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规范与认证:USB设计的关键

王朝厨房·作者佚名  2007-01-04
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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?最简单的答案就是标准,其中又以USB规范最重要。

USB规范让使用者掌握细节

USB 规范包含让最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 最多都能连接127部装置,接头和缆线的型号也完全相同。这些装置速度的唯一区别在于系统成本: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 也是目前最新标准,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,唯一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,因此最好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 是最简单快速的方法。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,使得现有的最上层主机程序仍能 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。最后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;另外最好在最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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