劉妍秀

(長春大學 計算機科學技術學院，吉林 長春 130022)

USB(Universal Serial BUS)協(xié)議是1994年由Intel、Microsoft等眾多公司聯(lián)合提出的，目的是解決計算機外設接口眾多，并且速度慢，擴展性差的問題。到如今經歷了十幾年的發(fā)展，采用USB協(xié)議的計算機外設越來越多，例如USB鼠標，鍵盤，攝像頭，打印機，外置硬盤等等，USB協(xié)議的應用越來越廣泛。

從1994年到如今，USB協(xié)議經歷了多個版本的發(fā)展，其中USB1.1、USB2.0是目前被PC主機廣泛支持的兩個版本。其中USB2.0協(xié)議能夠達到的最高傳輸速度為60MB/s(理論值)，但是隨著今年來高清視頻格式的出現以及大容量移動存儲設備的出現，對USB總線的帶寬和傳輸速率提出了更高的要求。針對這一點，在2008年末，由Intel公司主持設計并發(fā)布了USB3.0版本。其最高傳輸速度達到了625MB/s(理論值)，速度整整提高了10倍。

1 USB3.0 體系的構成

USB體系包括三個部分:主機，設備，及物理連接［1］。

1.1 主機

最常見的主機例如PC，它具有USB設備的管理能力。

硬件方面，包含USB主機控制器(USB Host Controller)及根集線器(RootHub)。在USB3.0出現之前，主機控制器接口有 OHCI、UHCI、EHCI三種。其中 OHCI、UHCI符合 USB1.1 規(guī)范，EHCI符合 USB2.0 規(guī)范，并向下兼容。隨著USB3.0協(xié)議的出現，Intel公司設計了XHCI(eXtensible Host Controller Interface)，它遵守USB3.0 協(xié)議，并支持 USB1.1、USB2.0 的設備。較 OHCI、UHCI、EHCI相比，XHCI能夠提供更高的穩(wěn)定性及更好的可擴展性，在系統(tǒng)空閑時保證更低的能源消耗。USB集線器的作用類似于網絡集線器，作用是提供擴展接口，用來增加可連接的USB設備數目。每個USB集線器具有一個上行Port和N個下行Port［2］。

軟件方面，包括USB主機控制器驅動及USB協(xié)議棧的實現。在PC上常見的Windows操作系統(tǒng)以及在嵌入式設備上常見的Linux操作系統(tǒng)，對USB體系結構都提供了很好的支持。其中Linux更是第一款支持USB3.0規(guī)范的操作系統(tǒng)。

1.2 設備

常見USB設備包括鼠標，鍵盤，U盤，攝像頭，打印機等等。在USB體系中設備可以分為很多種類，表1介紹了USB的設備種類:

從表1中可以看出，USB設備種類非常之多，可見USB體系應用之廣泛。

表1 USB的設備種類

1.3 物理連接

物理連接指的是主機和USB設備間的連接方式。主機到USB設備間的物理連接模型如下圖1所示。

圖1 主機到USB設備間的物理連接模型

該模型采用的是樹形結構［3］。其中樹根是USB主機及RootHub.其余層次為功能設備及USBHub。每層通過USB Hub級聯(lián)。USB2.0及USB3.0都支持7層深度，USB1.1支持的最大深度為4層［4］。每層之間通過USB線纜相連。圖2介紹了USB3.0的層次結構。

圖2 USB3.0的層次結構模型

USB3.0中定義了8根信號線，比USB2.0多了SSTX+，SSTX－，SSRX+，SSRX－四根數據線。這也是USB3.0速度比USB2.0大幅提升的原因之一。

2 主機到USB設備的數據傳輸模型

圖3介紹了主機到USB設備之間如何進行數據傳輸。

圖3 主機到USB設備的數據傳輸模型

2.1 端點

端點是USB設備數據接收和傳輸的最小單位。端點具有如下特征:

1)每個USB設備具有一個或多個端點。

2)端點具有方向性。主機到設備稱為Out端點，設備到主機稱為In端點。

3)每個端點都有緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小決定了每次傳輸數據的大小。

4)每個端點通過地址，端點號及方向三個屬性唯一決定。

端點有四種類型，分別是控制傳輸端點，中斷傳輸端點，批量傳輸端點，等時傳輸端點。

(1)控制端點用于向USB設備發(fā)送控制命令，或獲取USB設備的狀態(tài)信息。每個USB設備至少擁有一個控制端點［5］。

(2)中斷端點用于少量數據，隨時發(fā)生的傳輸。例如USB鼠標，鍵盤等。(3)批量端點用于大量數據的傳輸。例如U盤，移動硬盤。(4)等時端點用于實時數據的傳輸，例如USB攝像頭等。

2.2 管道

在主機與USB設備端點間建立的通信信道，稱為管道。主機與USB設備間的通信，就是建立在管道之上的。按照端點類型不同，管道也可以分為四種:分別為控制管道，中斷管道，批量管道，等時管道。其中控制管道是最為重要的管道。

2.3 數據傳輸時序

根據管道類型的不同，數據傳輸的時序也有所不同。由于控制管道是每個USB設備必須具備的功能，所以我們以控制管道下的數據傳輸為例。管道分為流式管道(Stream Pipe)及消息管道(Message Pipe)。流式管道指的是在管道上傳輸的數據是隨機的，沒有特別含義的數據。而消息管道指的是在管道上傳輸的數據是在USB協(xié)議中定義過的，有明確含義的數據?？刂乒艿谰蛯儆谙⒐艿馈？刂苽鬏數臅r序如下:

1)主機向設備發(fā)送控制字。

2)設備向主機發(fā)送應答數據。

3)主機向設備發(fā)送狀態(tài)字。

正常情況下的傳輸是這樣的。但是如果遇到設備處在忙狀態(tài)，則時序如下:

1)主機向設備發(fā)送控制字。

2)設備向主機發(fā)送應答數據。

3)設備處在忙狀態(tài)。

4)主機間隔一段時間后retry。

5)主機向設備發(fā)送狀態(tài)字。

6)設備處在忙狀態(tài)。

7)主機間隔一段時間后retry。

也就是說，如果設備忙，則主機的策略是等待設備恢復到空閑狀態(tài)時繼續(xù)發(fā)送請求。

2.4 總線枚舉

眾所周知，USB具有熱插拔的特性。USB3.0在USB設備插入USB總線或從USB總線移除時，主機上的系統(tǒng)軟件需要檢測到這些變化，以保證應用軟件對USB設備的正常訪問。這也是總線枚舉的作用?？偩€枚舉的步驟如下:

1)設備接入到USB Hub的某個下行Port。

2)USB Hub檢測到Port口電平變化后，通過中斷管道通知主機控制器。

3)主機控制器得到設備接入通知后，向USB Hub發(fā)送復位Port通知。

4)USB Hub復位Port后，設備處在默認(Default)狀態(tài)。此時設備的控制端點可用。

5)主機控制器通過控制管道向設備發(fā)送Get_Device_Descriptor控制字，獲取設備的基本信息。

6)在獲取了設備的基本信息后，主機在操作系統(tǒng)內核中尋找與該設備匹配的設備驅動程序。

7)如果找到設備驅動程序，則加載該驅動，設備就可以正常使用了。如果未找到，則提示用戶設備不可用。

3 USB3.0 的發(fā)展前景

3.1 USB3.0 的發(fā)展現狀

USB3.0體系從2008年末到現在經歷了接近兩年的時間。宣布支持USB3.0技術的硬件及軟件廠商非常多，其中即包括Intel、AMD、HP、Microsoft，NEC等眾多知名大廠，也包括眾多開源社區(qū)的支持。其中日本的NEC公司已于2009年開發(fā)出了第一款支持USB3.0規(guī)范的主控制器，并投入實際生產。現在國內已出現華碩，技嘉，微星等眾多廠商的支持USB3.0的主板，但是價格比較昂貴，并且USB3.0的設備比較少見，所以普及程度并不高。軟件方面，Windows7操作系統(tǒng)已宣布在SP1中加入對USB3.0的支持，但正式版本的SP1將于明年上半年發(fā)布;開源的操作系統(tǒng)Linux早在去年9月份就已實現了對USB3.0的支持，Linux內核版本是 2.6.31。

3.2 USB3.0 的發(fā)展前景

從USB2.0的發(fā)展歷史來看，從規(guī)范的提出到大規(guī)模普及用了四年左右的時間。雖然目前USB3.0的普及程度并不高，但是可以預見，USB3.0的極速傳輸，低電源消耗等優(yōu)秀的特性，必將使其在更廣泛的領域得到普及和應用，例如高分辨率攝像頭，視頻顯示器，外置硬盤，數碼攝像機，藍光光驅等等。在眾多硬件及軟件廠商的不斷努力下，在未來的3－5年內，USB3.0必將獲得長遠發(fā)展。

［1］ 李俊.嵌入式LINUX設備驅動開發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2008:311－313.

［2］ Don Anderson.USB系統(tǒng)體系［M］.北京:中國電力出版社，2003:37－40.

［3］ Jan Axelson.USB Complete The Developer’s Guide［M］.New York:Lakeview Research.2009:18 －20.

［4］ 胡曉軍，張愛成.USB接口開發(fā)技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2005:71－88.

［5］ 魏永明，耿岳，鐘書毅.LINUX設備驅動程序［M］.北京:中國電力出版社，2005:324－356.