IIC絮语：简单实用是永远的主题

斯嘉丽

在今年的iic北京站，给我留下最深刻影响的当属以“USB-made-easy”为口号的飞特帝亚（FTDI）。据家号称自己是全球USB桥接器芯片领导厂商的英商介绍采用自己的芯片让你不懂USB，也能在嵌入式设计中轻松导入USB功能。

说起USB，这种数据传输接口在我们的生活中可谓是俯仰皆是，大到服务器、电脑、小到数码相机、mp3、手机……几乎所有的消费内电子产品上都有他们的身影。而且，这种趋势在继续蔓延的基础上还在逐步扩大，很难想象一部没有USB接口的产品怎样满足人们目前的生活需求？但是，就是这种最为常见的数据接口，很少有人会知道它背后的设计者需要付出怎样的艰辛才能实现你数秒钟内从识别、读取数据到传输数据等一系列功能。

FTDI在IIC上的展台

在设计时，工程师必须遵守通用的数据传输规则，满足时钟同步、电压匹配等多方面的技术需求。首先要根据产品具体需求选择合适的USB控制器。其次，进行相应的系统开发。在硬件设计时就要注意：由于USB接口芯片的时钟速度比较高，晶体的选择(负载电容大小）、匹配网络的设计以及PCB布线都需要非常谨慎。

最麻烦的莫过于接下来的USB设备软件设计。这步骤主要包括两部分：一是USB设备端的单片机软件，主要完成USB协议处理与数据交换以及其它应用功能程序（比如A/D转换、MP3解码等）。二是PC端的程序，由USB通信程序和用户服务程序两部分组成，用户服务程序通过USB通信程序与系统USBDI通信，由系统完成USB协议的处理与数据传输。PC端程序的开发难度比较大，要求工程师不仅要熟悉USB协议，还要熟悉Windows体系结构并能熟练运用DDK工具。

此外，USB接口软件还一定要严格遵循USB2.0规范（接口软件主要完成USB协议的处理和数据的交换）。

FTDI的产品就是在软件设计方面简化了工程师的设计需求，芯片本身属于USB 2.0兼容全速接口，支持4线UART、FIFO(8db)以及SPI（4线）系统接口，目前已经有产品开始面市，而且芯片的体积非常之小（具体数据没有记住）。

据FTDI公司的工程师介绍：这款技术还能定制，满足某些顾客、某些特定场合的具体需求。

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USB基础讲解

现在电脑系统连接外围设备的接口并无统一的标准，如键盘用PS/2接口，连接打印机要用25针的并行接口，鼠标则要用串行或PS/2接口。USB则将这些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，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。
　
USB规范中将USB分为五个部份：控制器、控制器驱动程序、 USB芯片驱动程序、USB 设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。

根据设备对系统资源需求的不同，在 USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：

等时传输方式(Isochronous)、中断传输方式(Interrupt)、控制传输方式(Control)和批(Bulk)传输方式，这些传输方式各有特点，分别用于不同的场所。

USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，而且也安装了USB接口插座。Windows98操作系统内置了对USB功能的支持（但WindowsNT尚不支持USB)。目前已经有数字照相机、数字音箱、数字游戏杆、打印机、扫描仪、键盘、鼠标等很多USB外设问世。


随着大量的支持USB的个人电脑的普及以及Windows98的广泛应用，USB逐步成为PC机的一个标准接口已经是大势所趋。最新推出的PC机几乎100％支持USB，另一方面使用USB接口的设备也在以惊人的速度发展。

USB是英文Universal SerialBus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的新型接口技术。早在1995年，就已经有PC带有USB接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些PC机的USB口都是闲置未用的。1997年，微软在WIN95OSR2（WIN97）中开始以外挂模块的形式提供对USB的支持， 1998年后随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上 USB设备的日渐增多，USB逐步走进了实用阶段。 

USB的历史及发展


在谈论USB技术之前，不妨让我们来看看外设接口技术的发展历程。多年来个人计算机的串口与并口的功能和结构并没有什么变化。串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps～230kbps，串口一般用来连接鼠标和外置Modem；并口的数据传输率比串口快8倍，标准并口的数据传输率为1Mbps，一般用来连接打印机、扫描仪等。原则上每一个外设必须插在一个接口上，如果所有的接口均被用上了就只能通过添加插卡来追加接口了。串并口不仅速度有限，而且在使用上很不方便。

1994年，Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等七家世界著名的计算机和通讯公司成立了USB论坛，花了近两年的时间形成了统一的意见，于1995年11月正式制定了USB0．9通用串行总线（Universal Serial Bus）规范，1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。USB1．1是目前推出的在支持USB的计算机与外设上普遍采用的标准。1999年初在Intel的开发者论坛大会上，与会者介绍了USB2．0规范，该规范的支持者除了原有的Compaq、Intel、Microsoft和NEC四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦三个新成员。USB2．0向下兼容USB1．1，数据的传输率将达到120Mbps～240Mbps，还支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。

USB1．1主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1．5Mbps和全速12Mbps两种，低速的USB带宽（1．5Mbps）支持低速设备，例如显示器、调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软驱等。全速的USB带宽（12Mbps）将支持大范围的多媒体设备。

继USB之后，另一种称为FIREWIRE(即IEEE 1394)的接口技术正在从实验室步入市场领域，这种新型的接口比USB功能更为强大而且性能稳定。

IEEE 1394也是一种高效的串行接口标准。IEEE 1394可以在一个端口上连接多达63个设备，设备间采用树形或菊花链拓扑结构。IEEE1394标准定义了两种总线模式，即：Backplane模式和Cable模式。其中Backplane模式支持12.5、25、50Mbps的传输速率；Cable模式支持100、200、400Mbps的传输速率。目前正在开发 1Gbps的版本。

现在，支持USB的PC及外设越来越多，在软件上USB也已成为Windows98的一个关键部件，并很快在WindowsCE和Windows2000中得到支持。Apple的操作平台早已提供对USB的支持，预计今后Sun和Digital的平台也将会提供对这一技术的支持。 

USB的特点及应用


USB之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点:

　　1.使用方便

使用USB接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。USB设备也不涉及IRQ冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用PC机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。USB设备能真正做到“即插即用”。

　　2.速度加快

快速性能是USB技术的突出特点之一。USB接口的最高传输率目前可达12Mb／s，比串口快了整整100倍，比并口也快了十多倍。今后USB的速度还将会提高到100Mb／s以上。 

　　3.连接灵活

USB接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头(Hub)，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。在USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式，即每个 USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设，而每个外设间距离(线缆长度)可达5米。USB还能智能识别USB链上外围设备的接入或拆卸。

　　 4.独立供电

普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要，因为USB接口提供了内置电源。USB电源能向低压设备提供5V的电源，因此新的设备就不需要专门的交流电源了,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。

　　5.支持多媒体

USB提供了对电话的两路数据支持，USB可支持异步以及等时数据传输,使电话可与PC集成,共享语音邮件及其它特性。USB还具有高保真音频。由于USB音频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会,从而使音频系统具有更高的保真度。

　　6.USB存在的问题 

尽管在理论上，USB可以实现高达127个设备的串列连接，但是在实际应用中，也许串联3到4个设备就可能导致一些设备失效。而且大多数USB产品，只有一个输入口，根本无法再连接下一个USB设备。另外，尽管USB本身可以提供500mA的电流，但一旦碰到高电耗的设备，就会导致供电不足。解决这些问题的办法是使用USBHub，但Hub的价格目前还太贵了点。

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