USB通信方式研究

摘要：數(shù)據(jù)傳輸是計(jì)算機(jī)的主要功能之一。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞街饕譃椋河?jì)算機(jī)自身通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源的下載和計(jì)算機(jī)通過(guò)自身的端口與外圍設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳遞與轉(zhuǎn)移。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中，計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間通信的端口種類(lèi)豐富，其中，USB接口是最常用的通信接口。本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成以及計(jì)算機(jī)與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸方式的研究，分析USB通信方式。

關(guān)鍵詞：USB接口 通信方式 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0040-01

1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)在許多方面都對(duì)傳統(tǒng)的馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，傳統(tǒng)的五大部件演變?yōu)槿齻€(gè)硬件子系統(tǒng)：處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和輸入/輸出系統(tǒng)。

2 USB概念及性能

2.1 USB概念描述

USB是Universal Serial Bus的簡(jiǎn)稱(chēng)，其翻譯為通用串行總線，它是一種外設(shè)總線。USB概念可分為兩種。其一是作為計(jì)算機(jī)特有的接口，從主機(jī)到底層設(shè)備的硬件支持使USB作為計(jì)算機(jī)特有的接口成為可能；其二是作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，主機(jī)系統(tǒng)和USB外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸需要USB來(lái)構(gòu)建自己的通信協(xié)議。

2.2 USB性能描述

USB作為使用最為普遍的計(jì)算機(jī)通信接口，具備低成本、熱插拔、單一的連接器類(lèi)型、最多可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接127個(gè)設(shè)備、低速和全速設(shè)備、獨(dú)立供電、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)、電源保護(hù)、支持四種類(lèi)型的傳輸方式和保持向上的繼承性等一系列特性。

3 USB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

USB系統(tǒng)由3部分來(lái)描述：USB主機(jī)、USB設(shè)備和USB互連。

3.1 USB主機(jī)

任一USB系統(tǒng)中只有一個(gè)主機(jī)。主機(jī)由主控制器、USB系統(tǒng)軟件和客戶軟件等邏輯部件構(gòu)成。其中，主機(jī)控制器就是主機(jī)系統(tǒng)上的USB接口。

3.2 USB設(shè)備

集線器和功能是USB設(shè)備的兩大類(lèi)。USB系統(tǒng)的附加連接點(diǎn)是由集線器提供的，它是在USB規(guī)格中特別定義出來(lái)的一種外圍設(shè)備，除具有擴(kuò)展連接點(diǎn)外，還負(fù)責(zé)中繼上/下游的信號(hào)，以及控制各個(gè)端口的電源管理；主機(jī)系統(tǒng)的附加性能主要是由功能所提供。

3.3 USB互連

USB互連指的是USB設(shè)備與主機(jī)的通信方式和連接方式。其中，USB主機(jī)可以和多個(gè)USB設(shè)備進(jìn)行連接。

4 USB通信方式

USB的主要通信方式有控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和等時(shí)傳輸四種。

4.1 控制傳輸

4.1.1 控制傳輸?shù)膬纱蠊δ?/p>

（1）控制傳輸定義了USB規(guī)范的基本要求，主機(jī)可以借此來(lái)進(jìn)一步了解設(shè)備和配置設(shè)備；（2）控制傳輸提出了傳輸類(lèi)別或廠商根據(jù)對(duì)其他任何目的定義請(qǐng)求。

4.1.2 控制傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)

控制傳輸主要有兩個(gè)或三個(gè)階段的定義結(jié)構(gòu)，其中包括設(shè)置、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。定義結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)階段包含一筆或多筆事物。設(shè)置階段和狀態(tài)階段是每個(gè)控制傳輸都有的，但是，設(shè)置階段是可供選擇的。由于每個(gè)控制傳輸都需要在雙向傳輸信息，因此IN和OUT地址的端點(diǎn)要被控制傳輸信息管道同時(shí)使用。

當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)階段時(shí)，在控制寫(xiě)的傳輸過(guò)程中，其方向是由主機(jī)流向設(shè)備。在控制讀的傳輸中，其方向是由設(shè)備流向主機(jī)的。

4.1.3 控制傳輸?shù)膫鬏斔俣?/p>

主機(jī)控制器保留了部分帶寬給控制傳輸。在低俗和中速過(guò)程中保留值為10%；高速過(guò)程中保留值為20%。如果總線有未使用完的帶寬，控制傳輸可以使用多于保留的額度。

4.2 中斷傳輸

4.2.1 中斷傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)

中斷傳輸適用于小批量的、點(diǎn)式的、非連續(xù)性的數(shù)據(jù)且必須在指定時(shí)間內(nèi)傳輸完成的數(shù)據(jù)上。它是低速設(shè)備可以傳輸數(shù)據(jù)的唯一方法。

4.2.2 中斷傳輸?shù)膫鬏斔俣?/p>

保證最大延遲是中斷傳輸?shù)囊淮筇攸c(diǎn)。中斷傳輸不保證數(shù)據(jù)的傳輸速度，但高速的中斷傳輸非?？?，可以達(dá)到24.576Mbytes/s；中速的中斷傳輸可以達(dá)到800bytes/s；最大時(shí)延由存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)的端點(diǎn)描述符指定。

4.3 批量傳輸

4.3.1 批量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)

批量傳輸是單向傳輸（所有的事務(wù)必須全部是輸入事務(wù)，或全部是輸出事務(wù)）、且含有一個(gè)或多個(gè)IN或OUT事務(wù)的，它主要運(yùn)用于對(duì)時(shí)間要求不嚴(yán)格的傳輸。批量傳輸具有在不阻塞總線的情況下可以傳輸大量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)讓其他傳輸類(lèi)型先執(zhí)行，等待可以傳輸?shù)臅r(shí)間。在一個(gè)閑置的總線中，批量傳輸是最快的傳輸類(lèi)型，且批量傳輸一般只使用在中速和高速設(shè)備中。

4.3.2 批量傳輸?shù)膫鬏斔俾?/p>

主機(jī)控制器是批量傳輸可以完成的保證，但沒(méi)有給批量傳輸保證任何的帶寬。控制傳輸在不同而傳輸速度中會(huì)得到不同的帶寬，余下的都給中斷或等時(shí)的傳輸使用。當(dāng)總線閑置時(shí)，批量傳輸可以使用任何形式的大部分帶寬，而且批量傳輸?shù)谋眍^很小，所以是最快的傳輸。

4.4 等時(shí)傳輸

4.4.1 等時(shí)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)

等時(shí)傳輸主要運(yùn)用于數(shù)據(jù)必須以固定速率抵達(dá)或在指定時(shí)刻抵達(dá)、且可以容忍偶爾錯(cuò)誤的串?dāng)?shù)據(jù)流上。等時(shí)傳輸具有保障大量數(shù)據(jù)可以順利地通過(guò)總線的特點(diǎn)，其中數(shù)據(jù)傳輸速率不一定要以固定速率來(lái)傳輸。與批量傳輸不同的是，一旦等時(shí)傳輸開(kāi)始，主機(jī)保證可以在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)來(lái)完成。

4.4.2 等時(shí)傳輸?shù)膫鬏斔俾?/p>

中速的等時(shí)事務(wù)傳輸可以達(dá)到每個(gè)幀1023字節(jié)；高速等時(shí)事務(wù)可以傳輸?shù)矫總€(gè)幀1024字節(jié)。由于高速的等時(shí)不必在每個(gè)幀或微幀內(nèi)做一筆事務(wù)，所以用于比中速傳輸請(qǐng)求較小的帶寬。

5 USB接口評(píng)價(jià)

5.1 USB優(yōu)點(diǎn)

USB接口具有容易使用、傳輸速度快、低價(jià)位、低功耗、可靠性、操作系統(tǒng)的支持、外圍設(shè)備的支持以及靈活性高的優(yōu)點(diǎn)。

5.2 USB缺點(diǎn)

USB接口具有缺乏對(duì)舊硬件的支持、缺乏點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信能力、速度和距離均受到限制、受硬件的錯(cuò)誤或故障的影響大以及協(xié)議的復(fù)雜性等缺點(diǎn)。

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收稿日期：2016-09-20

作者簡(jiǎn)介：黃文斌（1995—），男，漢族，江蘇連云港人，本科生在讀，西北民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院。