USB 传输接口是目前在桌面计算机、笔记本电脑、打印机、数字储存装置、输入/输出设备、数字相机、MP3播放器及其他各种周边装置中，最为广泛的链接方式。由于USB使用简易、传输速度快、链接方便、即插即用、更不需另外插电，所以USB 1.1已经成为现今PC的基本传输接口，而另一方面，USB 2.0正蓄势待发。根据市调机构Cahners In-Stat 的预测，到2004年将有7.5亿台PC安装USB接口，使得透过USB进行传输的接口设备将超过10亿台。所以对USB接口周边装置的研发工程人员来说，如何从种类繁多的USB组件中选择最适合自身需求的组件，已经成为愈来愈重要的课题。

USB传输速度

总线的传输速度是判断链接传输效能的一个重要指针，并决定该种链接接口的应用领域。USB的出现正是解决了在PC领域中，用户不知该选择何种传输方式的最佳解决方案，更建立了一套相当容易使用的接口设备链接方式。

两种传输模式

在USB 1.1接口时便定义出两种传输模式，即传输速度1.5Mbps的低速模式(Low Speed)与12Mbps的全速模式(Full Speed)，而USB 建置者论坛(USB Implementers Forum，USB-IF)于2000年4月公布的USB 2.0传输接口中又定义了传输速度达到480Mbps的高速模式(High Speed)。与其他传统的多数链接方式相比，USB具有传输速度快、链接简易等优点，除了新型的接口设备会采用USB接口外，一些早期采用其他链接方式的接口设备，也逐渐改用USB传输接口。(表一)为USB与其他链接方式传输速度的比较。

USB的三种传输速度模式分别适合于不同的应用领域，如低速模式的键盘、鼠标与游戏杆和全速模式的语音传送及高速模式的实时影音传送与高质量扫描仪等，但是其他不同的数据传输也可透过USB接口进行高速链接。但必须注意的是USB 的速度是用Mega Bits per Second (Mbps)来计算，同时也须注意数据传输量因为包含了传输协议以及消耗掉的带宽，实际的数据传输量无法达到最高链接传输速度。以全速USB为例，最高传输速度为12Mbps，即1.5Mbyte/s，但理论上的最大数据传输量仅有9.2Mbps。所以在选择时，必须先对外设的数据传输量进行基本估算，再根据自身需求选择适合的USB组件。

USB组件的分类

许多厂商相继推出USB芯片，如此多样化的选择常使研发人员无所适从。事实上，组件的性能、价格及研发过程所需投入的时间与人力成本，均是选择周边装置组件必须考虑的主要因素。USB组件具备的功能主要包括传输速度、端点(End Point)数目、微控制器的功能设定与I/O数目等。USB装置研发的过程主要集中在硬件开发上，但仍需要撰写在PC上的驱动程序。若组件厂商能提供高性能的系统研发工具及选择丰富的程序代码范例，将更能有效地帮助工程人员大幅缩短研发时程。

对于USB组件的分类方法大致有：按照功能分成主控制器组件、集线器组件和周边组件；按照速度分成低速(Low speed)与全速(Full speed)的USB 1.1组件，及高速(High Speed)的USB 2.0组件，另外还有针对专用功能的USB组件。(图一)为USB组件的基本分类。

《图一 USB组件分类》

接下来我们将透过(图一)的分类来依序介绍USB组件。

主控制器(Host Controller)

USB总线是一种主/从结构的通讯方式，所有操作都首先由主机端发出命令。USB主控制器包含总线收发器及主控制器接口(OHCI、UHCI或EHCI)，并完成由驱动程序传递过来I/O Request Packet(IRP)执行指令，更内建了主集线器(Root Hub)的功能，并透过USB主控制器来控制主机与USB装置间的数据传输。

USB 1.1主控制器的支持功能通常已被内建在PC的周边芯片组中，然而内嵌式系统中广泛的USB应用也使独立的USB主控制器占有很大的市场。很多厂商都针对这种应用开发出USB 1.1的主控制器芯片，如Philips的ISP1161和Cypress的SL11H/SL811HS，它们可将主控制器和周边组件建置在一起，提供微处理器接口的数据总线和控制线路，可直接与DSP、微控制器等处理器链接，通过软件可以使组件于主控制器模式或周边组件模式下运行。

举例而言，使用内建这种组件的数字相机在与PC 链接时，可以从装置端(相机)将影像传送给PC；在与打印机链接时，可作为主机端(相机)将影像传送到打印机进行输出。这种功能就如同IEEE 1394的点对点(Peer to Peer)操作功能。不过，USB建置者论坛目前正在发展一种称为USB OTG(On-The-Go)的加强功能，以USB 2.0规格为模板，使未来的USB装置将同时具有主/从双重功能。

未来发展

由于频率频率很高，USB 2.0对信号失真及抗电磁干扰等方面都有更严格的要求，这使得USB 2.0组件在设计时更加困难。目前USB 2.0主控制器尚未内建在在PC芯片组中，但Intel已经计划在今年初推出内建支持USB 2.0的芯片组，今年USB 2.0将逐渐成为市场主流。PC的OEM制造厂商初期还会同时提供一些尚未内建USB 2.0主控制器或者以USB 2.0单芯片设计的主板，使得独立的USB 2.0主控制器仍拥有一定的市场。目前市面上已经有许多USB 2.0适配卡，多数采用NEC的uPD720100A或Philips的ISP1561等USB 2.0主控制器，提供的PCI接口使PC可透过PCI总线与控制器链接。USB 2.0规格中要求USB 2.0主控制器或链接埠必需与USB 1.1装置完全兼容，所以可在480Mbps / 12Mbps / 1.5Mbps等三种不同速度模式下运作。

USB集线器(USB Hub)

USB是一种层状星型拓扑结构，最多可同时外接127个装置，但这需要利用集线器以扩展连接数目。集线器为USB装置和主机间提供了传输接口，并提供USB用户亲善的接口，减少系统复杂性。集线器同时负责电源管理、装置接入和中断测试、高速/低速运作装置支持、总线错误检测和恢复等工作，一般由中继器和控制器两个部分所组成。

集线器组件的主要供应厂商有NEC、Cypress、Philips及Atmel等。USB 1.1集线器组件一般有两种分类：

独立集线器组件

这类集线器组件由硬件完成基本的集线器功能，客户不需开发硬件，因此降低了开发风险和缩短研发周期。内建有一个上行埠和数目不等的下行埠，适用于笔记本电脑，如Cypress公司的CY7C65100、Philips公司的ISP1122A与Atmel公司的AT43301，便属于这个类型。

复合集线器组件

这类集线器组件内部除了集线器接口和中继器外，还包含微控制器及个数不等的GPIO针脚，可以与外部的电信讯号进行通讯，例如电源管理或键盘扫描等；硬件支持2个以上USB地址，一个是Hub的地址，其他是外接周边装置的地址。对于系统而言，这些外接周边装置是链接在集线器上的装置。集线器和外接周边的功能由微控制器来完成，因此需要硬件开发。Atmel的AT43USB321和Cypress的Cy7C65X13 / Cy7c66x13均属于这类组件，适合用于整合装置的应用，如附集线器功能的USB键盘。

USB 2.0集线器组件也与USB 1.1 集线器兼容，其下行埠可以连接USB 1.1或USB 2.0装置，上行埠一般情况下是在高速模式运行，但若连接USB 1.1接口时，USB 2.0集线器组件仅能在全速模式运行。NEC在2000年3月推出了第一款USB 2.0集线器组件uPD720110，之后Cypress、 Philips也推出了相互对应的USB 2.0集线器组件。

外接周边组件(Peripheral Device)

在USB协议中将USB外接周边组件分成三个层次：底层为USB接口层(USB Bus Interface Layer)，负责主机与装置之间数据封包的传输。中间层为USB装置层(USB Device Layer)，负责总线接口和各装置组件端点之间的数据传递 。

顶层为功能层(Function Layer)，提供USB装置应用接口。

(图二)所描述一般的USB外接周边组件，USB总线收发器为底层，串行接口引擎为中间层，USB微控制器及外接功能是顶层的功能层。

《图二 USB外接周边链接方式》

应用方式

一个USB外接接口可同时在不同层次进行运作，运作方式也有多种变化组合，可由单个或多个组件构成，包括了USB收发器组件、SIE组件、USB微控制器与专属USB接口组件。应用的方式有：使用一个USB串行接口引擎(SIE)透过简单的接口及控制方法与一个外部的微控制器相互链接成为USB外接接口；利用一个附USB接口的微控制器来设计一个周边装置；在高性能的应用中，可将 USB接口内建在专用组件内。使用这些组件研发的USB接口在成本、研发周期、开发难度等均不相同。一般而言，采用USB微控制器及SIE组件开发的USB接口难度较低，开发周期也较短，所以是较常见的USB外接接口方式。

USB收发器

USB收发器芯片主要是针对可携式通讯装置，如数字相机、PDA等，并负责实体总线的数据传送与接收，其余的工作必须藉由硬件完成，所以研发人员必须对USB协议非常清楚，故研发工作量大、难度较高，研发周期也较长，相关产品有Philips生产的ISP1105/ISP1106等。

SIE组件

独立的SIE接口芯片中包含了总线接口层及装置层的功能，仅负责处理USB通讯工作，并提供简单的接口(如串行埠或并列埠)供外部的微处理器链接。透过这个接口外部的微处理器可以在传输层上设置数据封包，并由SIE来规格化数据封包，于物理层上进行传送，所以USB接口至少需要两个组件。采用这种接口方式价格较低廉，系统性能则主要由微处理器决定，但微处理器与SIE组件之间的传输速度大都比USB的最大传输速度慢；另外研发人员在编写微处理器的硬件时也必须十分了解USB协议，因许多物理层的传输都必须在微处理器的硬件中进行处理。这类组件较适合应用于外接系统中已经有微处理器的情况，如打印机、扫描仪、可携式储存装置、数字相机等，如Philips的ISP1181是一种并行接口的全速USB SIE；Cypress的SL811HS/T是一种双速双模式的USB SIE，在主控模式(master)下，更可支持内嵌式装置作为USB主要设备与外接装置间进行低速或全速模式的传输，在slave模式下，SL811HS/T组件便成为一个USB外接控制器；NEC的uPD720120为USB 2.0的SIE组件，提供16位宽度的外部总线接口。

USB微控制器

将SIE内建到微控制器中是另一种常见的USB外接接口方式，大多是为USB应用而设计，并多数应用在微控制器可当作系统主处理器的系统中。这类组件中，SIE提供一些可供链接的缓存器或FIFO，微控制器只需与它们进行链接便可控制SIE，因此硬件设计相对比较简易。

组件内部除有SIE外，还有微控制器及其它一些普通微控制器都有的功能，如定时器、计数器、UART、Embedded RAM与通用I/O、A/D、D/A等，透过这些功能可以建立一个应用系统。

各个半导体厂商所采用的微控制器核心不尽相同，有的采用8051控制器，有的则采用RISC或其他CPU，如Intel的8x930系列和Cypress的EZ-USB系列都采用增强型的8051；Motolora提供的多种USB微控制器使用M68HC05或M68HC08的CPU；Microchip的USB微控制器则大多使用PICmicro；Cypress的CY7C63xxx系列使用的是M8。不同内部核心的USB微控制器组件对于硬件研发周期的影响很大，大部分的工程师对8051的指令集比较熟悉，所以采用8051的USB微控制器便可有效地缩短硬件开发时间。

USB微控制器的性能决定了USB外接接口的基本性能。有些USB微控制器只提供低速模式和有限的几个端点，有些则提供全速或高速模式与充足的端点及其他资源。微控制器内部核心的运行速度、内部核心与外围电路之间的I/O传输速度等因素，也可能影响USB接口的运作速度。Cypress、Philips、Atmel、Microchip、ST、Motorola、Netchip等厂商均提供USB微控制器，要详细列出各种USB控制器并不容易，但可按组件的速度模式分成低速、全速、高速三种类型。

低速USB微控制器

低速USB微控制器支持1.5Mbps的连接速度，提供有限的几个端点(Endpoint)，主要应用于鼠标、键盘、游戏杆等人机接口装置(HID)，也可应用于条形码器与温度计等产品，数据流量可能小于11 kbyte/s，如：ST的ST7263X系列、ST7262X系列与Cypress的CY7C63XXX系列等。

全速USB微控制器

全速USB微控制器主要应用于可携式储存装置、XDSL、数字相机、扫描仪与打印机等数据传输量较大的装置中，数据传输速度可以达到9Mbps以上，比低速的USB装置快很多。此时，微控制器的性能对USB装置的传输速度影响很大，低性能的控制器无法及时处理缓冲区中的数据，或者不能快速通过I/O与外部进行数据交换，导致系统传输速度降低。

有些USB微控制器在I/O上增加了一些快速数据传输的方法，如FIFO、通用可编程接口、DMA信道等，或在组件内部提供足够的数据缓冲区，可提高组件性能，但同时也增加组件成本。

几乎所有生产USB组件的厂商都有全速USB微控制器产品，实际的数据传输速度从不到1Mbps到将近9Mbps，故选择组件时需要注意组件的传输速度是否可到达装置的要求速度。如Cypress的产品系列，低性能的全速USB微控制器是以M8作为内部核心的CY7C64013/CY7C64113，最大的数据流量仅70-80Kbyte/s；中等性能的EZ-USB系列USB微控制器，内部核心为增强型8051，除了CPU运行速度较8051快以外，它还增加一种『快速传输模式』，可将外部数据直接传送到内部的USB FIFO上，最快传输速度可达到5-6Mbit/s；EZ-USB FX系列则是高性能的全速USB微控制器，同样是为增强型8051核心，但在I/O上增加了通用可编程接口(GPIF)，可使控制器与高速的外围组件(如DSP，ASIC)紧密链接，最快传输速度可达到8Mbit/s以上。

USB 2.0微控制器

USB 1.1已经顺利取代了许多原先采用串行或并列接口链接的外围市场，但应用于一些高速的装置上时仍有困难。因此，随着数据传输速度为USB 1.1 40倍的USB 2.0外接周边组件的问世，USB也可以应用于大容量的可携式储存装置、数字多媒体装置、高质量扫描仪与打印机、高速网络链接装置等数据流量大、要求实时响应的高阶设备，USB 2.0组件即将成为市场的主流。Cypress的EZ-USB FX2是业界第一个USB 2.0微控制器，结构与EZ-USB FX相似。

专用USB接口组件

有些厂商针对一些特殊应用设计了专用的USB接口组件，它们比通用的接口组件具有价格及性能的优势。如Cypress的SL11RIDE及ISD300为一种转换USB接口到ATAPI/IDE接口的组件，主要应用于可携式储存装置；Atmel的AT76C711是一种从USB链接方式到串行链接方式的转换组件，可将USB数据转换成UART、IrDA等接口的数据；TI的TAS1020A则是针对等时传输设备(如USB喇叭或USB麦克风)而设计。还有些专用组件则将USB接口内建在其内部作为多种可选用的接口之一。

结语

USB装置的优点已广受肯定而且也已非常普及，随着USB 2.0技术的成熟与向下兼容性，USB 1.1 传输带宽不足的问题已经完全解决，加上Windows XP操作系统的支持，让消费者更容易使用这项全新传输规格技术。USB 2.0将会应用于高阶产品，键盘、鼠标等对传输速度要求低的装置仍将继续采用USB 1.1接口，所以USB将继续保持在PC与周边装置主要链接接口的领先优势。(作者任职于Cypress)