USB的传输理论与制作课件

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1、USB的传输理论与制作1USB的传输理论与制作2 近年来，随着数据的流动性越来越强，即使是网络的普及为我们带来了许多方便，但面对一些稍微大点的数据显得有心无力，而且在一些网络不发达的地区和数据比较大的时候，显然采用外设的机会也越来越多，而且随着多媒体设备和移动数据外设的开始普及，使用有效及高宽带的串行接口将显得越南来越重要，而这方面的主要代表者就是USB1.1/USB2.01.1使用纯蓝图标，2.0添加了Hi-Speed(高速)的红色标记。USB的传输理论与制作3一、USB产生目的 USB(Universal Serial Bus)的中文名称是“通用串行总线”，它是由英特尔、康柏、惠普、郎讯、

2、飞利浦、NEC七家重量级的IT厂商共同提出并参与研发的。作为当时的一种全新总线标准，USB的设计目的是为了个人电脑与外围设备提供一个通用、简易的接口。USB的传输理论与制作4二.USB发展历程 1.早在1994年、Intel、Digital、IBM、Microsoft、NEC等几家世界著名的计算机和通讯公司成立了USB论坛。 2.1995年11月正式制定了USB0.9通用串行总线规范。 3.USB1.0标准于1996年正式发布，但性能平平（1.5Mbit/s）当时的主流操作系统。WIN95无法支持USB1.0也是一个致命的原因，就是这些原因令USB1.0没有获得成功。 4.1998推出的USB

3、1.1的传输速率为12Mbytes/s=1.5MB/s。USB1.1友好易用的界面也是它走向成功的原因之一，它第一次真正实现了plug-and-plug(即插即用)的功能，无须得新启动，而且大部分设备免去了复杂的驱动安装。Intel就在其芯片中集成了1.1标准的USB控制器。 5.USB2.0标准于2004年4月正式出台，它的速率一举提高到原来的USB1.1的40倍480Mbit/s的速率，USB2.0继承了前辈的所有优点，而且接口与1.1完全相同，拥有向前、向后双向兼容性，即1.1的设备可用于2.0接口，2.0的设备可用于1.1接口。三.USB特点 1.外设的安装十分简单，所有的USB外设利

4、用“ONE-SIZE-FITS-ALL”连接器都可简单方便地连接入计算机中，安装过程高度自动化，既不必打开机箱插入插卡，又不必考虑资源分配，也不用关掉计算机电源（热插拔）。USB的传输理论与制作5 2.对一般外设有足够的带宽和连接距离。USB允许两种数据传送速度规格。低速传送为1.5Mbps,全速传送为12Mbps。全速传送时，结点间连接距离为5m,连接使用的4芯电缆（电源2条，信号线2条）。该速率与一个标准的串行端口相比，大约快出100倍，与一个标准的并行端口相比，也快出近10倍。因此，USB能支持高速接口（例如ISDN、PRI、T1），使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用。图3-2 US

5、B的电缆lUSB的高速信号的比特率定为12Mbps;480Mbpsl低速信号传送的模式为1.5Mbps; 低速模式需要更少的EMI保护。两种模式可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限低带宽的设备（如鼠标）。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去，时钟信号被转换成NRZI码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出原时钟信号。 电缆中包括VBUS、GND二条线，向设备提供电源。VBUS使用+5V电源。USB对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择合适的导线长度以匹配USB的传输理论与制作

6、6指定的IR drop和其它一些特性，如设备能源瞀和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速，或低速设备。 3.支持多设备连接，减少了PC机I/O接口数量。利用菊花链的形式对端口加以扩展，最多可在一台计算机上同时支持127种设备，避免了PC上插槽数量对扩弃外设的限制。 4.提供内置电源。USB电源能向低压设备提供5伏的电源，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。 USB接口提供5V 和200ma电流 Imax=500mA pc=500ma,笔记本100ma 5.提供了

7、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的传输理论与制作7 6.具有高保真音频。由于USB音频信息生成计算机外，因而减小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。四.USB的数据传输方式 1.等时传输方式：该方式可以用于对时间非常敏感、需要连续传输数据，并且对数据正确性要求不高的USB设备，如麦克风、音箱等。在这种方式下传输发生错误时，USB并不会处理这些错误，而是继续传送后面的数据。 2.中断传输方式：该方式可以用于传送数据量小但需要实时处理数据的USB设备，如键盘、鼠标等。该方式在传输出错时可以进行实时处

8、理。 3.批处理方式：该方式可以用于传输数据时要求正确无误的USB设备，如打印机、扫描仪等。当发生传输错误时，USB会重新发送正确的数据，以确保最终数据的正确性。 4.控制传输方式：该方式可以用于处理系统到USB设备的数据传送。USB设备接收到这些数据后，会以先进先出的原则处理数据，如数码报像机、数码相机等。USB的传输理论与制作8五.USB结构及方式接口里面共有四根扁平的金手指，USB传输线缆里的四条芯线就是对应接口埠上这四条金手指的。细心的你还会发现四根金手指中，外侧的两根比较长，为什么要这样呢？这就是USB支持热插拔的原理，USB是通用串行接口，只需要两条数据线（线缆里的绿线和白线）就可

9、以完成数据的传送和接收，它们与接口埠里较长的两个金手指对应，较短的那两个则是对应地线（黑色）和电源线（红色）。这一独特的构造，使得USB设备在插拔的过程中，例如当我们安装一件USB设备时，由于USB接口埠的内部的金手指长短不同，因此较长的数据线会先与USB插槽接触，然后才是电源线和地线；向外拔时则刚好相反，由于电源线较短，所以首先被断开，然后才是数据线。基于这一原理，有人说只要插拔时遵循这一原则，非USB设备也是能“热插拔”的！USB的传输理论与制作9针脚信号名称1+5V dc2-Data3+Data4GNDUSB1.1的工作方式USB的传输理论与制作10USB2.0的工作方式USB的传输理论

10、与制作11USB2.0的传输速度看起来虽然比USB1.1快了这么多，但事实上其工作原理和模式完全一样，而提高到480Mbit/s的传输速度的最关键技术就是数据传输的最小单位，USB1.1的单位传输速率是1毫秒，而USB2.0的数据传输单位则达到最小的125微秒，刚好是USB1.1的1/8，如此高的速度要求USB2.0的驱动必须提供同步传送更短的微帐结构，这点对视频或音频应用为主的设备来说显得非常重要。 我们不需要理会什么1/8的单位传输时间，总之就是USB1.1的频率是12MHz,而USB2.0则达到480MHz,频率越高，发送同一个数据的时间就越快，相当于我们现在最热门的CPU那样，频率高了

11、，速度就快了，上图我们看到,USB1.1和USB2.0虽然在单位传输时间上快了8倍，但如果其他的不变，那也达不到40倍USB1.1的传输速度，USB主要分为Token(记号)、Data(数据)、Handshake(数据交汇)三部分组成的，由于USB2.0具有480MHz的速度，所以无论是Token(记号)、Data(数据)还是Handshake(数据交汇)，速度都快了很多，这些数据一起加起来的速度就比USB1.1快了40倍，也就是480Mbit/s。USB的传输理论与制作12USB2.0的另一个重大的技术问题就是出在HUB这里，它不象USB1.1的HUB那样，可以直接的利用 12Mbit/s的

12、传输速度来进行数据传输，由于USB2.0完全兼容USB1.1，因此，作为USB2.0的HUB，第一个任务就是要辨别所插入的USB设备具体是USB1.1还是USB2.0，然后再进一步分配带宽，如果使用的是USB1.1,则要将USB2.0的480Mbit/s转换成USB1.1的12Mbit/s,而使用的是USB2.0的设备将无须任何改变，直接进行数据交换。但作为HUB，经常会遇到多个设备一起使用的，如果一个HUB同时插入了USB1.1和USB2.0的设备，那么它将必须根据这些设备的带宽进一步分配，这就意味着同一个USB2.0HUB的输出口将会接受两种不同的信号传输频率，因此，USB2.0的HUB将

13、比USB1.1的HUB复杂非常多，包括控制芯片和驱动都一样，他们必须向所有的USB设备提供高速稳定可靠和容错性强的环境，任务意的繁重！USB的传输理论与制作13USB线材USB2.0的传输速度较之前的USB1.1提升了40倍的暴速，但其理论却不需要对电缆做任何修改，两者完全一样，让人有点怀疑，如此高的速率，使用旧的电缆真的没问题吗？由于传输速度高了这么多倍，相互间的电磁干扰也必将大很多，这些问题都得到解决了吗？实际上可以说不的，但也不能完全否定，曾经有人用USB1.1的设备插在USB2.0的口上，结果被误认为是USB2.0，并以480Mbit/s的传输速度向它传输数据，造成端子的堵塞而令到其他

14、设备无法使用，而最后检查出来的问题竟是质量不佳的数据线问题，为此，质量不佳的USB电缆在USB1.1上或许可以使用，而在USB2.0上将会发生错误，以致无法使用。USB的传输理论与制作14类型导体绝缘地线外屏蔽护套Max.Resistance of Conductor(/km20)(20时最大导体电阻)AWGNo.No./mmNo.ThicknessDia.No./mmAl-MylarSpiral/BraidNo.ThicknessDia.USB2.02827/0.1270.160.70 7/0.127Y165/0.1270.644.10 2232827/0.1270.260.90 2827/

15、0.1270.260.90 7/0.127Y165/0.120.644.40 2232627/0.160.261.0 13928217/0.1270.260.90 7/0.127Y165/0.120.644.70 22324211/0.160.261.15 88.92827/0.1270.260.90 7/0.127Y165/0.120.645.0 2232227/0.160.261.28 57.52827/0.1270.260.90 7/0.127Y165/0.120.645.30 22320226/0.160.261.46 346额定电压:30V额定温度：60802820AWG（镀锡铜绞合

16、导体）HDPE、PVC或发泡PE绝缘镀锡铜纺织屏蔽PVC护套参照标准：UL444、UL13、UL1581&USB2.0SpecificationUSB的传输理论与制作15差分阻抗at 20(TDR):9015%共模阻防at 20 (TDR):3030%单端延迟差：100ps(TDR)衰减()max频率(MHz)0.0640.2560.5120.7721.000 4.000 8.000 12.000 24.000 48.000 96.000 200.000 400.000 衰减0.080.110.130.150.20.390.570.670.951.351.90 3.20 5.80 (dB/CA

17、BLE)简单判定USB线材好坏 1.看外观USB线缆应该有一定的完成外径，而且整根线的粗细都是一致的，线的护套材料要有弹性，能承受合理范围内的弯曲和拉伸，没有老化干裂或“起泡”的现象。护套上面的标识应非常清晰详细，印有该线的各项技术指标参数、符合的安全规范等，大厂的线材还会有自己公司或品牌的标识。 2.认证安规好的线材都会通过各项质量及安全认证，最常见的是UL认证，即保险商试验所（Underwriter Laboratories Inc.）。UL的服务不仅依据美国UL标准，也依据加拿大标准（CSA），由此，UL标记也分为用于UL产品和CSA产品以及两者都满足三种。需要注意的是，某一厂商的名字在

18、UL的产品目录上出现，并不表示该厂商的所在产品都是通过了UL认可的，只有那些带有UL标记的产品才能认为是在UL跟踪检验服务下生产的产品；另外常见的还有国内的长城认证。 3.识参数 线缆上面的标识是USB线缆的各项技术指标，这些参数在一定程度上反映了该线的性能和品质，所以我们有必要了解、读懂这些参数。如图为截取自USB的传输理论与制作16USB线缆的一段标识。当中对普通消费者在选购时最具意义的参数是线径，即线缆芯线的直径。业界对线径的粗细是以号数“AWG No.”来表示的，如24AWG、26AWG等等。“AWG”这个单位相信大家在其它线缆产品中也经常会碰到，不过大家又是否知道它的表示意义呢？其实

19、AWG（American Wire Gauge）是美制电线标准的简称，AWG值是导线厚度（以英寸计）的函数，26AWG约为0.4mm。数目越小表示线径越粗，所能承载的电流就越大，反之则线径越细，耐电流量越小。例如说，12号的耐电流量是20安培，最大承受功率是2200瓦，而18号线的耐电流量则是7安培，最大承受功率是770瓦。为什么AWG号数越小直径反而越大？如这么解释你就会明白：固定的截面积下能塞相同的AWG线的数量，如AWG11可塞11根而AWG15可塞15根，自然的AWG15的单位线径就较小。USB2.0规范要求线径在AWG20-AWG28之间。USB的传输理论与制作17连接器知识 1.按

20、作业方式分为焊线式及插pin式焊线式USB A插pin式 USB AUSB BUSB的传输理论与制作18USB A+A 连接电脑与外设USB A+B 连接电脑与外设USB A+FEMALE USB延长线USB网络适配电缆，双机对拷线最大的传输速率达6Mbps具有热插拔的功能和远程唤醒的功能 传输线的长度为2米。USB的传输理论与制作19六：USB Cable生产时重点事项生产过程影响电气特性生产注意事项导体(大小)(1)导体阻抗公差范围内控制导体绞距(1)呈电感怀或电容性公差范围内控制绝缘材质(1)电气特性(2)绝缘阻抗耐电压不可用错材料ID大小(1)特性阻抗公差范围内控制绝缘偏心度(1)特性

21、阻抗及稳定性(2)耐电压及绝缘阻抗公差范围内控制对绞(1)特性阻抗及稳定性(2)延迟差（尤其对此项特别敏感）(1)不跳股(2)张力一致总绞与结构(1)共模阻抗(2)特性阻抗按设计结构编织(1)电磁波(EMI)干扰(2)衰减按设计结构填充(1)特性阻抗按设计结构铝箔麦拉或透明麦拉(1)EMI(2)共模阻抗按设计结构说明（结构）结构内之填充材料不同会影响特性阻抗生产与电气特性相关论USB的传输理论与制作20特性要求USB Raw Cable备注1.0版1.1版2.0版特性阻抗(信号对)9015%9015%9015%1.0版用网络分析仪量测频率1-16MHZ,1.1及2.0版用时域反射分析仪量测衰减

22、量（信号对）（小于）频率MHZdB/305MdB/cabledB/cable网络分析仪量测（NA）0.0644.80.080.080.2566.70.110.110.5128.20.130.130.7729.40.150.151.000 12.0 0.20 0.20 4.000 24.0 0.390.398.000 35.0 0.570.5710.00 38.0 -16.00 48.0 -12.00 -0.670.6724.00 -0.950.9548.00 -1.351.3596.00 -1.90 1.90 200 -3.2400 -5.8七：USB Cable各种特性表(接续下页表)USB

23、的传输理论与制作21七：USB Cable各种特性表(接续上页表)延迟（小于）30nsFull speed:26nsLow speed:18nsHigh/Fullspeed:26nsLow speed:18ns1.0版用NA1.1及2.0版用TDR延迟差（小于）65.6psFull speed only 400ps/cableHigh/Fullspeed only 100ps/cable1.0版用NA1.1及2.0版用TDR共模阻抗-3030%TDRDC Drop直流压降小于125mv(drop per link of cable) Assembly传输速度Low1.5Mb/s1.5Mb/s1

24、.5Mb/S1.0版用NA量测1.1及2.0版用TDR量测Full12Mb/s12Mb/s12Mb/sHigh-480Mb/sConnector 连接器A：ConnectorB：ConnectorA：ConnectorB：ConnectorA：ConnectorB：ConnectorC：ConnectorD：Connector说明：1.不管USB1.0,1.1,2.0版线材长度，只要符合上述(1.0,1.1,2.0版)规格，即为合格；2.但电源线的规格5种(28，26，24，20AWG)总直流压降(小于125mV),延迟(小于26ns)之规定可以推算出其使用长度（参考下表一）；3.针对High

25、/Full speed cable而言，除了衰减要求外，延迟、延迟差的限制皆会影响使用最大长度。一般而率，High/Full speed cable最长使用约5米；4.依据USB协会最新公告，要使用2.0版的Cable Assembly厂必须送样通过USB协会指定机构（如台湾的电检中心）认证后才可以打上USB之标志；5.市场上有许多miniUSB,此规格非USB协会之规范；USB的传输理论与制作22美国线规(AWG)导体阻抗小于/M建议使用长度280.2321.0米以下260.1461.7米以下240.09092.7米以下220.05744.3米以下200.03585.0米以下备注USB规范内规定直流降压不能大于125mV计算出来的表一