当前串行端口P1394取代USB的必然性分析

摘要：作为PC机连接外设的接口，现在普遍应用USB和P1394接口。其中，USB是以PC机为核心的通用串行总线接口，各个结点设备受主机控制。P1394也是串行总线，可它的每个结点设备都可具有总线控制权，是目前唯一既能连接PC机设备，又可连接数字化AV设备的高速接口，本文从工作原理出发，介绍其工作机制，比较两者的优点和特点，从传输速度，电缆可靠性以及占用主机资源等角度进行分析比较，P1394由于其价廉物美，高效快捷，相信不久就可取代USB的位置。

关键词：串行端口；USB；P1394；取代；必然性

中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)06-11597-02

1 前言

随着新技术的发展，USB接口线因其便利的优点被普遍的应用，但其传输速度较慢和占用主机资源比较多，也一直困扰着有高要求的使用者。那么有什么方法或者新的替代产品呢？P1394标准连接设备，从诞生到现在已经有较长时间，日臻完善，随着其市场成本的变的很低，其取代USB接口的条件已经成熟。

2 原理基础

2.1 USB

USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种可以同时处理计算机与具有 USB 接口的多种外设之间通信的电缆总线。这些连接到计算机上的外设共同分享 USB 的带宽，是一种应用在PC领域的新型接口技术。

基于计算机的 USB 系统可以在系统层次上被分为三个部分：即 USB 主机（USB Host）、USB 器件（USB Device）和 USB 的连接。

一个 USB 系统仅可以有一个主机，而为 USB 器件连接主机系统提供主机接口的部件被称为 USB 主机控制器。 USB 主机控制器是一个由硬件、软件和固件( Firmware )组成的复合体。一块具有 USB 接口的主板通常集成了一个称为 ROOT HUB (根集线器)的部件，它为主机提供一到多个可以连接其它 USB 外设的 USB 扩展接口，我们通常在主板上见到的 USB 接口都是由ROOT HUB提供的。

USB器件可以分为两种:即USB HUB和USB功能器件(Function Device)。

USB HUB 在硬件上由两部分组成：HUB 应答器( HUB Repeater )和 HUB控制器( HUB Controller )。

HUB 应答器响应主机对 USB 外设的设置，以及对连接到它下行端口的 USB 功能部件的连接和摘除( Attached and Detached )的检测、分类，并将其端口信息传送给主机，它也负责如“总线传输失败检测”这样的错误处理；而 HUB 控制器则提供主机到 HUB 之间数据传输的物理机制。如同我们所熟知的大多数计算机外设一样， USB HUB 也有一个用来向主机表明自己身份的“BIOS”系统。这块位于 USB HUB 上的 ROM，通过USB 特征字使主机可以配置这个 USB HUB，并监控它的每一个埠。USB功能器件即可以为主机系统提供某种功能的 USB 器件，如一个 USB ISDN 的调制解调器、或是一只 USB 接口的数字摄像机、USB的键盘或鼠标等。

USB 连接实际上是指一种 USB 器件和 USB 主机进行通信的方法。它包括：

(1)总线的拓扑（由一点分出多点的网络形式）：即外设和主机连接的模式。

(2)各层之间的关系：即组成 USB 系统的各个部分在完成一个特定的 USB 任务时，各自之间的分工与合作。

(3)数据流动的模式：即 USB 总线的数据传输方式。

(4)USB 的“分时复用”：因为 USB 提供的是一种共享连接方式，因而为了进行资料的同步传输，致使 USB 对资料的传输和处理必须采用分时处理的机制。

USB 的总线拓扑如图1所示，在 USB 的树形拓扑中，USB 集线器（HUB）处于节点（Node）的中心位置。而每一个功能部件都和 USB 主机形成唯一的点对点连接，USB 的 HUB 为 USB 的功能部件连接到主机提供了扩展的接口。利用这种树形拓扑，USB 总线支持最多 127 个 USB 外设同时连接到主计算机系统。

用于实现外设到主机或 USB HUB 连接的是USB线缆( 图2 )。从严格意义上讲， USB 线缆应属于 USB 器件的接口部分。USB 线缆由四根线组成，其中一根是电源线 VBus，一根是地线 GND，其余两根是用于差动信号传输的资料线( D+，D- )。将数据流驱动成为差动信号来传输的方法可以有效提高信号的抗干扰能力( EMI )。在资料线末端设置结束电阻的思路是非常巧妙的，以至对于 HUB 来判别所连接的外设是高速外设或是低速外设，仅仅只需要检测在外设被初次连接时， D+ 或 D- 上的信号是高或是低即可。因为对于 USB 协议来讲，要求低速外设在其 D-端并联一个1.5kΩ的接地电阻，而高速外设则在 D+ 端接同样的电阻。在加电时，根据低速外设的 D- 线和高速外设的 D+ 线所处的状态， HUB 就很容易判别器件的种类，从而为器件配置不同的信息。

图1 USB的总线拓扑示意

图2 USB线缆

2.2 P1394

P1394前身即Firewire（火线），是1986年由苹果电脑公司针对高速数据传输所开发的一种传输介面，并于1995年获得美国电机电子工程师协会认可，成为正式标准。现在大家看到的IEEE1394、Firewire和i.LINK其实指的都是这个标准；

该标准规定了一个三层协议参考模型，从低往高分别是：（1）物理层（physical layer）；（2）链路层（link layer）；（3）会话层（transaction layer）。

物理层提供了P 1394总线和设备之间的电气连接，负责设备的初始化，保证同一时间内一次只有一个节点在发送数据及各个节点的公平竞争权利，并将总线数据流和信号电平信息传送给链路层。

链路层负责将数据组织成数据包：同步数据包和异步数据包，负责发送和接收所有包，并将确认数据包传给会话层，以及同步数据通信时的时钟控制。

会话层遵循ISO／IEC 13213 1994标准，执行请求-应答功能和异步传输时的读、写、锁定操作。ISO／IEC 13213 1994使IEEE 1394与标准并行总线连接时，所需电路降至最低程度。

P1394的电缆标准规定的电缆有6根线，其中4根信号线，2根电源线，电压从8 V～40 V，最大电流1．5 A，所以P1394总线能提供60 W的最大功率，总线设备不需要独立的电源，给用户带来很大方便。电缆剖面如图3所示，两对信号线中，一对用于传送数据，另一对传送选通信号，选通信号不是时钟，但与数据异或后得到时钟信号，如图4。与其它传送方式比较，它具有较佳的去抖动性能，较低信号间干扰。P1394的速度，部分原因是由于采用非归零200 mV差分信号在可控制阻抗的双绞线对上传输来达到的。差分信号有高抗噪声能力。

两根电源线用于供电给总线上处于等待方式的设备，或直接供电给低功耗设备。也可去掉供电线，只用4线制数据传输。

3 各自的特点和优点

3.1 USB

USB使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。USB标准中将USB分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。

图3 P1394标准电缆剖面图

图4 时钟信号

USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，而且也安装了USB接口插槽。Windows 98及以上版本的操作系统都内置了对USB接口的支持(但Windows NT尚不支持USB)。随着大量支持USB的个人电脑的普及，USB逐步成为PC机的标准接口已经是大势所趋。最新推出的PC机几乎100%支持USB，另一方面使用USB接口的设备也在以惊人的速度发展。目前我们使用的是USB1.1标准的接口，它的传输速度为12Mbps/秒。

后来COMPAQ、Hewlett Packard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS这7家厂商联合制定了USB 2.0接口标准。USB 2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps/秒，比USB 1.1标准快40倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，不像USB 1.1时代，因为高带宽使得更多的设备无需担心数据传输时发生瓶颈效应。USB 2.0可以使用原来USB定义中同样规格的线缆，接头的规格也完全相同，在高速的前提下一样保持了USB 1.1的优秀特色，也保证了向下兼容。

由于USB提供即插即用的功能， 使用USB插口的设备使用有非常强大的灵活性，只要电脑安装上驱动程序，就可以使设备应用在每台计算机上，因此，USB受到了广泛人士的欢迎。

但USB并非对所有应用都适用。某些工程师质疑它在生产环境下的可靠性。USB电缆的连接器容易松脱，另外，USB电缆本身不如IEEE488电缆那样牢靠，由于信号的反射使它的长度要相对短一些，USB规范限制它的电缆长度不超过5m。沿USB电缆传输的位元能够在USB1.1的模块与主机PC之间以12Mb/s(即全速)的速度传输，或者在USB2.0规范下，主机PC、仪器和全部集线器之间会以480Mb/s（即高速）高速运动。应该注意到的是，某些声称遵循USB2.0的产品，它们可能与遵循USB2.0的端口通信，但却只有USB 1.1的速度而不是480Mb/s。

此外，USB电缆供给器件的5V电源可能不够满足数据采集模块所控制的器件所需的功率。例如，多功能数据采集模块具有数字I/O线，而且数字I/O模块的I/O线会多至96条。因此，由于USB的功率有限，则可能不能用数字输出提供电流。或者得到的电流不能满足应用要求。

3.2 P1394接口具备以下主要特点:

同USB一样，P1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备,但由于P1394是通用高速串行总线，使得包括PC机和数字化AV设备以及设备在内的家庭网络系统可以传送图像和声音信息。

P1394的特点:

(1)P1394分为两种传输方式：Backplane模式和Cable模式。Backplane模式最小的速率也比USB1.1最高速率高，分别为12.5Mbps/s 、25Mbps/s 、50Mbps/s，可以用于多数的高带宽应用。Cable模式是速度非常快的模式，分为100Mbps/s 、200Mbps/s 和400Mbps/s几种，在200Mbps/s下可以传输不经压缩的高质量数据电影，目前P1394商业联盟计划将它提高到800Mbps、1Gbps和1.6Gbps；

(2)支持同步模式传输,可实现“准实时”的多媒体数据传输；

(3)连接方便，易于扩展，不必设定标识号和连接终端负载，可采用链或树形方式连接，所有连接的设备是平等关系，不用个人计算机介入也可形成系统，支持热插拔；

(4)单根线缆最长为4.5米，最大可进行15级级联，连接最大距离为72米；

(5)采用6股铜芯线缆，两股用于供电，另外四股分为两对双绞线，接头小巧耐用。

P1394接口的优点在于所传输的图象不必经过压缩再解压缩，在分辨率640*480的要求，可以达到动态传输的需求，是符合网络时代的传输介面，且1394接口的电路设计较USB简单。事实上由于P1394技术具备高速数据传输速率、点对点的传输模式等功能，使信息家电或周边产品之间不需通过个人电脑主机就可以进行串接及数据传输。而且目前一个P1394卡才几十元,性价比是比较高的.

4 应用和发展趋势

尽管早在1995年，就已经有PC机带有USB接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些PC机的USB接口都闲置未用。直到1998年后，随着微软在Windows 98中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走进了实用阶段。USB接口设备有：显示器、打印机、扫描仪、键盘、鼠标、移动硬盘、光盘驱动器、刻录机、数字音箱等几乎所有外部设备都有USB接口的，数码相机、数码摄像机通过USB接口可以传输到计算机；USB接口可以连接127个外部设备，通过USB连接器即USB HUB连接所有USB外部设备，计算机能够自动识别不同的外部设备，需要各自的驱动程序。笔者觉得等大部分主板也开始支持USB盘启动之后，相信一直是计算机标配的软驱也该彻底退出历史舞台了。

作为面向21世纪网络文化时代的P1394接口，已经历10多年发展，开始逐渐成 熟起来。由于半导体厂家和数字AV厂家的共同努力，P1394用大规模集成电路器件 日益丰富，价格逐年下降，提供的功能更多。现在，市场上有2种P1394接口PC产品，一是以数字化视频编辑为目的GV0DVC/CB型P1394接口PC卡，另外还有通用P1394接口的CB1394型PC卡。因为GV-DVC/CB型P1394 PC卡用 于以数字化视频摄像为首的数字化AV设备，不需要通过P1394电缆供电，在端 口连接方面用4芯电缆接插连接器更简单轻便;然而，CB1394型P1394 PC卡，通过AC适配器为连接的P1394设备供电，因此所用的P1394接插连接器是6引线 (对应6芯电缆)。

现在，作为拥有笔记本PC机或具有PC卡插槽的台式PC机用户，装备P1394接口 已不是困难的事情，推入P1394接口PC卡便可了事，连接HDD或CD-R/W也不会有 很大问题。随着半导体技术和计算机科学技术的进步成本的降低，市场上将会涌现更多功能和使用方便 的P1394用LSI芯片产品，传送介质和软件产品。届时，P1394家庭网络的带 宽将由400Mbps向800、1600Mbps发展，使用也会更加方便。

5 总结

USB和P1394都是串行通信方式，信号线之间无需屏蔽相互之间的干扰，所以适合当前计算机功能日益强大而体积日益变小的趋势；但随着计算机处理器速度的激增及主机和外设之间需要交换的数据量的膨胀,I/O系统的任务越来越艰巨.符合ANSI 标准的P1394接口作为一种独特的高速串行总线,由于其:数据传输率高、价格底且容易实现，并且不依赖主机处理器，所以广泛用于计算机系统和各类消费类电子产品中，取代USB的趋势是势不可挡的。

参考文献：

[1]陈志文.IEEE1394接口及其应用[J].世界电子元器件.12月.

[2]深圳远峰.USB协议基础及S3C2410 USB控制器[J].电子先锋.

本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。