摘要：通用串行总线Universal Serial Bus(USB)是连接外部设备的一个串口总线标准，是应用在PC领域的新型接口技术。USB通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接，实现数据传输。USB还是一种通信协议，支持主机系统和USB外围设备之间的数据传输。本文简单介绍了USB接口和协议方面的知识。
关键词： USB；CSW；HCD；USBD
1. 基本特性
USB采用四线电缆，两根是传递数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。USB系统采用多层星状拓扑，由主机、集线器和功能设备三部分组成。 从目前技术来看，USB可以连接任何PC外部设备，包括键盘、鼠标、MODEM、游戏杆、音箱、扫描仪、数码相机、打印机等。
USB能得到广泛支持和快速普及，是因为它有以下特点：
●优点：
1）使用方便
USB接口可以连接多个不同设备，支持热拔插和即插即用；在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件能自动配置，无需用户设定。
2）速度加快
USB 1.1 的最大传输带宽为 12Mbps，USB 2.0 的最大传输带宽为 480Mbps，USB 3.0更从480Mbps提升到4.8Gbps以上，是传统USB2.0接口的10倍。
3）连接灵活
USB能串行连接，也能用中枢转接头把多个设备连在一起，再同PC机的USB口相接。
4）独立供电
USB接口能向低压设备提供5V电源，降低设备成本的同时提高了性价比。
●缺点：
1）缺少对老硬件设备的支持；
2）距离限制，USB3.0传输距离被限制在3米。
3）USB文件中部分概念抽象，协议较复杂；
4）理论上，USB可与127个设备串联，但实际应用中，串联3到4个设备就可能导致一些设备失效。多数USB产品只有一个输入口，无法连到下一个USB设备。虽然USB本身可提供500mA的电流，但若碰到高电耗设备，会导致供电不足。
2.USB系统划分
USB系统分三部分:USB主机、USB器件和USB的连接。
USB主机是USB系统的核心，一个USB系统仅有一个主机。主机系统包含用于和USB外设进行通信的USB主机控制器和用于连接的USB接口(SIE)，它是USB系统软件和USB客户软件的载体。
USB主机软件系统分为三部分：
1）客户软件部分(CSW)，在逻辑和外设的功能部件部分进行数据交换；
2）USB系统软件部分(HCDI)，在逻辑和实际中作为HCD和USBD之间的接口；
3）USB主机控制器软件部分(HCD和USBD)，用于对外设和主机的所有USB有关部分的控制和管理，包括外设的SIE部分、USB数据发送接收器部分及外设的协议层等。
USB器件可以分为两种：即USB HUB和USB功能器件。
USB HUB在硬件上由两部分组成：HUB应答器和HUB控制器。HUB应答器回应主机对USB外设的设置，HUB控制器是提供主机到HUB之间数据传输的物理机制。作为USB总线的扩展部件，USB HUB必须满足的条件：
● 为自己和其它外设的连接提供可扩展的下行和上行端口；
● 支持USB总线的电源管理机制；
● 支持总线传输失败的检测和恢复；
● 可以自动检测下行端口外设的连接和摘除，并向主机报告；
● 支持低速外设和高速外设的同时连接。
USB功能器件是为主机系统提供某种功能的USB器件，如一个USB ISDN的调制解调器、一只USB接口的数字摄像机等。它必须保持和USB协议完全兼容，并可以回应标准的USB操作。同样，用于表明自己身份的“BIOS”系统对于USB外设也是必不可少的，这在USB外设上被称为协议层。在物理机制上，USB外设由四部分构成：
● 用于实现和USB协议兼容的SIE部分；
● 用于存储器件特征字、存储实现外设特殊功能程序及厂家信息的协议层(ROM)；
● 用于实现外设功能的传感器及对数据进行简单处理的DSP部分；
● 将外设连接到主机或USB HUB的接口部分。
USB的连接，指一种USB器件和USB主机进行通信的方法。包括：
● 总线拓扑：即外设和主机连接的模式；
● 各层之间关系：即组成USB系统各部分在完成特定的USB任务时，各自之间的分工与合作；
● 数据流动模式：即USB总线数据传输方式；
● USB的“分时复用”：USB提供的是一种共享连接方式，为了进行数据同步传输，USB对数据传输和处理必须采用分时处理机制。
3.USB传输过程
USB通信有两类：用于原始配置、用于应用中。
在配置通信中，主机通知设备，使它准备好交换数据。通常配置通信发生在上电或连接时主机检测到外设的时候。
应用通信出现在主机的应用程序与一个检测到的外设交换数据的时候，通过应用通信实现设备的目的。
总线上的每次数据传输使用下列四种类型之一：控制、中断、批量或同步。每个传输由事务组成，每个事务由包组成，每个包包含了信息。所有事务均以一个设备终端开始，或以一个终端为目的地，终点是一个可以存储多个字节的缓冲器。规范定义一个设备的终端为“一个USB设备的一个唯一的可寻址部分，用来作为主机和设备之间通信流的信息源或接收器”。终端定义为IN和OUT。
4.信号编码
USB总线以差模驱动方式进行数据传输。数据包发送前，USB协议规定用NRZI编码方式对数据进行编码。NRZI编码协议采用逢“1”保持，逢“0”跳变原则，NRZI解码则用相反操作。为保证数据流中有足够的信号变化，USB协议规定了加填充位的原则，即如果信号流中连续出现六位以上数据“1”，则每隔六位必须插入一个“0”，然后才进入NRZI编码。
5.小结
本文较详细介绍了USB系统的软硬件构成及其数据传输协议，它把人们从繁杂的连线、不同的接口标准和恼人的中断冲突中解放出来。USB 2.0协议的推出，对USB技术的发展起到了推波助澜的作用。USB3.0超快的传输速度，使USB的技术优势将更加明显。
参考文献
[1]Jan Axelson著 陈逸 等译；《USB大全》；中国电力出版社
[2]civet，《全面认识USB技术的精髓》；微型计算机
[3]《USB（Universal Serial Bus）》；电子爱好者