【文章內(nèi)容簡介】 這些缺點便成為 USBIF 推廣組織所要努力的目標。 在 USB 接口設備不斷地被廣泛應用后，許多的設備，如視頻會議的 CCD、移動硬盤、光盤記錄機、掃描儀、卡片閱讀機便成為 USB接口非常流行的應用。市場上許多早期應用的 USB 產(chǎn)品是視頻會議專用的 CCD， 而 USB 的即插即用的特點使得這些 CCD 易于安裝和使用。然而，若要在 PC 的屏幕上獲得高分辨率的圖像，則需要 CCD 輸出大量的影像數(shù)據(jù)。像上述的產(chǎn)品都需要作大量的數(shù)據(jù)傳輸，也即是需要非常高速的傳輸。若同時將北類設備連接到 PC 機上，的確使 USB 技術面臨考驗。但 的高傳輸速度卻能夠有效地解決目前建置于 及 版上設備的傳輸瓶頸。 的傳輸速度最高可以達到 480Mbps，也即是 480Mbits/s（換算后等于60Mbytes/s），若要傳送 1GB 的數(shù)據(jù)，在換算后也僅需在 1 分鐘之內(nèi)就可以傳輸 完畢，這不但是目前 版的 40 倍，而且也高過于目前另一種傳輸接口 IEEE1394 的400Mbps。 另外， 不但與 一樣，具有向下兼容的特性，同樣最高可以連接 127個設備。 更重要的是，在連接端口擴充的同時，各種采用 的設備仍可以維持480Mbps 的最高傳輸速度。另外， 也同樣支持即插即用功能。在 規(guī)范制定出來之后，目前 USB 接口 CDROM 光驅(qū)讀取速度所造成的限制，到時也都可以迎刃而解。當然，目前已普遍采用 USB接口的打印機、掃描儀等計算機外圍設備， 未來也將可以有更快的傳輸速度。 利用傳輸時序的縮短（微幀） 以及相關的傳輸技術，將整個傳輸速度從原本 12Mbps 提高到 480Mbps，整整提高了 40 倍。在兼容性方面， 采用往下兼容的作法，未來 仍可向下支持目前各種以 為傳輸接口的各種外圍產(chǎn)品，也就是舊有的 版?zhèn)鬏斁€、 USB HUB 依舊可以使用；不過，若是要達到 480Mbps 的速度，還是需要使用 規(guī)范的 USB HUB。當然，各個外圍設備也要重新嵌入新的芯片級以及驅(qū)動程序才可以達到這個功能。也就說，若 需要使用高速傳輸設備，就接上 版的 USB HUB；而只要低速傳輸需求的外圍設備（如鼠標、 鍵盤等），則接上原有的 USB HUB，便可過到高低速設備共存的目的。對于舊有的 規(guī)范設計產(chǎn)品的傳輸速度最高仍僅能維持 12Mbps。 對許多消費性電子應用，如視頻會議 CCD、掃描儀、打印機以及外部存儲設備（硬盤以及光驅(qū)）來說擁有相當大的吸引力。以目前采用 版規(guī)范的視頻會USB接口的設計 第 8 頁 共 57 頁 議 CCD 來說，用戶必須在里面加上特殊的數(shù)據(jù)壓縮引擎 ASIC；但是在新的 版下，這個數(shù)據(jù)壓縮引擎可以因為 版更高的數(shù)據(jù)傳輸能力而省下。因此，采用 版規(guī)范的視頻會議攝影機將會變得更便宜，卻擁有更好的分辨率。 USB 的應用與前景 到目前為止， USB 已經(jīng)在 PC 機的多種外設上得到應用，包括掃描儀、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、音頻系統(tǒng)、顯示器、輸入設備等等。 掃描儀和數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機是從 USB中最早獲益的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的掃描儀，在執(zhí)行掃描操作之前，用戶必須先啟動圖像處理軟件和掃描驅(qū)動軟件，然后通過軟件操作掃描儀。而 USB掃描儀則不同，用戶只需放好要掃描的圖文，按一下掃描儀的按鈕，屏幕上會自動彈 出掃描儀驅(qū)動軟件和圖像處理軟件，并實時監(jiān)視掃描的過程。 USB 數(shù)碼相機、攝像機更得益于 USB 的高速數(shù)據(jù)傳輸能力，使大容量的圖像文件傳輸在短時間內(nèi)即可完成。 USB 在音頻系統(tǒng)可以把數(shù)字音頻信號傳送到音箱，不再需要聲卡進行數(shù)模轉換，音質(zhì)也較以前有一定的提高。 USB 技術在輸入設備上的應用也很成功， USB 鍵盤、鼠標器以及游戲桿都表現(xiàn)得極為穩(wěn)定，很少出現(xiàn)問題。 早在 1997 年，市場上就已經(jīng)出現(xiàn)了具備 USB 接口的顯示器，為 PC機提供附加的 USB口。這主要是因為大多數(shù)的 PC 機外設都是桌面設備，同顯示器連接要比同主機連接更方 便、簡單。目前市場上出現(xiàn)的 USB設備還有 USB Modem、 Iomega 的 USB ZIP 驅(qū)動器以及 eTek 的 USB PC 網(wǎng)卡等等。 對于筆記本電腦來說，使用 USB接口的意義更加重大，通用的 USB 接口不僅使筆記本電腦對外的連接變得方便，更可以使筆記本電腦生產(chǎn)廠商不再需要為不同配件在主板上安置不同的接口，這使主板的線路、組件的數(shù)量以及復 雜程度都有不同程度的削減，從而使系統(tǒng)運行中的散熱問題得到了改善， 也將促進更高主頻的處理器可以迅速應用在移動計算機中，使筆記本電腦與桌面 PC的差距進一步縮小。 現(xiàn)在，支持 USB 的 PC及外設越來越多，在軟件上 USB 也已成為 Windows 98 的一個關鍵部分，并很快在 Windows CE/ME和 Windows 2021/XP 中得到支持。 Apple 的操作平臺早已提供對 USB的支持，預計今后 Sun 和 Digital 的平臺也將會提供對這一技術的支持。 USB 的應用會越來越廣泛，一些業(yè)界人士甚至預測，未來的 PC 將是一個密封設備，所有外設都將通過 USB或其他外部接口連接。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 57 頁 主要研究內(nèi)容 本文主要的研究內(nèi)容有： (1)研究 和 的規(guī)范 (2)完成 USB 設備的設計和搭建 (3)編寫用來完成硬件和軟件之間聯(lián)系的 USB 設備驅(qū)動程序 USB接口的設計 第 10 頁 共 57 頁 2 USB 通用串行總線的規(guī)范及基本原理 引言 通用串行總線 USB（ Universal Serial Bus）是用來實現(xiàn)計算機外設的機外連接的總線結構。同時又是一種通信協(xié)議，它支持主機系統(tǒng)（ Host）和 USB 的外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳送。它具有傳輸速率快、使用方便、支持即插即用、熱插拔等特點，有著傳統(tǒng)的串行接口所不能比擬的優(yōu)越性。 USB 總線體系結構 一個 USB系統(tǒng)可以從三個方面加以描述： (1)USB 互聯(lián) (2)USB 設備 (3)USB 主 機 USB 互聯(lián)是指一個 USB 設備與主機相聯(lián)并和其通信的方式，它包括： (1)總線拓撲結構： USB 主機和 USB 設備的連接模型 (2)層間關系： USB 在系統(tǒng)中的每一層都要完成一定的任務 (3)數(shù)據(jù)流模型： USB 系統(tǒng)中 信源和信息之間的數(shù)據(jù)傳送方式 總線拓撲結構 USB 系統(tǒng) USB 設備和 USB 主機通過 USB 總線連接。 USB 的物理連接是一個星型拓撲結構（圖 21），集線器（ Hub）位于每個星型結構的中心，每一段都是主機和某個集線器或某一功能設備之間的一個點到點的連接，也可以是一個集線器與另一個集線器或功能模塊之間的點到點的連接?？偩€上允許一次可同時連接多達 127 個設備，多達 6級。總的引線長度，對于低速 USB 傳送，不允許超過 5m，對于高速傳送，則不允許超過 3m，通過 Hub 或中繼器可以使外設距離達到 30m。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 57 頁 圖 21 USB總線物理拓撲結構 圖 22 USB總線邏輯拓撲結構 由于 USB設備以星形拓撲結構與主機相連，所以主機與每一個邏輯設備之間的通信好像是跟直接在根集線器上相連的設備一樣。圖 22 給出了與 圖 21 的物理拓撲結構相對應的邏輯拓撲結構。集線器也是一個邏輯設備，但在圖 22中并未給出。雖然大多數(shù)主機和邏輯設備的操作都使用這種邏輯視圖，但為了處理集線器的移出操作，主機仍然需要了解實際的物理構成情況。 在 USB 規(guī)范標準中也定義了兩種外圍設備： (1)單機設備，如鼠標等； (2)復和性設備，如數(shù)字照相機和音頻處理器共享一個 USB 通信端口等。每個接口設備都具有“端點”（ endpoint）地址，它是由令牌封包內(nèi)的 4位字段（ ENDP）所構成的。而主機與端點的主機 邏輯器件 邏輯器件 邏輯器件 邏輯器件 邏輯器件 USB接口的設計 第 12 頁 共 57 頁 通信，是經(jīng)過“虛擬管線”（ virtual pipe）所構成的。而一旦虛擬管線建立好這后，每個端點就會傳回“描述” （ descriptor）此設備的相關信息（即是描述符）給主機。這種“描述”信息內(nèi)含了：群組特性、傳輸類別、最大封包大小與帶寬關于此外圍設備的重要信息。而在目前 USB的數(shù)據(jù)傳輸類別有四種類型：控制、中斷（ interrupt）、批量（ bulk）與等時（ isochronous）。 對于 USB的通信，用戶可以將其視為一種虛擬管線的概念。在整個 USB 的通信中包含了一個大的虛擬管線（ 12Mbps）以及高達 127 個小的虛擬管線，而每一個小的虛擬管線可比擬為 USB 的設備。這是由于在 USB令牌封包中都含有 7 個用來尋址的位（位于令牌封包的地址數(shù)據(jù)域 ADDR），因此最多可尋址到 128 個設備。但是由于地址 0是預設地址，且用來指定給所有剛連上的設備。這也就是為什么 USB總路線上最多能連接到 127個設備的原因。 每一個連接到設備的小虛擬管線又可再細分為許多的微虛擬管線。這些微虛擬管線可比擬為端點（ endpoint）。由于在令牌封包中，包含了 4 個位的端點地址（位于端點數(shù)據(jù)域， ENDP）以及一個位于端點描述符中的輸入 /輸出方向（ IN/OUT）位，所以在一個單獨的小虛擬管線內(nèi)最多可再分割成 16 組的微虛擬管線（ 端點），也就是可對 16 個輸入 /輸出的端點（共 32 個端點） 尋址，并可將 USB 的令牌封包中定義為 IN（設備至主機）或 OUT（主機至設備）兩類型的令牌封包。如果設備收到了一個 OUT 令牌封包，則它將會從主機接收到數(shù)據(jù)。 USB 的通信模型 圖 23給出了 USB 通信模型的基本通信流和相互關系。主機和設備可以分成圖 23中描述的層次。主機上的實際通信用垂直箭頭指出。在主機和設備之間進行的通信，最終都必須出現(xiàn)在物理的 USB電纜上。但是，在水平方向上的各層之間都有主機和設備的邏輯接口駐留 在主機上的客戶軟件和設備所提供的功能模塊之間存在的這些通信，都是以根據(jù)當前正在使 用設備和設備所提供的功能的應用的需要而進行的聯(lián)系為代表。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 共 57 頁 U S B 系 統(tǒng) 軟 件U S B 主 機 控 制 器功 能U S B 邏 輯 設 備U S B 總 線 接 口 客 戶 軟 件互 連主 機 設 備實 際 數(shù) 據(jù) 流 邏 輯 數(shù) 據(jù) 流 實 現(xiàn) 區(qū)U S B 功 能 層U S B 設 備 層U S B 接 口 層 圖 23 USB的通信模型 每一個 USB 中只有一個主機 ， 它的主要分層是： (1)USB 總線接口 (2)USB 系統(tǒng) (3)客戶 USB 總線接口控制了電氣和協(xié)議層的交互。從互連的角度看，一個類似的 USB 總線接口由主機和設備一起提供。但是在主機上，由于在 USB 內(nèi)主機所擁有的唯一性， USB總線接口具有額外的責任并且以主控制器的形式而實現(xiàn)。 USB 系統(tǒng)有三個基本的組件： (1)主控制器驅(qū)動 程序 (2)USB 驅(qū)動程序 (3)主機軟件 客戶層描述了所有負責直接同其外設打交道的軟件實體。當每一個設備分別接入系統(tǒng)時，這些客戶可以直接同外圍硬件打交道。 USB 的共享特性被存放在客戶和其設備之間所存在的一個 USB 軟件堆棧內(nèi)，也就是說，一個客戶不能直接訪問設備硬件。 總的來說，主機層提供了下列功能： (1)檢測 USB 設備的接入和拆除操作 USB接口的設計 第 14 頁 共 57 頁 (2)管理在主機和 USB 設備之間所進行的 USB 標準流量控制 (3)管理主機和 USB 設備之間所存在的數(shù)據(jù)流 (4)搜集狀態(tài)和性能統(tǒng)計信息 (5)控制主控制器和 USB 設備之間存 在的電氣接口，還包括提供有限的電源 數(shù)據(jù)流 主控制器負責在主機和 USB設備之間傳輸數(shù)據(jù)流。這些數(shù)據(jù)傳輸將被作為一個連續(xù)的字節(jié)流來對待。 USB 支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型： (1)控制信息傳輸 ： 用于在 USB 接入總線時對其進行配置 ， 其它的驅(qū)動軟件可以根據(jù)具體的應用來選擇使用控制傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸不會丟失數(shù)據(jù)。 (2)批量數(shù)據(jù)傳輸 ： 典型的批量數(shù)據(jù)包括像使用打印器或掃描儀時所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)。這種批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的。通過在硬件中實現(xiàn)差錯檢測功能，并且有選擇地進行一定的硬件重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù) 的可靠交換。而且，批量數(shù)據(jù)可以占有總線上所有可用的和其它傳輸類型未用的帶寬。 (3)中斷數(shù)據(jù)傳輸 ： 由設備自發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸是中斷數(shù)據(jù)傳輸。這類數(shù)據(jù)傳輸可以由 USB 設備在任意時刻發(fā)起，而且 USB總線以不低于設備說明的速率進行傳輸。典型的中斷數(shù)據(jù)包括事件指示、特性等。它們由一個或數(shù)個字節(jié)組成，例如來自一個指定設備的同步信號。盡管 USB 協(xié)議并不需要一個明確的時鐘速率 ,但數(shù)據(jù)交互會有 USB 協(xié)議必須支持的反應時間限制。 (4)同步傳輸 ： 同步數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、傳送和處理過程中都是連續(xù)的和實時的。在穩(wěn)定的同步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收速率 中包含了相應的時鐘信息。為了保持定時關系，同步數(shù)據(jù)必須按照接收的速率進行傳輸。除了傳輸速率，同步數(shù)據(jù)也可能會對傳送敏感。對同步管道而言，所需的帶寬與相應功能設備的抽樣特性有關。而時延要求則與每一端點的緩沖能力有關。同步數(shù)據(jù)的典型例子是聲音信號。如果這些數(shù)據(jù)流的傳送速率不保持一致的話，由于緩沖區(qū)或幀結構溢出或欠載工作，數(shù)據(jù)流會出現(xiàn)假信號。即使數(shù)據(jù)以適當?shù)乃俾蔬M行傳輸，傳送時延也會 損 害一些具有實時性的要求，例如電話會議?？梢员ＷC對同步數(shù)據(jù)的實時傳送，但是要以數(shù)據(jù)中存在潛在的數(shù)據(jù)暫時丟失可能性為代價。換句話說，任 何在傳輸中電氣方面出現(xiàn)的錯誤都不能用像重試這樣的硬件機制來加以糾正。在實際中， USB 的誤比特率很低，可以不予考慮。協(xié)議中允許在整個 USB 帶寬中分出一部分專門用于 USB 同步數(shù)據(jù)流，從而保證了這些數(shù)據(jù)可以按所需的速率進行傳輸。 USB 同樣支持要求時延很小的同步數(shù)據(jù)傳輸。 華北科技學院畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 共 57 頁 USB 硬件結構 一個 USB系統(tǒng)一般分三個部分： USB 主機、 USB 設備、 USB 集線器。 (1)USB主機 ： 主機控制著總線上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動。 無 論在軟件還是硬件層次上， USB 主機都處于 USB 系統(tǒng)的核心。主機系統(tǒng)不僅包含了用于和 USB 外設進行通訊的 USB 主機控制器及用于連接的 USB接口（ SIE），更重要的是主機系統(tǒng)是 USB 系統(tǒng)軟件和 USB 客戶軟件的載體。每個系統(tǒng)允許僅有一個主機，而為 USB 器件連接主機系統(tǒng)提供主機接口的部件被稱為 USB主機控制器。 USB 主機控制器是一個由硬件、軟件和固件組成的復合體。 (2)USB 設備 ： 可以分為 USB Hub和 USB 功能設備。 USB 功能設備即可以為主機系統(tǒng)提供某種功能的 USB 器件，功能設備為主機系統(tǒng)提供更好的性能，涉及像鍵盤或游戲棒和監(jiān)視器，或更先進的數(shù)字電話和圖像等典型的 PC設備。 USB 的功能設備作為 USB 功能，它必需保持和 USB協(xié)議的完全兼容，并可以回應標準的 USB操作。同樣，用于表明自己身份的“ BIOS”系統(tǒng)對于 USB 外設也是必不可少的，這在 USB 外設上被稱為協(xié)議層。 (3)USB 集線器 ① 根集線器 一塊具有 USB 接口的主板通常集成了一個成為 Root Hub 的部件，它為主機提供一個到多個可以連接其它 USB外設的 USB 擴展接口，我們通常在主板上見到的 USB 接口都是由 Root Hub 提供的。根集線器對主控制器是最高連接， USB 描述中要求系統(tǒng)只有一個根集線器，且連接到主控制器上。 ② 集線器 ：它 是 USB 結構的特定成分，它提供總線連接接口、設備的連接和懸掛及設備電源等關鍵特性，還提供總線故障檢測和恢復。 用戶可以了解到 USB 接口的數(shù)據(jù)傳輸方式是采用串行的方式，其類似于 RS232 串行傳輸?shù)姆绞?。當然，采用串行的方式，最主要是可以降低使用的信號線數(shù)目，并可讓信號傳遞較遠的距離。所以 USB 的連接線內(nèi)部僅有 4 條線，其中 2 條是 +5V（ VBus）接地線（ GND），另外 2 條則是差動的數(shù)據(jù)線（ D+與 D－），長度最長可以達到 5m（對全速設備而言）。 由圖 21的階層梯式星形的拓撲結構，可以看到主機端與集線器或設備必須依