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通用串行总线是一种将USB外围设备连接到主机的外部总线结构，它通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接，实现数据传送。USB同时又是一种通信协议，它支持主系统和USB外围设备之间的数据传送，通过一个4针的标准插头，采用菊花链形式把所有的外设连接起来。通用串行总线(UniversalSerialBus，USB)是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的计算机串行通信协议。USB协议得到各PC厂商、芯片制造商和PC外设厂商的广泛支持。从当初的0.7、0.8版本到现在广泛采用的1.0、1.1版本，甚至到正在逐步推广的2.0版本，USB本身也在不断地发展和完善。USB主要具有以下优点：支持热插拔(hotplug)和即插即用(Plug-and-Play)，即在不关机的情况下可以安全地插上或断开USB设备，动态加载驱动程序。为所有的USB外设提供单一的、易于操作的标准连接类型，排除了外设对系统资源的需求，因此减少了硬件的复杂性和对端口的占用，整个USB系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。USB1.1提供全速12Mb/s和低速1.5Mb/s的模式，USB2.0提供高达480Mb/s的传输速率。为了适应各种不同类型外设的要求，USB提供了四种不同的数据传输类型。易于扩展，理论上最多可支持127个设备。USB总线的硬件结构USB通过四线电缆传送信号和电能，如图3-22所示。其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游(Downstream)设备提供电能。图3-22USB连接线D+、D-是一对差模信号线，它支持两种数据传输率。以USB1.1为例，对于高速外设，USB以全速12Mb/s传输数据，但必须使用屏蔽的双绞线且长度不超过5m；对于低速外设，USB则以1.5Mb/s的速率传输数据，这种模式下可以使用无屏蔽的非双绞线，但长度不超过3m。为了保证能够提供一定电平的信号并且与终端的负载匹配，在电缆的每一端都使用不平衡终端负载。这种终端负载既能保证检测出外设与端口的连接和分离，又能区分高速与低速USB总线，可以根据外设情况在两种传输模式中自动动态切换。VBUS通常为+5V的电源，GND是地线。USB总线是基于令牌的总线，类似于令牌环网络。USB主控制器广播令牌，总线上的设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过接收或者发送数据来响应主机。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，如图3-23所示。主机也称为根或RootHub，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上。主机通过主机控制器与USB设备进行交互，控制着USB总线上的数据，并控制信息的流动。每个USB系统只能有一个根集线器，它连在主控制器上。集线器是USB结构中的特定成分，它提供用于将设备连接到USB总线上的端口，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，负载总线的故障检测和恢复。集线器可为总线提供能源，也可为自身提供能源(从外部得到电能)。图3-23USB系统级联结构3．USB总线的软件结构每个USB仅有一个主机，在USB通信过程中占主导地位。主机包括USB总线接口、USB设备层和功能层三层结构。主机各层具有的功能包括：检测连接和移去的USB设备、管理主机和USB设备间的数据流、连接USB状态和活动统计、控制主控制器和USB设备间的电气接口等。USB总线接口。USB总线接口处理电气层与协议层的互连，由主控制器实现。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，这使得客户访问USB成为可能。USB系统包括三个基本组件：主控制器驱动程序(HCD)、USB驱动程序(USBD)和主机软件。主控制器驱动程序：该程序可以把不同主控制器设备映射到USB系统中。通用主控制器驱动程序(UHCD)处于软结构的最低层，实现了USB主控制器通信和控制USB主控制器，并且对系统软件的其他部分是隐蔽的。系统软件中的对高层通过UHCD的软件接口与主控制器通信。USB驱动程序：该程序在UHCD驱动器之上，提供驱动器级的接口，以满足现有设备驱动器设计的要求。主机软件：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，但在某些操作系统中没有提供USB系统软件，设备驱动程序将应用操作系统提供的接口而不是直接访问USB驱动程序接口。USB客户软件。USB客户软件是软件结构的最高层，负责处理特定的USB设备驱动。客户程序层描述所有直接作用于设备的