三防平板電腦通用串行通信總線（Universal Serial Bus，USB）是在1994年年底由Intel、Compaq及Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的一種新的同步串行總線標準，目前已成功替代串口和并口，成為現(xiàn)在計算機與大量智能設(shè)備的必配接口。三防平板電腦的USB 主要用于 PC、智能設(shè)備與外圍設(shè)備的互連，如U盤、移動硬盤、MP4、鍵盤、鼠標、打印機、數(shù)碼相機、手機等。

USB 版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，曾先后公布了三代的 USB 規(guī)范版本，目前已經(jīng)發(fā)展為USB3.1版本。USB標準主要特征如表1所示。

表1 三代USB標準主要特征

USB1.0是在1996年提出的，速度只有1.5 Mbps，1998年升級為USB1.1，速度提升到了12 Mbps。

USB2.0是由USB1.1規(guī)范演變而來的，它的傳輸速率達到了480 Mbps。USB2.0中的增強主機控制器接口（EHCI）定義了一個與USB1.1相兼容的架構(gòu)，它可以用USB2.0的驅(qū)動程序驅(qū)動USB1.1設(shè)備，也就是說所有支持USB1.1的設(shè)備都可以直接在USB2.0的接口上使用而不必擔心兼容性問題，并且USB線纜、插頭等附件也都可以直接使用。

USB3.0的理論速度為5.0 Gbps，USB3.1標準傳輸速度為10 Gbps，這將極大提升傳輸速度。

USB3.1供電標準提升至20 V/5 A、100 W，能夠極大地提升設(shè)備的充電速度，同時還能為筆記本、投影儀甚至電視等更高功率的設(shè)備供電。USB3.1的接口標準共有三種，分別是USB Type A、USB Type B及三防平板電腦中USB Type-C，如圖1（a）所示，USB3.1接口插件的引腳分配如圖6-6（b）所示。USB Type-C有望成為統(tǒng)一各接口的標準接口，但它未必支持USB3.1標準，同樣使用了USB3.1標準的接口不一定就是USB Type-C接口。目前部分高檔的便攜式設(shè)備只需要內(nèi)置一個USB Type C接口，便可滿足供電、傳輸?shù)男枨?。注意，新型USB Type-C插口不再分正反。

三防平板電腦中USB串行總線通信具有如下特點。

（1）熱插拔（即插即用），即設(shè)備不需重新啟動便可以工作。這是因為USB協(xié)議規(guī)定在主機啟動或USB設(shè)備與系統(tǒng)連接時都會對設(shè)備進行自動配置，無須手動設(shè)置端口地址、中斷地址等參數(shù)。

（2）傳輸速率高，USB1.1的最高速率為12 Mbps，USB2.0高達480 Mbps，USB3.0高達5 Gbps，USB3.1高達10 Gbps。

（3）連接方便、易于擴展。USB接口標準統(tǒng)一，使用一個4針插頭作為標準，可通過串行連接或者集線器Hub連接127個USB設(shè)備，從而以一個串行通道取代PC上一些類似串行口和并行口的I/O端口。這樣更容易實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)之間的連接，讓所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享USB的帶寬。

（4）USB接口提供了內(nèi)置電源，在不同設(shè)備之間可以共享接口電纜，同時在每個端口都可檢測終端是否連接或分離，并能區(qū)分高速設(shè)備或低速設(shè)備。USB主接口提供一組5 V的電壓，可作為USB設(shè)備的電源，可基本滿足鼠標、讀卡器、U盤等大多數(shù)電子設(shè)備的供電需求。

（5）攜帶方便，USB設(shè)備大多以小、輕、薄見長，對用戶來說，隨身攜帶很方便。

三防平板電腦中國一個USB接口內(nèi)部一般由USB主接口（Host）、USB設(shè)備（或稱為從接口，Device）和USB互連操作三個基本部分組成。USB主接口包含主控制器和內(nèi)置的集線器，主機通過集線器可以提供一個或多個接入點（端口）;USB設(shè)備通過接入點與主機相連；USB互連操作是指 USB 設(shè)備與主機之間進行連接和通信的軟件操作。USB 在高速模式下通常使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長不能超過5 m；而在低速模式時，可以使用不帶屏蔽的雙絞線或者其他連線，但最長不能超過3 m。USB接口是通過四線電纜傳輸信號并與外部設(shè)備相連的，其接口插件引腳分配如圖6-6（b）所示，其中，D+和 D-是互相纏繞的一對數(shù)據(jù)線，用于傳輸差分信號。三防平板電腦中USB主機中的VBus和GND分別為電源和地，可以給外部設(shè)備提供5 V的電源。注意，USB設(shè)備中的電源端VBus采用無源形式。

USB采用單極性、差分、不歸零編碼方式，支持半雙工通信的串行數(shù)據(jù)傳輸。按照USB協(xié)議，通過USB主機與USB設(shè)備之間進行的一系列握手過程，USB主機可知道設(shè)備的情況并知道該如何與USB設(shè)備通信，還可為USB設(shè)備設(shè)置一個唯一的地址。常見的USB接口支持同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和控制傳輸四種信息傳輸方式。

USB接口的基本工作過程如下：

● USB 設(shè)備接入 USB 主機后（或有源設(shè)備重新供電），USB 主機通過檢測信號線上的電平變化判斷是否有USB設(shè)備接入；

● USB主機通過詢問USB設(shè)備獲取確切的信息；

● USB主機得知USB設(shè)備連接到哪個端口上并向這個端口發(fā)出復(fù)位命令；

● USB設(shè)備上電，所有的寄存器復(fù)位并且以默認地址0和端點0響應(yīng)命令；

● USB主機通過默認地址0與端點0進行通信并賦予USB設(shè)備空閑的地址，USB設(shè)備可對該地址進行響應(yīng)；

● USB主機讀取USB設(shè)備狀態(tài)并確認USB設(shè)備的屬性；

● USB 主機依照讀取的USB設(shè)備狀態(tài)進行配置，如果USB設(shè)備所需的USB資源得以滿足，就發(fā)送配置命令給USB設(shè)備，該USB設(shè)備就可以使用了；

● 當三防平板電腦通信任務(wù)完成后，USB 設(shè)備被移走時（無源 USB 設(shè)備拔出 USB 主機端口或有源USB設(shè)備斷電），USB設(shè)備會向USB主機報告，USB主機關(guān)閉端口并釋放相應(yīng)資源。

目前，嵌入式系統(tǒng)的USB接口有兩種實現(xiàn)方法：一種是處理器自帶USB接口控制器，如三星公司的S3C2440、意法半導體公司的STM32系列、飛利浦公司的LPC2100系列等；另一種是微處理器不帶有USB接口控制器，需要外接專用的USB接口芯片，如飛利浦公司的PDIUSBD12等。PDIUSBD12內(nèi)部結(jié)構(gòu)和與MCU連接示意圖如圖6-7所示。

圖2 PDIUSBD12內(nèi)部結(jié)構(gòu)和與MCU連接示意圖

三防平板電腦在一個完整的嵌入式 USB 系統(tǒng)中，不僅應(yīng)包括 USB 硬件接口，還要在軟件上編寫 USB控制器程序和USB設(shè)備驅(qū)動程序等。以PDIUSBD12實現(xiàn)USB從設(shè)備的使用為例，在完成硬件連接后，還需要在軟件中完成發(fā)送USB請求、等待USB中斷、設(shè)置相應(yīng)的標志、處理USB總線事件、PDIUSBD12命令接口，以及面向硬件電路的底層函數(shù)及驅(qū)動程序編寫等工作。

因此，在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時，應(yīng)當優(yōu)先選用內(nèi)部帶有USB主機或USB設(shè)備功能的微處理器，使用其內(nèi)部集成的USB功能，以及對應(yīng)廠商提供的函數(shù)庫、例程等，以便提高開發(fā)效率。