USB接口技术研究应用与设计

摘要：USB （Universal Serial Bus）是一种通用串行总线，它是一种即插即用的现场可编程逻辑器件，可以进行通用的数据传输，可方便地与 PC机、 PC其他外设及其它系统互连。USB接口技术主要包括硬件接口、协议和软件接口。本文介绍了 USB接口技术研究应用与设计。

关键词：USB接口技术；应用；设计

USB接口技术是一种在 PC机与各种外设之间传输数据的技术，它能够满足高数据率、高速传输、简单可靠、即插即用等要求。因此，它的出现使得 PC机与各种外设之间的接口变得更加方便，目前已经广泛应用在电脑系统中。

一、USB接口技术的功能

1.高速传输

USB的传输速率从最初的20 Mb/s一直增长到目前的3 Gb/s，最高传输速率为3 Gb/s。USB的数据传输方式为非同步传输，即每一次读写操作都会建立一个独立于主控制器的数据发送和接收通道，并以一个8位的时钟频率发送数据，以达到高速传输的目的。USB在传输过程中采用了一种全新的数据通信方式，它由一个称为 DMA （Data-Managed Access）的“快速通道”来完成。在 DMA模式下， USB主机将对来自设备的数据进行初步处理后，再传送给设备，而设备则将收到的数据直接存人设备内存中。DMA方式和传统的I/O模式相比，极大地提高了 USB数据传输的效率。这种“快速通道”也称为异步传输模式（ASM）。目前 USB所支持的 ASM规范有3个，即USBSP1、USBSP2和USBSP3。

2.即插即用

即插即用是指 USB设备可以与主机直接连接，而无需其他配置。要实现 USB的“即插即用”，需要将 USB主机与 USB设备直接相连，在主机中建立一个新的控制逻辑，该逻辑使用一组I/O设备控制逻辑（I2C、 SPI、I2S等），通过主机控制这些I/O设备来实现对这些I/O设备的控制。即插即用的最大特点是方便用户操作，不需要使用复杂的驱动程序，只要把主机与 USB设备连接起来就可以工作了。对于使用U盘的用户来说，由于不需要进行系统配置，也不需要设置U盘的属性（如是否开机、是否写入数据）等操作，只要把U盘插到电脑上就可以使用了。这对于经常需要移动存储资料的用户来说非常实用。

3.成本低廉

USB接口技术可以使用通用的即插即用的接口，因此它能与各种外围设备连接，如打印机、扫描仪、键盘、鼠标等，并提供了很高的传输速率。这些外围设备只需很少的外部电路，因此大大减少了成本。此外，它还可以使用任何一种通用的标准，如通用串行总线（USB）、 PC总线等，使用户可以连接到不同类型的外设上。例如，一台 PC机可以与一台打印机连接，一台打印机可以与一台扫描仪连接，一台扫描仪可以与一个打印机连接。所以 USB技术在成本上较低，因此能以较低的价格提供这些外设。这对那些希望使计算机实现多个外设的用户来说是最有吸引力的选择。同时也给那些希望把计算机变成一个大移动存储设备的用户提供了一个新的选择。

二、USB接口技术的应用

1.USB高速数据传输

USB协议包括USB_SCCU、USB_IDE、USB_EDR、USB_REG等，每个协议都有自己的特点，下面对USB_SCCU协议进行详细介绍。USB_SCCU协议是 USB控制的主设备（master）与从设备（slave）之间进行数据传输的标准，其基本思想是：当主机要求从设备启动时，主机首先检查 USB设备的状态，如果为空闲，则允许从设备启动。然后，主机向从设备发出一个命令：“DISK ON”。主机请求从设备执行以下操作：“I/O操作”；“读取数据”；“发送数据”。在完成这一系列操作之后，主机可以返回一个状态码，该状态码告诉从设备是否已成功接收到所需的信息。如果是，则表示成功接收到所需的信息。在USB_SCCU协议中，USB_SCCU是主设备与从设备之间的一个协议，它定义了主设备与从设备之间的一系列特殊的操作，其中包括：（1）要求从设备开始执行操作；（2）要求从设备发出一个数据包；（3）要求从设备发送一个数据包；（4）要求从设备开始执行操作；（5）要求从设备开始执行操作；（6）要求从设备开始执行操作。根据USB_SCCU协议，主设备发送一个数据包时，它必须首先检查 USB总线是否有数据要发送，如果没有，则返回“I/O操作”信号给从设备。如果有数据要发送，则与从机一起完成这些操作。

2.USB存储设备

USB是一个高速的串行接口，最大传输速度可达2 Gb/s，支持即插即用的快速数据传输模式，它是一种完全可编程的接口。USB存储设备是一种能够连接到计算机和外部设备的装置，它通过 USB接口与计算机相连。它不仅支持热插拔，而且还能够支持热拔插。USB存储设备也是通过主机控制器来控制的，但是与以往的 USB设备不同，它不再是一个简单的存储设备，而是一个完整的设备。在这种情况下，主机控制器需要具备对外部存储设备的管理功能。根据接口特性的不同， USB存储设备有不同的接口标准。目前市场上主要有两种标准： USB1.1和 USB2.0。这两种标准都是采用通用串行总线（USB）来实现传输控制和数据交换功能。在使用 USB2.0规范时，主机控制器并不需要提供任何接口控制功能，而只需为接口提供一个接口模式和配置选项，以及在主机控制器和外部设备之间建立一条双向通道即可。这种模式可以让用户自由地选择如何连接外部设备来完成具体任务。这就是所谓的“一次配置、随处使用”（one-time application anduser-to-demand）

3.USB打印机

USB打印机是一种通用打印机，它采用 USB1.1或 USB1.2标准。USB接口技术最早是由 TI公司发明的，由于其自身的特点，它能使计算机和打印机之间的连接变得简单方便。因此，它也成为了很多办公设备的首选。其接口标准为 USB1.1 （USB1.0）。目前，市场上大部分的打印机都是采用此种标准接口，这种接口简单方便，只需一条 USB线就可以连接到计算机上进行打印。而 USB打印机也有一些不同之处：第一，其使用的芯片不同；第二，它的工作方式和功能都有所不同。比如：需要安装驱动程序才能使用；需要单独配置 USB控制器；打印文件时需要多步操作等等。由于采用了 USB1.1标准接口技术，使其价格也相应降低了不少。目前，市面上出售的大多数打印机都是采用这种标准接口。在我国，大部分的打印机生产厂家也都在使用这种接口技术。

4.USB智能仪器仪表

USB智能仪器仪表，是以 USB总线接口为基础，结合电子、计算机等技术，实现仪器仪表智能化的一种新型仪器。其典型应用是信号测量与处理、控制、通信等领域。在信号测量与处理方面，如能采用 USB接口和数据采集卡实现对信号的测量与处理，将使测量精度更高、速度更快、功耗更低、成本更低；在控制领域，如能采用 USB接口和数据采集卡实现对数据的采集和控制，将使系统的灵活性和可靠性大大提高；在通信领域，如能采用 USB接口和数据采集卡实现对信息的采集和通信，将使系统的数据通信速率和传输质量大大提高。因此， USB智能仪器仪表不仅将成为21世纪仪器仪表领域的发展趋势，而且将极大地推动电子信息技术的发展。

三、结语

USB技术在信息技术中的应用是一项值得深入研究的课题。通过对 USB技术的研究与分析，结合 USB接口芯片及 USB控制器芯片，提出了一种基于 FPGA的 USB接口控制系统。该系统以 FPGA为核心，实现了对 USB主机信号、设备信号、电源信号的控制。同时利用 FPGA实现了对串口数据的接收和发送功能，并结合单片机，实现了对数据的有效处理和实时控制。该系统具有结构简单、成本低、可靠性高、扩展性强等优点。由于采用了 FPGA内部逻辑电路与外部逻辑电路相结合的结构设计方式，使整个系统具有较好的性能。另外，针对目前单片机系统中数据处理速度与容量之间存在矛盾的问题，利用 FPGA内部有限状态机方法实现对数据处理速度和容量间矛盾问题的解决。该系统结构简单，开发周期短，具有较高的实用价值。

参考文献

[1]刘润发.MCS-51应用接口技术，长春，吉林电子出版社，2009年第一版

[2]洪晨亮.USB接口程序设计，上海：上海教育出版社，2008第一版