USB入门

USB入门系列之一 —— USB概述

 

 

USB是什么呢？一说USB是You SB的意思，即“你傻B”的意思。另一种说法是USB其实是美国的弟弟，因为美国叫USA，USB当然是他的弟弟了。

    那么USB到底是什么呢？其实USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)的简写，它已经有了10多年的历史了。USB协议出现过的版本有USB1.0，USB1.1，USB2.0。由于USB是主从模式，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为了解决这个问题，扩大USB的使用范围，就出现了USB OTG(On The Go)。USB OTG的做法是，同一个设备，在不同的场合下可以在主机或从机之间切换。在USB1.0和USB1.1版本中，只支持1.5Mbps的低速(Low Speed)模式和12Mbps的全速(Full Speed)模式。在USB2.0中，又加入了480Mbps的高速(High Speed)模式。值得注意的是，USB2.0并不是高速设备的代名词，详述请看《误区：关于USB2.0和USB高速传输模式》一文。

    USB具有很多优点，例如即插即用，容易使用，方便携带，传输速度快，可扩展性强，标准统一，价格便宜等等。目前流行的USB设备有移动硬盘，数码相机，MP3，U盘，USB鼠标、键盘、游戏杆，USB MIDI键盘，USB摄相头，USB打印机，USB扫描仪，USB声卡，USB话筒，USB网卡，USB显示器，USB电话，具有USB口的各种仪表仪器等等，只要是能跟电脑打交道的，就基本上可以通过USB来实现，足见USB功能的强大。

    然而USB也有一些缺点，例如传输距离短，开发、调试较困难等等。当然，它还有一个更大的缺点，那就是你发现要找出它的缺点很件很令人头疼的事情。

USB入门系列之二 —— USB的连接模型

USB是一种主从结构。主机叫做Host，从机叫做Device（也叫做设备），集线器也被当作一种特殊的设备处理。USB的数据交换只能发生在主机和设备之间，主机和主机，设备和设备之间不能互连。为了在物理上区分主机和设备，使用了不同的插头和插座，这个在USB的连接器一节中会讲到。所有的数据传输都由主机主动发起，而设备只是被动的负责应答。例如，在读数据时，USB先发出读命令，设备收到该命令后，才返回数据。在USB OTG中，一个设备可以在从机和主机之间切换，这样就可以实现设备与设备之间的连接，大大增加了USB的使用范围。但这时依然没有脱离这种主从关系，两个设备之间必然有一个作为主机，另一个作为从机。USB OTG增加了一种MINI USB接头，比普通的4线USB多了一个ID表识线，用来表明它是主机还是设备，这个以后会讲到。
    USB的拓扑结构为金字塔型。由一个USB主控制器出发，下面接USB集线器，USB集线器将一个USB口扩展为多个USB口，多个USB口又可以通过集线器为更多个接口。但USB协议中对集线器的层数是有限制的，USB1.1规定最多为4层，USB2.0规定最多为6层。理论上，一个USB主控制器最多可接127个设备，这是由数据包中的7位地址位决定的，但是实际上不会接这么多的设备。我们所说的一个USB主控制器可以连接多个USB设备，并不是直接简单的将多个设备并联或者串联，而是要由集线器负责端口扩展，才能连接更多的设备。在我们的电脑上，也有一个（或者多个，视USB主控制器的个数而定）集线器，它叫做根集线器，直接连在USB主控制器上。在设备管理器中，我们可以看到USB主控制器和根集线器。如下图所示。USB数据传输路径如下：USB主控制器发出数据包，通过根集线器，再通过下面的集线器（如果有的话），再发给USB设备；设备返回数据，交给它上层的集线器，上层的集线器再交给更上层的集线器，直到USB主控制器为止。而USB主控制器就可以跟CPU打交道了。在标准的PC机上，USB主控制器是挂在PCI总线上的。在Windows中，USB由各种驱动程序负责管理，最后由驱动程序产生功能设备(FDO)，这就是我们所看到的实际设备了。我们的应用程序就可以通过Windows提供的各种API进行访问USB设备了，例如CreateFile，ReadFile，DeviceIOControl等等。

 

USB入门系列之三 —— USB的电气特性

标准的USB使用4根线：5V电源线(Vbus),差分数据线负(D-)，差分数据线正(D+)，地(Gnd)。在USB OTG中，又增加了一种mini接口，使用的是5根线，比标准的USB多了一根身份识别(ID)线。USB使用的是差分传输模式，有两根数据线，分别是D+和D-。在USB的低速和全速模式中，采用的是电压传输模式。而在高速模式下，则是电流传输模式。关于具体的高低电平门限值，请参看USB协议。为了防止出现长时间的0或者1(这样不利于时钟信号的提取)，在发送数据前要经过位填充处理。然后再将数据串行化，发送到数据线上，由两根数据线的差分值来表示0或者1。而在接收端，则刚好是相反的过程。接收端采样数据线，将数据并行化，并同时去掉未填充，然后解析数据。通常，我们使用现成的USB芯片，像位填充，串行化这些芯片内部的硬件已经帮我们做好了，因此通常我们并不用关心这些细节。在设备接收数据时，芯片的串行接口引擎(SIE)会接收属于自己地址的数据，并根据相应的端口号，放到相应的缓冲区内，并返回ACK给主机进行确认，然后产生中断请求，通知我们的程序，已经收到数据包了。在我们还未处理完缓冲区的数据之前，如果再收到对该端点的输出请求，USB芯片将会使用NAK返回，告诉主机端点现在忙，主机检测到NAK后，过段时间会重试输出数据，直到超时为止；发送数据时，用户将数据写入USB芯片的缓冲区，并通知USB芯片缓冲区内数据可用，然后USB芯片检测到主机请求对应的端点输入时，它就会将数据返回，数据发送完毕并收到主机的ACK确认之后，产生中断请求通知应用程序数据已经发送完毕。如果USB芯片已经收到了输入请求，但是用户程序还未填充好缓冲区，它也会用NAK返回，告诉主机数据还未准备好。主机收到NAK后，过段时间会重试，直到超时为止。
         在USB协议中规定，设备在未配置之前，可以从Vbus上最多获取100mA的电流；在配置之后，最多可从Vbus上获取500mA的电流。Vbus是5V的电压，具体的参数请参看USB协议。

USB入门系列之四 —— USB的线缆以及插头、插座

USB是一个标准的协议，因此对线缆、插头、插座等有严格的规范要求。
    在最初的标准里，USB接头有4条线：电源，D-,D+,地线。我们暂且把这样的
叫做标准的USB接头吧。后来OTG出现了，又增加了miniUSB接头。而miniUSB接头
则有5条线，多了一条ID线,用来标识身份用的。标准USB口只有A型和B型。其中每
一型又分为插头和插座，例如A型插头，A型插座等。我们平常电脑上用的那种插
座叫做A型USB插座，而相应的插头，叫做A型插头，例如U盘上那种。而像打印机
上面那个插座，则是B型插座(比较四方的，没电脑上面那种扁)，相应的插头，就
是B型插头。也许你见过一头方一头扁的USB延长线，没错了，扁的那头就叫做A型
插头，而方的那头，就叫做B型插头，而相应的被插的那两个插座，就分别是A型
插座和B型插座了。A型插头是插不进B型插座的，反之亦然。

    miniUSB也分为A型，B型，但增加了一个AB型（不是血型呀，别搞错了，没有
O型^_^）。既然它叫做miniUSB,那么当然它就是很小的了，主要是给便携式设备
用的，例如MP3、手机、数码相机等。USB是一主多从结构，即一个时刻只能有一
台主机。像PC机就是一个主机，其它的只能是设备，因而两个设备之间是无法直
接进行通信的。而USB OTG(on the go)的出现，则解决了这个矛盾：一个设备可
以在某种场合下，改变身份，以主机的形式出现。因而就出现了AB型的miniUSB插
座，不管是A型miniUSB插头，还是B型miniUSB插头，都可以插进去，而靠里面多
出的那条ID线来识别它的身份：是主机还是从机。这样两个USB设备就可以直接连
接起来，进行数据传送了。 像我们MP3上用的那中miniUSB插座，就是B型的
miniUSB插座(注意,有一类miniUSB插座，似乎不是USB规范里面的，因为miniUSB
接头应该有5条线,而这种插座只有4条线)。

    由于USB是支持热插拔的，因此它在接头的设计上也有相应的措施。USB插头的地引脚

和电源引脚比较长，而两个数据引脚则比较短，这样在插入到插座中时，首先接通电源

和地，然后再接通两个数据线。这样就可以保证电源在数据线之前接通，防止闩锁发生。

    至于USB电缆，通常我们不怎么关心，买现成的就行了，除非你是生产USB线
缆的。在全速模式下需要使用带屏蔽的双绞电缆线，而低速模式模式则可以不使
用屏蔽和双绞。此外，USB协议规定，USB低速电缆长度不得超过3米，而全速电缆
长度不得超过5米。这是因为线缆传输有延迟，要保证能够正确响应，就不能延迟
太多。USB标准规定了里面信号线的颜色，其中Vbus为红色，D-为白色，D+为绿色
，GND为黑色。然而，我见过很多USB线缆并没有遵循标准，所以大家在使用时要
小心，用表测量一下比较可靠。

    更详细的数据，例如封装尺寸等，请参看USB协议。

    附图：各种USB插头和插座，来自USB协议。