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连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准 来自维基百科,自由的百科全书
通用串行总线(英语:Universal Serial Bus,缩写:USB)是连接电脑与装置的一种序列总线标准,也是一种输入输出(I/O) 连接端口的技术规范,广泛应用于个人电脑和移动设备等资讯通信产品,并扩展至摄影器材、数码电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。
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类别 | 总线 | ||
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产品历史 | |||
设计者 | |||
设计时间 | 1994年11月 | ||
制造商 | 康柏、DEC、IBM、英特尔、微软、NEC、北电网络 | ||
前身 | 串行接口, 并行接口, 游戏端口, Apple Desktop Bus, PS/2接口 | ||
一般规格 | |||
长度 | 5米(最大) | ||
宽度 | 11.5毫米(A型连接器),8.45毫米(B型连接器) | ||
高度 | 4.5毫米(A型连接器),7.78毫米(B型连接器,pre-v3.0) | ||
热插拔 | 支持 | ||
外接 | 支持 | ||
缆线 | 4条缆线,而USB 3.0拥有9条缆线 | ||
引脚 | 4个(1个供电,2个数据,1个接地);USB 3.0拥有9个(另外4个提供给SuperSpeed技术);USB 3.1 Type-C拥有24个 | ||
连接器 | 唯一 | ||
电力 | |||
信号 | 5伏特直流电 | ||
接地 | 专用引线和外壳 | ||
最大电压 | 20 V(±5%)(根据不同版本) | ||
最大电流 | 500mA–5A @ 5V(根据不同版本) | ||
数据 | |||
数据信号 | 由规范定义的数据包 | ||
宽度 | 1 bit | ||
比特率 | 1.5/12/480/5,000/10,000/20,000/40,000 Mbit/s(根据不同版本) | ||
最多装置数 | 127 | ||
协议 | 串列 | ||
引脚输出 | |||
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标准USB A型连接器(左)及B型连接器(右) | |||
引脚1 | VCC(+5V) | ||
引脚2 | Data- | ||
引脚3 | Data+ | ||
引脚4 | 接地 |
多媒体电脑刚问世时,外接式装置的传输接口各不相同,如打印机只能接并行端口、调制解调器只能接RS232、滑鼠键盘只能接PS/2等。繁杂的接口系统,加上必须安装驱动程式并重启才能使用的限制,都会造成用户的困扰。因此,创造出一个统一且支持易插拔的外接式传输接口,便成为无可避免的趋势,USB应运而生。
最新一代的USB是USB4,传输速度为40Gbit/s。物理接头USB Type-A、Type-B接头分正反面,新型USB Type-C接头不分正反面。[1][2]
USB最初是由英特尔与微软倡导发起,最大的特点是尽可能地实现热插拔和即插即用。当装置插入时,主机枚举到此装置并加载所需的驱动程式,因此其在使用上远比PCI和ISA等总线方便。
USB在速度上远比并行端口(例如EPP)与串行接口(例如RS-232)等传统电脑用标准总线快上许多。USB 1.1(Full Speed)的最大传输速率为12Mbps,USB 2.0(High Speed)为480Mbps,USB 3.0(USB 3.2 Gen 1×1) 为 5Gbps,USB 3.1 Gen2(USB 3.2 Gen 2x1) 为 10Gbps,而USB 3.2(USB 3.2 Gen 2x2)更达20Gbps,以及近期发表的USB 4.0,其速度可达40Gbps。
USB的设计为非对称式的,它由一个主机控制器和若干通过USB集线器装置以树形连接的装置组成。一个控制器下最多可以有5级Hub,包括Hub在内,最多可以连接128个装置,因为在设计时是使用7位元物理地址,二的七次方就等于128,一般人说USB连接127个是指连接(某一装置)时需扣除一个连接主机的USB接头,而一台电脑可以同时有多个控制器。和SPI-SCSI等标准不同,USB集线器不需要终结器。
USB可以连接的外设有滑鼠、键盘、游戏手柄、游戏杆、扫描仪、数码相机、打印机、硬盘和网卡等部件。对数码相机这样的多媒体外设USB已经是缺省接口;由于大大简化与电脑的连接,USB也逐步取代并行接口成为打印机的主流连接方式之一。2004年已经有超过1亿台USB装置;到2007年时,高清晰度数字影片外设是仅有的USB未能染指的外设类别,因为他需要更高的传输速率,不过USB3.1和2019年USB4的问世,高清晰度数码视频外设和外接式显卡也能在USB播放。
现USB标准中,按照速度等级和连接方式分为以下七种版本。注意USB-IF目前正式的主版本号只有USB 2.0和USB 3.2两个。
USB开发者论坛负责USB标准制订,其成员包括:苹果公司、惠普、NEC、微软和英特尔。
2001年底,USB-IF公布USB 2.0规范,与之前的USB 0.9、USB 1.0和USB 1.1一样,该规范完全向下兼容。随后,USB-IF公布USB On-The-Go(USB OTG,当前版本:1.0a)作为USB 2.0规范的补充标准,使其能够用于在便携装置之间直接交换数据。
USB的连接器分为A、B两种,分别用于主机和装置;其各自的小型化的连接器是Mini-A, Mini-B 和 Micro-A, Micro-B,另外还有Mini-AB(可同时支持Mini-A及Mini-B)的插口。USB 3.1版本中导入支持正反面不区分插入的C型。
目前USB支持5种数据信号速率,USB装置应该在其外壳或者有时是自身上正确标明其使用的速率。USB-IF进行装置认证并为通过兼容测试并支付许可费用的装置提供基本速率(低速和全速)和高速的特殊商标许可。
USB 4 最高40Gbps理论速度,是USB 3.1 Gen2的四倍
Mini USB除了第4针外,其他接口功能皆与标准USB相同。第4针成为ID,地线在mini-A上连接到第5针,在mini-B可以悬空亦可连接到第5针。
触点 | 功能 | 颜色 |
---|---|---|
1 | VBUS(4.4–5.25 V) | 红 |
2 | D− | 白 |
3 | D+ | 绿 |
4 | ID | |
5 | 接地 | 黑 |
2007年1月4日,USB实装论坛颁布Micro-USB的插头标准[3]。该标准将在许多新型智能电话和PDA上替代Mini-USB。Micro-USB插头的插拔寿命为10,000次,比Mini-USB插头高度减半,宽度相差无几。OMTP组织最近宣布,Micro-USB将成为移动设备数据和电源的标准接口[4]。
2009年2月17日,全球移动通信联盟协会宣布在2012年前将使用Micro-USB作为全球统一的标准充电器规格。首批签署协议的厂商包括:诺基亚、乐金、摩托罗拉、三星、索尼移动、美国电话电报公司、法国电信、西班牙电信、T-Mobile与沃达丰。
USB使用NRZI编码方式:当数据为0时,电平翻转;数据为1时,电平不翻转。为了防止出现过长时间电平不变化现象,在发送数据时采用位填充处理。具体过程如下:当遇见连续6个高电平时,就强制插入一个0。经过位填充后的数据由串行接口引擎(SIE)将数据串行化和NRZI编码后,发送到USB的差分数据线上。接收端完成的过程和发送端刚好相反。
一个USB主机通过Hub链可以连接多个装置。由于理论上一个物理装置可以承担多种功能,例如路由器同时也可以是一个SD卡读卡器,USB的术语中装置(Device)指的是功能(Functions)。集线器(Hub)由于作用特殊,按照正式的观点并不认为是Function。直接连接到主机的Hub是根(root)Hub。
装置/功能(和集线器)与管道Pipe(逻辑通道)联系在一起,管道把主机控制器和被称为端点Endpoint的逻辑实体链接起来。管道和位元流(例如UNIX的Pipeline)有着相同的含意,而在USB词汇中术语端点经常和管道混用,甚至在正式文档中。
端点(和各自的管道)在每个方向上按照0-15编号,因此一格装置/功能最多有32个活动管道,16个进,16个出。(出(OUT)指离开控制器,而入(IN)指进入主机控制器。)两个方向的端点0总是留给总线管理,占用了32个端点中的2个。在管道中,数据使用不同长度的包传递,端点可以传递的包长度上限一般是字节,所以USB包经常包含的数据量依次有8、16、32、64、128、256、512或者1024字节。
一个端点只能单向(进/出)传输数据,自然管道也是单向的。每个USB装置至少有两个端点/管道:他们分别是进出方向的,编号为0,用于控制总线上的装置。按照各自的传输类型,管道被分为4类:
一旦装置(功能)通过总线的Hub附加到主机控制器,主机控制器就给它分配一个主机上唯一的7位地址。主机控制器通过投票分配流量,一般是通过轮询模式,因此没有明确向主机控制器请求之前,装置不能传输数据。
为了访问端点,必须获得一个分层的配置。连接到主机的装置有且仅有一个装置描述符(Device Descriptor),而装置描述符有若干配置描述符(Configuration Descriptors)。这些配置一般与状态相对应,例如活跃和节能模式。每个配置描述符有若干接口描述符(Interface Setting),用于描述装置的一定方面,所以可以被用于不同的用途:如一个相机可能拥有视频和音频两个接口。接口描述符有一个缺省接口设置(Default Interface Setting)和可能多个替代接口设置(Alternate Interface Settings),它们都拥有如上所述的端点描述符。一个端点能够在多个接口和替代接口设置之间复用。
包含主机控制器和HUB的硬件为程序员提供了由硬件实现定义的接口主机控制器装置(HCD)。而实际上它在电脑上就是端口和内存映射。
1.0和1.1的标准有两个竞争的HCD实现。康柏的开放主机控制器接口(OHCI)和Intel的通用主机控制器接口(UHCI)。VIA威盛采纳了UHCI;其他主要的晶片组多使用OHCI。它们的主要区别是UHCI更加依赖软件驱动,因此对CPU要求更高,但是自身的硬件会更廉价。它们的并存导致操作系统开发和硬件厂商都必须在两个方案上开发和测试,从而导致费用上升。因此USB-IF在USB 2.0的设计阶段坚持只能有一个实现规范,这就是扩展主机控制器接口(EHCI)。因为EHCI只支持高速传输,所以EHCI控制器包括四个虚拟的全速或者慢速控制器。这里同样是Intel和Via使用虚拟UHCI,其他一般使用OHCI控制器。
某些版本的Windows上,打开装置管理器,如果装置说明中是否有“增强”("Enhanced"),就能够确认它是2.0版的。而在Linux系统中,命令lspci能够列出所有的PCI装置,而USB会分别命名为OHCI、UHCI或者EHCI,列出为32位地址的为EHCI,16位的为OHCI。命令lsusb能够显示所有USB装置的信息。命令dmesg能够显示OS启动时关于USB装置的信息。
USB的数据包格式和早期的互联网数据包格式非常相似,要了解USB连接原理就一定要先了解数据包格式。
偏移量 | 类型 | 大小 | 值 |
---|---|---|---|
0 | HeaderChksum | 1 | 利用添加包头进行效验,不包括包头本身的校验。 |
1 | HeaderSize | 1 | 包头的大小,包括可用的字符串。 |
2 | Signature | 2 | 数据值为0x1234 |
4 | VendorID | 2 | USB提供商的ID |
6 | ProductID | 2 | USB产品ID |
8 | ProductVersion | 1 | 产品版本号 |
9 | FirmwareVersion | 1 | 固件版本号 |
10 | USB属性 | 1 | USB Attribute: Bit 0:如果设为1,包头包括以下三个字符串:语言、制造商、产品字符串;如果设为0,包头不包括任何字符串。 |
11 | 最大电力 | 1 | 装置需要的最大电力,以2mA(毫安培)为单位。 |
12 | 装置属性 | 1 | Device Attributes: Bit 0:如果设为1,CPU运行在24 MHz;如果设为0,CPU运行在12 MHz。 |
13 | WPageSize | 1 | I2C的最大写入页面大小 |
14 | 数据类型 | 1 | 该数值定义装置是软件EEPROM还是硬件EEPROM。0x02:硬件EEPROM 其它数值无效。 |
15 | RpageSize | 1 | I2C最大读取页面大小。如果值为0,整个负载大小由一个I2C读取装置读取。 |
16 | PayLoadSize | 2 | 如果将EEPROM作为软件EEPROM使用,表示软件的大小;除此之外该值都是0。 |
0xxx | Language string | 4 | 语言字符串。以标准USB字符串格式表示。(非必要字段) |
0xxx | Manufacture string | ... | 制造商字符串。以标准USB字符串格式表示。(非必要字段) |
0xxx | Product string | ... | 产品字符串,以标准USB字符串格式表示。(非必要字段) |
0xxx | Application Code | ... | 表示应用代码。以标准USB字符串格式表示。(非必要字段) |
依附在总线上的装置可以是需要特定的驱动程式的完全定制的装置,也可能属于某个装置类别。这些类别定义装置的行为和接口描述符,这样一个驱动程式可能用于所有此种类别的装置。一般操作系统都为支持这些装置类别,为其提供通用驱动程式。
装置分类由USB设计论坛装置工作组决定,并分配ID。
如果一个装置类型属于整个装置,该装置的描述符的bDeviceClass域保存类别ID;如果它这是装置的一个接口,其ID保存在接口描述符的bInterfaceClass域。他们都占用一个字节,所以最多有253种装置类别。(0x00和0xFF保留)。当bDeviceClass设为0x00,操作系统会检查每个接口的bInterfaceClass以确定其类别。
每种类别可选支持子类别(SubClass)和协议子定义(Protocol subdefinition)。这样可以用于主装置类型的不断修订。
常用装置类别和ID有:
ID | 装置 | 例子 |
---|---|---|
0x00 [7] | 保留值 | 无 |
0x01 [7] | 音效装置 | 声卡 |
0x02 | USB通讯控制装置 | 网卡、调制解调器、串列端口 |
0x03 [7] | 人机界面装置(HID) | 键盘、滑鼠、控制杆 |
0x05 | 物理接口装置 | 有力量反馈的控制杆 |
0x06 [7] | 静止图像捕捉装置 | 影像扫描仪、Picture Transfer Protocol |
0x07 [7] | 打印装置 | 打印机 |
0x08 [7] | 大容量存取装置 | U盘、移动硬盘、存储卡读卡器、数码相机 |
0x09 [7] | 集线器 | 集线器 |
0x0A [7] | 通信装置 | 调制解调器、网络卡、ISDN、传真 |
0x0B | 智慧卡装置 | 读卡器 |
0x0E [7] | 影像装置 | 摄像头 |
0xE0 [7] | 无线传输装置 | 蓝牙 |
0xFE | 特殊的应用 | 红外线资料桥接器 |
0xFF [7] | 定制装置 |
接头是由USB协会所指定,接头的设计一方面为了支持众多USB的基本需求,另一方面也避免以往许多类似串行接头所出现的问题。
USB接头默认提供一组5伏特的电压,可作为相连接USB装置的电源。实际上,装置接收到的电源可能会低于5V,只略高于4V。通过USB PD3.0、QC4等快速充电协议,现有USB接口的最大的可以达到20V,最低3V。
USB-IF规范1.1版定义USB端口最高供电可达到1.5A/1500mA,而最新的1.2版规范更是修正为最大5A/5000mA的供电,但是总和也不得超过5A。
一个USB的HUB最多只能提供500 mA的电流。如此的电流已足以驱动许多电子装置,不过连接在总线供电HUB的所有装置,需要共享500mA的电流额度。一个由总线供电的装置可以使用到它所连接端口上允许输出的所有电源。
总线供电的HUB可以将电源供给连接在HUB上的所有装置,不过USB的规范只允许总线供电的HUB下游串接一层总线供电的装置,因此,总线供电的HUB下游不允许再串接另一个由总线供电的HUB。许多HUB有外加电源,因此可以提供电源给下游的装置,不会消耗总线上的电源。若装置需要的电压超过5V,都需要使用外加电源。
相对于之前其他沟通接口仅能传递信息资料,USB插槽本身还能提供5V(伏特)的主动电压,及0.5A(安培)的电流,因此对于一些小型装置而言,可以不必再外接电源供应装置,就能直接利用来自USB插槽的电力顺利运作。利用这特点,也有厂商开发出适当的排线,将USB拿来当作供电插座般使用,例如作为行动电话的充电器,或是提供小型桌灯及电风扇等的电力需要,反而与原本用来连接电脑用的主要用途无关。
USB使用USB大容量存储装置标准实现Storage装置的连接。它最初被用于传统的磁碟和光碟驱动,但是现在已经扩展到支持大量不同的装置。
USB有一个非常重要的优点,那就是它能够在不关闭电脑主机电源的情况下动态的安装和删除USB装置,这使它成为一种有用的外部装置。
在市面也可以找到USB 3.0 Dongle[9]此类小型可插拔式的移动设备,尺寸如同U盘一样迷你,有厂商推出USB接口的Wi-Fi/蓝牙无线Dongle,只要将此Dongle插入液晶电视上,即可透过无线连接方式,将用户手机、平板、手提电脑中的影片、照片分享到液晶电视上观看,市面上已有厂商将Android操作系统直接写入Dongle,成为多功能电视棒的产品。
USB没有完全取代PS/2键盘滑鼠接口,但目前许多主板都取消了PS/2接口。
使用专用键盘滑鼠接口的苹果电脑1999年1月也开始使用USB接口。最初iPod只有IEEE 1394接口;后来在第三代的iPod,苹果电脑开始支持USB2.0连接,但是还不能用作充电;现在的iPod,已经全面兼容USB,抛弃IEEE 1394接口,只用USB接口充电以及连接电脑主机。
1996年1月发布,数据传输速率为1.5Mbit/s(Low-Speed)和12Mbit/s(Full-Speed)。无预测及通过检测功能,Full-Speed也难以达成,仅极少数出现在市场上。
1998年9月发布,修正1.0版已发现的问题,主要是关于USB Hubs及Full-Speed,最早被采用的修订版。
USB 3.0于2008年11月发布,速度由480Mbps大幅提升到5Gbps。USB 3.0插座通常是蓝色的,并向下兼容USB 2.0和USB 1.x。USB 3.0引入了全双工传输,USB 1.x和USB 2.0则是半双工传输。
USB3.0推广小组于2013年7月31日宣布USB 3.1规格[10],传输速度提升为10Gb/s,比USB3.0的5Gb/s快上一倍,并向下兼容USB 2.0/1.0,如果要得到10Gb/s的传输速度仍需在主机、目标端同时具备对应的晶片才能达成,电力供应可高达100瓦。[11]
注意:在USB 3.1公布一段时间后,USB 3.0就更名为USB 3.1 Gen 1。[12]
USB 3.2的主要技术要点:
速度方面,使用USB 3.2主机连接USB 3.2存储装置,可以实现两条通道10Gbps的传输速度,理论上也就是相当接近于20Gbps。
USB 3.2向下兼容USB 2.0和USB 1.x。另外,从USB 3.2开始,Type-C是唯一推荐的接口方案。
USB 3.0的双通道模式,速度可达10Gbps(每条通道5Gbps)。必须使用USB Type-C接口才能达到10Gbps的速度。
USB 3.1 Gen 2的双通道模式,速度可达20Gbps(每条通道10Gbps)。必须使用USB Type-C接口才能达到20Gbps的速度。
USB4于2019年9月3日发布。[13]
USB4项目集成Thunderbolt 3协议,现有USB 3.2及USB 2.0也向下兼容。[14]
USB4支持40Gbps的传输速度,但达到40Gbps的速度要求USB资料线、产品支持USB4[15]。Type-C是唯一推荐的接口方案。
USB On-The-Go是USB2.0规格的补充标准。它可使USB装置,例如播放器或手机,从USB周边装置变为USB主机,与其他USB装置连线通讯。
PictBridge标准可以使得消费者使用的图形装置彼此互通(例如数码相机直接通过打印机输出)。一般它使用USB做为其底层通信协议。
微软的Xbox游戏主机和IBM的UltraPort均使用自身独有的专用接口,有别于标准的USB;不同的是,前者(Xbox)使用的是标准的USB 1.1信号格式,后者则使用标准的USB信号格式,而供电能力也更强。
开源项目USB/IP (页面存档备份,存于互联网档案馆)实现了USB数据包的网络传送,逻辑上将USB数据线无限延长。同时配合无线路由器等手段,可以实现无线USB传输。
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