USB端口工作原理

如今，人们购买的所有计算机的后面几乎都配有一个或多个通用串行总线接口。通过这些USB接口，您可以将从鼠标到打印机的各种设备连接到计算机上，既方便又快捷。此外，操作系统也支持USB，这使设备驱动程序的安装变得快捷而简单。与其他将设备与计算机相连的方式相比（包括并行接口、串行接口以及您在计算机机箱内安装的特殊卡），USB设备真是简单至极！

在本文中，我们将从用户和技术这两个角度来介绍USB接口。您将了解到USB系统为何如此灵活，它如何能够支持如此多的设备。您将会切实感受到，这真是一种神奇的系统！

如果您使用计算机已有两三年时间，那么一定知道，过去将设备连接到计算机上是一件让人十分头痛的事情，而这也正是通用串行接口在努力解决的问题。

• 过去，打印机都是连接到并行打印接口，而大多数计算机只有一个接口。诸如Zip驱动器之类的装置需要与计算机建立高速连接，它们也要使用并行接口，但通常成功率很低，且速度不快。
• 调制解调器使用的是串行接口，而一些打印机以及诸如掌上电脑和数码相机等的特殊设备也使用串行接口。大多数计算机最多有两个串行接口，而且在多数情况下它们的速度都很慢。
  
• 那些需要高速数据传输的设备会被制成专用硬卡，这就需要将它们装在计算机机箱的卡槽中。遗憾的是，这些卡槽的数目也是有限的，而且为某些硬卡安装驱动程序非常复杂，您恐怕需要请一位专家帮忙才能搞定。

USB的目标就是结束这些令人头痛的麻烦。通用串行总线提供的方法单一、规范且易于使用，它可以将多达127台设备连接到计算机上。

如今生产的所有外设几乎都配有USB端口。下面列举了一些现在可以买到的USB设备：

• 打印机
• 扫描仪
• 鼠标
• 操纵杆
• 模拟飞行操纵杆
• 数码相机
• 网络摄像机
• 科学数据采集设备
• 调制解调器
• 扬声器
• 电话
• 视频电话
• 存储设备，如Zip驱动器
• 网络连接

将USB设备连接到计算机上非常简单——您只需在计算机上找到USB接口，然后插入USB接头即可。

个人计算机背面的典型USB插孔为方型插孔。

称为“A”接口的典型USB接头

如果是一个新设备，操作系统会自动检测到它，并寻找驱动程序。如果设备已经安装，则计算机会激活该设备，并开始与之对话。此后，您便可以随时连接和断开USB设备了。

许多USB设备都自带内置线缆，线缆上配有“A”接口。如果未提供内置线缆，则设备上会有一个用于插入USB“B”接头的插孔。

典型的“B”接头

USB标准使用“A”和“B”两种接头以避免产生混淆：

• “A”接头表示“向上”连接至计算机。
• “B”接头表示“向下”连接到各个设备。

通过在上端和下端分别使用不同的接头，就不会产生混淆了。您只需将USB线缆的“B”接头连接到某台设备，而将“A”接头插入“A”插孔就行了。

如今出售的大部分计算机都会提供一到两个USB插孔。目前市场上提供的USB设备很多，计算机上的插孔很快就会被用光了。比如在一台计算机上，有一台USB打印机、一台USB扫描仪、一个USB网络摄像机和一个USB网络连接。但这台计算机上只有一个USB接口。很明显，现在的问题是“应该如何将这些设备都连接到计算机上”？

解决问题的简单办法就是购买一个价格不高的USB集线器。USB标准可支持多达127台设备，而USB集线器也属于该标准的一部分。

典型的USB四口集线器可插入4个“A”接头。

集线器通常具有4个新端口，但也可能更多。您需要将集线器插入计算机，然后将设备（或其他集线器）插入集线器。通过将集线器串连在一起，您可以在一台计算机上建立数十个可用的USB端口。

集线器有的带电源，也有些不带电源。正如您将在下一页所看到的那样，USB标准允许设备从它们的USB连接中获取电能。显而易见，打印机或扫描仪这样的高功率设备将配有自己的电源，而像鼠标和数码相机这样的低功率设备则会靠总线供电，以简化自身的构造。这些电能（5伏电压可提供高达500毫安的电流）都来自计算机。如果您拥有许多自已供电的设备（如打印机和扫描仪），那么就不需要为集线器提供电源了——由于任何连接到该集线器的设备都不再需要额外电源，因而计算机自身便足以满足集线器的需要了。反之，如果您有许多像鼠标和摄像机之类本身不提供电源的设备，则可能需要一个有电源的集线器。集线器配有自己的变压器，它会为总线提供电源，以使设备不会加重计算机供电的负担。

启动主机后，它会查询所有与总线相连的设备，并为每个设备分配一个地址。这个过程称为枚举——在将设备连接到总线时，主机也会枚举它们。此外，主机还会查出每台设备要执行的数据传输类型。

• 中断——鼠标或键盘等设备发送的数据非常少，它们会选择中断模式。
  
• 批量——打印机等设备接收的数据包含在一个大的数据包中，它们会使用批量传输模式。这种模式会将大块数据发送到打印机（块的大小为64个字节），并对这些数据进行验证，以确保它们的正确性。
  
• 同步——流式设备（如扬声器）都使用同步模式。在这种模式下，设备与主机之间的数据是实时传输的，其间没有数据纠正过程。

此外，主机还可以通过控制数据包发送命令或查询参数。

列举设备时，主机会一直跟踪所有同步和中断设备所请求的总带宽情况。如果总带宽为480Mbps（兆比特每秒），这些设备最多可占用90%的带宽。在用完这部分带宽后，主机就会拒绝访问任何其他同步或中断设备，控制数据包和用于批量传输的数据包将使用剩下的带宽（至少有10%）。

通用串行总线会将可用带宽分成多个帧，而主机则控制着这些帧。每个帧包含1,500个字节的数据，每隔一毫秒就会启动一个新帧。在形成帧的过程中，将为同步和中断设备分配一个槽，以便保证它们得到所需要的带宽。批量和控制传输将使用剩下的空间来传输数据。如果想了解更多信息，您可以查看本文末尾的技术链接，它们提供了大量的详细信息。

USB性能特点
通用串行总线具有以下性能特点：

• 计算机可以充当主机。
  
• 主机上可以连接多达127台设备（可直接连接，也可以通过USB集线器连接）。
  
• 单根USB线缆可达5米之长；使用集线器后，设备最多可以在远离主机30米的地方工作，这相当于六根线缆的长度。
  
• 使用USB 2.0时，总线的最大数据传输速率可达到每秒480兆比特。

• USB线缆包含两根电源线（一根电压为5伏的电线，另一根是地线）和一对用来承载数据的双绞线。

• 在电源线上，计算机在5伏电压下可提供高达500毫安的电流。

• 低功率设备（如鼠标）可以直接使用总线中的电流。高功率设备（如打印机）则配有自己的电源，总线只向它们提供很少一部分电能。集线器也自己有电源，能够直接为与之相连的设备供电。

• USB设备都是热插拔型的，这表示您随时都可以将它们插入总线和拔掉它们。

• 当计算机进入省电模式时，主计算机可以将许多USB设备置于睡眠状态。

与USB端口相连的设备依靠USB线缆来承载电源和数据。

USB线缆的内部构成：两根电源线，其中一根是电压为5伏的电线（红色），另一根是地线（棕色）；一对用来承载数据的双绞线（黄色和蓝色）。该线缆还是屏蔽电缆。

USB 2.0
USB 2.0标准是USB 1.1的升级版本，于2000年4月推出。

USB 2.0（高速USB）为多媒体和存储应用程序提供了额外带宽，其数据传输速度比USB 1.1快40倍。为了让消费者和制造商顺利实现这一过渡，USB 2.0具有完全的向前和向后兼容性，它不仅可以用于原来的USB设备，而且还能使用之前USB制造的线缆和接口。

USB 2.0支持三种速度模式（每秒1.5、12和480兆比特），这样它既可支持键盘和鼠标等低带宽设备，也可支持高分辨率的网络摄像机、扫描仪、打印机和高容量的存储系统等高带宽设备。随着USB 2.0的广泛应用，个人计算机（PC）领域的领导者可以加快新一代PC外设的开发，以跟上现有高性能PC的发展步伐。USB 2.0的传输速度也促进了新一代PC和应用程序的发展。除了改进功能和鼓励创新外，USB 2.0还提高了用户应用程序的效率，用户可以同时运行多个PC应用程序或高性能外设。