USB（通用串行總線），由Intel公司提出，帶寬為12Mbps，與傳統(tǒng)接口總線相比，主要優(yōu)點(diǎn)有三個(gè)，1.可接入多達(dá)127個(gè)設(shè)備，目前計(jì)算機(jī)外設(shè)越來(lái)越多，PC機(jī)內(nèi)有限的插槽和接口已經(jīng)不能滿足要求，USB緩解了這一矛盾。2.可以熱插拔，在電腦通電的情況下可以隨時(shí)熱插拔所連接的設(shè)備。3.可即插即用。

設(shè)計(jì)USB的設(shè)備就必須深入了解USB的體系結(jié)構(gòu)。USB通用串行總線同其他串行并行接口不同，它是一個(gè)軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)體系，對(duì)于剛剛進(jìn)入U(xiǎn)SB設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的。為此，下面論述了USB的一些體系結(jié)構(gòu)和基本概念。

USB總線的總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)USB總線可以分為3個(gè)部分進(jìn)行描述：USB連接、USB設(shè)備、USB主機(jī)（如圖1）。

USB連接

USB連接是指USB主機(jī)和USB設(shè)備的通信方式與方法，包括：總線拓?fù)洌║SB主機(jī)和設(shè)備之間的連接方式）；層內(nèi)關(guān)系（USB總線每一層中的任務(wù)）；數(shù)據(jù)流模式（數(shù)據(jù)在USB總線上的流動(dòng)方式）；USB調(diào)度（USB提供一個(gè)共享的服從調(diào)度的互連）。

USB設(shè)備是通過(guò)USB總線連接到USB主機(jī)上的。USB總線上的物理連接是一個(gè)分層的星形拓?fù)?。處于每個(gè)星形拓?fù)渲醒氲氖莌ub（USB集線器）。在主機(jī)和一個(gè)hub或者一個(gè)應(yīng)用之間以及在hub和其它hub或應(yīng)用之間都是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。圖1表示了USB的拓?fù)漕愋汀?/p>

USB主機(jī)

在USB總線中只有一個(gè)主機(jī)。USB總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)的接口部分就是主機(jī)控制器，它可被看做一個(gè)硬件、固件和軟件的結(jié)合體。主機(jī)系統(tǒng)中集成了一個(gè)根hub來(lái)提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)。

USB設(shè)備

首先USB設(shè)備可被分為兩大類：hub類（提供附加USB接入點(diǎn)的設(shè)備）和功能 設(shè)備類（為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某些功能的設(shè)備，如ISDN適配器、數(shù)字游戲桿等）。

按照功能，USB設(shè)備又可分為很多類，如：音頻、人機(jī)交互、顯示、通信、電源、打印機(jī)、海量存儲(chǔ)、物理反饋等設(shè)備。每個(gè)USB設(shè)備都必須提供自鑒定信息和通用的設(shè)置。

USB設(shè)備都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB接口，它的作用為：解釋USB協(xié)議；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)USB操作的響應(yīng)，如掛起和設(shè)置等；提供設(shè)備的一些描述信息。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，USB設(shè)備的接口有自已的特點(diǎn)。USB接口的正確設(shè)計(jì)與設(shè)備的性能緊密相關(guān)，在USB接口設(shè)計(jì)之前必須要對(duì)設(shè)備的功能、指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

連接在USB接口上的設(shè)備通過(guò)基于令牌和主機(jī)控制的協(xié)議來(lái)共同享用整個(gè)USB帶寬。在其它設(shè)備正常工作的前提下，USB允許某設(shè)備連接、設(shè)置、運(yùn)行和斷開(kāi)連接。

USB數(shù)據(jù)傳邏輯結(jié)構(gòu)

USB設(shè)備在邏輯上分成了幾個(gè)層次，分別是設(shè)備層、配置層、接口層和節(jié)點(diǎn)層。

USB設(shè)備中各層的邏輯關(guān)系如圖2所示：

1.節(jié)點(diǎn)：每個(gè)設(shè)備內(nèi)有一個(gè)或多個(gè)邏輯連接點(diǎn)，稱為節(jié)點(diǎn)。

2.接口：一個(gè)設(shè)備對(duì)主機(jī)表現(xiàn)為一組合適的節(jié)點(diǎn)，一組相關(guān)的節(jié)點(diǎn)稱為一個(gè)接口。有多個(gè)接口的設(shè)備稱為組合設(shè)備。

3.配置：設(shè)備可以有多組接口，每一組稱為一個(gè)配置，一次只能有一個(gè)配置是活動(dòng)的。但是，當(dāng)前配置中的所有接口（和它們的節(jié)點(diǎn)）可以同時(shí)是活動(dòng)的。大多數(shù)設(shè)備只有一個(gè)配置和一個(gè)接口。當(dāng)一個(gè)設(shè)備第一次插入系統(tǒng)時(shí)，Windows提示用戶選擇合適的配置。

4.管道：在USB中，傳輸是在USB設(shè)備的某一具節(jié)點(diǎn)和主機(jī)軟件之間進(jìn)行的，這個(gè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)就稱為管道，即為設(shè)備的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?。管道有兩種：流管道和消息管道。其中消息管道的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是USB定義好的，而流管道沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)。另外，數(shù)據(jù)傳輸帶寬、傳輸類型、節(jié)點(diǎn)的特性（如方向和緩沖大小）都影響著它的管道特性。大多數(shù)的管道在USB設(shè)備配置好之后就產(chǎn)生了。其中有一個(gè)最重要的消息管理是“缺省控制管道”，這個(gè)管道在設(shè)備一加電的時(shí)候就存在了，它提供設(shè)備的配置和狀態(tài)等信息的控制。

管道可以是單向的也可以是雙向的。一個(gè)USB設(shè)備可以有很多個(gè)管道，管道之間是相互獨(dú)立的，比如設(shè)備的一個(gè)管道可以從主機(jī)接收數(shù)據(jù)而另一個(gè)管道可以發(fā)送數(shù)據(jù)。在一個(gè)設(shè)備配置中每一個(gè)管道（即每一個(gè)節(jié)點(diǎn)）只能支持下述的一個(gè)數(shù)據(jù)傳型。

5.傳輸類型：USB總線包括4種傳輸類型（傳輸管道）：

●控制傳輸類型：用于傳輸控制信息，如：在連接時(shí)配置設(shè)備，控制其它管道的狀態(tài)以及完成一些設(shè)備自定的用途。

●塊數(shù)據(jù)傳輸類型：用于傳輸相對(duì)比較大的和突發(fā)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)，一般這種傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)范圍比較寬。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎布渝e(cuò)誤檢測(cè)來(lái)保證，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可進(jìn)行重復(fù)發(fā)送。塊傳輸 是連續(xù)的，它的帶寬占用依據(jù)其它USB設(shè)備的使用情況而不同。這種傳輸類型一般用于打印機(jī)、掃描儀等。

●中斷數(shù)據(jù)傳輸類型：數(shù)據(jù)量小，延遲短，通常用于傳輸設(shè)備反饋回計(jì)算機(jī)的字符和坐標(biāo)信息，多用于人機(jī)交互設(shè)備，如鼠標(biāo)，鍵盤(pán)、游戲桿等。

●同步數(shù)據(jù)傳輸類型：占用預(yù)先分配的帶寬，實(shí)時(shí)傳輸。對(duì)于同步傳輸管道，帶寬的要求與設(shè)備的采樣率有關(guān)，時(shí)延的要求與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩沖大小有關(guān)。為保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，在傳輸過(guò)程中的一些誤碼是不被糾正的（如不進(jìn)行重試等），則實(shí)際上USB的心位錯(cuò)誤率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成問(wèn)題。

USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬆Ｐ腿鐖D3所示：

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中得出的經(jīng)驗(yàn)，工程技術(shù)人員需要預(yù)先計(jì)劃好的USB接口指標(biāo)包括：所設(shè)計(jì)的USB設(shè)備的帶寬，由此確定設(shè)備為低速設(shè)備還是全速設(shè)備；是否采用多重配置；是否采用多個(gè)接口，即設(shè)備是否是復(fù)合設(shè)備，是否包括多個(gè)功能；設(shè)備的每個(gè)功能都分別包括幾個(gè)管道（節(jié)點(diǎn)），各個(gè)管道的傳輸方式和它們之間有什么關(guān)系。只有把這些問(wèn)題都分析清楚，才可以著手進(jìn)行下一下的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著USB2.0協(xié)議的推出，USB的應(yīng)用范圍將更為擴(kuò)大。USB2.0所定義的帶寬為480Mbps，它的出現(xiàn)將徹底改變USB只能在低速設(shè)備上應(yīng)用的現(xiàn)狀。由于有相同的USB高速模式的結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)有的USB1.1外設(shè)向USB2.0轉(zhuǎn)移相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易的，所以全面了解USB的體系結(jié)構(gòu)對(duì)于USB1.1和USB2.0設(shè)備的設(shè)計(jì)都是非常重要的。