Universal Serial Bus USB

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1 Universal Serial Bus USB
班級:碩研電機ㄧ甲 姓名:林煒宸 老師:許毅然

2 目錄 一、USB歷史發展與現況USB歷史 二、USB特色與重要性 三、USB系統架構 四、USB電氣特性 五、USB通訊協定

3 USB歷史發展與現況 USB 最初是由英特爾與微軟公司倡導發起，其最大的特點是支持熱插拔（Hot plug）和即插即用（Plug&Play,PnP）。當裝置插入時，主機枚列 (enumerate) 此裝置並載入所需的驅動程序，因此使用遠比 PCI 和 ISA 匯流排方便。 USB 速度比並列埠（Parallel Port，例如 EPP、LPT）與串列埠（Serial Port，例如 RS-232）等傳統電腦用標準匯流排快上許多。原標準中 USB 1.1 的最大傳輸頻寬為 12Mbps，USB 2.0 的最大傳輸頻寬為 480Mbps。近期推出的USB 3.0更從480Mbps提升到4.8Gbps以上。 USB 的設計為非對稱式的，它由一個主機（host）控制器和若干通過 hub裝置以樹形連接的裝置組成。一個控制器下最多可以有 5 級 hub，包括 Hub 在內，最多可以連接 127 個裝置，而一台計算機可以同時有多個控制器。 和 SPI-SCSI 等標準不同，USB hub 不需要終端子。

4 USB歷史發展與現況 USB 0.7 ：1994年11月釋出。 USB 0.8 ：1994年12月釋出。
USB 1.0 RC：1995年11月釋出。 USB 1.0: 1996年1月釋出。 指定的數據傳輸速率為 1.5 Mbit/s (Low-Speed) 與 12 Mbit/s (Full-Speed)。無預測及通過檢測功能。只有極少數的此類裝置出現在市場上。 USB 1.1: 1998年9月釋出。 修正1.0版已發現的問題，大部分是關於USB Hubs。最早被採用的修訂版。 USB 2.0: 2000年4月釋出。 增加更高的數據傳輸速率 480 Mbit/s (now called Hi-Speed)。根據工程變更通知（Engineering Change Notices|ECN）進一步改進的USB規範。USB 2.0中最重要規範的ECN可以在USB.org

5 USB歷史發展與現況 USB 3.0 2007年9月18日，Pat Gelsinger在英特爾信息技術峰會上演示了USB 3.0。USB 3.0的目標是提供當前十倍的頻寬，利用新增的兩對高速線路開啟的「Superspeed」模式，可以達到約4.8 Gbit/s （600MB/s），並且可能使用光纖連接。[3][4]USB 3.0的技術規範于2008年8月13日發行，( 其商業產品預計于2009年或2010發行。 USB 3.0的設計兼容USB 2.0與USB 1.1版本，並且使用了更有效的協議來節約能源。

6 USB特色與重要性 可用性 不可能把USB介面插錯 接頭能相對便宜地大量生產 在USB網路中，接頭被強制使用定向拓撲 適度的插拔力 耐久性
USB電纜最長允許5米，更長的距離需要HUB 耐久性 由於接頭的構造，在將USB插頭插入USB座時，插頭外面的金屬保護套會先接觸到USB座內對應的金屬部份，之後插頭內部的四個觸點才會接觸到USB座。金屬保護套會連接到系統的地點，提供路徑使靜電可以放電，避免因靜電通過電子零件而造成損壞。

7 USB特色與重要性 介面

8 USB系統架構

9 USB系統架構

10 USB軟體架構 端點 一個端點只能單向（進/出）傳輸資料，自然管道也是單向的。每個USB裝置至少有兩個端點/管道：它們分別是進出方向的，編號為0，用於控制匯流排上的裝置。按照各自的傳輸類型，管道被分為4類： 控制傳輸（Control）——一般用於短的、簡單的對裝置的命令和狀態反饋，例如用於匯流排控制的0號管道。 同步傳輸（Isochronous）——按照有保障的速度（可能但不必然是儘快地）傳輸，可能有資料丟失，例如實時的音頻、視頻。 中斷傳輸（Interrupt）——用於必須保證儘快反應的裝置（有限延遲），例如滑鼠、鍵盤。 批量傳輸（Bulk）——使用餘下的頻寬大量地（但是沒有對於延遲、連續性、頻寬和速度的保證）傳輸資料，例如普通的文件傳輸。

11 USB電氣特性 USB 2.0 分為： 高速(High-Speed): 傳輸速率 25Mbps～400Mbps （最大 480Mbps）
全速(Full Speed) : 傳輸速率 500Kbps～10Mbps （最大 12Mbps） 低速(Low Speed): 傳輸速率 10Kbps～100Kbps （最大 1.5Mbps）

12 USB電氣特性 USB 的連接器分為 A、B 兩種，分別用於主機和裝置；其各自的小型化的連接器是 Mini-A 和 Mini-B，另外還有 Mini-AB（可同時支援 Mini-A 及 Mini-B）的插口。

13 USB電氣特性 觸點 功能(主機) 功能 (裝置) 1 VBUS (4.75－5.25 V) VBUS (4.4－5.25 V) 2 D-
3 D+ 4 接地

14 Mini USB連接器觸點 觸點 功能 1 VBUS (4.4–5.25 V) 2 D− 3 D+ 4 ID 5 接地

15 USB通訊協定 如果一個裝置類型屬於整個裝置，該裝置的描述符的bDeviceClass域保存類別ID；如果它這是裝置的一個介面，其ID保存在介面描述符的bInterfaceClass域。他們都佔用一個位元組，所以最多有253種裝置類別。（0x00和0xFF保留)。當bDeviceClass設為0x00，作業系統會檢查每個介面的bInterfaceClass以確定其類別。 每種類別可選支持子類別（SubClass）和協議子定義（Protocol subdefinition）。這樣可以用於主裝置類型的不斷修訂。 常用裝置類別和ID有： 0x00  保留值 0x01  USB音頻裝置, 像音效卡這樣的裝置。 0x02  USB通信控制裝置，像網卡，數據機，串口這樣的裝置。 0x03  人機介面裝置, 鍵盤,滑鼠等。 0x05  物理介面裝置，像搖桿等。 0x06  靜止圖像捕捉裝置，用在USB上的Picture Transfer Protocol。 0x07  USB列印裝置, 像印表機。

16 USB通訊協定 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0E 0xE0 0xFE 0xFF
USB大容量存儲裝置, 快閃記憶體盤 移動硬碟, MMC卡、SD卡、CF卡讀卡器, 數位相機, 數字音頻播放器等。 這一類裝置顯示成一個文件系統。 0x09  USB集線器。 0x0A  USB通信裝置 ("CDC")，用於數據機（包括軟體數據機), 網卡 (雙絞線), ISDN, 傳真。 0x0B  智慧卡裝置，像讀卡器。 0x0E  USB視頻裝置, 類似攝像頭，電視卡的動態圖像捕捉裝置。 0xE0  無線控制器，如藍芽。 0xFE  特殊的應用，如紅外資料橋接器。 0xFF  定製裝置。

17 USB命令格式

18 USB命令格式

19 USB動作流程 1. Device 插入 Host 時, 因為 Device 在 D+ 或 D- 有上拉電阻, 會讓 Host 知道有 Device 插入, 開始連線. 2. Host 發出先 Reset (SE0), 之後 Device 如果是 High-speed 會發出 Device Charp, 之後如果 Host 本身也是 USB 2.0 就會再發出 Hub Chirp (KJKJKJ..), Device 收到 Hub Chirp 後就會進入 High-speed mode; 反之, 如果步驟2 中雙方無法成功完成 chirp 的動作, Host 就會以 Full-speed 或 Low-speed 與 device 溝通. 3. 不管是 High-speed 或 Full-speed 或 Low-speed, 接下來 Host 會下 Control Transfer 來 Get Device Descriptor, 而 Device 必須告訴 Host 自己本身的相關資訊. 4. 之後, Host 會再下 Control Transfer 來 Set Device Address, 給 Devcie 一個非 00 的 address, 做為以後 device 的門號 5. Host 會再 Get Device Descriptor 一次確認 Address 成功 6. Host 再下 Control Transfer 來 Set Configuration, 針對 device 做一些設定確保連線.

20 USB應用服務與未來發展 USB大容量存儲
USB 使用 USB mass storage device class標準實現Storage裝置的連接.它最初被用於傳統的磁碟和光碟驅動,但是現在已經擴展到支持大量不同的裝置.USB不能用於計算機內部存儲裝置的基本匯流排: 像 ATA (IDE), Serial ATA (SATA), 和 SCSI. 然而, USB有一個非常重要的優點,那就是它能夠在不關閉電腦主機電源的情況下動態的安裝和刪除USB裝置,這使它成為一個有用的外部裝置.今天,大量的生產商提供攜帶型USB移動硬碟或者一個空的，能夠兼容內部驅動的盒子.這些內部驅動通常提供一個轉換驅動介面，用以轉換IDE, ATA, SATA, ATAPI, 或者 SCSI 到USB port。對於用戶來講，就像連接了一個內部的驅動。其他的競爭標準是eSATA 以及 Firewire.

21 應用服務與未來發展 人機介面裝置（HID）
USB沒有完全取代AT鍵盤介面和PS/2鍵盤滑鼠介面，但是事實上現在所有主板製造商都提供至少多於一個USB介面。到2004年,大多數新主板都配有多個高速USB 2.0介面，儘管有些是內置在主板上的，需要使用電纜連接到位於主機前面板或者側面的介面。同樣的對遊戲操縱桿，手柄，寫字板和其他人機介面裝置的支持逐漸從原音效卡上的「MIDI/遊戲」介面和PS/2介面上轉移到USB上。現在帶著USB轉PS/2介面轉換插頭的USB鍵盤滑鼠相當普遍，他們可以使用任意2種介面之一。 使用專用鍵盤滑鼠的蘋果電腦1999年1月也開始使用USB介面。最初的IPOD只有IEEE1394介面，後來在3G的IPOD，蘋果電腦開始支持USB2.0，但是還不能用作充電，現在的IPOD，已經全面兼容USB與IEEE1394，兩者均可充電以及連接電腦主機。

22 參考文獻 http://en.wikipedia.org/wiki/USB