ＵＳＢ接口技术及应用常识

摘要：USB因具有易于使用、传输数据快捷可靠、成本低等特点巳成为电脑的首选通信口，还被广泛地应用到显示器、扫描仪、数码相机、网络电话等众多设备中。为了更好地了解并应用USB接口技术，本文就其相关知识作一些简要阐述。

关键词：USB；总线结构；CH375芯片；应用常识

中图分类号：TP334文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21624-02

The Technique and the Applied Sense of the USB′S Contact

XU Hui

(Longitude and Latitude Information Technique Limited Company Zhejian，Hangzhou 310012,China)

Abstract:The USB has already been the computer′s contact to the first choose because of the easy using ,the delivering date rapid and reliable,the cost cheap and so on,It also has been used in the equipment for example,the monitor scanner Digitalcamera and the tworktelephone etc.Thetext set forth some knowledge about the USB contact in order to understand and apply.

Key words:USB;The line of total structure;Chip of 375;Applied sense

1 引言

USB的全称是Universal Serial Bus，英文缩写为USB，中文含义即“通用串行总线”。早在1995年就已经有PC机带有USB接口了，但由于缺乏软硬件设备的支持，这些PC机的USB接口都闲置未用。1998年后，随着微软在Windows 98中内置了对USB接口的支持模块，加之USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走进了实用阶段。近年，随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB渐成PC机的标准接口。在主机(host)端，新推出的PC机几乎100%支持USB；在外设(device)端，使用USB接口的设备例如数码相机、扫描仪、游戏机手柄、图像设备、调制解调器、打印机、键盘、鼠标等等正与日俱增。

USB设备虽被广泛应用，现已发展到了2.0版本，但USB本身是有USB1.1（最高数据传输率为12Mb/s）和USB2.0（最高数据传输率为480Mb/s）两个版本的。USB2.0的规范是从USB1.1演变而来，并由康柏、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS七家厂商联合制定的接口标准，USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了比USB 1.1标准快40倍左右。速度的提高，意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的外部设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，还无需担心数据传输时发生瓶颈效应。USB1.1 和USB2.0两者的物理接口完全一致，数据传输率上的差别完全由PC的USB host控制器以及USB设备决定。市面上的某些USB相关产品标注为USB 2.0 Full Speed的实际上是USB 1.1，而标注为USB 2.0 High Speed的才是真正意义上的USB 2.0。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。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、插头等附件也都可以直接使用。

2 USB总线的主要特点及适用

USB总线因为之所以被大量应用，主要具有以下优特点：

(1)易于使用。USB总线非常通用，一个接口就能满足多种外设的要求。可以热插拔，让用户在使用外接设备时，可以在任何时候连接或断开，并且无论主机或是外设是否开机都不会被损坏。另外，USB的协议灵活，很多USB外设厂还为其芯片提供子代码，USB的规范和相关文档可以免费在线获得，Windows98及其更新产品等操作系统都USB支持。

(2)携带方便。USB设备多以“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，想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘是首要之选。

(3)驱动程序自动配置。USB外设接到系统中时，系统可以自动检测设并载入相应驱动程序，USB外设无需用户选择及设置。

(4)标准统一。过去大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘和并口的打印机扫描仪，但自从有了USB串行总线之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这就有了随之产生的USB硬盘、USB鼠标、USB打印机，等等。

(5)易于连接，可以连多个设备。USB在PC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4个端口的USBHub时，就可再连上4个USB设备。如果外设多，还可用集线器增加USB口，尽可以将所需外设连接下去，最多可连接至127个设备。因USB接口小巧，电缆、集线器又有严格规范，上游端口和下游端口接插件不同，可确保不会接错。

(6)功耗低。USB串行总线供电可分为低功率和高功率两种类型，所有集线器和外设都必须支持暂停模式（即USB外设未被使用时，电源会自动关闭，但又可在需要时被激活），暂停模式下消耗电流不超过500μA。另外，USB接口可供＋5V/500μA的直流电源，低功耗或中功耗外设可直接靠USB总线供电。

(7)可靠性高。USB从硬件设计和数据传输协议两方面来保证了系统的可靠性。USB驱动器、接收器、电缆的硬件规范，可有效消除大多数可能引起数据传输错误的噪声。USB数据传输协议采用数据错误检测并能将检测结果反馈给发送方，让其重新发送。而错误检测、通知、再发送均同硬件来完成，不需编制程序。USB串行总线的数据传输也是快速可靠的。

USB适用于各种外设与计算机间的通信。在应用于低速、交互式设备中如键盘、鼠标、摇杆、游戏机、条码机。在音、视频和送受话器类中，如耳机、电话、宽带、扫描仪、显示器、麦克风、PBX电话网络、视频压缩等。在应用于高速视频、存储方面，有视频设备、存储设备、图像MPEG2或MPEG4、DVD、宽带。

3 USB总线的基本结构与传输方式

3.1 总线拓扑结构

USB总线的物理连接是一种层叠的菊花链的星型结构，集线器(hub)是每个星形结构的中心。PC机就是主机和根Hub。用户可以将外设或附加的Hub与之相连，这些附加的Hub可以连接另外的外设以及下层。USB最多支持5个集线器层以及127个外设。每个外设都是通过集线器串接到主机的。

3.2 USB的物理层

USB的物理接口包括电气特性和机械特性。USB通过一个四线电缆来传输信号与电源。其中D+和D-是一对差分数据信号线，而VBus和GND则提供了5V的电源，它可以给一些设备(包括Hub)供电。USB提供了两种数据传输率：一种是12Mb的高速(full speed)模式，另一种是1.5Mb的低速模式。这两种模式可以同时存在于一个USB系统中，而引入低速模式主要是为了降低要求不高的设备的成本，比如鼠标键盘等等。USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线，而且最长不能超过5m。而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线，但最长不能超过3m。这主要是由于信号衰减的限制，为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载，这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离并且可以区分高速与低速设备。所有的设备都有上行的接口。上行和下行的接头是不能互换的，这保证了不会有非法的连接出现。插头与插座有两个系列分别为A和B系列。A用于基本固定的外围设备，而系列B用于经常拔插的设备。这两个系列是不能互换的。

USB接口标准

3.3 USB设备

USB设备包括Hub类（提供附加USB接入点的设备）和功能设备类（为系统实现某些功能的设备，如ISDN适配器、数字游戏杆等），而功能设备又可以细分为定位设备字符设备等等。每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合。主机只能通过端点与设备进行通讯，以使用设备的功能。集线器Hub是USB接口中的关键部件，Hub提供附加的USB接点（即端点），检测每一个下游端口的状态，并可为下游端口提供电源。每个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区，这些端点在设备出厂时就已定义好。在USB系统中每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性，其中包括传输方式，总线访问频率，带宽端点号，数据包的最大容量等等。端点必须在设备配置后才能生效(端点0除外)。端点0通常为控制端点，用于设备初始化参数等。端点1，2等一般用作数据端点，存放主机与设备间往来的数据。一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区，与一个外设端点的连接。它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦设备被配置，就存在了管道。管道又有数据流管道与消息管道两种类型。数据流管其中的数据没有USB定义的结构，消息管道其中的数据必须有USB定义的结构。管道只是一个逻辑上的概念。所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道。通过控制管道，可以获取完全描述USB设备的信息。包括设备类型，电源管理配置端点描述，等等。只要设备连接到USB上，并且上电，端点0就可以被访问。与之对应的控制管道就存在了。一个USB设备可以分为三个层。最底层是总线接口，用来发送与接收包。中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流。通一个端点是数据最终的使用者或提供者。它可以看作数据的源或接收端。最上层就是USB设备所提供的功能，比如鼠标或键盘等。

3.4 USB的传输方式

针对设备对系统资源需求的不同，USB规范中规定了四种不同的数据传输方式。一是等时传输方式（Isochronous）：该方式用来联接需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高。等时传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机与USB 设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。二是中断传输方式（Interrupt）：该方式传送的数据量很小，延迟短，通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息，多用于人机交互设备，如鼠标，键盘、游戏杆等。三是控制传输方式（Control）：用于传输控制信息，该方式用来处理主机到USB设备的数据传输，包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。当USB设备收到这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据。四是批（Bulk）传输方式：该方式用来传输要求正确无误的数据。通常打印机、扫描仪 和数字相机以这种方式与主机联接。

4 USB接口器件的类型与控制器结构

(1)USB接口有3种类型。Type A型一般用于PC。Type B型一般用于USB设备。Mini-USB型一般用于数码相机、数码摄像机、测量仪器以及移动硬盘等。而USB控制器从速度上讲有低速和高速之分，从结构上讲则分为USB接口的单片机（MCU）和纯粹的USB接口芯片两类。带USB接口的单片又分成两类，一类是从底层设计专用于USB控制的单片机。如Cypress公司的CY7C63513（低速）、CY7C64013（全速）；另一类是带USB接口的通用单片机。纯粹的USB接口芯片只处理USB的通信，而协议处理和数据交换必须同一个外部生微处理器完成。典型的产品有Philips公司的PDIUSBD11（I2C接口）和PDIUSBD12（并行接口）、NS公司的USBN9603/9604、NetChip公司的NET2888等。此类USB接口芯片价格便宜、接口方便、可靠性高，尤其适合产品的改型设计。

(2)USB移动存储设备接口的控制器芯片。在一些需要转存数据的设备、仪器上，使用USB移动存储设备接口的控制器芯片的种类也很多，但基本的结构大同小异。以CH375芯片为例，CH371是沁恒公司推出的USB 总线接口芯片， CH375芯片内部集成了PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。CH375芯片引脚排列如图，在本地端，CH371 可以通过数据总线、读、写信号线、中断请求线方便地与单片机连接，单片机对其访问与并行口相似，设计人员无需要花大量的时间和精力去熟悉USB 协议；在计算机系统中，CH371 的配套软件提供了简洁易用的操作接口，只要熟悉 VB 程序设计，就能随心所欲地调用库函数与设备进行USB 通信。

CH375芯片内部具有7个物理端点。端点0是默认端点，支持上传和下传，上传和下传缓冲区各是8B；端点1包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是8B，上传端点的端点号是81H，下传端点的端点号是01H；端点2包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是64B，上传端点的端点号是82H，下传端点的端点号是02H。主机端点包括输出端点和输入端点，输出和输入缓冲区各是64B，主机端点与端点2合用同一组缓冲区，主机端点的输出缓冲区就是端点2的上传缓冲区，主机端点的输入缓冲区就是端点2的下传缓冲区。其中，CH375的端点0、端点1、端点2只用于USB设备方式，在USB主机方式下只需要用到主机端点。

对于USB存储设备的应用，CH375直接提供了数据块的读写接口，以512b的物理扇区为基本读写单位，从而将USB存储设备简化为一种外部数据存储器，单片机可以自由读写USB存储设备中的数据，也可以自由定义其数据结构。CH375以C语言子程序库提供了USB存储设备的文件级接口，这些应用层接口API包含了常用的文件级操作，可以移植并嵌入到各种常用的单片机程序中。 CH375的U盘文件级子程序库具有以下特性：支持常用的FAT12、FAT16 和FAT32 文件系统，磁盘容量可达100GB以上，支持多级子目录，支持8.3格式的大写字母文件名，支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。

5 USB接口常见问题与解决方法

在使用USB接口的设备中，出问题较多的是移动硬盘。因为移动硬盘所需的电流较大，如果USB接口无法提供足够电流，就可能会出现移动硬盘无响应，或提示无法识别的设备或在运行中无法稳定工作等问题。

为什么会导致设备供电不足，这要从USB接口的供电方式来理解。USB接口所需要的5V电压来自于+5V或+5VSB，前者视不同的电源所能提供不同大小的电流，而后者多为2A，每个接口所能提供的电流通常是500mA，有的主板提供了+5V或+5VSB供电的转换跳线，如果你的USB接口是由+5VSB供电的话，那么关机之后若没有彻底断电，你的带夜视灯的摄像头在光线不足的情况下将会自动开启辅助灯，因为主板在没在完全断电的情况下将会保持+5VSB弱电流的输出，这样也可以借助判断你的USB接口的供电方式了。当你的移动设备使用超过500mA的电流时就会出现供电不足的问题。现在有的的移动硬盘连接线提供了两个同时连接电脑USB接口的接头，可以从两个USB接口获得所需要的电流来改善供电不足。但要注意的是，每个接口所能提供的500mA实际上是指一个usb root hub所能提供的电流数，而一个usb root hub一般能够提供两个USB端口，如果你把移动硬盘连接线的两个接头都接在同一个usb root hub的两个端口时，那么所获得的电流数还是不会增大的，只有把两个接头接在不同的usb root hub上的端口才能起到增大电流的作用。另外，前置和后置的USB接口提供电流也会不一样，原因在于连接线线材和接头的质量或是排线方式。较早的机箱的前置USB通常都是遵循USB1.1的标准设计的，所以也可能会因为这个造成兼容问题而影响传输速度。另外，有的主板后置USB接口是直接的+5V，而提供给前置的针脚电源来源方式却是+5VSB，加上前置的接口及连接线线材质量导致的电阻过大等，这也导致前后的USB接口所能提供的电流会不同。

解决移动硬盘遇到供电不足的问题，一是可以尝试由两个不同usb root hub的接口同时获取电流。注意尽量不要使用任何的延长线，几乎所有的移动硬盘厂商都建议你最好不要使用前置的USB接口，这也是担心其无法提供足够的电流。二是可通过外电源来供电。很多的移动硬盘都使用了外接电源的做法来保证供电，有的品牌产品会提供一个外置变压器电源。如果没有的话，也可以按照说明书上的电压伏数要求，制作一个外置变压器电源来外接供电，或者是找一个自带电源的USB HUB，这样通常能够获得足够的电流。通过这些手段，应该能够解决好移动硬盘供电不足的问题。

至于常用的其它USB设备如U盘、MP3、摄像头等，由于所需电流小，因为供电不足导致的问题是较少见的。如果出现问题，多数应也是其它方面的原因，比如驱动或CMOS设置或设备本身的问题等。如果无法正常工作的话，要先确定USB设备本身无故障，然后才去排除其它方面的因素。如USB设备在前置接口能够正常工作而后置接口不行的话，可能是前后的接口供电来源方式是不同，这时最好查看一下你的主板说明书看看是否有切换USB供电方式(包括是由+5V或+5VSB供电以及跟PS2接口合并或独立供电)的跳线；如果插入USB设备没有反应或传输速度很慢或提示无法识别时，可以先进入CMOS，查看Integrated Peripherals下的OnChip USB Controller和USB 2.0 Controller(如果有的话)以及PNP/PCI CONFIGURATION下的Assign IRQ For USB的设置，如果只是没打开，则设为ENABLED，然后确定。要是接在前置接口不能正常工作，需进一步检查前置接口在主板上的连接方式是否正确，升级操作系统的最新补丁以支持最新的USB接口标准和主板相关的驱动程序，确保不会因为驱动程序而导致设备不可使用的兼容性问题。

6 结束语

USB技术的发展是日新月异的，可以预计在不远的将来，USB技术将更趋完美，更能有效解决资源冲突、中断续求和查找数据通道等诸多问题，成为众多电子数码设备的通用外设接口，达到便利高效的与计算机连接。相信这种技术也将会被更多用户所掌握并运用。

参考文献：

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[3]佚名.USB接口标准——主板扩展接口[M].电脑硬件知识网,2007-1-26.

“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”