2024年4月5日发(作者：)

由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，

USB总线技术应运而生。USB（Universal Serial Bus)，翻译为中文就是通

用串行总线，是由Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和North

en Telecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的

标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。

USB接口的主要特点是：即插即用，可热插拔。USB连接器将各种各样的外设

I/O端口合而为一，使之可热插拔，具有自动配置能力，用户只要简单地将外设

插入到PC以外的总线中，PC就能自动识别和配置USB设备。而且带宽更大，

增加外设时无需在PC内添加接口卡，多个USB集线器可相互传送数据，使P

C可以用全新的方式控制外设。USB可以自动检测和安装外设，实现真正的即

插即用。而USB的另一个显著特点是支持“热”插拔，即不需要关机断电，也可

以在正运行的电脑上插入或拔除一个USB设备。随着时间的推移，USB将成为

PC的标准配置。基于USB的外设将逐渐增多，现在满足USB要求的外设有：

调制解调器，键盘，鼠标，光驱，游戏手柄，软驱，扫描仪等，而非独立性I/

O连接的外设将逐渐减少。即主机控制式外设减少，智能控制控制外设增多。U

SB总线标准由1.1版升级到2.0版后，传输率由12Mbps增加到了240Mbp

s，更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。基于这点，USB也可以做

生产ISDN以及基于视频的产品。如数据手套的数字化仪提供数据接口。USB

总线结构简单，信号定义仅由2条电源线，2条信号线组成。

基本特性

的硬件结构

USB采用四线电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游（Do

wnstream)设备提供电源，对于高速且需要高带宽的外设，USB以全速12Mb

ps的传输数据；对于低速外设，USB则以1.5Mbps的传输速率来传输数据。

USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB是基于令牌

的总线。类似于令牌环网络或FDDI基于令牌的总线。USB主控制器广播令牌，

总线上设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或发送数据给主机来响

应。USB通过支持悬挂/恢复操作来管理USB总线电源。USB系统采用级联星

型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：主机（Host)，集线器（Hub)和功能设

备。

主机，也称为根，根结或根Hub，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上，

主机包含有主控制器和根集线器（Root Hub)，控制着USB总线上的数据和控

制信息的流动，每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上。

集线器是USB结构中的特定成分，它提供叫做端口（Port)的点将设备连接到U

SB总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负责

总线的故障检测和恢复。集线可为总线提供能源，亦可为自身提供能源（从外部

得到电源），自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中，但总线提供

能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中，如总

线提供能源设备的需要超过100mA电源时，不能同总线提供电源的集线器连

接。

功能设备通过端口与总线连接。USB同时可做Hub使用。

的软件结构

每个USB只有一个主机，它包括以下几层:

(1)USB总线接口

USB总线接口处理电气层与协议层的互连。从互连的角度来看，相似的总线接

口由设备及主机同时给出，例如串行接口机（SIE）。USB总线接口由主控制器

实现。

(2)USB系统

USB系统用主控制器管理主机与USB设备间的数据传输。它与主控制器间的接

口依赖于主控制器的硬件定义。同时，USB系统也负责管理USB资源，例如带

宽和总线能量，这使客户访问USB成为可能。USB系统还有三个基本组件：

主控制器驱动程序（HCD）这可把不同主控制器设备映射到USB系统中。HC

D与USB之间的接口叫HCDI，特定的HCDI由支持不同主控制器的操作系统

定义，通用主控制器驱动器（UHCD）处于软结构的最底层，由它来管理和控制

主控制器。UHCD实现了与USB主控制器通信和控制USB主控制器，并且它

对系统软件的其他部分是隐蔽的。系统软件中的最高层通过UHCD的软件接口

与主控制器通信。

USB驱动程序（USBD）它在UHCD驱动器之上，它提供驱动器级的接口，满

足现有设备驱动器设计的要求。USBD以I/O请求包（IRPs)的形式提供数据传

输架构，它由通过特定管道（Pipe)传输数据的需求组成。此外，USBD使客户

端出现设备的一个抽象，以便于抽象和管理。作为抽象的一部分，USBD拥有

缺省的管道。通过它可以访问所有的USB设备以进行标准的USB控制。该缺

省管道描述了一条USBD和USB设备间通信的逻辑通道。

主机软件 在某些操作系统中，没有提供USB系统软件。这些软件本来是用于

向设备驱动程序提供配置信息和装载结构的。在这些操作系统中，设备驱动程序

将应用提供的接口而不是直接访问USBDI（USB驱动程序接口）结构。

（3）USB客户软件

它是位于软件结构的最高层，负责处理特定USB设备驱动器。客户程序层描述

所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到后，这些客户程序将直接

作用于外围硬件。这个共享的特性将USB系统软件置于客户和它的设备之间，

这就要根据USBD在客户端形成的设备映像由客户程序对它进行处理。