Program)，確保提高最終用戶的使用體驗。為了有權使用認證徽標，設備必須通過 USB-IF 的認證測試，其中包括規(guī)范兼容性測試和操作性測試。對標準的 USB 設備來說，共有兩種認證徽標，第一種（見圖4.1）用于最高數(shù)據(jù)傳輸速度支持低速或全速標準的設備；第二種（見圖 5.1）用于最高數(shù)據(jù)傳輸速度支持高速標準的設備。

圖 4.1：最高數(shù)據(jù)傳輸速度支持低速或全速標準設備的認證徽標

圖 5.1：最高數(shù)據(jù)傳輸速度支持高速標準設備的認證徽標

?

??? USB OTG 是 USB 2.0 規(guī)范的補充標準，定義了一種新的設備類型。這類設備旨在擴展外設產(chǎn)品的功能，增加了有限的主機功能。如這一標準的名稱所示，該規(guī)范的最初目標就是面向便攜式設備，讓最終用戶在沒有電腦的時候也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。比方說，在兩部 PDA 或手機間共享聯(lián)系人信息，在 DSC 和拍照手機之間共享照片，或者直接從 DSC 或 PDA 進行打印。

?

??? 和標準的 USB 一樣，OTG 也是一種點對點、以主機為中心的總線，不旨在成為一種點對點網(wǎng)絡連接。OTG 產(chǎn)品連接到 PC 等標準的 USB 主機時，必須作為標準的外設工作。OTG 補充標準要解決的主要問題，就是設備在作為主機時能發(fā)揮什么作用。就像標準的 USB 主機端口（或下游集線器端口）一樣，OTG 主機必須提供電力。不過，所需的供電電流僅限于 8 mA。與 PC 中的標準 USB 主機不同，OTG 設備不能為未識別設備簡單添加驅(qū)動程序。因此，OTG 設備必須提供所謂的目標外設表，這樣，設備制造商就能明確到底支持哪些設備。該規(guī)范還要求提供某種消息顯示功能，這樣就能告訴最終用戶是否插入了不能支持的設備，該設備不能工作。這種消息可以通過簡單的 LED 顯示，也能以復雜的文本方式顯示。此外，OTG 補充標準還定義了兩種新協(xié)議。主機交流協(xié)議 (HNP) 定義了主機和設備角色間動態(tài)轉換的方法，而會話請求協(xié)議 (SRP) 則提供了主機設備自行決定總線供電開關的方法。

與標準的 USB 一樣，USB-IF 也為 OTG 設備提供了認證徽標許可證計劃 (Certified Logo License Program)。圖 6.1 顯示了最高數(shù)據(jù)傳輸速度支持低速或全速標準的 OTG 設備認證徽標，而圖 7.1 則顯示了支持高速 OTG 連接的設備認證徽標。

圖 5.1：OTG 設備的認證徽標許可證計劃

圖 6.1：高速設備的認證徽標許可證計劃

?

??? Certified WUSB是 USB 規(guī)范的最新版本。它定義了一種無線接口，可以將有線 USB 連接技術的高速和安全性與無線技術的易用性相結合。Certified WUSB 將通過 WiMedia Alliance 開發(fā)的常見的 WiMedia MB-OFDM 超寬帶 (UWB) 無線電平臺來支持穩(wěn)健的高速無線連接。過去幾年來，已經(jīng)推出了一些 WUSB 設備，他們采用專有的低帶寬連接方式，主要面向鍵盤和鼠標等 HID 設備。這種連接與 USB-IF 開發(fā)和推廣的 Certified WUSB 規(guī)范并不相同。此外，近期媒體還介紹了一種極具競爭力的 UWB 技術，正作為無線纜 USB 技術得到推廣宣傳。不過，這種技術也和 Certified WUSB 不同，需要采用一種極具競爭力的無線電技術。這兩種實施方案互相之間并不兼容。UWB 技術提供了一種高帶寬、低成本、低功耗的解決方案，設備能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。Certified WUSB 的優(yōu)勢則在于：

• 速度：
  • 3 米連接距離時速度高達 480Mbps
  • 10 米連接距離時速度高達 110 Mbps
• 電源管理：
  • 支持休眠、聆聽、喚醒和節(jié)能模式，確保只有用戶建立連接時才耗電。
• 安全性：
  • 通過內(nèi)置協(xié)議和認證程序?qū)崿F(xiàn)最佳數(shù)據(jù)安全性。
  • 在傳輸過程中進行數(shù)據(jù)加密。
• 易用性：
  • 像有線 USB 連接一樣易于安裝與設置，而且省去了線纜連接的繁瑣。
• 向后兼容性：
  • 與所有傳統(tǒng)有線 USB 設備實現(xiàn)互操作性。

??? USB-IF 也提出了 Certified WUSB 產(chǎn)品的認證徽標許可證計劃，最終用戶通過該徽標可識別出通過互操作性和兼容性認證的產(chǎn)品。圖 7.1為 WUSB 徽標。

圖 7.1：WUSB 徽標

哪種 USB 適合您的需要？

??? 至此，本文回顧了 PC 外設發(fā)展的簡史、對通用接口的需求以及 USB 規(guī)范的演進。我們還討論了 USB 規(guī)范本身及其對最終用戶使用體驗的影響。最后，我們還回顧了USB 規(guī)范發(fā)展的過程，并介紹了目前普遍使用的幾種不同的 USB 版本。在第二部分中，我們將探討幾種常見應用，并介紹各個應用最適合采用哪種版本的 USB。

關于作者：

??? Dan Harmon 過去六年來一直擔任德州儀器 (TI) 通用接口連接產(chǎn)品部的產(chǎn)品線市場營銷經(jīng)理。其在 TI 工作的 20 年間，成功設計了夜視 FLIR 系統(tǒng)，并曾擔任 CCD 影象產(chǎn)品部的相機設計工程師，隨后成為 CCD 產(chǎn)品市場營銷工程師。Dan Harmon 自代頓大學(University of Dayton)獲得電子工程學士(BSEE)學位，并自得克薩斯大學阿靈頓分校(University of Texas in Arlington)獲得電子工程碩士(MSEE)學位。Dan 的電子郵件為：dharmon@ti.com。

??? TM — 所有商標均為其各自所有者的財產(chǎn)。

?

?