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USB 概述 (一)

ronger 1 月前
# USB

USB 全称为 Universal Serial Bus,即通用串行总线,是计算机上的一种新型的接口技术。由于 USB 接口有传输速率高、体积小、可向外供电等特点,使得计算机和外部硬件设备之间的连接和使用都十分方便。目前,计算机的外围设备如鼠标、键盘、移动硬盘、打印机等都开始采用 USB 接口来实现。甚至,现在正在开发 USB 接口的外置显卡。在测控系统的设计工作中,也越来越多地采用高速 USB 接口技术,如高速数据采集等。了解和掌握 USB 的应用与设计已成为现代电子系统设计的一个重要部分,是电子工程师的重要技能之一。

本章内容包括:

  • USB 的产生
  • USB 总线特点

1.1 USB 的产生

计算机具有良好的扩展性,依赖于其具备多种通信接口,如 RS-232、RS-485、并行接口、ISA 接口、PCI 接口和 PS/2 接口等。这些接口最初是在 20 世纪 80 年代由美国的 IBM 公司设计并广范应用于计算机上的,但是这些接口存在很多缺陷。

1.规范不统一

这些老式接口大部分都是专用的,各自有各自的接口协议和连接器。例如,PS/2 用来接鼠标和键盘;RS232 用来进行串行通信;并行接口用来接打印机等。这些种类繁多的接口和协议规范给用户带来了极大的不便。

2.体积庞大

RS232、RS485、并行接口、ISA 接口、PCI 接口和 PS/2 接口等老式接口体积比较大,占据了机箱和主板的很大面积,这样不利于计算机的小型化。目前,便携式计算机基本上已经没有这些接口了,否则计算机的“便携”是无法实现的。

3.扩展性差

这些老式接口一般只支持连接一个设备,无法扩展多个设备同时工作。如通过并行接口只能连接一台打印机,而不能连接多台。计算机主板上的接口数目是有限的,但随着工作和生活中大量外设的出现,计算机的接口无法扩展,显得很紧张。

4.不支持热插拔

计算机主板上的老式接口一般均不支持热插拔,即在更改硬件连接后,需要重新启动计算机才能使硬件生效而正常工作。这主要是因为这些接口采用传统的 I/O 模式。当在计算机上连接外部设备时,外部设备被映射为 CPU 的 I/O 地址空间,同时被分配一个特定的中断请求 IRQ 或 DMA 通道。这种接口连接模式往往存在 I/O 地址冲突、指定的中断请求 IRQ 或 DMA 通道被占用的情况。此时,为了使该设备或新的设置生效,往往需要重新启动计算机,这使得外部设备与计算机的连接十分麻烦。
随着技术的发展和计算机应用的需要,上述问题越来越制约计算机的使用。因此,需要一个新型的计算机接口来解决这些问题。此时 USB 应运而生。USB 是一种外部设备与计算机进行连接通信的新型接口技术。1994 年 11 月,USB 规范由 Compaq、Digital Equipment、IBM、Intel、Microsoft、NEC 和 Northern Telecom 等 7 家公司共同提出。USB 接口技术的出现完美地解决了上述问题,简化了外部设备与计算机的连接过程,使计算机的外部设备扩展更加灵活方便。目前,各种计算机外部设备都在逐渐改为 USB 接口,大有取代其他接口的趋势。

1.2 USB 总线特点

USB 技术的出现,可以说是计算机接口技术的一大飞跃。目前,USB 以接口体积小巧、支持热插拔、即插即用、兼容性好、节省系统资源和成本低等优点迅速普及开来。USB 接口是一种新型、高效、快速、价格低廉、体积小巧和支持热插拔的串行通信接口,并且可支持多个外部设备的连接和通信。USB 接口即插即用的特点,可以在不重新启动计算机的情况下,直接将外部设备连接到计算机的 USB 接口并开始工作。
注意以下内容均针对 USB 1.1 和 USB 2.0 标准进行分析。USB 3.0 各项性能将在本书最后一篇中集中讲解。
USB 总线接口及其规范与计算机上老式的接口相比,具有以下优点:

  • 与计算机上的老式接口相比,USB 接口体积小巧,具有很明显的体积优势。在目前计算机小型化和集成化的趋势中,得到了广泛的应用。例如,笔记本电脑基本都配备了多个 USB 接口。
  • USB 为共享式接口技术,支持多个外设的连接,其采用了“菊花链”式的扩展连接方式。多个 USB 设备可以通过 USB 集线器连接到同一个计算机 USB 端口。USB 规范中规定,一个 USB 主控制器可以连接最多 126 个外部设备,大大加强了计算机的设备和功能扩展能力。
  • USB 支持即插即用技术。当计算机上新连接一个 USB 设备时,操作系统自动扫描监测硬件的连接,通过对该设备的识别来加载对应的驱动程序。这样,USB 设备便可以正常工作。USB 接口的即插即用技术实现了设备的自动配置,无需任何用户手动配置,也不必每次连接设备都重启计算机。
  • USB 支持热插拔技术。用户可以随时断开 USB 设备与计算机的连接,此时操作系统扫描到硬件的改动,自动停止该设备的资源。
  • 计算机为 USB 主控制器分配一根 IRQ 线和一些 I/O 地址,USB 主控制器再为外部设备分配唯一的地址。这样,可以大大节省系统的硬件资源。
  • USB 接口技术支持 3 种数据传输速率操作,包括低速 1.5Mbit/s、全速 12Mbit/s 和高速 480Mbit/s。这样便于不同的外部设备选择合适的数据传输速率来实现。
  • USB 接口技术支持 4 种类型的传输模式:块传输、中断传输、同步传输和控制传输,可以满足不同外部设备的功能需要。
  • USB 接口技术性价比高。目前,随着技术的发展和 USB 设备的普及,USB 的主控芯片、从控芯片以及 USB 电缆等价格都已十分低廉,USB 接口的性价比日益提高。
  • USB 接口具有外部供电能力。计算机上的 USB 接口最大可以输出 500mA 的电流,输出电压为 5V,符合大多数的微处理器系统。USB 协议中制定了完备的电源管理方式,可以大大节省计算机和外部设备的功耗。
  • USB 接口具有良好的兼容性。随着技术的发展,USB 规范包括 USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0,以及无线 USB 和 USB OTG 等多个版本。这些 USB 规范协议都具有良好的向下兼容性。

这里将 USB 接口和其他主要计算机接口的性能进行比较,如表 1.1 所示。

表 1.1 常用计算机接口性能比较

早期的 USB 1.0 协议要求 USB 低速设备的电缆长度小于 3m,USB 全速设备的电缆长度小于 5m。后来,新的 USB 1.1 协议和 USB 2.0 协议中对电缆长度无特殊要求。从表中可以看出,USB 接口在速度、可扩展性等方面具有很大的优势,目前得到了广泛的应用。

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