USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是1994年以Intel公司为主，并联合IBM、Compaq、Microsoft及NEC等公司共同推出的一种新型接口，它是一种全新、双向同步传输的热插拔数据传输总线，其目的是提供一种兼容低速和高速的、可扩充且使用方便的外围设备接口，同时解决了计算机接口太多的弊端。
从1994年11月推出USB V0.7版本后，先后推出了USB1.1、USB1.2、USB2.0，并于2008年11月推出目前的最新版本USB3.0，USB接口已成为目前计算机的标准扩展接口。目前主板中主要采用USB2.0，所以虽然USB3.0和USB2.0相比具有诸如提供了更高的传输速度（达5GB/s）等优点，本书还是针对USB2.0加以介绍。
1.USB的优点
USB总线满足大多数慢速或中速外设的智能连接，如移动存储器、键盘、鼠标、MODEM（调制解调器）、传声器、扬声器、电话、操纵手柄、显示器、数字相机及打印机等外部设备，还支持如UDMA（Ultra Direct Memory Access，存储器直接访问）类型的硬盘等高速设备。之所以USB总线目前在微型计算机中被如此广泛地使用，是由于其具有以下优点。
（1）连接简单
为用户提供单一易操作的连接类型，用户无需进行任何软硬件设置与判断，只需将外设直接连接到USB接口，USB接口就能自动识别USB系统中设备的接入或移除，真正做到即插即用；USB支持机箱外的热插拔连接，设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源。
（2）数据传输速率高
1.5～12MB/s，USB2.0可达到480 MB/s，USB3.0数据传输速度更高，可达5GB/s。
（3）通用性好
USB提供4种不同的数据传输类型：控制传输、批（Bulk）传输、中断数据传输和同步数据传输，目前市面上的产品基本上都支持USB的4中数据传输类型。
（4）支持多设备连接
一个USB主机通过USB HUB（集线器）最多可连接127个外设，两设备间允许最大电缆长度为5m，使用USB HUB能实现多达5级级联，最大连接长度可达30m。
（5）内置电源供应
一般的串口/并口设备都需要自备专用电源，而USB能提供+5V、500mA的电源，供低功耗键盘、鼠标、摄像头、MODEM和移动存储等设备作电源使用，免除自带电源的麻烦。同时，USB采用APM（Advanced Power Management，高级电源管理）技术，节省系统能源。
2.USB的系统组成
一个USB系统的组成包括USB硬件和USB软件两部分。
（1）USB硬件
①USB主机：USB主控制器的根集线器合称为USB主机，USB主控制器可由硬件、固件和软件综合实现，主要负责执行总线上的数据传输，完成数据的并/串转换，把并行数据转换成串行数据，以便在总线上传输，把收到的数据翻译成可以识别的格式。应用根集线器可提供更多的接入点。
②USB设备：是指通过USB接口直接连接到计算机上的外部设备，分为两类：集线器设备和功能设备。集线器设备是指该设备本身还可以再连接其他USB设备；功能设备是指该设备不能再连接其他USB设备，如常用的数码相机、USB鼠标、USB接口扫描仪等。复合设备是指有一个USB HUB和一个或多个功能设备，每个USB HUB和功能设备都有唯一的地址，允许最多5级级联，共127个外设和USB HUB。图10-4所示为USB硬件系统组成。
（2）USB软件
USB系统的软件是基于模块化、用面向对象方法设计的软件，USB软件一般由三个主要模块组成，如图10-5所示。
图10-4 USB硬件系统组成
图10-5 USB系统软件结构
①主控制器驱动程序（Host Controller Driver，HCD）：位于底层，用来管理和控制USB主控制器，完成对USB交换数据的调度，并通过USB HUB完成对交换的初始化。
②USB驱动程序（USB driver）：位于中间层，用来实现USB总线的驱动、带宽的分配、管道的建立和控制管道的管理等，组织数据的传输。
③USB设备驱动程序（USB Device Driver）：位于最上层，实现对特定USB设备的管理和驱动，是USB系统软件和USB应用程序之间的接口，通常由操作系统或USB设备制造商提供。
3.USB接口的物理、电气特性
（1）物理接口信号
USB总线采用4线电缆实现点到点连接：
D+和D-为两根差分信号双绞线，用于传送串行数据。(https://www.xing528.com)
VBUS是+5V电源线，GND是地线。
USB的插头有A型和B型两种，其信号线及电源接地线分布如图10-6所示。
图10-6 USB电缆及插头
（2）电气特性
电源电压为4.75～5.25V，设备吸入电流最大值为500mA。USB设备供电方式有设备自带电源和由USB总线提供电源两种。
4.USB总线数据的传输类型
USB数据传输基本类型有4种：控制传输、批传输、中断传输和同步传输，具体如下：
（1）控制（Control）传输
控制传输是双向传输，主要用来传输主机与USB设备间的数据，包括设备控制命令、设备状态查询及确认命令。控制传输通常有2～3个阶段：Setup阶段、Data阶段（可有可无）和Status阶段。在Setup阶段，主机送命令给设备，在Data阶段传输Setup阶段所设定的数据，在Status阶段返回状态信号给主机。控制传输方式可以包括8B、16B、32B和64B的数据双向传输，其传输数据量较小。
（2）批（Bulk）传输
批传输可以是单向的，也可以是双向的，主要应用于数据大量传输和接收无带宽和间隔时间要求的数据。对于有较高正确率要求的大批量数据，如打印机、扫描仪、数码相机等，通常就是以批传输方式进行数据传输的。
（3）中断传输
用于定时查询设备是否有中断数据要传送。该方式适用于不固定的、少量数据，且需要实时处理的场合，如键盘、鼠标等数据的传输。中断传输是单向的，且仅从设备输入到主机。USB设备在全速端点查询周期为1～255ms，在低速查询周期为10～255ms。因此，最快的查询频率是1kHz。信息传输中出现错误，则将在下一个查询中重传。
（4）同步传输
同步传输可以是单向的，也可以是双向的。同步传输提供了确定的带宽和间隔时间，以固定的传输速率连续不断地在主机与USB设备之间传输数据。同步传输用于传输连续、实时的数据，数据传输速率固定，对出错的数据不进行纠错重传，以保证传输速率。如视频设备、数据声音设备和数码相机通常用这种传输方式。
5.USB3.0和USB2.0的区别
USB3.0标准是由Intel、Microsoft、HP、TI、NEC等公司组成的USB3.0推广小组于2008年11月推出的。相对于USB2.0，USB3.0具有诸多优点与区别，主要有：
①USB3.0的数据传输速度是USB2.0的10倍，可达到5GB/s（USB2.0可达480MB/s），同步传输带宽也能达到384MB/s，这是USB3.0与USB2.0的主要区别。
②功耗低，在20MB/s数据传输速度下比USB2.0大约低25%的功耗。
③对于暂时处于等待状态的设备，可以使用节电模式，更节能。
④USB3.0可以通过线缆提供更大的功率，由2.5W提升到4.5W。
⑤USB3.0向下兼容，支持USB2.0设备，但USB2.0不支持USB3.0设备。
⑥USB3.0主机能更快地识别器件，并为器件提供更多的功率，应用范围更广。
随着消费类电子产品分辨率和存储容量的不断增加，用户需要更加快速的数据传输速率，USB 3.0的简易连接和高速率数据传输在满足用户需求方面起到了至关重要的作用。
习题
10-1什么是总线？总线由哪几个部分组成？各部分的作用是什么？
10-2总线有哪些主要的性能参数？比较ISA总线、EISA总线与PCI总线的性能参数。
10-3 USB接口有什么特点？如何对其进行扩展？最多可连接多少个USB设备？
10-4 USB系统的组成是什么？
10-5 USB3.0和USB2.0的区别是什么？
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