| USB 综述 |
|
一、USB的定义 USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。 它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的新型接口技术。早在三年以前，就已经有PC带有USB接口了，但由于缺乏软件及设备的支持，这些PC机的USB口都是闲置未用的。1997年，微软在WIN95OSR2（WIN97）中开始用外挂模块提供对USB的支持， 1998年后随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上 USB设备的日渐增多，USB逐步走进了实用阶段。 现在电脑系统接驳外围设备的接口并无统一的标准，如键盘的 插口是圆的、连接打印机要用9针或25针的并行接口、鼠标则要用9针或25针的串行接 口。USB把这些不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插 头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。也就是说，USB 将取代当前PC上的串口和并口。 USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座。 Windows98操作系统是支持USB功能的。目前已经有很多USB外设问世，如数字照相机、 计算机电话、数字音箱、数字游戏杆、打印机、扫描仪、键盘、鼠标等 USB规范中将USB分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB 设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。 ·控制器（Host Controller) 主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。 ·控制器驱动程序(Host Controller Driver) 在控制器与USB设备之间建立通信信道。 ·USB芯片驱动程序(USB Driver) 提供对USB的支持。 ·USB设备(USB Device) 包括与PC相连的USB外围设备，分为两类,一类设备本身可再接其它USB外围设备,另一类设备本身不可再连接其它外围设备,前者称为集线器 (Hub),后者称为设备(Funct ion)。或者说,集线器带有连接其它外围设备的USB端口,而设备则是连接在计算机上用来完成特定功能并符合USB 规范的设备单元。 ·设备驱动程序(Client Driver Software) 就是用来驱动USB设备的程序，通常由操作系统或USB设备制造商提供。 针对设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式： ·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 正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、嗽叭以及电话等。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。 ·中断传输方式(Interrupt) 该方式传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果，此方式主要用在键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。 ·控制传输方式(Control) 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。 ·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。 随着大量的支持USB的个人电脑的普及以及Windows98的广泛应用，USB逐步成为PC机的一个标准接口已经是大势所趋。最新推出的PC机几乎100％支持USB。另一方面：使用USB接口的设备也在以惊人的速度发展。 二、 USB的历史发展 在谈论USB技术之前不妨让我们来看看这几年外设与接口技术的发展历程。过去的二十年中，个人计算机的外设一直比较简单，常常用到的是鼠标、打印机。尽管个人计算机由AppleⅠ发展到今天的PentiumⅢ，在计算性能和应用领域方面提升了许多，而串口与并口却多少年来一成不变地位于主机箱的背后，在功能和结构上没有什么变化。 串口的出现是在1980年左右，数据传输率是115kbps－230kbps，串口一般用来连接鼠标和M odem；并行口的数据传输率比串口快8倍，标准并口的数据传输率为1Mbps，一般用来连接打印机、扫描仪等。原则上每一个外设必须插在一个接口上，如果所有的接口均被用上了就只能通过添加插卡来追加接口了，当然机器内部可增插卡的数量还受到计算机上插槽个数的限制。多功能卡的出现，及有些厂家针对自己的产品线开发的自家适用的通用接口，很大程度上是为了解决多种设备连接到主机及提高传输速率而出现的解决方案。 1994年Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、North ern Telecom等世界上著名的七家计算机公司和通讯公司成立了USB论坛，大概花了近两年的时间才形成统一的意见，于1995年11月正式制定了USB0．9通用串行总线（UniversalSerialBus）规范，而把U SB接口真正设计在主板上用了一年的时间。1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。USB1．1是目前推出的支持USB的计算机与外设上普遍采用的标准。在今年2月23日的Intel开发者论坛大会上，介绍了USB2．0 规范，该规范的支持者除了原有的康柏、Intel、微软和NEC四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦三个新成员。US B2．0将向下兼容USB1．1，数据的传输率将达到120Mbps～240Mbps，预备支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。 目前普遍采用的USB1．1主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1．5Mbps和全速12M bps两种，一个USB端口可同时支持全速和低速的设备访问。 低速的USB带宽（1．5Mbps）支持低速设备，例如显示器、ISDN电话、调制解调器、键盘、鼠标、游戏手柄、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软驱等。全速的USB带宽（12Mbps）将支持大范围的多媒体和电话设备等。 继USB之后，另一个称为USBFIREWIRE(即IEEE1394)的接口技术正在从实验室步入市场领域，这种新型的接口比USB更为强大而稳定。不过正如USB的发展一样，IEEE1394也需要几年时间才可以形成气候。Intel、Microsoft、IBM、Compaq等大公司都已在USB技术上注入了大量的研发力量。USB的存在是PC机简单化、小型化的功臣之一。 IEEE 1394也是一种高效的串行接口标准。IEEE 1394可以在一个端口上连接最多63个设备，设备间采用树形或菊花链拓扑结构。IEEE 1394标准定义了两种总线模式，即：Backplane模式和Ca ble模式。其中Backplane模式支持12.5、25、50Mbps的传输速率；Cable模式支持100、2 00、400Mbps的速率。目前正在开发1Gbps的版本。在400Mbps时，只要利用50％的带宽就可以支持不经压缩的高质量数字化视频信息流。 1998年9月，美国Apple公司推出iMac，其主机和显示器是结合在一起的，整个机身呈流线型。i Mac的键盘和鼠标都是USB接口的，iMac最具震憾性的特点，除了外型，就是全面利用USB界面，原本连接键盘、鼠标的串口和SCSI接口都已消失。 虽然USB0．9规范已于1995年11月正式制定完成，并立即分发给外设和芯片组开发商，而且当年6个月后Intel公司就宣布了首批可支持USB的芯片组———Intel430HX以及430VXPCIset，但此后一直没有可与这一芯片组相互配合的外设产品。1996年USB端口已出现于许多计算机的后端，但这些端口也沉默了一年多的时间，因为市场上的USB设备极少，并且缺乏相应的软件支持，用户无法很好地利用这一技术。 去年6月，MicrosoftWindows98的推出后，彻底改变了这一状况，因为这一操作系统提供了对USB的全面支持。目前USB已得到了一个由450家技术公司组成的技术联盟的支持，据Dataquest报告：1 998年配有USB的PC数量将增长300％，达到1．36亿台。预计这一标准将在2001年将出现在大约100％的台式PC和80％的笔记本计算机中。同时USBIF今年5月宣布，有超过220种USB外设已通过与其他USB设备或系统间的互操作测试，较年初又有50％的增长。他们预计1998年将有100种外设通过测试。 目前USB已成为Windows98的一个关键部件，并很快还将会在WindowsCE和WindowsNT 5．0的下一个版本中得到支持。当前Apple的平台已提供对USB的支持，预计今后Sun和Digital的平台也将会提供对这一技术的支持。 一些业界领导表示，未来的PC将是一个密封设备，所有外设都将通过USB或其他外部接口连接。从理论上说，USB将使用户可同时连接127台外设。加上即插即用技术，插接外设不用关机，比起PS/2、串联、并联或SCSI 总线，使用上方便许多。 三、USB的特点 1、使用方便 使用USB接口可以连接多个不同的设备，而过去的串口和并口只能接一个设备，因此，从一个设备转而使用另一个设备时不得不关机，拆 下这个，安上那个，开机再使用，USB则为用户省去了这些麻烦，除了可以把多个设备串接在一起之外，USB还支持热插拔。 在软件方面，USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户做更多的操作，这同样为用户带来极大的方便。 USB设备也不涉及IRQ冲突问题。USB口单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用PC机有限的资源，同样为用户省去了硬件配置的烦恼。 2、速度够快 速度性能是USB技术的突出特点之一。USB接口的最高传输率可达每秒12Mb，比串口快了整整100倍，比并口也快了十多倍。 3、连接灵活 USB接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头(Hub)，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。在 USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用 “级联”方式，即每个USB设备用一个USB 插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接 用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设，而每个外 设间距离(线缆长度)可达5米。USB能智能识别USB链上外围设备的插入或折卸，USB为PC 的外设扩充提供了一个很好的解决方案。 4、独立供电 普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要，因为USB接口提供了内置电源。U SB电源能向低压设备提供5伏的电源，因此新的设备就不需要专门的交流电源了,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 5、支持多媒体 USB提供了对电话的两路数据支持。USB可支持异步以及等时数据传输,使电话可与PC 集成,共享语音邮件及其它特性。USB还具有高保真音频。由于USB音频信息生成于计算机外，因而减小了电子噪音干扰 声音质量的机会, 从而使音频系统具有更高的保真度。 6、USB存在的问题 尽管在理论上，USB可以实现高达127个设备的串列连接，但是在实际应用中，也许串联3到4个设备就可能导致一些设备失效。而且，实际的USB产品中，只有键盘是有一个输入口、一个输出口的设备，其它的则只有一个输入口而已，根本无法再连接下一个USB设备，所以当前的USB应用中，使用Hub来连接多个USB设备是必需的。 另一个问题出在USB的电源上，尽管USB本身可以提供500mA的电力，但一旦碰到高电耗的设备，就会导致供电不足。解决这个问题的办法仍然是使用Hub。因此，配置一个包括键盘、数码相机(摄像机)和扫描仪在内的US B系统，用户还要额外花费七、八百元人民币来购买Hub。另外一个变通的方法，就是串接两个USB设备，对其它的US B设备进行热插拨，不过，这虽然省了钱，却费了事儿。 至于产生问题的原因，USB的开发商认为问题不在于USB接口本身，而是由于USB设备的产品不符合标准造成的。我们姑且不去理会谁该负起这个责任，只是要记得，如果现在指望一个USB口上连接127个设备，别忘了买Hub。 四、USB的应用 到目前为止，USB已经在PC机的多种外设上得到应用，包括扫描仪、数码相机、数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等等。 扫描仪和数码相机、数码摄像机是从USB中最早获益，也是获益最多的两种产品。并口扫描仪，在执行扫描操作之前，用户必须先启动图像处理软件和扫描驱动软件(如Photoshop)，然后通过软件操作扫描仪。而USB扫描仪则不同，用户只需放好要扫描的图文，按一下扫描仪的按钮，屏幕上会自动弹出扫描仪驱动软件和图像处理软件，并实时监视扫描的过程。这是不是方便多了呢? USB数码相机、摄像机和扫描仪类似，也是“一触即发”的，但它们更得益于USB的高速数据传输能力，使大容量的图像在短时间内即可完成。 USB在音频系统的应用代表产品是微软推出的MicrosoftDigitalSoundSystem8 0(微软数字声音系统80)。使用这个系统，可以把数字音频信号传送到音箱，不再需要声卡进行数模转换，音质也较以前有一定的提升。 不过，目前的USB音频系统还无法实现音频CD(AudioCD)的播放问题，因此喜欢听CD的朋友还不得不使用声卡传送CD信号到音箱中去。 实际上，USB技术在输入设备上的应用是最成功的。USB键盘、鼠标器以及游戏杆都表现得极为稳定，很少出现问题。 早在1997年，市场上就已经出现了具备USB接口的显示器，为PC机提供附加的USB口。这主要是因为大多数的PC机外设都是桌面设备，同显示器连接要比同主机连接更方便、简单。 目前，市场上出现的USB设备种类越来越多，典型的产品有：DSL的USB“猫”、Iomega的USB ZIP驱动器以及eTek的USBPC网卡等等。 |