USB通信方式研究

摘要：數據傳輸是計算機的主要功能之一。數據傳輸的方式主要分為：計算機自身通過網絡資源的下載和計算機通過自身的端口與外圍設備間數據的傳遞與轉移。在計算機應用技術中，計算機與外圍設備之間通信的端口種類豐富，其中，USB接口是最常用的通信接口。本文通過對計算機系統的組成以及計算機與外設進行數據傳輸方式的研究，分析USB通信方式。

關鍵詞：USB接口 通信方式 數據存儲 計算機系統

中圖分類號：：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0040-01

1 計算機系統的組成

隨著科技的發展，現代的計算機在許多方面都對傳統的馮諾依曼計算機結構進行了改進，傳統的五大部件演變為三個硬件子系統：處理器、存儲系統和輸入/輸出系統。

2 USB概念及性能

2.1 USB概念描述

USB是Universal Serial Bus的簡稱，其翻譯為通用串行總線，它是一種外設總線。USB概念可分為兩種。其一是作為計算機特有的接口，從主機到底層設備的硬件支持使USB作為計算機特有的接口成為可能；其二是作為數據傳輸系統，主機系統和USB外圍設備間的數據傳輸需要USB來構建自己的通信協議。

2.2 USB性能描述

USB作為使用最為普遍的計算機通信接口，具備低成本、熱插拔、單一的連接器類型、最多可通過網絡連接127個設備、低速和全速設備、獨立供電、錯誤檢測和恢復、電源保護、支持四種類型的傳輸方式和保持向上的繼承性等一系列特性。

3 USB系統結構

USB系統由3部分來描述：USB主機、USB設備和USB互連。

3.1 USB主機

任一USB系統中只有一個主機。主機由主控制器、USB系統軟件和客戶軟件等邏輯部件構成。其中，主機控制器就是主機系統上的USB接口。

3.2 USB設備

集線器和功能是USB設備的兩大類。USB系統的附加連接點是由集線器提供的，它是在USB規格中特別定義出來的一種外圍設備，除具有擴展連接點外，還負責中繼上/下游的信號，以及控制各個端口的電源管理；主機系統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設備與主機的通信方式和連接方式。其中，USB主機可以和多個USB設備進行連接。

4 USB通信方式

USB的主要通信方式有控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和等時傳輸四種。

4.1 控制傳輸

4.1.1 控制傳輸的兩大功能

（1）控制傳輸定義了USB規范的基本要求，主機可以借此來進一步了解設備和配置設備；（2）控制傳輸提出了傳輸類別或廠商根據對其他任何目的定義請求。

4.1.2 控制傳輸的結構

控制傳輸主要有兩個或三個階段的定義結構，其中包括設置、數據和狀態。定義結構中的每一個階段包含一筆或多筆事物。設置階段和狀態階段是每個控制傳輸都有的，但是，設置階段是可供選擇的。由于每個控制傳輸都需要在雙向傳輸信息，因此IN和OUT地址的端點要被控制傳輸信息管道同時使用。

當數據到達數據階段時，在控制寫的傳輸過程中，其方向是由主機流向設備。在控制讀的傳輸中，其方向是由設備流向主機的。

4.1.3 控制傳輸的傳輸速度

主機控制器保留了部分帶寬給控制傳輸。在低俗和中速過程中保留值為10%；高速過程中保留值為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 中斷傳輸的結構

中斷傳輸適用于小批量的、點式的、非連續性的數據且必須在指定時間內傳輸完成的數據上。它是低速設備可以傳輸數據的唯一方法。

4.2.2 中斷傳輸的傳輸速度

保證最大延遲是中斷傳輸的一大特點。中斷傳輸不保證數據的傳輸速度，但高速的中斷傳輸非常快，可以達到24.576Mbytes/s；中速的中斷傳輸可以達到800bytes/s；最大時延由存儲在設備內的端點描述符指定。

4.3 批量傳輸

4.3.1 批量傳輸的結構

批量傳輸是單向傳輸（所有的事務必須全部是輸入事務，或全部是輸出事務）、且含有一個或多個IN或OUT事務的，它主要運用于對時間要求不嚴格的傳輸。批量傳輸具有在不阻塞總線的情況下可以傳輸大量數據的特點，因為它會讓其他傳輸類型先執行，等待可以傳輸的時間。在一個閑置的總線中，批量傳輸是最快的傳輸類型，且批量傳輸一般只使用在中速和高速設備中。

4.3.2 批量傳輸的傳輸速率

主機控制器是批量傳輸可以完成的保證，但沒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得到不同的帶寬，余下的都給中斷或等時的傳輸使用。當總線閑置時，批量傳輸可以使用任何形式的大部分帶寬，而且批量傳輸的表頭很小，所以是最快的傳輸。

4.4 等時傳輸

4.4.1 等時傳輸的結構

等時傳輸主要運用于數據必須以固定速率抵達或在指定時刻抵達、且可以容忍偶爾錯誤的串數據流上。等時傳輸具有保障大量數據可以順利地通過總線的特點，其中數據傳輸速率不一定要以固定速率來傳輸。與批量傳輸不同的是，一旦等時傳輸開始，主機保證可以在預期的時間內來完成。

4.4.2 等時傳輸的傳輸速率

中速的等時事務傳輸可以達到每個幀1023字節；高速等時事務可以傳輸到每個幀1024字節。由于高速的等時不必在每個幀或微幀內做一筆事務，所以用于比中速傳輸請求較小的帶寬。

5 USB接口評價

5.1 USB優點

USB接口具有容易使用、傳輸速度快、低價位、低功耗、可靠性、操作系統的支持、外圍設備的支持以及靈活性高的優點。

5.2 USB缺點

USB接口具有缺乏對舊硬件的支持、缺乏點對點的通信能力、速度和距離均受到限制、受硬件的錯誤或故障的影響大以及協議的復雜性等缺點。

參考文獻

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收稿日期：2016-09-20

作者簡介：黃文斌（1995—），男，漢族，江蘇連云港人，本科生在讀，西北民族大學數學與計算機科學學院。