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规范与认证:USB设计的关键

更新时间: 2006-03-30 17:28:01来源: 粤嵌教育浏览量:1395

        自从上世纪90年代中期出现以来,USB已在各种不同产品中采用, 其范围从体积精巧的逻辑分析仪到坚固的瑞士军刀再到USB热带鱼缸, 这类电子鱼缸能显示栩栩如生的热带鱼。但究竟是什么原因让USB如此 强大?简单的答案就是标准,其中又以USB规范重要。
        USB规范让使用者掌握细节
        USB规范包含让终使用者很容易应用USB的所有低阶细节。这项 新规范为USB装置定义了三种总线速度:低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps) 和高速(480Mbps)。所有装置速度都支持热插拔,它们 多都能连接127部装置,接头和缆线的型号也完全相同。这些装置 速度的区别在于系统成本:总线速度越大,系统成本就越高。
        全速和低速装置都由USB1.1规范,高速装置则列于2.0版,它 也是目前标准,这使得许多人误将USB2.0和高速USB混为一谈。 事实上,USB装置速度和规范版本是不同的属性,例如USB2.0全速 装置的工作速度虽为12Mbps,但也符合USB2.0规范。
        USB装置列举是与总线速度密切相关的另一项重要概念。装置列 举的定义是:辨别总线所连接的装置,并为其指定一个独特编号。列 举装置时,首先会判断装置是在低速、全速或高速下操作,等到决定 了通信过程所使用的总线速度后,主机就会利用USB规范第九章所定 义的标准查询命令向其询问信息,目标装置则会使用USB描述项响应 这些标准要求,让主机知道该装置的要求和能力以及所应加载的驱动 程序。当主机完成了装置的组态设定,整个列举过程就顺利结束,装 置则处于随时可用的状态;另一方面,若主机无法提供装置所要求的 频宽和电源,列举动作就算失败。
        USB规范还允许外围装置从主机汲取电源,这使得USB随身听之类 的小型可携式装置不需外接电源就能工作;除此之外,某些装置会在 连接至主机时利用USB电源进行电池充电。通过同一条线缆传送资料 和电源让这些装置的使用更简单,更不容易发生故障,因为它们只有 一条电线与外界相连。其他装置则只是通过USB汲取电源,它们完全 不使用数据信道,前述的USB热带鱼缸就是个例子。在这些例子里, 通过USB汲取电源让装置更耐用,操作也更简单,这些优点使它们的 价值更高。
        USB规范还包含多个称为类别的延伸规格,它们对消费者极有价 值。这些已定义的装置类别有着人们很熟悉的名称,例如音讯、人机 界面和大量储存装置,它们可用来制造各种产品,例如喇叭、摇杆和 外接式硬盘。为特定的装置类别定义标准界面后,主计算机就能以类 似方式与某个类别的所有装置互传信息,不必采用专属存取方式;另 外,这些类别的驱动程序也多半会内建于操作系统,并随其安装到所 有个人计算机,因此类别驱动程序所支持的USB装置在销售给客户时, 就不必附上驱动程序磁盘。这些产品只需较少的步骤就能完成安装, 整个过程会变得更简单,另一项优点是产品制造商不必再浪费资源开 发、供应和维护装置驱动程序。除此之外,由于标准界面与操作系统 无关,因此同一部装置可连接至执行Windows、MacO/S、Linux或其他 操作系统的任何计算机。
        开发USB装置所需的步骤
        USB虽有许多优点,但开发一个认证合格的USB装置需要哪些步骤? 首先是新产品的硬件设计,这个步骤会随装置种类的不同而有各种定 义,但通常都包含零件选择、电路板布局和硬件制造———也就是硬 件设计程序的所有常见步骤,区别在于认证合格的USB产品会使 用认证合格的USB零件;对于绝大多数装置,这表示它们会使用USB建 置论坛(USB implementer’s Forum,简称USB-IF),认 证合格的硅芯片方块和缆线组件。
        下一步是软件选择,它与硬件设计的关系非常密切。这两个步骤 的完成顺序并不重要,因为它们彼此独立。
        对于要求不是那么严格的产品,更快的方法是使用目标代码链接 库,由它将USB操作的细节隐藏起来,因此在设计项目初期就决 定链接库的功能范围。对于绝大多数设计而言,使用USB桥接器芯片 是简单快速的方法。对于采用串行接口的既有设计,桥接器还可另 外使用虚拟串行端口装置驱动程序,使得现有的上层主机程序仍能 继续支持新型USB产品。
        产品设计结束后,就应进行USB兼容性测试,所有想使用USB标志 的产品都要接受这项测试,其用意是确保所有USB装置的品质都符合 要求。这些测试不会验证USB规范的每个部分,它们的目的只是提供 合理的可接受度量测值。产品接受测试的方法有两种:参加USB- IF赞助的兼容性测试大会或将产品交给已经核准的私人测试实验 室。若产品通过兼容性测试,它就会列入USB整合厂商清单,获得一 个TID编号,并有权使用USB标志。
        USB外围装置的认证测试可分为三大类。首先是电气特性测试, 验证产品在不同应用架构下的讯号品质。接着是功能测试,用来检查 较高阶的产品细节,例如对于标准要求的支持程度和装置列举功能。 则是产品互用性测试,用来决定受测产品与其他USB装置的互动 情形。
        窗口硬件品质实验室(简称WHQL)会针对Windows操作系统 的装置及装置驱动程序提供额外认证程序。
        USB是否会像放大镜或罗盘一样对人类产生长久深远的影响?或 许不会,但你很快就会在所购买的折叠式救生刀上看到这种装置。厂 商正不断寻找新方法利用现有规范或于必要时为其增加新内容,另外 还有几项要点值得USB新手牢记在心,因为当您想要精密调整新设计 的其他功能时,这些要点或许能为您省下许多宝贵时间:根据项目需 求来选择软件策略,并且使用已通过认证的零件;另外在终产 品的测试套件里增加部分或所有的规格兼容性测试程序,这不但对确 保产品通过认证极有益处,还能让问题浮现,使得产品的品质获得改 善。就算厂商因为成本考虑而不打算让产品接受认证测试,它们还是 可以享受许多类似的好处,因为大部分测试只会收取很少的费用,有 些甚至完全免费。

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