USB通用串行总线接口精品PPT课件
11.10.2020
南京大学计算机系 俞建新
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YUJIANXIN:
张念淮P3
USB基本概念（2）
我们通常所用的鼠标和调制解调器都是连接在串 口上的。但USB并不完全是一个串口，它实际上 是一种串行总线。这意味着你的机箱后盖上的 USB端口可以连接许多设备，这些设备可以相互 连接在一起。而且不同类型的设备组成可以通过 一种称为USB集线器的硬件分离开来，这些都是 与传统的串口上只能链接一个设备有着本质区别 的。USB用来把串口、并口等不同的接口统一起 来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个 标准插头，采用菊花链形式(星型结构)可以把所 有的外设连接起来，并且不会损失带宽。
USB通用串行总线接口
综述
(第1稿)
2001年7月29日
目录
一、USB的由来 二、USB的基本特点 三、发展 六、USB设备使用知识
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一、USB的由来
每个USB系统中有一个主机，采用“级联” 方式USB总线可连接多个外部设备。每个 USB设备用一个USB插头连接到上一个 USB设备的USB插座上，而其本身又提供 一或多个USB插座供下一个或多个USB设 备连接使用。这种多重连接是通过集线 器Hub来实现的，整个USB网络中最多可 连接127个设备，支持多个设备同时操作。
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USB基本概念（3）
今后USB将取代当前PC上的串口和并口。 当我们提到USB时，与其将它想象成一个 串口，还不如将它想象成一个连接有不同 设备的网络，就像我们所熟悉的以太网一 样。给出了一个典型的USB设备网络配置 的示意图。
USB（Universal Serial Bus）是由Compaq、HP、 Intel、Lucent（朗讯）、Microsoft、NEC和 Philips七家公司联合推出的新一代标准接口总 线。该总线是一种连接外围设备的机外总线， 最多可连接127个设备，为微机系统扩充和配 置外部设备提供了方便。USB规范有多种版本， 最早的版本是1994年11月推出的USB 0.7版 。 1996年1月推出了标准版本USB l.0，目标是为 中低速的外围设备提供双向、低成本的总线， 数据传输率最高为12Mb/s。
USB2.0是USB的自然升级，它在保留原有USB 规范的基础上又提供了更高的带宽，并且与现 有的外设保持完全兼容。
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PC机的主要外设总线回顾
串行总线
RS232（1969年，EIA颁布） IEEE1394 （1995年，IEEE颁布） USB（1994年，七家公司联合推出）
并行总线
STD（8位，Pro-Log公司1978年推出） ISA（16位，IBM公司1984年推出） EISA（16位，Compaq等公司1989年推出） PCI （32位，1992年Intel倡导下推出1.0版）
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USB基本概念（1）
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USB总线的主要性能特点（2）
USB提供机箱外的热即插即用功能，连接 外设不必再打开机箱，也不必关闭主机 电源，USB可智能地识别USB链上外围设 备的动态插入或拆除，具有自动配置和 重新配置外设的能力，因此连接设备方 便。
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典型的USB配置图
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二、USB的基本特点
与传统的总线接口相比，USB有以下七方 面的优点。下面分别介绍。
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USB总线的主要性能特点（1）
近年来USB技术已经成为了计算机领域发展最 快的技术之一，并为越来越多的个人计算机界 人士所接受。Windows98的问世，使USB的操 作系统支持问题得到了解决。从此各种USB设 备不断涌现。可以认为在Windows 98操作系统 推动下，带来了USB技术的飞速发展和普及。
现在，不管买什么样的个人电脑，你都能找到 USB端口。 USB技术并不仅限于PC行业，现在每一个计算 机硬件的生产商都在尝试在他自己的平台上应 用USB技术。
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USB总线的主要性能特点（4）
低成本的电缆和连接器。USB通过一根四芯的 电缆传送信号和电源，电缆长度可变，可长达 5m。USB统一的4针插头将取代机箱后部众多 的串行口、并行口、键盘接口等插头。
USB具有错误检测和处理机制，可识别设备的 错误。
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USB总线的主要性能特点（3）
适用于带宽范围在几千位/秒（Kb/s）— 几百兆位/秒（Mb/s）的设备。USB总线 既可连接键盘、鼠标、摄像头、游戏设 备、虚拟现实外设这样的低速设备，也 可连接电话、声频、麦克风、压缩视频 这样的全速设备，还可连接视频、存储 器、图像这样的高速设备。此外，USB总 线还允许复合设备（即具有多种功能的 外设）连接到PC机。
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USB新规范—USB2.0
随着微机系统及其外设性能和功能的增强，需 处理的数据量越来越大，2000年4月又推出了 新的USB规范—USB 2.0。在新版本中，增加了 一种480Mb/s的数据传输率，以满足日益复杂 的高级外设与PC机之间的高性能连接需求。
较低的协议开销带来了高的总线性能，且适合 于低成本外设的开发。
支持主机与设备之间的多数据流和多消息流传 输，且支持同步和异步传输类型。
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接口技术总线接口PPT课件
两个异步条件：
注意（有消息发出），复位
第20页/共65页
操作状态
选择阶段 空闲阶段 仲裁阶段
再选阶段
消息阶段 命令阶段 数据阶段 状态阶段 消息阶段
第21页/共65页
消息系统
消息的作用：
传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制）
消息类型：
单字消息 双字消息 多字消息
01 (扩展消息) n (消息长度) x (消息码) 消息参数
• 总线分类
• 芯片总线
• 系统总线：8288/8282-3/8286-7驱动
PC总线 ISA
• 设备总线：接口与外设间的总线
IEEE488 SCSI CENTRONICS RS232 USB 1394
IDE-PATA SATA
• 局部总线：
定义：P82 PCI VESA-VLBUS
• AGP总线
第1页/共65页
SDONE TDI TDO TCK TMS TRST# INTA#
地址/数据 命令/字节许可 校验 成帧 目标就绪 始发就绪 目标设备请求停止 设备选择 始发设备选择 总线请求 总线许可 系统时钟(0~33MHz) 系统复位 数据 字节允许 高字校验 请求64位传输 确认64位传输 资源封锁（设备独占） 校验错 系统错 侦测退出(snoop back off)， 命中了一个修改过的块 侦测完成，探测结果为“干净” 测试输入 测试输出 测试时钟 测试模式选择 测试复位 中断请求
撤销操作（支持排队标号） 清除目标设备的所有 I/O 进程 清除队列 将进入扩展意外通信条件 终止扩展偶然通信条件 终止当前 I/O 进程
指明将在数据阶段最后一次传输中可忽略的字节数 建立通路，或恢复一个 I/O 进程
注意（有消息发出），复位
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操作状态
选择阶段 空闲阶段 仲裁阶段
再选阶段
消息阶段 命令阶段 数据阶段 状态阶段 消息阶段
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消息系统
消息的作用：
传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制）
消息类型：
单字消息 双字消息 多字消息
01 (扩展消息) n (消息长度) x (消息码) 消息参数
• 总线分类
• 芯片总线
• 系统总线：8288/8282-3/8286-7驱动
PC总线 ISA
• 设备总线：接口与外设间的总线
IEEE488 SCSI CENTRONICS RS232 USB 1394
IDE-PATA SATA
• 局部总线：
定义：P82 PCI VESA-VLBUS
• AGP总线
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SDONE TDI TDO TCK TMS TRST# INTA#
地址/数据 命令/字节许可 校验 成帧 目标就绪 始发就绪 目标设备请求停止 设备选择 始发设备选择 总线请求 总线许可 系统时钟(0~33MHz) 系统复位 数据 字节允许 高字校验 请求64位传输 确认64位传输 资源封锁（设备独占） 校验错 系统错 侦测退出(snoop back off)， 命中了一个修改过的块 侦测完成，探测结果为“干净” 测试输入 测试输出 测试时钟 测试模式选择 测试复位 中断请求
撤销操作（支持排队标号） 清除目标设备的所有 I/O 进程 清除队列 将进入扩展意外通信条件 终止扩展偶然通信条件 终止当前 I/O 进程
指明将在数据阶段最后一次传输中可忽略的字节数 建立通路，或恢复一个 I/O 进程
接口课件第6章串行接口
接口电路的设计和优化
硬件方面
针对不同接口特点，合理设计布线、增强电路抗干 扰能力、提升信号传输稳定性等。
软件方面
编写清晰简洁的程序代码、提高系统性能、抵御恶 意攻击等，保证接口电路的稳定工作。
串行接口的测试与调试方法
1 仿真测试
采用仿真工具对电路进行测试和分析，能快速发现并修复问题。
2 硬件测试
串行接口PPT课件第6章
串行接口是电子产品中广泛应用的技术之一，本章将对串行接口的基本概念、 分类和特点进行介绍。
串行接口的原理与流程
1
发送端
将字节按照特定协议编码并按位转换成电信号，经过物理层和传输介质发送至接 收端。
2
物理层
采用不同的编码方式处理发送端的信号，以确保数据传输的准确性和稳定性。
3
通过万用表、示波器等工具对接口电路进行实际测试，可以检测系统的真实工作情况。
3 调试追踪
利用断点、跟踪等技术进行代码调试，可以快速定位和解决系统故障。
串行接口技术的发展趋势
“高速、宽带、智能”
“数字化、集成化、 模块化”
“多协议、多层次、 多媒体”
I2芯片之间的通讯，具有线路简洁、速率高等特点，被广泛应用于电脑硬件、 手机等领域。
2
SPI串行总线
具有传输速率高、接口数量多、传输距离远等特点，被广泛用于嵌入式系统、网 络通讯、数码电子产品等行业。
3
CAN总线和LIN总线
CAN和LIN总线是汽车电子领域中广泛使用的两种通讯协议，具有成本低、稳定 性高等优点，能有效提高整车性能。
RS-485/422总线的规范
RS-485总线
是一种高可靠性的多点通讯协议，支持千米级传输距离和百兆级传输速率，被广泛用于工业 自动化、电力监测等领域。
USB协议资料ppt课件
2024/1/26
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B通信协议
• 3.1.3数据字段
同步字段（SYNC） PID字段 数据字段 CRC字段 包结尾字段（EOP）
– 帧序列号。当USB令牌包的PID为SOF时，其数 据字段必须为11位的帧序列号。帧序列号由主 机产生，且每个数据帧自动加一，最大数值为 0x7FF。当帧序列号达到最大数时将自动从0开 始循环。
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B物理电气规范
• USB信号
– 差分传输
有利于降低噪声干扰
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B物理电气规范
信号电平
FS/LS电平
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USB 电气规范
数据信号发送
USB数据包采用差分信号传输； 低速/全速数据信号发送
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The start of a packet (SOP) is signaled by the originating port by driving the D+ and D- lines from the Idle state to the opposite logic level (K state). 8bit（L/F）/32bit(FULL) SYNC signal for a packet start； The SE0 state is used to signal an end-of-packet (EOP). EOP=2bit SE0+1 bit J state； then ,bus recover to Idle state；
17
USB 电气规范
挂起
所有的设备都必须能支持挂起状态，并可从任一电平状态进入挂起 态。当设备发现它们的上行总线上的空闲态持续时间超3.0ms时， 它们便进入挂起态。当设备的所有端口上的总线不活动时间不超过 10ms后，设备必须被真正的挂起，此时它仅从总线上获得挂起电流。 如果总线缺少其他的通信流量时，SOF令牌将在每（微）帧中出现 一次，以防止全速/高速设备被挂起。当任一低速设备缺乏通信流量 时，在SOF令牌出现的每一帧中至少有一个低速设备处于活动态， 以避免它们不被挂起。
《USB接口与应》课件
算机和电子设备之间进行通信和传输数据的
算机传输到外部设备或从外部设备传输回计
通用串行总线。
算机。
USB接口的标准
USB 1.0
USB 2.0
USB 3.0
1995年发布，传输速度较慢，
2000年发布，传输速度提高到
2008年发布，传输速度最高可
最高可达12 Mbps。仅用于低速
480 Mbps。广泛应用于外部存
1
优点 ✔️
2
缺点 ❌
易于使用、热插拔、广泛兼容、传输速度适
有时稳定性不佳、传输距离较短、供电能力
中。
有限。
USB接口的发展趋势
1
USB 4.0
预计最高传输速度将达到40 Gbps，将支持更高的媒体和数据传输要求。
2
USB Ty p e- C
即插即用接口，具有可逆性和更高的功率传输能力，将逐着技术的不断发展，USB接口将继续适应新的需
求，并在各个领域得到更广泛的应用。
3
更多的应用领域
USB接口将在智能家居、汽车、医疗设备等领域得到广泛应用。
USB接口的相关技术
USB Type-C
USB 3 .0
闪存存储
现代化的USB接口标准，具有更
高速传输，适用于大容量数据和
USB接口广泛用于便携式闪存盘
小的尺寸和更高的速度。
高清视频。
和固态硬盘。
总结和展望
通过本次PPT课件的学习，您应该对USB接口的定义、应用领域、标准以及相
达5 Gbps，是USB标准中最快的
设备，如键盘和鼠标。
储设备，打印机等高速设备。
版本。适用于大容量存储设备
和高速数据传输。
USB接口的应用领域
usb的原理图
usb的原理图
USB（通用串行总线）是一种用于计算机和外部设备之间传输数据和电源供应的标准接口。
USB接口常用于连接存储设备、打印机、摄像头、键盘、鼠标等外部设备。
USB的物理连接由四根导线组成，包括两根用于数据传输的
差分信号线（D+和D-）和两根用于电源供应的线（VCC和GND）。
USB接口采用了差分传输技术，D+和D-之间传输的是不同的
电压信号。
在数据传输之前，主机和设备之间会进行握手协议，以确定传输速度和传输模式。
USB接口还包含了一个控制信号线（USB_CLK），用于同步
主机和设备之间的数据传输。
在USB的传输过程中，数据被分成小的数据包进行传输。
每
个数据包中包含一个起始信号、各种控制信息和实际的数据。
USB接口还支持热插拔功能，即在计算机正在运行时插入或
拔出USB设备，系统仍然能够正常识别和使用设备，而无需
重新启动计算机。
总之，USB的原理是通过差分传输方式进行数据传输和电源
供应，使用握手协议确定传输速度和模式，支持热插拔功能。
《计算机常见接口》课件
用于连接硬盘、光驱等存储设备， 支持并行数据传输和控制信号。
用于连接高性能外部设备，支持 并行传输和多设备连接。
通用串行总线（USB）
1
USB 2.0
2
提升了传输速度，广泛应用于打印机、
外部硬盘等设备。
3
USB 4.0
4
最新版本的USB，提供更高的速度和更多 的功能，支持4K显示输出和电力传输。
USB 1.0
《计算机常见接口》PPT 课件
欢迎来到《计算机常见接口》PPT课件！本课件将介绍计算机接口的定义以及 常见接口的特点和用途。让我们一起探索这个令人着迷的领域吧！
计算机接口的定义
计算机接口是计算机系统用于和外部设备通信的连接点。接口通过一定的协 议和规范来传输数据和信号，实现计算机与外部设备的交互。
最早版本的USB，数据传输速度较慢，适 用于连接鼠标、键盘等低速设备。
USB 3.0
引入了超高速传输模式，适用于多媒体 设备和大容量数据存储。
高清多媒体接口（HDMI）
1 视频传输
2 数字信号
3 多设备连接
HDMI接口可以传输高质量 的音视频信号，支持多通 道音频和高清视频输出。
通过数字传输，避免了模 拟信号的干扰和质量损失， 提供更稳定和清晰的图像 和音频。
串行接口
RS-232
用于连接计算机与调制解调器或串行设备，支持长距离传输和异步通信。
USB-C
目前最常见的通用串行接口，支持高速数据传输和充电，并具备反向插入功能。
Thunderbolt
苹果公司开发的高速串行接口，支持数据传输、视频输出和电源传输。
并行接口
并行端口
IDE接口
SC S I接口
用于连接打印机、扫描仪等外设， 传输数据速度快，但距离限制较 大。
3.2 USB通用串行总线接口
2.2、 USB的物理接口和电气特性 、 的物理接口和电气特性
Ⅰ、接口信号线
连接序号 1 2 3 4 外层
信号名称 VBUS （USB电源） 电源） 电源 D+（正差分信号） （正差分信号） D-（负差分信号) （负差分信号 GND (USB地) 地 屏蔽层
典型连接线
红 白 绿 黑
Байду номын сангаас
—
Ⅱ、电气特性
2)、 2)、连接简单快捷
可以热插拔，真正的“即插即用” 设备连到 可以热插拔，真正的“即插即用”。设备连到USB时， 热插拔 时 不必打开机箱，也不必关闭主机电源， 自检测， 不必打开机箱，也不必关闭主机电源，USB自检测， 自检测 软件自动配置，完成后立刻就能使用。 软件自动配置，完成后立刻就能使用。
设备驱动程序
驱动USB设备的程序，由操作系统或USB设备制造商提供 设备的程序，由操作系统或 驱动 设备的程序 设备制造商提供
USB芯片驱动程序 USB芯片驱动程序
在设备设置时读取描述寄存器以获取USB设备的特征，并根据这些特征， 在设备设置时读取描述寄存器以获取 设备的特征，并根据这些特征， 设备的特征 在请求发送时组织数据传输。 在请求发送时组织数据传输。
4)、 4)、无须外接电源 数据线供电
—— 由 USB总线提供电源到外部设备 ， USB能提供 总线提供电源到外部设备， 总线提供电源到外部设备 能提供
+5V/500mA的电源，供低功耗 的电源，供低功耗USB设备如 设备如USB键盘、 键盘、 的电源 设备如 键盘 USB鼠标、优盘等作电源使用；高功耗的 鼠标、 设备,如 鼠标 优盘等作电源使用；高功耗的USB设备 如 设备 扫描仪等仍需自带电源； 扫描仪等仍需自带电源； ——USB 还 采 用 APM （ Advanced Power Management） 技术 ， 可以有效地节省电源功耗 。 如 ） 技术， 可以有效地节省电源功耗。 没有总线活动的话， 会自动进入挂起状态。 果 3ms没有总线活动的话， USB会自动进入挂起状态。 没有总线活动的话 会自动进入挂起状态 进入挂起状态的设备消耗的电流不超过500uA。 。 进入挂起状态的设备消耗的电流不超过
《USB协议中文详解》课件讲义
USB 体系简介
USB 体系包括“主机”、“设备”以 及“物理连接”三个部分。
主机是一个提供USB接口及接口管理 能力的硬件、软件及固件的复合体， 可以是PC，也可以是OTG设备。一 个USB 系统中仅有一个USB主机；
设备包括 USB功能设备和 USB HUB， 最多支持 127个设备；
物理连接即指的是USB 的传输线。 在USB 2.0系统中，要求使用屏蔽的 双绞线。
USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下， USB2.0设备最多可以获得500mA的电流；
USB2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速 （USB 1.1）或者低速 （USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传 输来支持它们。
一条 USB 总线上，可达到的最高传பைடு நூலகம்速度等级由该总线上最慢的“设备” 决定，该设备包括主机、HUB以及USB功能设备。
USB 数据流模型
物理上，USB设备通过分层的星型总线连接到 HOST，但在逻辑上HUB是透明的，各USB 设备 和HOST直接连接，和 HOST上的应用软件形成 一对一的关系。如下图所示：
各应用软件-功能设备对之间的通讯相互独立，应用软件 通过USB设备驱动程序(USBD)发起 IRQ 请求，请求数 据传输。
USB协议中文详解
序
USB发展历史
传统的串口、并口通讯方式逐渐不能满足现有系统或者设备的数据传 输速率需求。 以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus，通 用串行总线协议)概念，并在随后的几年内不断的对USB协议进行改进，成 功推行USB 1.1； 2004年底，正式推出了USB 2.0协议。接口与USB1.1兼容； 2007秋季，正式推出了USB 3.0协议。
计算机接口与通信第9章 USB 通用串行总线
9．2
USB总线的体系结构 USB总线的体系结构
9.2.1 USB总线的物理接口 USB总线的物理接口 USB总线的物理传输介质由一根４线的电 USB总线的物理传输介质由一根４线的电 缆组成，如图9 所示。其中两条（VBus、 缆组成，如图9-1所示。其中两条（VBus、 GND）用于提供设备工作所需电源。VBus GND）用于提供设备工作所需电源。VBus 在源端的标称电压值为+5V，GND为其对 在源端的标称电压值为+5V，GND为其对 应地线。另两条（V＋、V－）为绞线形式 应地线。另两条（V＋、V 的信号传输线，90 的信号传输线，90 的阻抗。
9.2.3
USB的信号和编码 USB的信号和编码
USB数据收发器包含了发送数据所需的差 USB数据收发器包含了发送数据所需的差 模输出驱动器和接收数据用的差模输入接 收器。 USB输出信号时，差模输出驱动器向USB USB输出信号时，差模输出驱动器向USB 电缆传送USB信号。 电缆传送USB信号。 在信号的低输出状态，驱动器稳态输出值 必须小于0.3V，且要承担1.5K 必须小于0.3V，且要承担1.5K 的负载加到 3.6V电源的灌电流。 3.6V电源的灌电流。 在信号的高输出状态，驱动器稳态输出值 必须大于2.8V，且要承担15K 必须大于2.8V，且要承担15K 的负载到地 的拉电流。
带USB接口的PC（百万） USB接口的PC（百万）
800 700 600 500 400 300 200 100 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004
带USB接口的外设（百万） USB接口的外设（百万）
600 500 400 300 200 100 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004