USB 总线
1 、USB 总线简介及其物理结构
USB是英文Universal Serial Bus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领域的接口技术。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。从1994年11月11日发表了USB V0.7版本以后，USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为2.0版本，成为目前电脑中的标准扩展接口。
目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本间能很好的兼容。USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。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。USB接口还可以通过专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过Hub扩展出更多的接口，USB连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图1中可看出USB的拓扑结构。
图 1 总线的拓扑结构
USB具有传输速度快(USB1.1是12Mbps，USB2.0是480Mbps)，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。
USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆，如图2所示，其中的D+、D-两根线是用于传输差分信号，VBUS为电源线，GND为地线。
图 2 USB 的电缆
USB总线的电源由自身提供到外部设备，它能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备使用(如：USB键盘、USB鼠标、优盘等)；但需高功耗的USB设备要自带电源(如扫描仪等)。
目前应用最为广泛的是USB 2.0，其物理结构的横截面如图3所示。它可以工作在3种速率模式下：高速(480Mbps)、全速(12Mbps)、低速(1.5Mbps)。高速传输的USB总线，其最大长度不应超过5米，而用于低速传输的总线则最大长度为2米。 用于高速传输的USB总线最外层有屏蔽体。
图 3 USB 物理结构的横截面图
2、USB总线的信号特征及其电气特性
在传送时，USB使用一种NRII(None Return Zero Invert，即无回零反向码)编码方案。在该编码方案中，“1”表示电平不变，“0”表示电平改变。图2.4列出了一个数据流及其它的NRII编码，在该图的第二个波形图中，一开始的高电平表示数据线上的J态，后面就是NRII编码。
图 4 NRZI 数据编码
为了确保信号发送的准确性，当在USB上发送一个包时，传送设备就要进行位插入操作。所谓位插入操作是指在数据被编码前，在数据流中每六个连续的‘1’后插入一个‘0’，从而强迫NRII码发生变化，如图5所示。
图 5位插入
位插入操作从同步格式(如图6所示)开始，贯穿于整个传送过程，在同步格式端的数据‘1’作为真正数据流的第一位。位插入操作是由传送端强制执行的，是没有例外的。如果严格遵守位插入规则，甚至在EOP信号结束前也要插入一位‘0’位。
图 6 同步格式
接收端必须能对NRZI数据进行解码，识别插入位并去掉它们。如果接收端发现数据包中任一处有七个连续的“1”，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。差分信号线传输速率不同时，其电平及上升/下降沿如图7所示。
图 7 USB 总线电平及上升/下降沿与速率的关系
以下为通过实验由示波器记录的USB总线的D+数据线和电源线在传输数据时的信号波形及其频谱图：
图 8 +数据线到地波形
9 电源线到地波形
图
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容