详解生活中无处不在的USB接口技术

文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

十多年前，USB总线进入主流视野，提供了一个全新的存储方向，并用一个统一的标准把众多外设都全部拉入自己的阵营。这是他们为整个行业带来的巨大贡献。

USB是英文Universal Serial BUS的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为3.0版本，是目前电脑中的标准扩展接口。

目前主板中采用的各种版本间能很好的兼容。USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有USB插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用。而且USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过Hub扩展出更多的接口。

USB具有传输速度快（USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps, USB3.0是5 Gbps），使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。

USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。 

USB设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： 

1、可以热插拔

这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将USB电缆插上使用。 

2、携带方便

USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了。 

3、标准统一

大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。 

4、可以连接多个设备

USB在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有四个端口的USB HUB时，就可以再连上；四个USB设备，以此类推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题。

一个USB系统可以从三个方面加以描述：USB互连、USB从端口和USB主端口。

USB互连

USB互连是指一个USB主端口（USB Host）与USB从端口相连并和其通信的方式，它包括以下几方面。

总线的拓扑结构：USB主端口和USB从端口的连接模式。

数据流模型：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式。

任务规划：USB提供多个从端口共享的连接，对USB从端口必须进行规划以分配带宽。

USB的总线拓扑结构如图所示，它是一个星型结构，集线器（Hub）位于每个星型结构的中心，USB协议规定最多允许5级集线器进行级连。这种集线器级连的方式使得外设的扩展很容易。

数据流模式对于USB设备很关键。USB协议支持以单向或双向的方式，在USB主端口和一个USB设备之间交换功能数据和控制信息。USB的数据传输是在主端口和一个USB从端口上的特定端点之间进行的，一个给定的USB从端口支持多个数据传输端点。USB主端口将分别处理一个USB从端口的任一端点与其他端点上的通信，这种主端口和一个USB从端口之间的联系称为管道。

在USB技术的体系结构中有基本的数据传送类型，任一给定的管道都必须能够支持其中的一种传输方式。

USB从端口

USB从端口包括USB集线器和功能设备（Function）两大类。它们都必须有标准的USB接口，理解USB协议，支持标准的USB操作（如配置、复位等）。它们的描述信息也必须具有USB协议定义的标准格式。集线器为USB总线提供扩展和连接；功能设备是具有一定特殊应用功能的设备，它能发送数据到主机，也可以接收来自主机的数据和控制信息。

USB主端口

USB主机是USB系统的核心，在一个USB系统中只有一个主端口主端口的USB接口称为USB控制器，通过它主机和外围USB设备进行通信。在主机中还集成了一个根集线器（Root Hub），用于直接与外设相连或与一般USB Hub级连。

主机所具有的功能包括：

1、检测USB设备的插入和拔出。

2、管理主机与设备之间的数据流。

3、对设备进行必要的控制。

4、收集各种状态信息。

5、对插入的设备供电。

6、ARM内部集成了USB控制器，可以接出USB Host端口，用于系统调试。

启动主机后，它会查询所有与总线相连的设备，并为每个设备分配一个地址。这个过程称为列举（enumeration）——在将设备连接到总线时，主机也会列举它们。此外，主机还会查出每台设备要执行的数据传输类型。

中断——鼠标或键盘等设备发送的数据非常少，它们会选择中断模式。

批量——打印机等设备接收的数据包含在一个大的数据包中，它们会使用批量传输模式。这种模式会将大块数据发送到打印机（块的大小为64个字节），并对这些数据进行验证，以确保它们的正确性。

同步——流式设备（如扬声器）都使用同步模式。在这种模式下，设备与主机之间的数据是实时传输的，其间没有数据纠正过程。

此外，主机还可以通过控制数据包发送命令或查询参数。

列举设备时，主机会一直跟踪所有同步和中断设备所请求的总带宽情况。如果总带宽为480Mbps，这些设备最多可占用90%的带宽。在用完这部分带宽后，主机就会拒绝访问任何其他同步或中断设备，控制数据包和用于批量传输的数据包将使用剩下的带宽（至少有10%）。

通用串行总线会将可用带宽分成多个帧，而主机则控制着这些帧。每个帧包含1,500个字节的数据，每隔一毫秒就会启动一个新帧。在形成帧的过程中，将为同步和中断设备分配一个槽，以便保证它们得到所需要的带宽。批量和控制传输将使用剩下的空间来传输数据。

A型USB插头（plug）和A型USB插座（receptacle）

引脚顺序（左侧为Plug，右侧为Receptacle）：

引脚定义：

封装尺寸（单PIN Receptacle）：

B型USB插头（plug）和B型USB插座（receptacle）

引脚顺序（左侧为Plug，右侧为Receptacle，注意箭头所指斜口向上，USB端口朝向自己）：

引脚定义、封装尺寸均与A型USB引脚说明相同。

封装尺寸（单PIN Receptacle）：

Mini B型USB插头（plug）和Mini B型USB插座（receptacle）

引脚顺序（左侧为Plug，右侧为Receptacle，注意宽边在上，USB端口朝向自己）：

引脚定义：

封装尺寸（Receptacle）：

USB接口技术的不同版本

USB 1.0

USB 1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mb/s(位每秒)； 1998年升级为USB 1.1，速度也大大提升到12Mb/s，在部分旧设备上还能看到这种标准的接口。

USB1.1是较为普遍的USB规范，其高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps（b是Bit的意思），b/s 一般表示位传输速度，bps 表示位传输速率，数值上相等。B/s与b/s，BPS(字节每秒)与bps（位每秒）不能混淆。1MB/s（兆字节/秒）=8Mbps（兆位/秒），12Mbps=1.5MB/s，大部分MP3为此类接口类型。

USB2.0

USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps，折算为MB为60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0中的“增强主机控制器接口”（EHCI）定义了一个与USB 1.1相兼容的架构。它可以用USB 2.0的驱动程序驱动USB 1.1设备。也就是说，所有支持USB 1.1的设备都可以直接在USB 2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。 

使用USB为打印机应用带来的变化则是速度的大幅度提升，USB接口提供了12Mbps的连接速度，相比并口速度提高达到10倍以上，在这个速度之下打印文件传输时间大大缩减。USB 2.0标准进一步将接口速度提高到480Mbps，是普通USB速度的20倍，更大幅度降低了打印文件的传输时间。 

USB 3.0

由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0 Promoter Group宣布，该组织负责制定的USB 3.0标准已经公开发布。新规范提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率，可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。 

USB 3.0在实际设备应用中将被称为“USB SuperSpeed”，顺应此前的USB 1.1 FullSpeed和USB 2.0 HighSpeed。