USB接口规格与系统要求最大电缆长度

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是用于将适用USB的外围设备连接到主机的外部总线结构，其主要是用在中速和低速的外设。

USB的电缆有四根线，其中两根传送的是5V电源，对于一些外设可以直接利用它来供电；另外两根是数据线，数据线是单工的，在整个的一个系统中的数据传输速率是一定的，要么是高速，要么是低速。

USB是由Intel、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准，它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并行接口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB1.1的最高传输速率可达12Mbit/s，比RS-232C串行接口快100倍，比并行接口快近10倍，而且USB还能支持多媒体技术。

1.USB的优点

相对于之前的接口技术，USB具有如下的优点：

1）USB为所有的USB外设提供了单一的易于使用的标准连接类型，这样就简化了USB外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务，实现了单一的数据通用接口。

2）整个的USB系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。

3）USB支持热插拔（HotPlug）和即插即用（Plugand Play，PNP），也就是说在不关闭PC的情况下可以安全地插上和断开USB设备，计算机系统动态地检测外设的插拔并且动态地加载驱动程序，其他普通的外围连接标准如SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能插拔外围设备。

4）USB在设备供电方面提供了灵活性，USB直接连接到Hub或者Host设备，可以通过USB电缆供电，也可以通过电池或者其他的电力设备来供电或使用两种供电方式的组合并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。

5）USB提供全速12Mbit/s的速率和低速1.5Mbit/s的速率来适应各种不同类型的外设，USB2.0还支持480Mbit/s的高速传输速率。

6）为了适应各种不同类型外设的要求，USB提供了四种不同的数据传输类型——控制传输、Bulk数据传输、中断数据传输和同步数据传输，同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。

7）USB接口具有很灵活的扩展性，一个USB接口串接上一个USBHub就可以扩展为多个USB接口。USB是用于将适用USB的外设连接到主机的外部总线结构，其主要是用在中速和低速的外设，USB是通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接实现数据的传输，同时又是一种通信协议，它支持主系统（Host）和USB的外设（Device）之间的数据传输。

2.USB的设计目标

USB的工业标准是对PC现有的体系结构的扩充。USB的设计主要遵循以下几个准则：

1）易于扩充多个外设；

2）价格低廉，且支持12Mbit/s的数据传输速率；

3）对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持；

4）协议灵活，综合了同步和异步数据传输；

5）兼容了不同设备的技术；

6）综合了不同PC的结构和体系特点；

7）提供一个标准接口，广泛接纳各种设备；

8）赋予PC新的功能，使之可以接纳许多新设备。

3.使用的分类

表4-12按照数据传输速率（USB可以达到的）进行了分类。可以看到，12Mbit/s可以包括中速和低速的情况。总的来说，中速的传输是同步的，低速的数据来自交互的设备，USB设计的初衷是针对桌面计算机而不是应用于可移动的环境下的。软件体系通过对各种主机控制器提供支持以保证将来对USB的扩充。

表4-12 USB使用分类

4.USB系统的描述

一个USB系统主要被定义为三个部分：USB的互连、USB的设备和USB的主机。

USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：

1）总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式；

2）内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；

3）数据流模式：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；

4）USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免优先级判别的开销。

5.总线布局技术

USB连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接是有层次性的星形结构。每个网络集线器是在星形的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件。

在任何USB系统中，只有一个主机。USB和主机系统的接口称作主机控制器，主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连接点。

USB的设备如下所示：

1）网络集线器，向USB提供了更多的连接点；

2）功能器，为系统提供具体功能，如ISDN的连接、数字的游戏杆或扬声器。

USB设备提供的USB标准接口的主要依据：

1）对USB协议的运用；

2）对标准USB操作的反馈，如设置和复位；

3）标准性能的描述性信息。

6.物理接口

USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆，其中的两根线是用于发送信号（见表4-13、图4-136、图4-137）。(www.xing528.com)

表4-13 USB的针脚定义

图4-136 USB接口的针脚（A型）

图4-137 USB接口的针脚（B型）

USB存在两种数据传输速率：

1）高速信号传输速率定为12Mbit/s；

2）低速信号传输速率定为1.5Mbit/s。

低速模式需要更少的EMI保护。两种模式可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限个低带宽的设备（如鼠标）。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去，时钟信号被转换成NRZI码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附有同步信号以使得接收方可还原出原时钟信号。

电缆中包括VBUS、GND两条线，向设备提供电源。VBUS使用+5V电源。USB对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择合适的导线长度，以匹配指定的IRDrop和其他一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速或低速设备。

所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器是不可简单的互换，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接，电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线、一对符合标准的电源线。连接器有四个方向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。

7.电源

主要包括两方面：

1）电源分配：即USB的设备如何通过USB分配得到由主计算机提供的能源；

2）电源管理：即通过电源管理系统，USB的系统软件和设备如何与主机协调工作。

每个USB单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的USB设备提供电源供其使用，并且每个USB设备都可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反，那些可选择能源来源的设备称作“自供电”设备。而且，集线器也可由与之相连的USB设备提供电源。键盘、输入笔和鼠标均为“总线供能”设备。

USB主机与USB系统有相互独立的电源管理系统。USB的系统软件可以与主机的能源管理系统结合共同处理各种电源状态如挂起、唤醒状态，并且有特色的是，USB设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件控制其电源管理。

8.系统设置

USB设备可以随时地安装和拆卸，因此系统软件在物理的总线布局上必须支持这种动态变化。

所有的USB设备都是通过端口接在USB上，网络集线器知道这些指定的USB设备，集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上，USB设备是否被安装或拆除了，主机将所有的集线器排成队列以取回其状态指示。在USB设备安装后，主机通过设备控制通道激活该端口并以预设的地址值给USB设备。

主机对每个设备指定唯一的USB地址，并检测这种新装的USB设备是集线器还是功能部件。主机为USB设备建立了控制通道，使用指定的USB的地址和零号端口。

如果安装的USB设备是集线器，并且USB设备连接在其端口上，那上述过程对每个USB设备的安装都要做一遍。

如果安装的设备是功能部件，那么主机中关于该设备的软件将因设备的连接而被引发。

当USB设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口，并且向主机报告该设备已不存在。USB的系统软件将准确地进行处理，如果去除的是集线器，则系统软件将对集线器及连接在其上的所有设备进行处理。

9.USB的应用

USB已经在PC的多种外设上得到应用，包括扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。扫描仪、数码相机和数码摄像机是从USB中最早获益的产品（见图4-138～图4-140）。

图4-138 计算机端的USB接口

图4-139 打印机端的USB接口（得实AR-500通用平推打印机）

图4-140 USB连接线

传统的扫描仪在执行扫描操作之前，用户必须先启动图像处理软件和扫描驱动软件，然后通过软件操作扫描仪。而USB扫描仪则不同，由于可以双向传送指令，用户只需放好要扫描的图文，按一下扫描仪的按钮，屏幕上会自动弹出扫描仪驱动软件和图像处理软件，并实时监视扫描的过程。USB数码相机、摄像机更得益于USB的高速数据传输能力，使大容量的图像文件传输，在短时间内即可完成。

USB在音频系统应用的代表产品是微软公司推出的Microsoft Digital Sound System80（微软数字声音系统80），使用这个系统，可以把数字音频信号传送到音箱，不再需要声卡进行数/模转换，音质也较以前有一定的提高。

USB技术在输入设备上的应用很成功，USB键盘、鼠标器以及游戏杆都表现得极为稳定，很少出现问题。

目前，市场上出现的USB设备还有USBModem、Iomega的USBZIP驱动器以及e-Tek的USBPC网卡等。

现在打印机中已经基本配备了USB接口，在可预见的将来，USB接口会完全取代现在的IEEE1284（Centronics）接口和RS-232C接口。

10.USB技术发展

USB是由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，从1994年11月11日发表了USB0.7版本以后，USB经历了多年的发展，已经成为目前计算机中的标准扩展接口。

第一版USB1.0是在1996年出现的，速度只有1.5Mbit/s；两年后升级为USB1.1，速度也大大提升到12Mbit/s，至今在部分旧设备上还能看到这种标准的接口；2000年4月，目前广泛使用的USB2.0推出，速度达到了480Mbit/s，是USB1.1的40倍；2009年的时候，USB2.0的速度早已经无法满足应用需要，USB3.0也就应运而生，其最大传输带宽高达5.0Gbit/s，也就是625MB/s，同时在使用A型的接口时向下兼容。

USB2.0有高速、全速和低速三种工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s，低速是1.5Mbit/s。其中全速和低速是为兼容USB1.1和USB1.0而设计的。

USB2.0新规范重新命名了USB标准，将原先的USB1.1改成了USB2.0 Full Speed（全速版），同时将原有的USB2.0改成了USB 2.0 High-Speed（高速版），并同时公布了新的标识。

USB2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输，而USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。除此之外，USB3.0还引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。