usb基础概念

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1、 USB基本概 USB基本概 USB 的字面意思看，其英文全稱是Universal Serial Bus ，而直接翻譯成中文是通用匯 排。這是由7 家包括 Compaq、迪吉多、IBM、英代爾、微軟、NEC 以及方電訊(加拿大) 等 主要的電腦與電子科技大廠所研發與規劃出的。 USB 是一種標準的接界面，允許把外面的設備與電腦接時，必重新配置規劃系統，也必打 開機殼， 另外調整界面卡的指撥開關。而接上電腦時， 電腦會自動別這些周邊設備， 並且配 附適當的驅動程式，無需使用者再另外重新設定。 USB的史沿革 USB 在1995 被提出， 並由Compaq、Digital Equipment Co

2、rp.(現在屬於 Compaq)、IBM、Intel Corp.、Microsoft Corp. 、NEC 和Northern Telecom 七個電腦與通訊工業先的公司所組成的盟所定義和加以推廣。同一， 該盟建USB-IF(實施者壇， 以下簡稱USB-IF) 加速採用USB 標準的高質相容設備的開發。 在1996 ，USB-IF 公佈USB 規範1.0，這是第一個為所有的USB 產品提出設計要求的標準。1998 ， 在進一步對以前版本的標準進闡述和擴充的基礎上， 發佈USB 標準的1.1 規格。而此時盟僅剩四個核心的成員公司，它們是Compaq、Intel、Microsoft ，以及NEC

3、等公司。 第三個版本的USB 2.0 是發佈於1999。此時，Hewlett Packard、Philips 和Lucent 等三個公司加入USB-IF 盟， 使得盟的核心成員重新又恢為七個。之後， 隨著USB 的普及與推廣， USB 的成員一直持續斷地增加，如今已是非常龐大的推廣組織。 USB 1.X USB 2.0 Compaq Compaq Intel Intel Microsoft Microsoft NEC NEC IBM Lucent DEC HP Northern Philips 當前應用USB1.1 的周邊設備應用種同的速：12Mbps(全速)和1.5Mbps(慢速)。其中，慢

4、速主要是應用於人機界面(HID)上。這是一個用於接鼠、鍵盤、搖桿等設備的USB 的群組。而儘管當前的USB 1.1 的最大頻寬速為12Mbps，但是主機端應用程式與其它的周邊設備則占據部分的頻 寬。 雖然USB 號稱可以熱插拔、隨插即用、最多同時接127 個裝置等功能。但是其中還是有它的干缺點， 如熱插拔多次後往往會造成系統正常當機， 以及接過多的裝置就會導致傳輸速變慢等問題(USB 的傳輸頻寬是由裝置共同分享的)。因此， 如何改進這些缺點成為USB-IF 推 廣組織所要努的目標。 在USB 周邊設備斷地被廣泛應用後， 許多的裝置， 如視訊會議的CCD， 或是像外接式硬碟、光碟燒機、掃描器、卡

5、機成為USB 界面的一個非常的應用。USB 2.0 用傳輸時序 的縮短(微訊框)以及相關的傳輸技術，將整個傳輸速從原本12Mbps 到480Mbps，整整提升40 倍 。 而在相容性方面 ， USB 2.0 採用的是往下相容的做法 。 USB 2.0 仍可向下支援目前各種以USB 1.1 為傳輸界面的各種周邊產品， 也就是舊有的USB 1.X 版傳輸線，USB HUB 依舊可以使用。過是要達到480Mbps 的速，還是需要使用USB 2.0 規格的USB HUB。當然，各個周邊也要重新嵌 入新的晶片組以及驅動程式才可以達到這個功能。也就是， 需要使用高速傳輸設備的話，就接上USB 2.0 版的

6、USB HUB。而只要低速傳輸需求的周邊(如鼠， 鍵盤等)， 則接上原有的USB HUB，可以高低速裝置共存的目的。對於舊有的USB 1.1 規格設計產品的傳輸速最高仍僅能維持12Mbps。 USB 2.0 對許多消費性電子應用，如視訊會議CCD、掃瞄器、印表機以及外部儲存裝置(硬碟以及光碟機)擁有相當大的吸引。而在USB 2.0 問市之後，Intel 公司發展並免費開放一套高速控制器標準規格技術：增強型主機控制器界面規格 （Enhanced Host Controller Interface，簡稱EHCI） 。在EHCI 規格中， 主機控制器能以480 MHz 速傳送資， 所以在主機控制器與

7、全速或是低速 周邊裝置之間，就必須搭配舊型的控制器或高速集線器才能發揮整體的效能出。 USB1.1 與2.0 之比較 稍前已對USB 1.1 有相當的瞭解， 可是隨著新的USB 2.0 規格的修訂， 或許會感到新速得太快。因此以下，特別針對USB 1.1 與2.0 規格與特性，作個個別條式的比較與分析，讓者先有干的概與瞭解，然後在稍後的章節中作再深入地介紹。首先，以1.x 規格為基礎的話，USB 2.0 多： 1. 提供一個較高執成效的界面。 2. 運用所存在的USB 1.1 接器與全速的纜線。 3. 設定微訊框的規格，其為USB 1.x 訊框的1/8 倍。 4. USB 2.0 集線器能以裝

8、置-by-裝置為基礎，協調出接的速，並且建出適當的鏈結方式。 5. 位於下游埠USB 2.0 集線器能夠支援任何速的裝置接上。 因此，USB2.0 是以USB 1.1 規格作為基礎，並加以延伸，其中，包含： 1. 具備USB 1.1 的所有功能。 2. 高速訊號模式。 3. 偵測高速能的協定。 4. 入/脫高速的協定。 5. 偵測裝置脫的機制。 6. 嚴謹地符合低/全速規格，但僅針對高速相容的周邊埠。 7. USB 規格7.2 章節 (“電源消耗”的部分)其規格是變的。 是要與USB 2.0 高速裝置相容的話，則： 1. 需要支援全速信號。 2. 需要支援至少以全速作裝置舉的動作。 3. 需要

9、符合嚴謹地全速電器的規格。 4. 決能支援低速模式。 如表格1 所示， 顯示USB 1.1 與2.0 規格之間的相互操作的對應矩陣表。其中， 我們知道 要真正地取得USB 2.0 高速的特性， 必須採用高速的USB 主機控制器， 高速的裝置， 以及高速的集線器。也即是，全部都是高速的規格才可以。 表格1 USB1.x 與2.0 規格中，主機控制器圖，裝置與集線器的對應矩陣表 USB 與IEEE 1394 之比較 這是大家都會比較分析的問題，在此稍微簡述一下。 1394 與USB 同為(Serial)傳輸界面 埠，其中，1394b 的格式可支援400Mbps 資傳輸速，比USB1.1 規格快33

10、 倍，而且最多可接至63 部裝置。目前在市面上， 除位視訊機器開始使用外， 電腦周邊裝置也續採用， 如目前較常的外接式硬碟等。而有一些產品，甚至整合USB 與1394 界面成為omb 的裝置，如此其使用為方。 而隨著USB 2.0 產品的推出，是否意味著目前已漸趨成熟的IEEE1394 會被淘汰掉呢？基本上，USB 與IEEE1394 是使用在同的應用域，雖然USB 2.0 的速已經追上目前IEEE1394 的傳輸速。過，新一代IEEE1394 的規格已經制定出，每秒的傳輸速最高將可達到800MB。因此，未IEEE1394 將適用位影像編輯(DV)等需要高速傳輸界面的消費性電子產品上，如位放

11、影機。而USB 2.0 的界面則可望成為未電腦周邊產品的主要傳輸界面。當然，USB 的產品大部份還是以鼠、鍵盤以及搖桿等慢速的人工界面裝置為主。 表格 1394與USB比較表格 各種界面比較表格 綜合綜合 USB 的諸多特性與優點： 的諸多特性與優點： 1. USB 界面統一各種周邊設備的接頭，包含通訊界面、印表機界面、顯示器輸出、音效 輸出入裝置、儲存設備等， 都採用相同的USB 界面規格。USB 界面就像是萬用接頭， 只要將 插頭插入，一就可迎刃而解。 2. 即插即用(Plug-and-Play)，並能自動偵測與配置系統的資源。再者，無須系統資源的需求。 也即是，USB 裝置需要另外設定I

12、RQ 中斷、I/O 位址，以及DMA 等的系統資源。 3. 具有熱插拔(Hot Attach &Detach)的特性， 在作業系統的已開機的執態中， 隨時 可以插入或拔USB 裝置，而需再另外關閉電源。 4.USB 界面規格1.1 中的12Mbps 的傳送速可滿足大部分的使用需求。當然， 快速的2.0 規 格，提供佳的傳輸。 5. USB 最多可以接127 個周邊設備。因為USB 界面使用7-bit 的定址位， 所以2 的7 次 方等於128。扣掉USB 主機預設給第一次接上的周邊設備使用，還剩127 個位址可以使用。因此 一部電腦最多可以接127 個USB 裝置。 簡而言之，對於USB 整體

13、功能就是簡化外部周邊設備與主機之間的線，並用一條傳輸纜線上 接各型的周邊設備(如印表機之並埠， 據機之埠)， 解決現今主機後面一大堆纜線 繞的困境。它最大的好處是可以在需要重新開機的情況之下安裝硬體。而USB 在設計上可以讓高 達127 個周邊設備在匯排上同時運作，並且擁有比傳統的RS-232 與並界面快上許多的資 傳輸速。 USB 的匯排結構 USB 的匯排結構是採用階梯式星(tiered star)的僕(topology)結構，如圖2 所示。每一個星的 中心是集線器， 而每一個裝置可以透過集線器上的埠加以接。從圖中可以看到USB 的裝置包含 種型態：USB 集線器與USB 裝置。位於最頂端

14、的就是主機端(Host)。從主機端的線往下接 至集線器， 再由集線器按階梯式， 以一層或一階的方式往下擴展出去， 再接下一層的裝置或是 另一個集線器上。而事實上，集線器也可視為一種裝置。而其中最大階層為6 層(包括電腦內部的 根集線器)。每一個星的外接點的目可以加以變化，一般集線器具有2，4，或是7 個埠。 在此， 主機端通常是指PC 主機。當然， 主機端因具有根集線器， 因此也含有集線器的功能。而集線器是在USB 規格中特別定義出的周邊裝置，除擴增系統的接點外，還負責中繼(repeat) 上游 / 下游的訊號以及控制各個下游埠的電源管。 至於另一個裝置，即是我們常的周邊裝置設備。但在USB

15、規格書中，稱這種裝置為“功能”(Functions)，其意謂著，此系統提供某些的“能”，如具有鍵盤，或是鼠等功能。當然同的周邊裝置可以具有同的功能。 圖1 USB1.1與USB2.0裝置與集線器一起工作的僕結構 當USB 2.0 與1.1 規格的裝置混合使用時，整個匯排上交雜著，高速/全速的裝置與集線器。而如圖1 所示的， 唯有在USB 2.0 集線器與USB 2.0 裝置的接下， 才具備高速匯排頻寬的特性。 USB 基本架構 根據USB 的匯排架構，我們可以將一般USB 系統的基本架構分為下三個主要的部分： 1. 1. USB 主機控制器 / 根集線器 2. 2. USB 集線器 3. 3. USB 裝置 圖B匯排的基本架構 USB 主機控制器/根集線器(Host Controller/Root 集線器) 所有在USB 系統上的溝通都是在軟體控制下由PC 主機啟動。而PC 主機硬體包括USB 主機 控制器(USB Host Controller) 與USB 根集線器(USB Root 集線器)種。 而如下圖4 所示， 在裝置管員中所顯示的“通用序匯排控制卡”內，包含組下所示 的項目： 1. 1. Standard Universal PC