【文章內(nèi)容簡介】 完全描述 USB設(shè)備的信息，包括：設(shè)備類型、電源管理、配置、端點描述等等只要設(shè)備連接到 USB上并且上電端點 0就可以被訪問與 之對應的控制管道就存在了。 一個 USB 設(shè)備可以分為三個層圖（ ）。 最底層是總線接口，用來發(fā)送與接收包。中間層處理總線接口與不同的端點之間的數(shù)據(jù)流通。一個端點是數(shù)據(jù)最終的使用者或提供者，它可以看作數(shù)據(jù)的源或接收端。最上層就是 USB 設(shè)備所提供的功能，比如鼠標或鍵盤等。 圖 設(shè)備層次結(jié)構(gòu) USB 的優(yōu)點 1． USB 為所有的 USB外設(shè)提供了單一的 、 易于使用的標準的連接類型 。 這樣一來就簡化了 USB 外設(shè)的設(shè)計 ， 同時也簡化了用戶在判斷哪個插頭對應哪個插槽時的 任 務 ， 實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口 。 USB的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷 ， 節(jié)省了系統(tǒng)資源 。 3. USB 支持熱插拔 (hot plug)和 PNP(PlugandPlay)， 也就是說在不關(guān)閉成都理工大學 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 PC 的情況下可以安全的插上和斷開 USB設(shè)備 ， 計算機系統(tǒng)動態(tài)地檢測外設(shè)的插拔 ， 并且動態(tài)地加載驅(qū)動程序 。 其他普通的外圍連接標準 ， 如 SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機的情況下才能插拔外圍設(shè)備 。 4. USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性 。 USB直接連接到 Hub或者是連接到 Host的設(shè)備可以通過 USB電纜供電 ， 也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電 ， 或使用兩種供 電方式的組合 ， 并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式 。 5. USB 提供全速 12Mbps的速率和低速 的外設(shè) ， 480Mbps的高速傳輸速率 。 ， USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型 ： 控制傳輸 Bulk數(shù)據(jù) 、 傳輸中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸 。 同步數(shù)據(jù)傳輸可為音頻和視頻等實時設(shè)備的實時數(shù)據(jù)傳輸提供固定帶寬 。 7. USB的端口具有很靈活的擴展性 ， 一個 USB 端口串接上一個 USB Hub 就可以擴展為多個 USB端口 。 傳輸 方式 USB 有四種的傳輸方式控制 (Control)同步 (isochronous)中斷 (interrupt)大量 (bulk)如果你是從硬件開始來設(shè)計整個的系統(tǒng)你還要正確選擇傳輸?shù)姆绞蕉鳛橐粋€驅(qū)動程序的書寫者就只需要弄清楚他是采用的什么工作方式就行了通常所有的傳輸方式下的主動權(quán)都在 PC邊 ,也就是 host 邊 1． 控制 (Control)方式傳輸 :控制傳輸是雙向傳輸 ,數(shù)據(jù)量通常較小 。 USB系統(tǒng)軟件用來主要進行查詢 、 配置和給 USB 設(shè)備發(fā)送通用的命令 。 控制傳輸方式可以包括 1 32 和 64 字節(jié)的數(shù)據(jù) ， 這依賴于設(shè)備和傳 輸速度 。 控制傳輸?shù)湫偷赜迷谥饔嬎銠C和 USB 外設(shè)之間的端點 (Endpoint)0 之間的傳輸 ， 但是指定供應商的控制傳輸能用到其它的端點 。 (isochronous)方式 ： 傳輸同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間latency)。 它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸 ， 或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時應用中 。 例如執(zhí)行即時通話的網(wǎng)絡(luò)電話應用時 ， 使用同步傳輸模式是很好的選擇 。 同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳輸次數(shù) 。 對于同步傳輸來說 ， 即時的數(shù)據(jù)傳遞比完美的精度和數(shù)據(jù)的完整性更重要一些 。 (interrupt)方式 ： 傳輸中斷方式傳輸主要用于定時查詢設(shè)備是否有成都理工大學 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 中斷數(shù)據(jù)要傳輸 ， 設(shè)備的端點模式器的結(jié)構(gòu)決定了它的查詢頻率 ， 從 1 到 255ms 之間 ， 這種傳輸方式典型的應用在少量的分散的 ， 不可預測數(shù)據(jù)的傳輸 。 鍵盤 、操縱桿和鼠標就屬于這一類型 。 中斷方式傳輸是單向的并且對于 host 來說只有輸入的方式 。 (bulk)傳輸 ： 主要應用在數(shù)據(jù)大量傳輸傳輸和接受數(shù)據(jù)上 ， 同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下 ， 要求保證傳輸 。 打印機和掃描儀屬于這種類型 。這種類型的設(shè)備適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸 ， 可以等到所有其 它類型的數(shù)據(jù)的傳輸完成之后再傳輸和接收數(shù)據(jù) 。 USB將其有效的帶寬分成各個不同的幀 (frame)， 每幀通常是 1ms時間長 。 每個設(shè)備每幀只能傳輸一個同步的傳輸包 。 在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后 ，USB的 host就對不同的傳輸點和傳輸方式做一個統(tǒng)籌安排 ， 用來適應整個的 USB 的帶寬 。 通常情況下 ， 同步方式和中斷方式的傳輸會占據(jù)整個帶寬的 90%剩下的就安排給控制方式傳輸數(shù)據(jù) 。 USB 的總線協(xié)議 總線拓撲結(jié)構(gòu) USB 總線的物理連接是一種分層的菊花鏈結(jié)構(gòu) ， 集線器 (hub)是每個星形結(jié)構(gòu)的中心 。 PC 機就是主機和根 Hub， 用戶可以將外設(shè)或附加的 Hub 與之相連 。 這些附加的 Hub 可以連接另外的外設(shè)以及下層 HubUSB。 支持最多 5 個 Hub 層以及127 個外設(shè) 。 圖 描述了 USB 的物理拓撲結(jié)構(gòu) ， 從中可以看出每一段的連接都是點對點的 。 成都理工大學 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 USB 總線拓撲 的物理層 USB的物理接口包括電氣特性和機械特性 。 USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源 ， 如圖 圖 USB 電纜定義 其中 D+和 D是一對差模的信號 線 ， 而 VBus和 GND則提供了 +5V的電源 ， 它可以給一些設(shè)備 (包括 Hub)供電 ， 當然要有一定的條件限制 。 USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率 ： 一種是 12Mb的高速 (fullspeed)模式 ， 另一種是 。 這兩種模式可以同時存在于一個 USB系統(tǒng)中而引入低速模式 ，主要是為了降低要求不高的設(shè)備的成本 ， 比如鼠標 、 鍵盤等等 USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線 ， 而且最長不能超過 5m；而在低速模式時中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線 ， 但最長不能超過 3m。 這主要是由于信號衰減的限制 。 為了提供信號電壓保證 ， 以及與終端負載相匹配 ， 在成都理工大學 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 電纜的每一端都使用了不平衡的終端負載 。 這種終端負載也保證了能夠檢測外設(shè)與端口的連接或分離 ， 并且可以區(qū)分高速與低速設(shè)備 。 所有的設(shè)備都有上行的接口 。 上行和下行的接頭是不能互換的 ， 這保證了不會有非法的連接出現(xiàn) 。 插頭與插座有兩個系列分別為 A 和 B， 系列 A用于基本固定的外圍設(shè)備 ， 而系列 B用于經(jīng)常拔插的設(shè)備 ， 這兩個系列是不能互換的 。 總線協(xié)議 所有總線操作都可以歸結(jié)為三種包的傳輸。任何操作都是從主機開始的，主機以預先排好的時序，發(fā)出一個描述操作類型、方向、外設(shè)地址以及端點號 (這將在以下部分給予解釋 )的包，我們稱之為令牌包 (Token Packet)。然后在令牌中指定的數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個數(shù)據(jù)包或者指出它沒有數(shù)據(jù)可以傳輸。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個確認包 (Handshake Packet)作出響應以表明傳輸是否成功。 一． 域的類型 同步域 (SYNC field)： 所有的包都起始于 SYNC 域 ， 它被用于本地時鐘與輸入信號的同步 ， 并且在長度上定義為 8 位 。 SYNC 的最后兩位作為一個記號表明PID 域 (標識域 )的開始 。 在以后的敘述中 ， SYNC 域?qū)⒈皇∪?。 標識域 (Packet Identifier Field)： 對于每個包 ， PID都是緊跟著 SYNC 的 ，PID 指明了包的類型及其格式 。 主機和所有的外設(shè)都必須對接收到的 PID域進行解碼 。 如果出現(xiàn)錯誤或者解碼為未定義的值 ， 那么這個包就會被接收者忽略 。 如果外設(shè)接收到一個 PID， 它所指明的操作類型或者方向不被支持 ， 外設(shè)將不作出響應 。 地址域 (Address Field)： 外設(shè)端點都是由地址域指明的 ， 它包括兩個子域 ：外設(shè)地址和外設(shè)端點 。 外設(shè)必須解讀這兩個域 ， 其中有任何一個不匹配 ， 這個令牌就會被忽略 。 外設(shè)地址域 (ADDR)指定了外設(shè) ， 它根據(jù) PID 所說明的令牌 的類型 ， 指明了外設(shè)是數(shù)據(jù)包的發(fā)送者或接收者 。 ADDR 共 6 位 ， 因此最多可以有 127 個地址 。 一旦外設(shè)被復位或上電 ， 外設(shè)的地址被缺省為 0， 這時必須在主機枚舉過程中被賦予一個獨一的地址 。 而 0地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址 。 端點域 (ENDP)有 4 位 ， 它使設(shè)備可以擁有幾個子通道 。 所有的設(shè)備必須支持一個控制端點 0(endpoint0)。 低速的設(shè)備最多支持 2個端點 ： 0和一個附加端點 。成都理工大學 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 高速設(shè)備可以支持最多 16個端點 。 幀號域 (Frame Number Field)： 這是一個 11位的域 ， 指明了目前幀的排號 ，每過一幀 (1ms)這個域的值加 1， 到達最大值 XFF 后返回 0。 這個域只存在于每幀開始時的 SOF 令牌中 SOF 令牌在下面將詳細介紹 。 數(shù)據(jù)域 (Data Field):范圍是 01023 字節(jié) ， 而且必須是整數(shù)個字節(jié) 。 CRC 校驗 ： 包括令牌校驗和數(shù)據(jù)校驗 。 二． 包的類型 令牌包 (Token Packed)： 其中包括 ： IN(輸入 )、 OUT(輸出 )、 SETUP(設(shè)置 )和 SOF(Start of Frame，幀起始 )四種類型 。 其中 IN、 OUT、 SETUP 的格式如圖 所示 。 圖 INOUTSETUP 數(shù)據(jù)格式 對于 OUT和 SETUP來說 ， ADDR和 ENDP中所指明的端點將接收到主機發(fā)出的數(shù)據(jù)包 ， 而對 IN來說 ， 所指定的端點將輸出一個數(shù)據(jù)包 。 Token和 SOF在三個字節(jié)的時間內(nèi)以一個 EOP(End of Packet)結(jié)束 。 如果一個包被解碼為 Token包但是并沒有在 3個字節(jié)時間內(nèi)以 EOP結(jié)束 ， 它就會被看作非法或被忽略 。 對于 SOF 包 ， 它的格式如圖 所示 。 主機以一定的速率 (1ms177。 一次 )發(fā)送 SOF 包 ， SOF 不引起任何操作 。 圖 SOF 數(shù)據(jù)格式 成都理工大學 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 數(shù)據(jù)包 ： 包括 Data0 和 Data1 兩種類型 。 這兩種包的定義是為 了支持數(shù)據(jù)觸發(fā)同步 。 數(shù)據(jù)包包含了 PID、 DATA 和 CRC 三個域圖 。 圖 DATA 數(shù)據(jù)格式 應答包 (Handshake Packet)： 僅包含一個 PID 域圖 。 Handshake 用來報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài) 。 只有支持流控制的傳輸類型 （ 控制中斷和批傳輸 ） 才能返回Handshake。 圖 PID 數(shù)據(jù)格式 Handshake包有三種類型 ： (1)確認包 ACK： 表明數(shù)據(jù)接收成功 。 (2)無效包 NAK： 指出設(shè)備暫時不能傳送或接收數(shù)據(jù) ， 但無需主機介入 ， 可以解釋成設(shè)備忙 。 (3)出錯包 STALL： 指出設(shè)備不能傳送或接收數(shù)據(jù) ， 但需要主機介入才能恢復 ， NAK和 STALL不能由主機