USB使用一根屏蔽的4線電纜與網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進行互聯(lián)。數(shù)據(jù)傳輸通過一個差分雙絞線進行，這兩根線分別標(biāo)為D+和D-，另外兩根線是Vcc和Ground，其中Vcc向USB設(shè)備供電。使用USB電源的設(shè)備稱為總線供電設(shè)備，而使用自己外部電源的設(shè)備叫做自供電設(shè)備。為了避免混淆，USB電纜中的線都用不同的顏色標(biāo)記，如表所示。

引腳編號 信號名稱 纜線顏色

1      Vcc      紅

2    Data-(D-)   白

3    Data+(D+)  綠

4    Ground     黑

從一個設(shè)備連回到主機，稱為上行連接；從主機到設(shè)備的連接，稱為下行連接。為了防止回環(huán)情況的發(fā)生，上行和下行端口使用不同的連接器，所以USB在電纜和設(shè)備的連接中分別采用了兩種類型的連接頭，即圖16-2所示的A型連接頭和B型連接頭。每個連接頭內(nèi)的電線號與圖16-2的引腳編號是一致的，請讀者對照閱讀。A型連接頭，用于上行連接，即在主機或集線器上有一個A型插座，而在連接到主機或集線器的電纜的一端是A型插頭。在USB設(shè)備上有B型插座，而B型插頭在從主機或集線器接出的下行電纜的一端。采用這種連接方式，可以確保USB設(shè)備、主機/集線器和USB電纜始終以正確的方式連接，而不可能出現(xiàn)電纜接入方式出錯，或直接將兩個USB設(shè)備連接到一起的情況。

USB信號

數(shù)據(jù)在USB總線上實際傳輸時，使用的是NRZI（反向不歸零）編碼的差分信號，這種信號有利于保證數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾。

1.        差分信號技術(shù)

我們知道，傳統(tǒng)的傳輸方式大多使用“正信號”或者“負信號”二進制表達機制，這些信號利用單線傳輸。用不同的信號電平范圍來分別表示1和0，它們之間有一個臨界值，如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中受到中低強度的干擾，高低電平不會突破臨界值，那么信號傳輸可以正常進行。但如果遇到強干擾，高低電平突破臨界值，由此造成數(shù)據(jù)傳輸出錯。一般說來，總線頻率越高，線路間的電磁干擾就越厲害，數(shù)據(jù)傳輸失敗的發(fā)生機率也就越高。因此這種信號表達技術(shù)無法應(yīng)用于高速總線傳輸，而差分信號技術(shù)能有效克服這種缺點。

差分信號技術(shù)最大的特點是：必須使用兩條線路才能表達一個比特位，用兩條線路傳輸信號的壓差作為判斷1還是0的依據(jù)。這種做法的優(yōu)點是具有極強的抗干擾性。倘若遭受外界強烈干擾，兩條線路對應(yīng)的電平同樣會出現(xiàn)大幅度提升或降低的情況，但二者的電平改變方向和幅度幾乎相同，電壓差值就可始終保持相對穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并不會因干擾噪聲而有所降低。當(dāng)然，由于1個比特位需要兩條線路，在總線寬度相等的條件下，差分技術(shù)需要的信號線條數(shù)就是“正/負信號”技術(shù)的兩倍。

2.        USB編碼格式

USB的數(shù)據(jù)包使用反向不歸零編碼（NRZI）。圖16-3描述了在USB電纜段上傳輸信息的步驟。反向不歸零編碼由傳送信息的USB代理程序完成；然后，被編碼的數(shù)據(jù)通過差分驅(qū)動器送到USB電纜上；接著，接收器將輸入的差分信號進行放大，將其送給解碼器。使用該編碼和差動信號傳輸方式可以更好地保證數(shù)據(jù)的完整性并減少噪聲干擾。

 

使用反向不歸零編碼方式可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，而且不要求傳輸過程中有獨立的時鐘信號。反向不歸零編碼不是一個新的編碼方式。它在許多方面都有應(yīng)用。圖16-4給出了一個數(shù)據(jù)流和編碼之后的結(jié)果。在反向不歸零編碼時，遇到“0”轉(zhuǎn)換，遇到“1”保持。反向不歸零碼必須保持與輸入數(shù)據(jù)的同步性，以確保數(shù)據(jù)采樣正確。反向不歸零碼數(shù)據(jù)流必須在一個數(shù)據(jù)窗口被采樣，無論前一個位時間是否發(fā)生過轉(zhuǎn)換。解碼器在每個位時間采樣數(shù)據(jù)以檢查是否有轉(zhuǎn)換。

但這樣的編碼方式會遇到一個很嚴重的問題，就是若重復(fù)相同的“1”信號一直進入時，就會造成數(shù)據(jù)長時間無法轉(zhuǎn)換，逐漸的積累，而導(dǎo)致接收器最終丟失同步信號的狀況，使得讀取的時序會發(fā)生嚴重的錯誤。因此，在NRZI編碼之前，還需執(zhí)行所謂的位填充的工作。位填充要求數(shù)據(jù)流中如果有連續(xù)的六個“1”就要強行轉(zhuǎn)換。這樣接收器在反向不歸零碼數(shù)據(jù)流中最多每七個位就檢測到一次跳轉(zhuǎn)。這樣就保證了接收器與輸入數(shù)據(jù)流保持同步。反向不歸零碼的發(fā)送器要把“0”（填充位）插到數(shù)據(jù)流中。接收器必須被設(shè)計成能夠在連續(xù)的六個“1”之后識別一個自動跳轉(zhuǎn)，并且立即扔掉這六個“1”之后的“0”位。

圖16-5的第一行是送到接收器的原始數(shù)據(jù)。注意數(shù)據(jù)流包括連續(xù)的八個“1”。第二行表示對原始數(shù)據(jù)進行了位填充，在原始的第六個和第七個“1”之間填入了一個“0”。第七個“1”延時一個位時間讓填充位插入。接收器知道連續(xù)六個“1”之后將是一個填充位，所以該位就要被忽略。注意，如果原始數(shù)據(jù)的第七個位是“0”，填充位也同樣插入，在填充過的數(shù)據(jù)流中就會有兩個連續(xù)的“0”。

檢測設(shè)備連接和速度

在USB設(shè)備連接時，USB系統(tǒng)能自動檢測到這個連接，并識別出其采用的數(shù)據(jù)傳輸速率。USB采用在D+或D-線上增加上拉電阻的方法來識別低速和全速設(shè)備。USB支持三種類型的傳輸速率：1.5Mb/s的低速傳輸、12Mb/s的全速傳輸和480Mb/s的高速傳輸。如圖16-6和圖16-7所示。

當(dāng)主控制器或集線器的下行端口上沒有USB設(shè)備連接時，其D+和D-線上的下拉電阻使得這兩條數(shù)據(jù)線的電壓都是近地的（0V）；當(dāng)?shù)退?/span>/全速設(shè)備連接以后，電流流過由集線器的下拉電阻和設(shè)備在D+/D-的上拉電阻構(gòu)成的分壓器。由于下拉電阻的阻值是15KΩ，上拉電阻的阻值是1.5KΩ，所以在D+/D-線上會出現(xiàn)大小為（Vcc*15/（15+1.5））的直流高電平電壓。當(dāng)USB主機探測到D+/D-線的電壓已經(jīng)接近高電平，而其它的線保持接地時，它就知道全速/低速設(shè)備已經(jīng)連接了。

高速設(shè)備在連接起始時需要以全速速率與主機進行通信，以完成其配置操作，這時需要在D+線上連接1.5KΩ的上拉電阻。當(dāng)高速設(shè)備正常工作時，如果采用高速傳輸?shù)脑挘?/span>D+線不可上拉；但如果仍采用全速傳輸，則在D+線上必須使用上拉電阻。所以，為識別出高速設(shè)備，需要在上拉電阻和D+線之間連接一個由軟件控制的開關(guān)，它通常被集成在USB設(shè)備接口芯片的內(nèi)部。