軟硬兼“識”USB

（2000-12-28·黑雨·天極硬件）

我相信大家都對USB有一定的了解了吧。但是也不能排除有不懂的，不過沒關系。下面我就把這一較新的計算機外設接口技術－－USB來個全面介紹。讓大家對USB有個徹底的認識。

<> 概念篇 

　　由于多媒體技術的發展對外設與主機之間的數據傳輸率有了更高的需求，因此，USB總線技術應運而生。USB（Universal Serial Bus)翻譯為中文就是通用串行總線，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現數字多媒體集成。

　　USB接口的主要特點是：即插即用，可熱插拔，具有自動配置能力，用戶只要簡單地將外設插入到PC以外的總線中，PC就能自動識別和配置USB設備。而且帶寬更大，增加外設時無需在PC內添加接口卡，多個USB集線器可相互傳送數據，使PC可以用全新的方式控制外設。

　　現在滿足USB要求的外設有：調制解調器，鍵盤，鼠標，光驅，游戲手柄，軟驅，掃描儀，音箱等。USB總線標準由1.1版升級到2.0版后，傳輸率由12Mbps增加到了240Mbps，更換介質后連接距離由原來的5米增加到近百米。基于這點，USB也可以做生產ISDN以及基于視頻的產品。USB總線結構簡單，信號定義僅由2條電源線，2條信號線組成。 

1. 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轉換。

　　USB是基于令牌的總線。類似于令牌環網絡或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（Root Hub)，控制著USB總線上的數據和控制信息的流動，每個USB系統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。 


2. USB的軟件結構

　　每個USB只有一個主機，它包括以下幾層: 

(1)USB總線接口
　　USB總線接口處理電氣層與協議層的互連。從互連的角度來看，相似的總線接口由設備及主機同時給出，例如串行接口機（SIE）。USB總線接口由主控制器實現。

(2)USB系統
　　USB系統用主控制器管理主機與USB設備間的數據傳輸。它與主控制器間的接口依賴于主控制器的硬件定義。同時，USB系統也負責管理USB資源，例如帶寬和總線能量，這使客戶訪問USB成為可能。USB系統還有三個基本組件：

　　主控制器驅動程序（HCD：把不同主控制器設備映射到USB系統中。HCD與USB之間的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系統定義，通用主控制器驅動器（UHCD）處于軟結構的最底層，由它來管理和控制主控制器。UHCD實現了與USB主控制器通信和控制USB主控制器，并且它對系統軟件的其他部分是隱蔽的。系統軟件中的最高層通過UHCD的軟件接口與主控制器通信。

　　USB驅動程序（USBD）：它在UHCD驅動器之上，它提供驅動器級的接口，滿足現有設備驅動器設計的要求。USBD以I/O請求包（IRPs)的形式提供數據傳輸架構，它由通過特定管道（Pipe)傳輸數據的需求組成。此外，USBD使客戶端出現設備的一個抽象，以便于抽象和管理。作為抽象的一部分，USBD擁有缺省的管道。通過它可以訪問所有的USB設備以進行標準的USB控制。該缺省管道描述了一條USBD和USB設備間通信的邏輯通道。

　　主機軟件：在某些操作系統中，沒有提供USB系統軟件。這些軟件本來是用于向設備驅動程序提供配置信息和裝載結構的。在這些操作系統中，設備驅動程序將應用提供的接口而不是直接訪問USBDI（USB驅動程序接口）結構。 

（3）USB客戶軟件
　　它是位于軟件結構的最高層，負責處理特定USB設備驅動器。客戶程序層描述所有直接作用于設備的軟件入口。當設備被系統檢測到后，這些客戶程序將直接作用于外圍硬件。這個共享的特性將USB系統軟件置于客戶和它的設備之間，這就要根據USBD在客戶端形成的設備映像由客戶程序對它進行處理。

主機各層有以下功能：

- 檢測連接和移去的USB設備。
- 管理主機和USB設備間的數據流。
- 連接USB狀態和活動統計。
- 控制主控制器和USB設備間的電氣接口，包括限量能量供應。
- HCD提供了主控制器的抽象和通過USB傳輸的數據的主控制器視角的一個抽象。
- USBD提供了USB設備的抽象和USBD客戶與USB功能間數據傳輸的一個抽象。

　　USB系統促進客戶和功能間的數據傳輸，并作為USB設備的規范接口的一個控制點。USB系統提供緩沖區管理能力并允許數據傳輸同步于客戶和功能的需求。 


3. USB的數據流傳輸 

　　主控制器負責主機和USB設備間數據流的傳輸。這些傳輸數據被當作連續的比特流。每個設備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由0個或多個管道組成，它們分別獨立地在客戶程序和設備的特定終端間傳輸數據。USBD為主機軟件的現實需求建立了接口和管道，當提出配置請求時，主控制器根據主機軟件提供的參數提供服務。

　　USB支持四種基本的數據傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸及數據塊傳輸。每種傳輸模式應用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質。

　　控制傳輸類型：支持外設與主機之間的控制，狀態，配置等信息的傳輸，為外設與主機之間提供一個控制通道。每種外設都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設之間就可以傳送配置和命令/狀態信息。 

　　等時（lsochronous)傳輸類型：支持有周期性，有限的時延和帶寬且數據傳輸速率不變的外設與主機間的數據傳輸。該類型無差錯校驗，故不能保證正確的數據傳輸，支持像計算機－電話集成系統（CTI）和音頻系統與主機的數據傳輸。

　　中斷傳輸類型：支持像游戲手柄，鼠標和鍵盤等輸入設備，這些設備與主機間數據傳輸量小，無周期性，但對響應時間敏感，要求馬上響應。

　　數據塊（Bulk)傳輸類型：支持打印機，掃描儀，數碼相機等外設，這些外設與主機間傳輸的數據量大，USB在滿足帶寬的情況下才進行該類型的數據傳輸。

　　USB采用分塊帶寬分配方案，若外設超過當前帶寬分配或潛在的要求,則不能進入該設備。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數據按一定的速率傳送。集中和控制終端按可用的最佳帶寬來傳輸傳輸數據。

<> USB應用篇

　　USB連接器可以輕松地為計算機添加設備，同時不占用計算機的并口和串口。只要將設備一插就可以使用了。但它有時也難以使用。

一. 讓計算機支持USB 

　　現在大部分的計算機都有USB端口。而一些老式的計算機則沒有USB端口的，只有USB連接器，但它是不起作用的，你可以在啟動計算機時查看BIOS，確定它是否支持USB。你可選擇USB　Legacy支持選項（如果有該選項的話）。如果你的老式主板真的不支持USB設備，你只有去買一塊USB連接卡，這就可以把USB設備添加到你的計算機里了。 

二. 讓WINDOWS系統支持USB 

　　現在的WINDOWS　98對很多外設都提供了全面的支持。只有WINDOWS　3.X及更早版本的WINDOWS及WINDOWS　NT都不支持USB，如果你想查看你的計算機是否安裝了USB控制器，可進入“控制面板”，雙擊其中的“系統”圖標，然后選擇“設備管理器”選項卡。你就會看到“通用串口總線控制器”點擊該控制器，你會看到兩個項目：Universal Host Controller和Unicersal Root Hub。如果你還沒有安裝USB的驅動程序，則從你的WINDOWS安裝光盤的\OTHER\USB文件夾中找到這些項目，雙擊Usbsupp.exe即可安裝USB驅動程序。