基于USB的数据监控系统开发(3)

2.1 USB总线特点

与传统的计算机接口相比，USB总线具有速度快、共享式接口、支持热插拔、连接简单快捷、可提供电源和良好的兼容性等优点。

2.2 USB总线结构

一般USB设备是指具有USB接口的外围设备，主要包括U盘、MP3、USB鼠标以及USB数据采集系统等；具有USB端口的计算机称为USB主机。我们把USB主机、USB设备和USB的连接称为USB应用系统。

2.2.1 USB主机

一般把计算机和具有USB主控芯片的设备称为USB主机。它的内部含有USB主控制器，负责完成主机和USB设备之间的物理数据传输。

其在整个数据传输过程中占据着主导地位，因为它启动数据和命令传输，USB协议规定，一个USB系统中只能有一个主机。

2.2.2 USB设备

一般地，USB设备分为两种，分别为USB集线器和USB功能设备。USB功能设备用于一些用户特定功能的设备，例如我们常见的手机充电器，U盘等；USB集线器用于扩展连接多个设备。

USB集线器（USB HUB）用于扩展USB主机的USB端口，它是USB系统中的关键元件。一个USB集线器可以级连5个。集线器的示意图如下图2.1所示。

USB功能设备可以和USB主机进行数据和控制信息的交互，如MP3和USB数据采集系统等。也用于扩展USB主机的功能，如计算机的USB键盘等。

2.2.3 USB的连接

USB设备和USB主机、USB主机和USB集线器以及USB设备和USB集线器之间都需要通过USB电缆进行连接。

USB连接器有A、B型两种。其电缆内部含有VBUS、D+、D-4和GND 4根导线。其中，VBUS向外提供+5V电源，GND是地线，D+和D-是差分数据线。

2.2.4 USB系统的结构

USB的系统结构，可以分为功能层、USB设备层和USB总线接口层三个逻辑层，具体的分层结构如下图2.2所示。

USB系统的分层

图2.2 USB系统的分层

（1）功能层

USB系统的功能层负责实现USB设备的特定功能，如传输图片、传输数据等。功能层由USB设备的功能单元和对应的客户软件组成实现，其完成USB设备指定的某些功能，比如视频传输、音频传输等。特定的USB主机程序段用于和特定的USB设备功能单元通信。

（2）USB设备层

这一层可以为USB设备分配地址、读取其配置描述符等，即实现了主机和USB设备间的配置通信（通常发生在USB设备的连接或断开时，由USB逻辑设备层完成）。当USB设备连接时，主机很快就能检测出来，通过访问，得到该设备的配置信息，然后主机为其分配设备地址。

（3）USB总线接口层

USB总线接口层数实现主机和设备的数据传输。它使用反向非归零编码，这样就可以消除噪声干扰和保证总线上数据传输的完整性。

2.2.5 USB通信流的模式与管线文献综述

在USB规范中定义了单机设备和复合性设备两种外围设备。每个接口设备都具有端点地址，它是由令牌包内的4个字段所构成的。而主机与端点的通信，是经过虚拟管线而构成的。所谓“虚拟”，就是假想的意思，不是真实存在的。虚拟管线建好后，通过它，可以把描述此设备的相关信息传回给主机。

USB的通信，我们可以将其理解为一种虚拟管线的概念。对于小虚拟管线，我们又可以把它细分为许多微虚拟管线。我们可以把这些微虚拟管线理解为端点。图2.3描述了数据如何在主机侧中的内存缓冲和设备中的端点中传送。 (责任编辑：qin)