USB3.0體系結構及發(fā)展前景

劉妍秀

(長春大學 計算機科學技術學院，吉林 長春 130022)

USB(Universal Serial BUS)協(xié)議是1994年由Intel、Microsoft等眾多公司聯(lián)合提出的，目的是解決計算機外設接口眾多，并且速度慢，擴展性差的問題。到如今經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，采用USB協(xié)議的計算機外設越來越多，例如USB鼠標，鍵盤，攝像頭，打印機，外置硬盤等等，USB協(xié)議的應用越來越廣泛。

從1994年到如今，USB協(xié)議經(jīng)歷了多個版本的發(fā)展，其中USB1.1、USB2.0是目前被PC主機廣泛支持的兩個版本。其中USB2.0協(xié)議能夠達到的最高傳輸速度為60MB/s(理論值)，但是隨著今年來高清視頻格式的出現(xiàn)以及大容量移動存儲設備的出現(xiàn)，對USB總線的帶寬和傳輸速率提出了更高的要求。針對這一點，在2008年末，由Intel公司主持設計并發(fā)布了USB3.0版本。其最高傳輸速度達到了625MB/s(理論值)，速度整整提高了10倍。

1 USB3.0 體系的構成

USB體系包括三個部分:主機，設備，及物理連接［1］。

1.1 主機

最常見的主機例如PC，它具有USB設備的管理能力。

硬件方面，包含USB主機控制器(USB Host Controller)及根集線器(RootHub)。在USB3.0出現(xiàn)之前，主機控制器接口有 OHCI、UHCI、EHCI三種。其中 OHCI、UHCI符合 USB1.1 規(guī)范，EHCI符合 USB2.0 規(guī)范，并向下兼容。隨著USB3.0協(xié)議的出現(xiàn)，Intel公司設計了XHCI(eXtensible Host Controller Interface)，它遵守USB3.0 協(xié)議，并支持 USB1.1、USB2.0 的設備。較 OHCI、UHCI、EHCI相比，XHCI能夠提供更高的穩(wěn)定性及更好的可擴展性，在系統(tǒng)空閑時保證更低的能源消耗。USB集線器的作用類似于網(wǎng)絡集線器，作用是提供擴展接口，用來增加可連接的USB設備數(shù)目。每個USB集線器具有一個上行Port和N個下行Port［2］。

軟件方面，包括USB主機控制器驅(qū)動及USB協(xié)議棧的實現(xiàn)。在PC上常見的Windows操作系統(tǒng)以及在嵌入式設備上常見的Linux操作系統(tǒng)，對USB體系結構都提供了很好的支持。其中Linux更是第一款支持USB3.0規(guī)范的操作系統(tǒng)。

1.2 設備

常見USB設備包括鼠標，鍵盤，U盤，攝像頭，打印機等等。在USB體系中設備可以分為很多種類，表1介紹了USB的設備種類:

從表1中可以看出，USB設備種類非常之多，可見USB體系應用之廣泛。

表1 USB的設備種類

1.3 物理連接

物理連接指的是主機和USB設備間的連接方式。主機到USB設備間的物理連接模型如下圖1所示。

圖1 主機到USB設備間的物理連接模型

該模型采用的是樹形結構［3］。其中樹根是USB主機及RootHub.其余層次為功能設備及USBHub。每層通過USB Hub級聯(lián)。USB2.0及USB3.0都支持7層深度，USB1.1支持的最大深度為4層［4］。每層之間通過USB線纜相連。圖2介紹了USB3.0的層次結構。

圖2 USB3.0的層次結構模型

USB3.0中定義了8根信號線，比USB2.0多了SSTX+，SSTX－，SSRX+，SSRX－四根數(shù)據(jù)線。這也是USB3.0速度比USB2.0大幅提升的原因之一。

2 主機到USB設備的數(shù)據(jù)傳輸模型

圖3介紹了主機到USB設備之間如何進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 主機到USB設備的數(shù)據(jù)傳輸模型

2.1 端點

端點是USB設備數(shù)據(jù)接收和傳輸?shù)淖钚挝弧６它c具有如下特征:

1)每個USB設備具有一個或多個端點。

2)端點具有方向性。主機到設備稱為Out端點，設備到主機稱為In端點。

3)每個端點都有緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小決定了每次傳輸數(shù)據(jù)的大小。

4)每個端點通過地址，端點號及方向三個屬性唯一決定。

端點有四種類型，分別是控制傳輸端點，中斷傳輸端點，批量傳輸端點，等時傳輸端點。

(1)控制端點用于向USB設備發(fā)送控制命令，或獲取USB設備的狀態(tài)信息。每個USB設備至少擁有一個控制端點［5］。

(2)中斷端點用于少量數(shù)據(jù)，隨時發(fā)生的傳輸。例如USB鼠標，鍵盤等。(3)批量端點用于大量數(shù)據(jù)的傳輸。例如U盤，移動硬盤。(4)等時端點用于實時數(shù)據(jù)的傳輸，例如USB攝像頭等。

2.2 管道

在主機與USB設備端點間建立的通信信道，稱為管道。主機與USB設備間的通信，就是建立在管道之上的。按照端點類型不同，管道也可以分為四種:分別為控制管道，中斷管道，批量管道，等時管道。其中控制管道是最為重要的管道。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸時序

根據(jù)管道類型的不同，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序也有所不同。由于控制管道是每個USB設備必須具備的功能，所以我們以控制管道下的數(shù)據(jù)傳輸為例。管道分為流式管道(Stream Pipe)及消息管道(Message Pipe)。流式管道指的是在管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是隨機的，沒有特別含義的數(shù)據(jù)。而消息管道指的是在管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在USB協(xié)議中定義過的，有明確含義的數(shù)據(jù)。控制管道就屬于消息管道。控制傳輸?shù)臅r序如下:

1)主機向設備發(fā)送控制字。

2)設備向主機發(fā)送應答數(shù)據(jù)。

3)主機向設備發(fā)送狀態(tài)字。

正常情況下的傳輸是這樣的。但是如果遇到設備處在忙狀態(tài)，則時序如下:

1)主機向設備發(fā)送控制字。

2)設備向主機發(fā)送應答數(shù)據(jù)。

3)設備處在忙狀態(tài)。

4)主機間隔一段時間后retry。

5)主機向設備發(fā)送狀態(tài)字。

6)設備處在忙狀態(tài)。

7)主機間隔一段時間后retry。

也就是說，如果設備忙，則主機的策略是等待設備恢復到空閑狀態(tài)時繼續(xù)發(fā)送請求。

2.4 總線枚舉

眾所周知，USB具有熱插拔的特性。USB3.0在USB設備插入USB總線或從USB總線移除時，主機上的系統(tǒng)軟件需要檢測到這些變化，以保證應用軟件對USB設備的正常訪問。這也是總線枚舉的作用。總線枚舉的步驟如下:

1)設備接入到USB Hub的某個下行Port。

2)USB Hub檢測到Port口電平變化后，通過中斷管道通知主機控制器。

3)主機控制器得到設備接入通知后，向USB Hub發(fā)送復位Port通知。

4)USB Hub復位Port后，設備處在默認(Default)狀態(tài)。此時設備的控制端點可用。

5)主機控制器通過控制管道向設備發(fā)送Get_Device_Descriptor控制字，獲取設備的基本信息。

6)在獲取了設備的基本信息后，主機在操作系統(tǒng)內(nèi)核中尋找與該設備匹配的設備驅(qū)動程序。

7)如果找到設備驅(qū)動程序，則加載該驅(qū)動，設備就可以正常使用了。如果未找到，則提示用戶設備不可用。

3 USB3.0 的發(fā)展前景

3.1 USB3.0 的發(fā)展現(xiàn)狀

USB3.0體系從2008年末到現(xiàn)在經(jīng)歷了接近兩年的時間。宣布支持USB3.0技術的硬件及軟件廠商非常多，其中即包括Intel、AMD、HP、Microsoft，NEC等眾多知名大廠，也包括眾多開源社區(qū)的支持。其中日本的NEC公司已于2009年開發(fā)出了第一款支持USB3.0規(guī)范的主控制器，并投入實際生產(chǎn)。現(xiàn)在國內(nèi)已出現(xiàn)華碩，技嘉，微星等眾多廠商的支持USB3.0的主板，但是價格比較昂貴，并且USB3.0的設備比較少見，所以普及程度并不高。軟件方面，Windows7操作系統(tǒng)已宣布在SP1中加入對USB3.0的支持，但正式版本的SP1將于明年上半年發(fā)布;開源的操作系統(tǒng)Linux早在去年9月份就已實現(xiàn)了對USB3.0的支持，Linux內(nèi)核版本是 2.6.31。

3.2 USB3.0 的發(fā)展前景

從USB2.0的發(fā)展歷史來看，從規(guī)范的提出到大規(guī)模普及用了四年左右的時間。雖然目前USB3.0的普及程度并不高，但是可以預見，USB3.0的極速傳輸，低電源消耗等優(yōu)秀的特性，必將使其在更廣泛的領域得到普及和應用，例如高分辨率攝像頭，視頻顯示器，外置硬盤，數(shù)碼攝像機，藍光光驅(qū)等等。在眾多硬件及軟件廠商的不斷努力下，在未來的3－5年內(nèi)，USB3.0必將獲得長遠發(fā)展。

［1］ 李俊.嵌入式LINUX設備驅(qū)動開發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2008:311－313.

［2］ Don Anderson.USB系統(tǒng)體系［M］.北京:中國電力出版社，2003:37－40.

［3］ Jan Axelson.USB Complete The Developer’s Guide［M］.New York:Lakeview Research.2009:18 －20.

［4］ 胡曉軍，張愛成.USB接口開發(fā)技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2005:71－88.

［5］ 魏永明，耿岳，鐘書毅.LINUX設備驅(qū)動程序［M］.北京:中國電力出版社，2005:324－356.