【正文】 第四章 USB 數(shù)據(jù)流模型 本章介紹了數(shù)據(jù)如何在 USB中傳送，將涉及到系統(tǒng)中關(guān)于信號(hào)的發(fā)送和協(xié)議定義的一層。 對(duì)于 USB 系統(tǒng)中這一層中各個(gè)定義的詳細(xì)情況可參見(jiàn)第六章和第七章。本章中介紹的數(shù)據(jù)傳送格式，將在第八章到第十一章中逐步擴(kuò)充。所有的實(shí)現(xiàn)者必須閱讀此章，以便了解 USB中一些非常核心的概念。 實(shí)現(xiàn)者的視圖 USB提供了在一臺(tái)主機(jī)和若干臺(tái)附屬的 USB設(shè)備之間的通信功能，從終端用戶(hù)的角度看到的 USB系統(tǒng)，可簡(jiǎn)單地用圖 ： 圖 4— 1 USB 主機(jī) /設(shè)備的簡(jiǎn)單模型 但在實(shí)際的實(shí) 現(xiàn)上，具體的系統(tǒng)要比這復(fù)雜，不同層次的實(shí)現(xiàn)者對(duì) USB 的有不同要求，這使得我們必須從不同的層次觀(guān)察 USB系統(tǒng)。 USB系統(tǒng)提出了一些重要的概念和情況來(lái)支持現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)所提出的可靠性要求，所以 USB 的分層理解是必須的。它能使不同層次的實(shí)現(xiàn)者只關(guān)心 USB相關(guān)層次的特性功能細(xì)節(jié)，而不必掌握從硬件結(jié)構(gòu)到軟件系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)。USB的這種層次結(jié)構(gòu)如圖 42所示， 主機(jī) 物理設(shè)備 實(shí)際通信流 邏輯通信流 需實(shí)現(xiàn)的區(qū)域 圖 4— 2 USB 需實(shí)現(xiàn)的區(qū)域 USB 主機(jī) USB 設(shè)備 客戶(hù)軟件 USB 系統(tǒng)軟件 USB 主機(jī)控制器 應(yīng)用 USB 邏輯設(shè)備 USB 總線(xiàn)接口 各層次的具體細(xì)節(jié)將在以后逐步介紹。特別地，有四個(gè)層次的實(shí)現(xiàn)是較為集中的。 USB物理設(shè)備 (USB Physical Device)： USB上的一種硬件，可運(yùn)行一些用戶(hù)程序。 客戶(hù)軟件 (client software)：為一個(gè)特定的 USB設(shè)備而在主機(jī)上運(yùn)行的軟件。這種軟件由 USB設(shè)備的提供者提供，或由操作系統(tǒng)提供。 USB 系統(tǒng)軟件 (USB system software)：此軟件用于在特定的操作系統(tǒng)中支持 USB，它由 操作系統(tǒng)提供。與具體的 USB設(shè)備無(wú)關(guān)，也獨(dú)立于客戶(hù)軟件。 USB主機(jī)控制器 (USB Host Controller):總線(xiàn)在主機(jī)方面的接口，是軟件和硬件的總和。用于支持 USB設(shè)備通過(guò) USB連到主機(jī)上。 這四個(gè) USB 系統(tǒng)的組成部分在功能上存在相互重疊的部分。為了支持主機(jī)與客戶(hù)之間的堅(jiān) 固可靠的通信，還需要在后面 對(duì)這些部分進(jìn)行細(xì)節(jié)性描述。 如圖 42所示，一臺(tái)主機(jī)與一個(gè) USB設(shè)備間的連接是由許多層上的連接組成。 USB總線(xiàn)接口層提供了在主機(jī)和設(shè)備之間的物理連接、發(fā)送連接、數(shù)據(jù)包連接。 USB設(shè)備層對(duì) USB系統(tǒng)軟件是可見(jiàn)的，系統(tǒng)軟件基于它所見(jiàn)的設(shè)備層來(lái)完成對(duì)設(shè)備的一般的 USB 操作。應(yīng)用層可以通過(guò)與之相配合的客戶(hù)軟件向主機(jī)提供一些額外的功能。 USB設(shè)備層和應(yīng)用層的通信是邏輯上的，對(duì)應(yīng)于這些邏輯通信的實(shí)際物理通信由 USB總線(xiàn)接口層來(lái)完成。 關(guān)于 USB 的物理通信在第 6章中描述，而相關(guān)的邏輯通信在第 9章中介紹。本 章描述一些核心概念， USB系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)者必須先掌握它們，然后在往后幾章中閱讀更加詳細(xì)的部分。 為了描述和管理 USB通信，以下概念是很重要的： 總線(xiàn)拓樸 (Bus Topology)： USB的基本物理組成、基本邏輯組成，以及各組成部分之間 的相互關(guān)系。這將在 。 通信流模型 (munication Flow Models):描述主機(jī)與設(shè)備如何通過(guò) USB 通信，以及通信所用的四種通信類(lèi)型。這將在 。 總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)管理 (BUS Access)：主機(jī)面對(duì)大量的 USB 設(shè)備的各種通信要求，如何控制、協(xié) 調(diào)總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)。 關(guān)于同步傳送的考慮： 。對(duì)要求同步傳送的設(shè)備提供一些特性。非同步傳送設(shè)備的實(shí)現(xiàn)者不必閱讀此節(jié)。 總線(xiàn)拓樸 總線(xiàn)拓樸結(jié)構(gòu)包括四個(gè)重要的組成部分。 主機(jī)和設(shè)備： USB系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分。 物理拓樸結(jié)構(gòu)：描述 USB系統(tǒng)中的各組成部分是如何連接起來(lái)的。 邏輯拓樸結(jié)構(gòu)：描述 USB 系統(tǒng)中各種組成部分的地位和作用，以及描述從主機(jī)和設(shè)備的角度觀(guān)察到的 USB系統(tǒng)。 客戶(hù)軟件層與應(yīng)用層的關(guān)系：描述從客戶(hù)軟件層看到的應(yīng)用 層的情況，以及從應(yīng)用層看到的客戶(hù)軟件層的情況。 USB主機(jī) 主機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 43，包括 USB主機(jī)控制器（ USB Host Controller） USB系統(tǒng)軟件集合： USB驅(qū)動(dòng)程序，主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)程序，主機(jī)軟件 客戶(hù)軟件 主機(jī) 實(shí)際通信流 邏輯通信流 圖 4— 3 主機(jī)的組成 USB主機(jī)在 USB 系統(tǒng)中是一個(gè)起協(xié)調(diào)作用的實(shí)體，它不僅占有特殊的物理位置，而且對(duì)于USB 以及連到 USB 上的設(shè)備來(lái)說(shuō)，還負(fù)有特殊責(zé)任。主機(jī)控制所有的對(duì) USB 的訪(fǎng)問(wèn)。一個(gè)USB設(shè)備想要訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)必須由主機(jī)給予它使用權(quán)。主機(jī)還負(fù)責(zé)監(jiān)督 USB的拓樸結(jié)構(gòu)。 關(guān)于主機(jī)和它的任務(wù)的更詳細(xì)、更徹底的描述，請(qǐng)見(jiàn)第 9章。 USB設(shè)備 一個(gè) USB設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 ，包括 USB總線(xiàn)接口 USB邏輯設(shè)備 應(yīng)用層 物理設(shè)備 客戶(hù)軟件 USB 系統(tǒng)軟件 USB 主機(jī)控制器 應(yīng)用 USB 邏輯設(shè)備 復(fù)合設(shè)備 實(shí)際通信流 邏輯通信流 圖 44 物理設(shè)備組成 USB 設(shè)備用于向主機(jī)提供一些額外的功能。 USB 設(shè)備提供的功能是多種多樣的，但面向主機(jī)的接口卻是一致的。所以，對(duì)于所有這些設(shè)備，主機(jī)可以用同樣的方式來(lái)管理它們與 USB有關(guān)的部分。 為了幫助主機(jī)辨認(rèn)及確定 USB 設(shè)備，這些設(shè)備本身需要提供用于確認(rèn)的信息。在某一些方面的信息，所有 設(shè)備都是一樣的；而另一些方面的信息，由這些設(shè)備具體的功能決定。信息的具體格式是不定的，由設(shè)備所處的設(shè)備級(jí)決定。 對(duì) USB設(shè)備更完備的描述，見(jiàn)第 8章。 4． 2． 3 總線(xiàn)的物理拓樸結(jié)構(gòu) USB系統(tǒng)中的設(shè)備與主機(jī)的連接方式采用的是星形連接，如圖 45。 根 HUB HUB HUB 圖 4— 5 USB 物理總線(xiàn)的拓?fù)? 圖中的 Hub是一類(lèi)特殊的 USB設(shè)備，它是一組 USB的連接點(diǎn)，主機(jī)中有一個(gè)被嵌入的 Hub叫根 Hub(root Hub)。主機(jī)通過(guò)根 Hub提供若干個(gè)連接點(diǎn)。為了防止環(huán)狀連接，采用星形連接來(lái)體現(xiàn)層次性，如圖 45。這種連接的形狀很像一棵樹(shù)。 用于提供具體功能的設(shè)備叫應(yīng)用設(shè)備。許多不同功能的設(shè)備放在一起被看作一個(gè)整體，叫包。例如，鍵盤(pán)和軌跡球可以被視作一個(gè)整體，在它的內(nèi)部，提供具體功能的設(shè)備被永久地 接到 Hub 上，而這個(gè) Hub被接到 USB上。所有這些設(shè)備及這個(gè) Hub 被看作一個(gè)復(fù)合設(shè)備，而這個(gè) Hub又被看作這個(gè)復(fù)合設(shè)備的內(nèi)部 Hub。在主機(jī)看來(lái)，這個(gè)復(fù)合設(shè)備和一個(gè)帶著若干設(shè)備的單獨(dú) Hub是一樣的。圖中也標(biāo)出了一個(gè)復(fù)合設(shè) 備。 總線(xiàn)邏輯拓樸結(jié)構(gòu) 在物理結(jié)構(gòu)上，設(shè)備通過(guò) Hub 連到主機(jī)上。但在邏輯上，主機(jī)是直接與各個(gè)邏輯設(shè)備通信的，就好像它們是直接被連到主機(jī)上一樣。這個(gè)邏輯關(guān)系如圖 46 所示。與之對(duì)應(yīng)的物主機(jī) 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 設(shè) 備 設(shè)備 USB 總線(xiàn)接口 理結(jié)構(gòu)就是圖 45中的結(jié)構(gòu)。 Hub也是邏輯設(shè)備，但在圖 46中，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，未被畫(huà)出，雖然 USB系統(tǒng)中的工作都是從邏輯角度來(lái)看待的，但主機(jī)必須對(duì)物理結(jié)構(gòu)有個(gè)了解。例如，在處理 Hub 被移去的情況時(shí)，當(dāng)一個(gè) Hub 被移出，通過(guò)它與主機(jī)相連的設(shè)備也應(yīng)一起被移去，這是由其物理結(jié)構(gòu)決定的。關(guān)于 Hub的更詳細(xì)的討論在第 10 章 。 邏輯設(shè)備 主機(jī) 邏輯設(shè)備 邏輯設(shè)備 邏輯設(shè)備 邏輯設(shè)備 圖 4— 6 USB 邏輯總線(xiàn)的拓?fù)? 客戶(hù)軟件層與應(yīng)用層的關(guān)系 USB系統(tǒng)的物理上、邏輯上的拓樸結(jié)構(gòu)反映了總線(xiàn)的共享性。操縱 USB應(yīng)用設(shè)備的客戶(hù)軟件只關(guān)心設(shè)備上與它相關(guān)的接口，客戶(hù)軟件必須通過(guò) USB 軟件編程接口來(lái)操縱應(yīng)用設(shè)備。這與另一些總線(xiàn)如 PCL， ELSA， PCMUA等不同，這些總線(xiàn)是直接訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存或 I/O的。在運(yùn)行中，客戶(hù)軟件必須獨(dú)立于 USB 上的其它設(shè)備。這樣，設(shè)備和客戶(hù) 軟件的設(shè)計(jì)者就可以只關(guān)心該設(shè)備與主機(jī)硬件的相互作用和主機(jī)軟件的相互作用的細(xì)節(jié)問(wèn)題。圖 47說(shuō)明了在圖 46的邏輯結(jié)構(gòu)下，一個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)者看到的客戶(hù)軟件與相應(yīng)應(yīng)用的關(guān)系的視圖。 客戶(hù)軟件 客戶(hù)軟件 客戶(hù)軟件 應(yīng)用 應(yīng)用 應(yīng)用 圖 47 客戶(hù)軟件和應(yīng)用間的關(guān)系 USB通信流 USB是為主機(jī)軟件和它的 USB應(yīng)用設(shè)備間的通信服務(wù)的，對(duì)客戶(hù)與應(yīng)用間不同的交互， USB設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)流有不同的要求。 USB為此提供了更好的 overall總線(xiàn)使用，它允許各種不同的數(shù)據(jù)流相互獨(dú)立地進(jìn)入一個(gè) USB 設(shè)備。每種通信流都采取了某種總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)方法來(lái)完成主機(jī)上的軟件與設(shè)備之間的通信。每個(gè)通信都在設(shè)備上的某個(gè)端點(diǎn)結(jié)束。不同設(shè)備的不同端點(diǎn)用于區(qū)分不同的通信流。 圖 48是圖 42 的擴(kuò)充，它更詳盡地描述了 USB系統(tǒng)，支持了邏輯設(shè)備層和應(yīng)用層間的通信。實(shí)際的通信流要經(jīng)過(guò)好幾個(gè)接口邊界，從第 5 章到第 7 章，刻畫(huà)了機(jī)械上、電氣上以及協(xié)議上的 USB接口的定義。第 8 章刻劃了 USB設(shè)備的編程接口。通過(guò)此接口，可從主機(jī)側(cè)對(duì) USB設(shè)備進(jìn)行控制，第 9章介紹了兩個(gè)主機(jī)側(cè)的通信接口： 主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)程序 (HCD)：它位于 USB主機(jī)控制器與 USB系統(tǒng)軟件之間。主機(jī)控制器可以有一系列不同的實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)軟件獨(dú)立于任何一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以支持不同的控制器，而不必特別了解這個(gè)具體的控制器。一個(gè) USB 控制器的實(shí)現(xiàn)者必須提供一個(gè)支持它自己的控制器的主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)器（ HCD）實(shí)現(xiàn)。 USB驅(qū)動(dòng)程序 (USBD)： USB系統(tǒng)軟件與客戶(hù)軟件之間的接口，提供給客戶(hù)軟件一些方便的使用 USB設(shè)備的功能。 一個(gè) USB 邏輯設(shè)備對(duì) USB 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)端點(diǎn)集合。端點(diǎn)可以根據(jù)它們實(shí)現(xiàn)的接口來(lái)分類(lèi)。 USB系統(tǒng)軟件通過(guò)一個(gè)缺省的控制通道來(lái)管理設(shè) 備。而客戶(hù)軟件用通道束管理接口。通道束的一端為端點(diǎn)，一端為緩沖區(qū)?？蛻?hù)軟件要求通信數(shù)據(jù)在主機(jī)上的一個(gè)緩沖和 USB設(shè)備上 的一個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行。主機(jī)控制器或 USB 設(shè)備 (取決于數(shù)據(jù)傳送方向 )將數(shù)據(jù)打包后在 USB上傳。由主機(jī)控制器 (HC)協(xié)調(diào)何時(shí)用總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)在 USB上傳遞數(shù)據(jù)。 主機(jī) 連接 物理設(shè)備 到一個(gè)接 口的通道 束 與接口 無(wú) 緩沖 沒(méi)有 USB 有關(guān) USB格式 格式 到 0 號(hào)端點(diǎn)的 缺省通道 事務(wù) USB 幀格式 每個(gè)端