USB2.0協(xié)議深入解讀

1、中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,1,2021/2/15,usb協(xié)議簡(jiǎn)介,usb是一種協(xié)議總線，即主機(jī)與設(shè)備之間的通信需要遵循一系列約定。協(xié)議內(nèi)容較多，這里僅作一些簡(jiǎn)單介紹，深入學(xué)習(xí)，可參看usb規(guī)范(wwwusborg)。 為了理解協(xié)議中的名稱，先看圖1032。該圖突出了主機(jī)上的客戶軟件和usb邏輯設(shè)備(編程涉及的設(shè)備)之間的通信流(communication flow)，該通信流跨越了usb驅(qū)動(dòng)程序usbd、主控制器驅(qū)動(dòng)程序uhcd、主控制器等硬件接口及其連接。端點(diǎn)(endpoints)是usb設(shè)備的惟一可識(shí)別的部分，是主機(jī)和設(shè)備之間通信流的終點(diǎn)。每一個(gè)邏輯設(shè)備有若干個(gè)獨(dú)立端點(diǎn)，每一個(gè)端點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)被

2、分配一個(gè)惟一的由設(shè)備確定的標(biāo)識(shí)符，稱之為端點(diǎn)號(hào)。 如圖1032所示，將用于通信流流動(dòng)的通道稱為管道(pipe)，這是忽略了許多中間環(huán)節(jié)的很形象的稱呼，對(duì)于理解usb系統(tǒng)中的信息傳輸很有幫助。圖中把3個(gè)端點(diǎn)看成了一個(gè)接口，關(guān)于接口的說(shuō)明安排在后面,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,2,2021/2/15,usb2.0協(xié)議,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,3,2021/2/15,一)usb2.0的背景,compaq、hewlett packard、intel、lucent、microsoft、nec和philips這7家廠商聯(lián)合制定了usb 2.0接口標(biāo)準(zhǔn) usb2.0規(guī)范是由usb1.1規(guī)范演變而來(lái)的 ,usb

3、2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到480mbps，折算為mb為60mb/s,比usb 1.1標(biāo)準(zhǔn)快40倍左右. usb2.0與usb1.1可以互相兼容， usb2.0設(shè)備可以工作在usb1.1接口上 , usb1.0設(shè)備也可以工作在usb2.0接口 , usb1.1設(shè)備的速度不會(huì)因?yàn)榘惭b在usb2.0接口上而有任何提高，同樣安裝在usb1.1接口上的usb2.0設(shè)備的速度也會(huì)被限制在12mbps（1.5mb/s）以下. usb2.0和usb1.1使用的連接電纜及端口均相同,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,4,2021/2/15,二)usb2.0協(xié)議規(guī)范目的,usb2.0規(guī)范描述了總線屬性,協(xié)議定義,

4、處理類型,總線管理和編程接口,以滿足設(shè)計(jì)和構(gòu)建符合該標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和外設(shè)的要求. usb2.0規(guī)范的主要目標(biāo)用戶是外設(shè)開(kāi)發(fā)者和系統(tǒng)oem. usb2.0規(guī)范的目標(biāo)是使不同廠商的器件可以在開(kāi)放的結(jié)構(gòu)中相互操作,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,5,2021/2/15,三)usb應(yīng)用分類,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,6,2021/2/15,四)usb2.0的結(jié)構(gòu)體系,usb系統(tǒng) 物理層接口 電源 總線協(xié)議 健壯性 系統(tǒng)配置 數(shù)據(jù)流類型 usb設(shè)備 usb主機(jī)-硬件和軟件 體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,7,2021/2/15,usb2.0系統(tǒng),usb2.0系統(tǒng)主要被定義為三個(gè)部分： 1.usb的互連； 2.

5、usb的設(shè)備； 3.usb的主機(jī) usb的互連是指usb設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面： 1.總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：usb設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式； 2.內(nèi)部層次關(guān)系：根據(jù)性能疊置，usb的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個(gè)層次； 3.數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過(guò)usb從產(chǎn)生方到使用方的流動(dòng)方式； 4.usb的調(diào)度： usb提供了一個(gè)共享的連接。對(duì)可以使用的連接進(jìn)行了調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，并且避免的優(yōu)先級(jí)判別的開(kāi)銷,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,8,2021/2/15,1.usb2.0的主機(jī) 在任何usb系統(tǒng)中，只有一個(gè)主機(jī)。usb和主機(jī)系統(tǒng)的接口稱作主機(jī)控制器，主機(jī)控制器可由硬

6、件、固件和軟件綜合實(shí)現(xiàn)。根集線器是由主機(jī)系統(tǒng)整合的，用以提供更多的連接點(diǎn). 2.usb2.0的設(shè)備 usb的設(shè)備如下所示: 1.網(wǎng)絡(luò)集線器，向usb提供了更多的連接點(diǎn); 2.功能器件,為系統(tǒng)提供具體功能，如isdn的連接，數(shù)字的游戲桿 或揚(yáng)聲器; usb設(shè)備提供的usb標(biāo)準(zhǔn)接口的主要依據(jù)： 1.對(duì)usb協(xié)議的運(yùn)用； 2.對(duì)標(biāo)準(zhǔn)usb操作的反饋，如設(shè)置和復(fù)位; 3.標(biāo)準(zhǔn)性能的描述性信息,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,9,2021/2/15,usb2.0總線布局技術(shù) usb連接了usb設(shè)備和usb主機(jī)，usb的物理連接是有層次性的星型結(jié)構(gòu)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器是在星型的中心，每條線段是點(diǎn)點(diǎn)連接。從主機(jī)到集線器

7、或其功能部件，或從集線器到集線器或其功能部件,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,10,2021/2/15,usb2.0的物理接口,usb的物理接口分為總線的電氣規(guī)范和機(jī)械特性. 1.電氣特性 usb在一條4線的電纜上傳輸信號(hào)和電源.信號(hào)在兩條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接線上傳輸. usb2.0支持3種數(shù)據(jù)數(shù)率: . usb高速信號(hào)位速率是480mb/s . usb全速信號(hào)位速率是12mb/s . usb低速信號(hào)位速率是1.5mb/s usb2.0主機(jī)控制器和集線器提供了一種性能,使全速和低速數(shù)據(jù)可以在主機(jī)控制器和hub之間高速傳輸,而hub和設(shè)備之間以全速或低速傳輸,這種性能將全速和低速設(shè)備對(duì)高速設(shè)備可用帶寬的影響減到最

8、小. 低速模式用于支持例如鼠標(biāo)等數(shù)量有限的低寬帶設(shè)備,因?yàn)槭褂锰噙@種設(shè)備將降低總線的利用率. 時(shí)鐘與差動(dòng)數(shù)據(jù)一起編碼傳送,時(shí)鐘是以帶位填充的nrzi方式編碼,以保證有足夠的跳變沿.接收器用每個(gè)包前面的sync場(chǎng)同步它們的位恢復(fù)時(shí)鐘. 每段電纜還有向設(shè)備提供電源的vbus和gnd線.vbus在源極的標(biāo)稱值是+5v.通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線規(guī)格來(lái)匹配指定的ir drop和其它一些特性,如設(shè)備能源預(yù)算和電纜適應(yīng)度.為了保證足夠的輸入電壓和終端阻抗。重要的終端設(shè)備應(yīng)位于電纜的尾部。在每個(gè)端口都可檢測(cè)終端是否連接或分離，并區(qū)分出高速，或低速設(shè)備,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,11,2021/2/15,usb電纜,

9、中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,12,2021/2/15,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,13,2021/2/15,2.機(jī)械特性 電纜和連接器的機(jī)械特性將在機(jī)械特性章節(jié)詳述。所有設(shè)備都有一個(gè)上行的連接。上行連接器和下行連接器是不可簡(jiǎn)單的互換，這樣就避免了集線器間的非法的循環(huán)往復(fù)的連接，電纜中有四根導(dǎo)線：一對(duì)互相纏繞的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格線，一對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電源線，連接器有四個(gè)方向，具有屏蔽層，以避免外界干擾，并有易拆裝的特性,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,14,2021/2/15,usb2.0電源,主要包括兩方面： 電源分配：即usb的設(shè)備如何通過(guò)usb分配得到由主計(jì)算機(jī)提供的能源； 電源管理：即通過(guò)電源管理系統(tǒng)，usb的系統(tǒng)軟

10、件和設(shè)備如何與主機(jī)協(xié)調(diào)工作. 1.電源分配 每個(gè)usb單元通過(guò)電纜只能提供有限的能源。主機(jī)對(duì)那種直接相連的usb設(shè)備提供電源供其使用。并且每個(gè)usb設(shè)備都可能有自己的電源。那些完全依靠電纜提供能源的設(shè)備稱作“總線供能”設(shè)備.相反，那些可選擇能源來(lái)源的設(shè)備稱作“自供電”設(shè)備.而且，集線器也可由與之相連的usb設(shè)備提供電源。受一定布局限制的帶有“總線供能”集線器的體系結(jié)構(gòu)將在集線器部分討論。在圖中，鍵盤，輸入筆和鼠標(biāo)均為“總線供能”設(shè)備,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,15,2021/2/15,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,16,2021/2/15,2.電源管理 usb主機(jī)與usb系統(tǒng)有相互獨(dú)立的電源管理系統(tǒng)。

11、usb的系統(tǒng)軟件可以與主機(jī)的能源管理系統(tǒng)結(jié)合共同處理各種電源子件如掛起、喚醒，并且有特色的是，usb設(shè)備應(yīng)用特有的電源管理特性，可讓系統(tǒng)軟件和控制其電源管理. usb的電源分配和電源管理特性使之可以被設(shè)計(jì)在電源傳感系統(tǒng)中，如采用電池的筆記本電腦,典型usb外設(shè)的電源供應(yīng),中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,17,2021/2/15,usb2.0總線協(xié)議,usb總線屬一種輪訊方式的總線，主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸.每一總線執(zhí)行動(dòng)作最多傳送三個(gè)數(shù)據(jù)包。按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開(kāi)始時(shí)，主機(jī)控制器發(fā)送一個(gè)描述傳輸運(yùn)作的種類、方向，usb設(shè)備地址和終端號(hào)的usb數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包通常稱為標(biāo)志包(to

12、ken packet)。usb設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機(jī)到設(shè)備就是從設(shè)備到主機(jī)。在傳輸開(kāi)始時(shí)，由標(biāo)志包來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端開(kāi)始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應(yīng)發(fā)送一個(gè)握手的數(shù)據(jù)包表明是否傳送成功。發(fā)送端和接收端之間的usb數(shù)據(jù)傳輸，在主機(jī)和設(shè)備的端口之間，可視為一個(gè)通道。存在兩種類型的通道：流和消息。流的數(shù)據(jù)不像消息的數(shù)據(jù)，它沒(méi)有usb所定義的結(jié)構(gòu)，而且通道與數(shù)據(jù)帶寬、傳送服務(wù)類型，端口特性（如方向和緩沖區(qū)大?。┯嘘P(guān)。多數(shù)通道在usb設(shè)備設(shè)置完成后即存在。usb中有一個(gè)特殊的通道缺省控制通道，它屬于消息通道，當(dāng)設(shè)備

13、一啟動(dòng)即存在，從而為設(shè)備的設(shè)置、查詢狀況和輸入控制信息提供一個(gè)入口。 事務(wù)預(yù)處理允許對(duì)一些數(shù)據(jù)流的通道進(jìn)行控制，從而在硬件級(jí)上防止了對(duì)緩沖區(qū)的高估或低估，通過(guò)發(fā)送不確認(rèn)握手信號(hào)從而阻塞了數(shù)據(jù)的傳輸速度。當(dāng)不確認(rèn)信號(hào)發(fā)過(guò)后，若總線有空閑，數(shù)據(jù)傳輸將再做一次。這種流控制機(jī)制允許靈活的任務(wù)安排，可使不同性質(zhì)的流通道同時(shí)正常工作，這樣多種流通?？稍诓煌g隔進(jìn)行工作，傳送不同大小的數(shù)據(jù)包,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,18,2021/2/15,usb2.0健壯性,usb健壯性的特征在于： 使用差分的驅(qū)動(dòng)接收和防護(hù)，以保證信號(hào)完整性； 在數(shù)據(jù)和控制信息上加了循環(huán)冗余碼(crc)； 對(duì)裝卸的檢測(cè)和系統(tǒng)級(jí)資源的設(shè)置

14、； 對(duì)丟失或損壞的數(shù)據(jù)包暫停傳輸、利用協(xié)議自我恢復(fù)； 對(duì)流數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，以保證同步信號(hào)和硬件緩沖管理的安全； 數(shù)據(jù)和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影響?yīng)毩㈤_(kāi)，消除了負(fù)作用. 1.錯(cuò)誤檢測(cè) usb傳輸介質(zhì)產(chǎn)生的錯(cuò)誤率是與自然界的異?，F(xiàn)象的概率相吻合，是瞬時(shí)一現(xiàn)的，因此就要在每個(gè)數(shù)據(jù)包中加入檢測(cè)位來(lái)發(fā)現(xiàn)這些瞬時(shí)的錯(cuò)誤，并且提供了一系列硬件和軟件設(shè)施來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性。 協(xié)議中對(duì)每個(gè)包中的控制和數(shù)據(jù)位都提供了循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，若出現(xiàn)了循環(huán)冗余碼的錯(cuò)誤則被認(rèn)為是該數(shù)據(jù)包已被損壞，循環(huán)冗余碼可對(duì)一位或兩位的錯(cuò)誤進(jìn)行100%的修復(fù)。 2.錯(cuò)誤處理 協(xié)議在硬件或軟件級(jí)上提供對(duì)錯(cuò)誤的處理。硬件的錯(cuò)誤處理

15、包括匯報(bào)并重新進(jìn)行上一次失敗的傳輸、傳輸中若遇到錯(cuò)誤，usb主機(jī)控制器將重新進(jìn)行傳輸，最多可再進(jìn)行三次。若錯(cuò)誤依然存在，則對(duì)客戶端軟件報(bào)告錯(cuò)誤，客戶端軟件可用一種特定的方法進(jìn)行處理,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,19,2021/2/15,usb2.0系統(tǒng)配置,usb設(shè)備可以隨時(shí)的安裝和折卸，因此，系統(tǒng)軟件在物理的總線布局上必須支持這種動(dòng)態(tài)變化. 1. usb設(shè)備的安裝 所有的usb設(shè)備都是通過(guò)端口接在usb上，網(wǎng)絡(luò)集線器知道這些指定的usb設(shè)備，集線器有一個(gè)狀態(tài)指示器指明在其某個(gè)端口上，usb設(shè)備是否被安裝或拆除了，主機(jī)將所有的集線器排成隊(duì)列以取回其狀態(tài)指示。在usb設(shè)備安裝后，主機(jī)通過(guò)設(shè)備控制通道

16、激活該端口并以預(yù)設(shè)的地址值給usb設(shè)備. 主機(jī)對(duì)每個(gè)設(shè)備指定唯一的usb地址。并檢測(cè)這種新裝的usb設(shè)備是集線器還是功能部件。主機(jī)為usb設(shè)備建立了控制通道，使用指定的usb的地址和零號(hào)端口. 如果安裝的usb設(shè)備是集線器，并且usb設(shè)備連在其端口上，那上述過(guò)程對(duì)每個(gè)usb設(shè)備的安裝都要做一遍. 如果安裝的設(shè)備是功能部件，那么主機(jī)中關(guān)于該設(shè)備的軟件將因設(shè)備的連接而被引發(fā),中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,20,2021/2/15,2. usb設(shè)備的拆卸 當(dāng)usb設(shè)備從集線器的端口拆除后，集線器關(guān)閉該端口，并且向主機(jī)報(bào)告該設(shè)備已不存在。usb的系統(tǒng)軟件將準(zhǔn)確進(jìn)行處理，如果去除的usb設(shè)備上集線器，usb的

17、系統(tǒng)軟件將對(duì)集線器反連在其上的所有設(shè)備進(jìn)行處理 3.總線標(biāo)號(hào) 總線標(biāo)號(hào)就是對(duì)連接在總線上的設(shè)備指定唯一的地址的一種動(dòng)作，因?yàn)閡sb允許usb設(shè)備在任何時(shí)刻從usb上安裝或拆卸，所以總線標(biāo)號(hào)是usb的系統(tǒng)軟件始終要作的動(dòng)作，而且總線標(biāo)號(hào)還包括對(duì)拆除設(shè)備的檢測(cè)和處理,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,21,2021/2/15,數(shù)據(jù)流種類,數(shù)據(jù)和控制信號(hào)在主機(jī)和usb設(shè)備間的交換存在兩種通道：?jiǎn)蜗蚝碗p向。usb的數(shù)據(jù)傳送是在主機(jī)軟件和一個(gè)usb設(shè)備的指定端口之間。這種主機(jī)軟件和usb設(shè)備的端口間的聯(lián)系稱作通道。總的來(lái)說(shuō)，各通道之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是相互獨(dú)立的。一個(gè)指定的usb設(shè)備可有許多通道。例如，一個(gè)usb設(shè)備存

18、在一個(gè)端口，可建立一個(gè)向其它usb設(shè)備的端口，發(fā)送數(shù)據(jù)的通道，它可建立一個(gè)從其它usb設(shè)備的端口接收數(shù)據(jù)的通道. usb的結(jié)構(gòu)包含四種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制數(shù)據(jù)傳送：在設(shè)備連接時(shí)用來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，還可對(duì)指定設(shè)備進(jìn)行控制，如通道控制；批量數(shù)據(jù)傳送：大批量產(chǎn)生并使用的數(shù)據(jù)，在傳輸約束下，具有很廣的動(dòng)態(tài)范圍；中斷數(shù)據(jù)的傳送：用來(lái)描述或匹配人的感覺(jué)或?qū)μ卣鞣磻?yīng)的回饋。同步數(shù)據(jù)的傳送：由預(yù)先確定的傳送延遲來(lái)填滿預(yù)定的usb帶寬。 對(duì)于任何對(duì)定的設(shè)備進(jìn)行設(shè)置時(shí)一種通道只能支持上述一種方式的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)流模式的更多細(xì)節(jié)在數(shù)據(jù)流模型章節(jié)中詳述,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,22,2021/2/15,1 控制數(shù)

19、據(jù)傳送 當(dāng)usb設(shè)備初次安裝時(shí)，usb系統(tǒng)軟件使用控制數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)特定的方式使用控制數(shù)據(jù)來(lái)傳送，數(shù)據(jù)傳送是無(wú)損性的. 2 批量數(shù)據(jù)傳送 批量數(shù)據(jù)是由大量的數(shù)據(jù)組成，如使用打印機(jī)和掃描儀時(shí)，批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的。在硬件級(jí)上可使用錯(cuò)誤檢測(cè)可以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并在硬件級(jí)上引入了數(shù)據(jù)的多次傳送。此外根據(jù)其它一些總線動(dòng)作，被大量數(shù)據(jù)占用的帶寬可以相應(yīng)的進(jìn)行改變. 3 中斷數(shù)據(jù)傳輸 中斷數(shù)據(jù)是少量的，且其數(shù)據(jù)延遲時(shí)間也是有限范圍的。這種數(shù)據(jù)可由設(shè)備在任何時(shí)刻發(fā)送，并且以不慢于設(shè)備指定的速度在usb上傳送。 中斷數(shù)據(jù)一般由事件通告，特征及座標(biāo)號(hào)組成，只有一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)。匹配定點(diǎn)設(shè)備的

20、座標(biāo)即為一例，雖然精確指定的傳輸率不必要，但usb必須對(duì)交互數(shù)據(jù)提供一個(gè)反應(yīng)時(shí)間的最低界限,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,23,2021/2/15,4 同步傳輸 同步數(shù)據(jù)的建立、傳送和使用時(shí)是連續(xù)且實(shí)時(shí)的，同步數(shù)據(jù)是以穩(wěn)定的速率發(fā)送和接收實(shí)時(shí)的信息，同步數(shù)據(jù)要使接收者與發(fā)送者保持相同的時(shí)間安排，除了傳輸速率，同步數(shù)據(jù)對(duì)傳送延遲非常敏感。所以同步通道的帶寬的確定，必須滿足對(duì)相關(guān)功能部件的取樣特性。不可避免的信號(hào)延遲與每個(gè)端口的可用緩沖區(qū)數(shù)有關(guān)。 一個(gè)典型的同步數(shù)據(jù)的例子是語(yǔ)音，如果數(shù)據(jù)流的傳送率不能保持，數(shù)據(jù)流是否丟失將取決于緩沖區(qū)的大小和損壞的程度。即使數(shù)據(jù)在usb硬件上以合適的速率傳送，軟件造成的

21、傳送延遲將對(duì)那些如電話會(huì)議等實(shí)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用造成損害。 實(shí)時(shí)的傳送同步數(shù)據(jù)肯定會(huì)發(fā)生潛在瞬時(shí)的數(shù)據(jù)流丟失現(xiàn)象，換句話說(shuō)，即使許多硬件機(jī)制，如重傳的引入也不能避免錯(cuò)誤的產(chǎn)生。實(shí)際應(yīng)用中，usb的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率小到幾乎可以忽略不計(jì)。從usb的帶寬中，給usb同步數(shù)據(jù)流分配了專有的一部分以滿足所想得到的傳速率，usb還為同步數(shù)據(jù)的傳送設(shè)計(jì)了最少延遲時(shí)間,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,24,2021/2/15,5 指定usb帶寬 usb的帶寬分配給各個(gè)通道，當(dāng)一個(gè)通道建立后，usb就分配給它一定的帶寬，usb設(shè)備需要提供一些數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若usb提供了更多帶寬，則需更多的緩沖區(qū)。usb的體系要保證緩沖引導(dǎo)的硬件的延

22、遲限定在幾毫秒內(nèi)。usb的帶寬容量可以容納多種不同的數(shù)據(jù)流，因此保證usb上可以連接大量設(shè)備，如可以容納從1b+d直到t1速率范圍的電信設(shè)備。同時(shí)usb支持在同一時(shí)刻不同設(shè)備具有不同比特率，并具有一個(gè)動(dòng)態(tài)變動(dòng)的范圍. usb規(guī)范對(duì)總線的每類轉(zhuǎn)輸規(guī)定的具體的原則,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,25,2021/2/15,usb設(shè)備,usb設(shè)備分為諸如集線器、分配器或文本設(shè)備等種類。集線器類指的是一種提供usb連接點(diǎn)的設(shè)備(詳見(jiàn)usb集線器)，usb設(shè)備需要提供自檢和屬性設(shè)置的信息，usb設(shè)備必須在任何時(shí)刻執(zhí)行與所定義的usb設(shè)備的狀態(tài)相一致的動(dòng)態(tài). 1 設(shè)備特性 當(dāng)設(shè)備被連接、編號(hào)后，該設(shè)備就擁有一個(gè)唯

23、一的usb地址。設(shè)備就是通過(guò)該usb地址被操作的，每一個(gè)usb設(shè)備通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通道與主機(jī)通訊。所有usb設(shè)備必須在零號(hào)端口上有一指定的通道，每個(gè)usb設(shè)備的usb控制通道將與之相連。通過(guò)此控制通道，所有的usb設(shè)備都列入一個(gè)共同的準(zhǔn)入機(jī)制，以獲得控制操作的信息。 在零號(hào)端口上，控制通道中的信息應(yīng)完整的描述usb設(shè)備、此類信息主要有以下幾類： 標(biāo)準(zhǔn)信息：這類信息是對(duì)所有usb設(shè)備的共同性的定義，包括一些如廠商識(shí)別、設(shè)備種類、電源管理等的項(xiàng)目。設(shè)備設(shè)置、接口及終端的描述在此給出。關(guān)于這些具體的描述信息在第九章給出； 類別信息：此類信息給出了不同usb的設(shè)備類的定義，主要反映其不同點(diǎn)。 usb廠商

24、信息：usb設(shè)備的廠商可自由的提供各種有關(guān)信息，其格式不受該規(guī)范制約。此外，每個(gè)usb設(shè)備均提供usb的控制和狀態(tài)信息,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,26,2021/2/15,2 設(shè)備描述 主要分為兩種設(shè)備類：集線器和功能部件。只有集線器可以提供更多的usb的連接點(diǎn)，功能部件為主機(jī)提供了具體的功能. 1 集線器在即插即用的usb的結(jié)構(gòu)體系中，集線器是一種重要設(shè)備.從用戶的觀點(diǎn)出發(fā)，集線器極大簡(jiǎn)化了usb的互連復(fù)雜性，而且以很低的價(jià)格和高易用性提供了設(shè)備的健壯性。 集線器串接在集中器上，可讓不同性質(zhì)的設(shè)備連接在usb上，連接點(diǎn)稱作端口。每個(gè)集線器將一個(gè)連接點(diǎn)轉(zhuǎn)化成許多的連接點(diǎn)。并且該體系結(jié)構(gòu)支持多個(gè)集

25、線器的連接。 每個(gè)集線器的上游端口向主機(jī)方向進(jìn)行連接。每個(gè)集線器的下游端口允許連接另外的集線器或功能部件，集線器可檢測(cè)每個(gè)下游端口的設(shè)備的安裝或拆卸，并可對(duì)下游端口的設(shè)備分配能源，每個(gè)下游端口都具有獨(dú)立的能力，不論高速或低速設(shè)備均可連接。集線器可將低速和高速端口的信號(hào)分開(kāi)。 一個(gè)集線器包括兩部分：集線控制器（controller）和集線放大器(repeater)。集線放大器是一種在上游端口和下游端口之間的協(xié)議控制開(kāi)關(guān)。而且硬件上支持復(fù)位、掛起、喚醒的信號(hào)。集線控制器提供了接口寄存器用于與主機(jī)之間的通信、集線器允許主機(jī)對(duì)其特定狀態(tài)和控制命令進(jìn)行設(shè)置，并監(jiān)視和控制其端口,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,2

26、7,2021/2/15,2 功能部件 功能部件是一種通過(guò)總線進(jìn)行發(fā)送接收數(shù)據(jù)和控制信息的usb設(shè)備，通過(guò)一根電纜連接在集線器的某個(gè)端口上，功能設(shè)備一般是一種相互無(wú)關(guān)的外設(shè)。然而一個(gè)物理單元中可以有多個(gè)功能部件和一個(gè)內(nèi)置集線器，并利用一根usb電纜，這通常被稱為復(fù)合設(shè)備，即一個(gè)集線器連向主機(jī)，并有一個(gè)或多個(gè)不可拆卸的usb設(shè)備連在其上。 每個(gè)功能設(shè)備都包含設(shè)置信息，來(lái)描述該設(shè)備的性能和所需資源。主機(jī)要在功能部件使用前對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置信息包括usb帶寬分配，選擇設(shè)備的設(shè)置信息等。 下機(jī)列舉了一些功能部件： 定位設(shè)備：如鼠標(biāo)或光筆； 輸入設(shè)備：如鍵盤； 電信適配器：如isdn,中國(guó)普天信息技術(shù)研究

27、院,28,2021/2/15,usb主機(jī)：硬件和軟件,usb的主機(jī)通過(guò)主機(jī)控制器與usb設(shè)備進(jìn)行交互。主機(jī)功能如下： 檢測(cè)usb設(shè)備的安裝和拆卸 管理在主機(jī)和usb設(shè)備之間的控制流； 管理在主機(jī)和usb設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流； 收集狀態(tài)和動(dòng)作信息； 提供能量給連接的usb設(shè)備。 主機(jī)上usb的系統(tǒng)軟件管理usb設(shè)備和主機(jī)上該設(shè)備軟件之間的相互交互，usb系統(tǒng)軟件與設(shè)備軟件間有三種相互作用方式： 設(shè)備編號(hào)和設(shè)置； 同步數(shù)據(jù)傳輸； 異步數(shù)據(jù)傳輸； 電源管理 設(shè)備和總線管理信息。 只要可能，usb系統(tǒng)軟件就會(huì)使用目前的主機(jī)軟件接口來(lái)管理上述幾種方式,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,29,2021/2/15,usb

28、2.0體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充,usb的體系結(jié)構(gòu)包含主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器和usb驅(qū)動(dòng)器之間的接口的擴(kuò)展，使多個(gè)主機(jī)控制器和主機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的使用成為可能,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,30,2021/2/15,五)usb數(shù)據(jù)流模型,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，從終端用戶的角度看到的usb系統(tǒng)，可簡(jiǎn)單地用下圖表示,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,31,2021/2/15,實(shí)際上的usb通信分為以下四個(gè)部分: usb物理設(shè)備(usb physical device)：usb上的一種硬件，可運(yùn)行一些用戶程序。 客戶軟件(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。

29、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)立于客戶軟件。 usb主機(jī)控制器(usb host controller):總線在主機(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)與客戶之間的堅(jiān)固可靠的通信. usb的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域如下圖所示,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,32,2021/2/15,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,33,2021/2/15,usb2.0的

30、總線拓?fù)?總線拓樸結(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)備的角度觀察到的usb系統(tǒng)。 客戶軟件層與應(yīng)用層的關(guān)系：描述從客戶軟件層看到的應(yīng)用層的情況，以及從應(yīng)用層看到的客戶軟件層的情況,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,34,2021/2/15,主機(jī)和設(shè)備,1.主機(jī) 主機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖包括: 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 客戶軟件 usb主機(jī)在

31、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的訪問(wèn)。一個(gè)usb設(shè)備想要訪問(wèn)總線必須由主機(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),中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,35,2021/2/15,usb設(shè)備 一個(gè)usb設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示，包括 usb總線接口 usb邏輯設(shè)備 應(yīng)用層 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

32、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,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,36,2021/2/15,總線的物理拓樸結(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. 圖中的hub是一類特殊的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4-5。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

33、。例如，鍵盤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,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,37,2021/2/15,集線器在高速系統(tǒng)中扮演特殊的角色,集線器將全速/低速的信號(hào)環(huán)境和高速信號(hào)環(huán)境隔離開(kāi)來(lái).如圖所示的是支持高速設(shè)備,并在高速下工作的集線器.集線器允許連接和操作全速/低速下的usb1.1集線器和其他只能進(jìn)行全速/低速操作的設(shè)備.主機(jī)控制器也直接支持連接

34、那些只能進(jìn)行全速/低速操作的設(shè)備.每個(gè)高速運(yùn)行的集線器可增加一條(或多條)額外的全速/低速總線,即每個(gè)集線器都支持額外的(任意多條)12mb/s usb全速/低速寬帶.這允許連接更多全速/低速總線,而不需要額外地增加主機(jī)控制器.盡管可以連接幾條12mb/s的全速/低速總線,但是一臺(tái)主機(jī)控制器最多只能連接127臺(tái)usb設(shè)備,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,38,2021/2/15,usb邏輯總線的拓?fù)浣Y(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5-7所示。與之對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)就是圖4-5中的結(jié)構(gòu)。hub也是邏輯

35、設(shè)備，但在圖5-7中，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，未被畫出，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,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,39,2021/2/15,客戶軟件層與應(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)反映了總線的共享性。操縱usb應(yīng)用設(shè)備的客戶軟件只關(guān)心設(shè)備上與它相關(guān)的接口，客戶軟件必須通過(guò)usb軟件編程接口來(lái)操縱應(yīng)用設(shè)備。這與另一些總線如pci，eisa，pcmcia等不同，這些總線是直接訪問(wèn)內(nèi)存或i/o的。在運(yùn)行中，客戶軟件必須獨(dú)立于usb上

36、的其它設(shè)備。這樣，設(shè)備和客戶軟件的設(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5-8說(shuō)明了在圖5-7的邏輯結(jié)構(gòu)下，一個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)者看到的客戶軟件與相應(yīng)應(yīng)用的關(guān)系的視圖,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,40,2021/2/15,usb總線的通信數(shù)據(jù)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訪問(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

37、同端點(diǎn)用于區(qū)分不同的通信流. 圖5-9是 詳盡地描述了usb系統(tǒng)，支持了邏輯設(shè)備層和應(yīng)用層間的通信流. 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)軟件與客戶軟件之間的接口，提供給客戶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

38、。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)。客戶軟件要求通信數(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)用總線訪問(wèn)在usb上傳遞數(shù)據(jù),中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,41,2021/2/15,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,42,2021/2/15,圖5-10說(shuō)明了數(shù)據(jù)如何在主機(jī)側(cè)中的內(nèi)存緩沖和設(shè)備中的端點(diǎn)中傳送。在后面，將逐步介紹端點(diǎn)、通道和通信流。主機(jī)上的軟件通過(guò)一系列的通信流與邏輯設(shè)備進(jìn)行通信。這一系列的通信流是由usb設(shè)備的軟

39、件和硬件設(shè)計(jì)者選擇的，使設(shè)備能傳送由usb提供的字符,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,43,2021/2/15,cypress核管道端點(diǎn)設(shè)定界面,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,44,2021/2/15,usb設(shè)備端點(diǎn),一個(gè)端點(diǎn)是一個(gè)可唯一識(shí)別的usb設(shè)備的portion，它是主機(jī)與設(shè)備間通信流的一個(gè)結(jié)束點(diǎn)。一系列相互獨(dú)立的端點(diǎn)在一起構(gòu)成了usb邏輯設(shè)備。每個(gè)邏輯設(shè)備有一個(gè)唯一的地址，這個(gè)地址是在設(shè)備連上主機(jī)時(shí)，由主機(jī)分配的，而設(shè)備中的每個(gè)端點(diǎn)在設(shè)備內(nèi)部有唯一的端點(diǎn)號(hào)。這個(gè)端點(diǎn)號(hào)是在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)被給定的。每個(gè)端點(diǎn)都是一個(gè)簡(jiǎn)單的連接點(diǎn)，或者支持?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)設(shè)備，或者支持其流出設(shè)備，兩者不可得兼。 一個(gè)端點(diǎn)的特性決定了

40、它與客戶軟件進(jìn)行的傳送的類型。一個(gè)端點(diǎn)有以下特性： 端點(diǎn)的總線訪問(wèn)頻率要求 端點(diǎn)的總線延遲要求 端點(diǎn)的帶寬要求 端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào) 對(duì)錯(cuò)誤處理的要求 端點(diǎn)能接收或發(fā)送的包的最大長(zhǎng)度 端點(diǎn)的傳送類型出 端點(diǎn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳送方向 端點(diǎn)號(hào)不為0的端點(diǎn)在被設(shè)置前處于未知狀態(tài)，是不能被主機(jī)訪問(wèn)的,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,45,2021/2/15,對(duì)0號(hào)端點(diǎn)的要求 所有usb設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)缺省的控制方法。這種方法將端點(diǎn)0作為輸入端點(diǎn)，同時(shí)也將端點(diǎn)0作為輸出端點(diǎn)。usb系統(tǒng)用這個(gè)缺省方法初始化及一般地使用邏輯設(shè)備(即設(shè)置此設(shè)備)。缺省控制通道 支持了對(duì)控制的傳送 ，一旦設(shè)備接上，并加電，且又收到一個(gè)總線復(fù)位命

41、令，端點(diǎn)0就是可訪問(wèn)的了. 能在高速下工作的usb設(shè)備必須能在全速下工作,當(dāng)設(shè)備連接到集線器并以全速工作時(shí),設(shè)備必須: 1.能成功地在全速下復(fù)位; 2.能成功地響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,如設(shè)備和配置描述符的 set_address,set_configuration,get_descriptor,并返回正確的信息. 高速設(shè)備在全速下運(yùn)行時(shí)可能或不支持這種功能. 對(duì)非0號(hào)端點(diǎn)的要求 設(shè)備可以有除0以外的其它端點(diǎn)，這取決于這些設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。低速設(shè)備在0號(hào)輸入及輸出端點(diǎn)外，只能有2個(gè)額外的可選端點(diǎn)。而高速設(shè)備可具有的額外端點(diǎn)數(shù)僅受限于協(xié)議的定義(協(xié)議中規(guī)定，最多15個(gè)額外的輸入端點(diǎn)和最多15個(gè)額外的輸出端點(diǎn))。

42、除缺省控制通道的缺省端點(diǎn)外，其它端點(diǎn)只有在設(shè)備被設(shè)置后才可使用，對(duì)設(shè)備的設(shè)置是設(shè)備設(shè)置過(guò)程 的一部分,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,46,2021/2/15,usb總線數(shù)據(jù)通道,一個(gè)usb通道是設(shè)備上的一個(gè)端點(diǎn)和主機(jī)上軟件之間的聯(lián)系。體現(xiàn)了主機(jī)上緩存和端點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)的能力,有兩不同的且互斥的通道通信格式。 流(stream)：指不具有usb定義的格式的數(shù)據(jù)流。 消息(message)：指具有某種usb定義的格式的數(shù)據(jù)流。 usb不解釋在通道中傳送的數(shù)據(jù)的內(nèi)容。消息通道要求數(shù)據(jù)組織usb定義的格式，但它的內(nèi)容，usb是不管的。特別地，有下列概念與通道相關(guān)： 對(duì)usb總線訪問(wèn)的申請(qǐng)(claim)，帶寬的

43、使用情況 傳送類型 與通道相連的端點(diǎn)的特性，例如：端點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送方向,最大數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)凈負(fù)荷是指在總線處理事務(wù)（transaction）中，數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù) 。由兩個(gè)0號(hào)端點(diǎn)組成的通道叫缺省控制通道。一旦設(shè)備加電并復(fù)位后，此通道即可使用。其它通道只在設(shè)備被設(shè)置后才存在。usb系統(tǒng)軟件在決定設(shè)備身份、設(shè)置要求和設(shè)置設(shè)備時(shí)使用缺省控制通道。當(dāng)設(shè)備被設(shè)置后，這個(gè)設(shè)備的特定軟件還可使用該通道。usb系統(tǒng)軟件保留缺省控制通道的擁有權(quán)，協(xié)調(diào)其它客戶軟件對(duì)通道的使用,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,47,2021/2/15,一個(gè)客戶軟件一般都通過(guò)i/o請(qǐng)求包(irp)來(lái)要求數(shù)據(jù)傳送。然后，或者等待，

44、或者當(dāng)傳送完成后被通知。irp的細(xì)節(jié)是由操作系統(tǒng)來(lái)指定的?？蛻糗浖岢雠c設(shè)備上的端點(diǎn)建立某個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送的請(qǐng)求，irp就可簡(jiǎn)單地理解為這個(gè)請(qǐng)求。一個(gè)客戶軟件可以要求一個(gè)通道回送所有的irp。當(dāng)關(guān)于irp的總線傳送結(jié)束時(shí)，無(wú)論它是成功地完成，還是出現(xiàn)錯(cuò)誤，客戶軟件都將獲得通知說(shuō)irp完成了。 如果通道上沒(méi)有正在傳送的數(shù)據(jù)，也沒(méi)有數(shù)據(jù)想使用此通道，這個(gè)通道就處于閑置狀態(tài)。主機(jī)控制器對(duì)它不采取任何動(dòng)作，也就是說(shuō)，這個(gè)通道的端點(diǎn)會(huì)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有任何的總線動(dòng)作是沖它而來(lái)的。只有當(dāng)有數(shù)據(jù)在通道上時(shí)，該通道才能發(fā)現(xiàn)總線對(duì)它的動(dòng)作. 如果一個(gè)非同步通道遇到一個(gè)迫使它給主機(jī)發(fā)stall的情況(參見(jiàn)第7章)，或者在任

45、一個(gè)irp中發(fā)現(xiàn)3個(gè)總線錯(cuò)誤。這個(gè)irp將被中止。其它所有突出的irp也一同被中止。通道不再接收任何irp，直到客戶軟件從這個(gè)情況中恢復(fù)過(guò)來(lái)(恢復(fù)的方式取決于軟件的實(shí)現(xiàn))，而且承認(rèn)這個(gè)中止或出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并發(fā)一個(gè)usbd call來(lái)表明它已承認(rèn)。一個(gè)合適的狀態(tài)信息將通知客戶軟件irp的結(jié)果出錯(cuò)或中止,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,48,2021/2/15,一個(gè)irp可能會(huì)需要多個(gè)數(shù)據(jù)凈荷區(qū)來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)區(qū)除最后一個(gè)外，都具有數(shù)據(jù)凈荷區(qū)的最大長(zhǎng)度，最后一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)包含了這個(gè)irp中剩下的數(shù)據(jù) .對(duì)這樣的一個(gè)irp，短包(也就是說(shuō)未達(dá)到最大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)區(qū))在數(shù)據(jù)輸入時(shí)無(wú)法填完irp數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。這可能會(huì)有

46、二種不同解釋，它依賴于客戶軟件的情況： 如果該客戶軟件可以接受變長(zhǎng)的irp，那么，irp數(shù)據(jù)緩沖區(qū)未被填滿，可以看作一個(gè)分限，說(shuō)明一個(gè)irp已成功結(jié)束，主機(jī)控制器可以準(zhǔn)備接收下一個(gè)irp了。 如果該客戶軟件只收定長(zhǎng)的irp。那么，我們認(rèn)為發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤，這irp將被中止，通道也會(huì)被阻塞，通道上的數(shù)據(jù)都中止。 因?yàn)閷?duì)這兩種情況，主機(jī)控制器會(huì)有不同的反應(yīng)，而且采取何種措施不由控制器決定，所以對(duì)每個(gè)irp都必須說(shuō)明客戶軟件的具體要求。 通道的端點(diǎn)可以用nak信號(hào)來(lái)通知主機(jī)自己正忙，nak不能作為向主機(jī)反還irp的中止條件。在一個(gè)給定的irp處理過(guò)程中，可以遇到任意多個(gè)nak，nak不構(gòu)成錯(cuò)誤,而且不

47、作為上面所說(shuō)的3種錯(cuò)誤之一,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,49,2021/2/15,流通道 流通道中的數(shù)據(jù)是流的形式，也就是該數(shù)據(jù)的內(nèi)容不具有usb要求的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)從流通道一端流進(jìn)的順序與它們從流通道另一端流出時(shí)的順序是一樣的，流通道中的通信流總是單方向的。 對(duì)于在流通道中傳送的數(shù)據(jù)，usb認(rèn)為它來(lái)自同一個(gè)客戶。usb系統(tǒng)軟件不能夠提供使用同一流通道的多個(gè)客戶的同步控制。在流通道中傳送的數(shù)據(jù)遵循先進(jìn)先出原則。 流管流只能連到一個(gè)固定號(hào)碼的端點(diǎn)上，或者流進(jìn)，或者流出。(這個(gè)號(hào)碼是由協(xié)議層決定的) 而具有這個(gè)號(hào)碼的另一個(gè)方向的端點(diǎn)可以被分配給其它流通道。 消息通道 消息通道與端點(diǎn)的關(guān)系同流通道與端點(diǎn)的關(guān)

48、系是不同的。首先，主機(jī)向usb設(shè)備發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求；接著，就是數(shù)據(jù)的傳送；最后，是一個(gè)狀態(tài)階段。為了能夠容納請(qǐng)求/數(shù)據(jù)/狀態(tài)的變化，消息通道要求數(shù)據(jù)有一個(gè)格式，此格式保證了命令能夠被可靠地傳送和確認(rèn)。 消息通道允許雙方向的信息流，雖然大多數(shù)的通信流是單方向的。特別地，缺省控制通道也是一個(gè)消息通道。 usb系統(tǒng)軟件不會(huì)讓多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)要求同一個(gè)消息通道。一個(gè)設(shè)備的每個(gè)消息通道在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，只能為一個(gè)消息請(qǐng)求服務(wù)，多個(gè)客戶軟件可以通過(guò)缺省控制通道發(fā)出它們的請(qǐng)求，但這些請(qǐng)求到達(dá)設(shè)備的次序是按先進(jìn)先出的原則的。設(shè)備可以在數(shù)據(jù)傳送階段和狀態(tài)階段控制信息流，這取決于這些設(shè)備與主機(jī)交互的能力 。正常情況下，在上

49、一個(gè)消息未被處理完之前，是不能向消息通道發(fā)下一個(gè)消息的。但在有錯(cuò)誤發(fā)生的情況下，主機(jī)會(huì)取消這次消息傳送，并且不等設(shè)備將已收的數(shù)據(jù)處理完，就開(kāi)始下一次的消息傳送。在操作通道的軟件看來(lái)，一個(gè)irp中的錯(cuò)誤，使這個(gè)irp被取消，并且所有正排隊(duì)等待的irp一同也被取消。申請(qǐng)這個(gè)irp的客戶被通知irp結(jié)束，且有出錯(cuò)提示。消息通道后有兩個(gè)相同號(hào)碼的端點(diǎn)，一個(gè)用于輸入，一個(gè)用于輸出。兩個(gè)號(hào)碼必須相同,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,50,2021/2/15,傳送類型,usb通過(guò)通道在主機(jī)緩沖區(qū)與設(shè)備端點(diǎn)間傳送數(shù)據(jù)。在消息通道中傳遞的數(shù)據(jù)具有usb定義的格式，它的數(shù)據(jù)凈荷區(qū)中包含的數(shù)據(jù)允許具有設(shè)備指定的格式。usb

50、要求任何在通道上傳送的數(shù)據(jù)均被打包，數(shù)據(jù)的解釋工作由客戶軟件和應(yīng)用層軟件負(fù)責(zé)。usb提供了多種數(shù)據(jù)格式，使之盡可能滿足客戶軟件和應(yīng)用軟件的要求。一個(gè)irp需要一個(gè)或多個(gè)總線處理事務(wù)來(lái)完成。 每個(gè)傳送類型在以下的幾個(gè)傳送特征上會(huì)有不同： usb規(guī)定的數(shù)據(jù)格式 信息流的方向 數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度限制 總線訪問(wèn)的限制 延時(shí)的限制 要求的數(shù)據(jù)順序 出錯(cuò)處理,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,51,2021/2/15,usb設(shè)備的設(shè)計(jì)者可以決定設(shè)備上每個(gè)端點(diǎn)的能力。一旦為這個(gè)端點(diǎn)建立了一個(gè)通道，這個(gè)通道的絕大多數(shù)傳送特征也就固定下來(lái)了，一直到這個(gè)通道被取消為止。也有部分傳送特征可以改變，對(duì)這樣的特征，將會(huì)在介紹每個(gè)傳送類

51、型時(shí)作出說(shuō)明. usb定義了4種傳送類型： 1.控制傳送：可靠的、非周期性的、由主機(jī)軟件發(fā)起的請(qǐng)求或者回應(yīng)的傳送，通常用于命令事務(wù)和狀態(tài)事務(wù) . 2.同步傳送：在主機(jī)與設(shè)備之間的周期性的、連續(xù)的通信，一般用于傳送與時(shí)間相關(guān)的信息。這種類型保留了將時(shí)間概念包含于數(shù)據(jù)中的能力。但這并不意味著，傳送這樣數(shù)據(jù)的時(shí)間總是很重要的，即傳送并不一定很緊急。 3.中斷傳送：小規(guī)模數(shù)據(jù)的、低速的、固定延遲的傳送。 4.批傳送：非周期性的，大包的可靠的傳送。典型地用于傳送那些可以利用任何帶寬的數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)當(dāng)沒(méi)有可用帶寬時(shí)，可以容忍等待,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,52,2021/2/15,一個(gè)(微型)幀 包含的

52、最大處理數(shù)的表舉例: 每張表包含以下內(nèi)容: 指定傳輸類型(和速度)要求的協(xié)議開(kāi)銷 對(duì)某些采樣數(shù)據(jù)有效負(fù)載大小為 - 在這種情況可能保持的最大寬度; - 每個(gè)處理要求的(微型)幀百分比; - 在特定情況下, (微型)幀中的最大處理數(shù); - 在特定情況下, (微型)幀中不要求的剩余字節(jié); - 在特定情況下, 在單個(gè)(微型)幀傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù); 典型的特殊傳輸類型處理要求多個(gè)包,每種處理的協(xié)議開(kāi)銷包括: 每個(gè)包的sync場(chǎng)為8位(全速/低速)或32位(高速); 每個(gè)包的pid字節(jié)包括pid和pid取反(校驗(yàn))位; 每個(gè)包的eop為3位(全速/低速)或8位(高速); 在令牌中還包括端點(diǎn)號(hào),設(shè)備地址

53、,和crc場(chǎng)(共16位); 數(shù)據(jù)包包括crc16場(chǎng)(共16位); 數(shù)據(jù)包可以包含任意數(shù)量的數(shù)據(jù)場(chǎng)(每字節(jié)8位,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,53,2021/2/15,對(duì)于多包的處理,要求有包間間隙或總線轉(zhuǎn)向時(shí)間 在這些計(jì)算中假設(shè)沒(méi)有位填充的要求,用低速中斷out作為例子,它在處理中共有5個(gè)包: - 一個(gè)pre專用包; - 一個(gè)令牌包; - 一個(gè)pre專用包; - 一個(gè)數(shù)據(jù)包; - 一個(gè)握手包; 其中,在數(shù)據(jù)和握手之間有個(gè)總線轉(zhuǎn)向.因此,協(xié)議開(kāi)銷包括:5個(gè)sync,5個(gè)pid,端點(diǎn)+crc5,crc16,5個(gè)eop和包間延時(shí)(一總線轉(zhuǎn)向,包間的延時(shí)和2個(gè)集線器建立時(shí)間,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,54,2

54、021/2/15,控制傳送,控制傳送允許訪問(wèn)一個(gè)設(shè)備的不同部分。控制傳送用于支持在客戶軟件和它的應(yīng)用之間的關(guān)于設(shè)置信息、命令信息、狀態(tài)信息的傳送?？刂苽魉陀梢韵聨讉€(gè)事務(wù)組成：(1)建立聯(lián)系，把請(qǐng)求信息從主機(jī)傳到它的應(yīng)用設(shè)備；(2)零個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)傳送事務(wù)，按照（1）事務(wù)中指明的方向傳送數(shù)據(jù)；(3)狀態(tài)信息回傳。將狀態(tài)信息從應(yīng)用設(shè)備傳到主機(jī)。當(dāng)端點(diǎn)成功地完成了被要求的操作時(shí)，回傳的狀態(tài)信息為“success”. usb設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)缺省控制通道，并將它實(shí)現(xiàn)成一個(gè)消息通道。這個(gè)通道由usb系統(tǒng)軟件使用。usb設(shè)備的確認(rèn)信息、狀態(tài)信息以及控制信息由該通道傳送。如果需要的話，一個(gè)應(yīng)用設(shè)備可以為端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)額外

55、的控制通道。 usb設(shè)備框架定義了標(biāo)準(zhǔn)的，設(shè)備級(jí)的或由銷售商提供的請(qǐng)求，這些請(qǐng)求可操作設(shè)備的狀態(tài)。usb設(shè)備框架又定義了一些描述器（descriptor），用于存放usb設(shè)備的各種信息?？刂茩C(jī)制提供訪問(wèn)設(shè)備描述器和請(qǐng)求操作設(shè)備的機(jī)制。 控制傳送只能通過(guò)消息通道進(jìn)行。所以，使用控制傳送的數(shù)據(jù)必須具有usb定義的數(shù)據(jù)格式 。 應(yīng)用層和相應(yīng)的客戶軟件不能為控制傳送指定總線訪問(wèn)頻率和帶寬。這由usb系統(tǒng)軟件從全局優(yōu)化角度加以決定。usb系統(tǒng)軟件會(huì)限制設(shè)備要求的訪問(wèn)頻率和帶寬,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,55,2021/2/15,1 控制傳送類型的數(shù)據(jù)格式 setup包的數(shù)據(jù)格式屬于一個(gè)命令集，這個(gè)集合能保

56、證主機(jī)和設(shè)備之間正常通信。這個(gè)格式也允許一些銷售商對(duì)設(shè)備命令的擴(kuò)展。setup包后的數(shù)據(jù)傳送也具有usb定義的格式，除非這個(gè)數(shù)據(jù)是銷售商提供的信息?；貍鞯臓顟B(tài)信息仍然具有usb定義的格式。 2 控制傳送的方向 控制傳送使用的是消息通道上的雙向信息流。所以，一旦一個(gè)控制通道被確認(rèn)之后，這個(gè)通道就使用了具有某個(gè)端點(diǎn)號(hào)的兩個(gè)端點(diǎn)，一個(gè)輸入，一個(gè)輸出。 3 控制傳送包的大小的限制 控制傳送的端點(diǎn)決定了它所能接收或發(fā)送的最大數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)度。usb為高速設(shè)備定義的最大數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)度為8、16、32或64字節(jié)，低速設(shè)備的數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)的長(zhǎng)度只能是8字節(jié)。setup后的所有數(shù)據(jù)包都要遵守這個(gè)規(guī)定，這個(gè)規(guī)定是

57、針對(duì)這些數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)的，不包括包中的協(xié)議要求的額外信息，setup包實(shí)際上也是8字節(jié)。控制通道(包括缺省控制通道)總是使用w max packet size的值。 端點(diǎn)在自己的設(shè)置信息中報(bào)告自己允許的最大凈負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)度。usb不要求數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)必須達(dá)到最大長(zhǎng)度，當(dāng)長(zhǎng)度不夠時(shí)，不必填充到最大長(zhǎng)度,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,56,2021/2/15,主機(jī)控制器對(duì)高速設(shè)備的控制通道端點(diǎn)支持8、16、32、64字節(jié)的最大長(zhǎng)度，對(duì)低速設(shè)備支持8字節(jié)的長(zhǎng)度。它不能支持更大的或更小的其它長(zhǎng)度。 對(duì)于缺省控制通道的最大數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度，usb系統(tǒng)軟件要從設(shè)備描述器的頭8個(gè)字節(jié)中讀出，設(shè)備將這8個(gè)字節(jié)放在一個(gè)包

58、中發(fā)出，其中的七個(gè)字包含了缺省通道的wmaxpacketsize。對(duì)其它的控制端點(diǎn)來(lái)說(shuō)，usb系統(tǒng)軟件在它們被設(shè)置后，獲得此長(zhǎng)度，然后usb系統(tǒng)軟件就會(huì)保證數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)不會(huì)超長(zhǎng)。另外，主機(jī)總是認(rèn)為數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)的最大長(zhǎng)度至少為8。 端點(diǎn)所傳的數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)度必須小于或等于其wmaxpacketsize ，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)不能容納所傳數(shù)據(jù)時(shí)，就分幾個(gè)區(qū)來(lái)傳。除最后一個(gè)區(qū)外，其它區(qū)都應(yīng)達(dá)到最大長(zhǎng)度。最后一區(qū)包含最后剩下的數(shù)據(jù)。 當(dāng)端點(diǎn)做了以下兩件事時(shí)，控制傳送的數(shù)據(jù)階段可被認(rèn)為結(jié)束： 已傳了由setup階段指定的數(shù)據(jù)量。 傳了一個(gè)數(shù)據(jù)包，它的長(zhǎng)度為0或它的數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度小于最大長(zhǎng)度。 數(shù)據(jù)階段結(jié)束后，主機(jī)控

59、制器進(jìn)入狀態(tài)階段，而不是開(kāi)始另一個(gè)數(shù)據(jù)傳誦。如果它不這樣做，端點(diǎn)會(huì)認(rèn)為通道脫線而中止通道(通道脫線見(jiàn)4.3.2)。如果主機(jī)在狀態(tài)階段時(shí)，主機(jī)收到一個(gè)大于最大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)區(qū)，那么請(qǐng)求這次傳送的irp將被中止。 當(dāng)數(shù)據(jù)全部傳完，主機(jī)與端點(diǎn)之間的控制傳送的數(shù)據(jù)階段結(jié)束。如果其間，端點(diǎn)收到了超過(guò)最大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)區(qū)，它將中止通道,中國(guó)普天信息技術(shù)研究院,57,2021/2/15,控制傳送的總線訪問(wèn)的限制,無(wú)論低速設(shè)備還是高速設(shè)備都可以使用控制通道。 端點(diǎn)沒(méi)法指明控制通道對(duì)總線訪問(wèn)頻率的要求。usb權(quán)衡所有控制通道的總線訪問(wèn)頻率和正等待的irp，從全局優(yōu)化，提供一個(gè)“最佳”傳送方案。 usb要求數(shù)據(jù)幀中的一部

60、分被留給控制傳送使用。 如果被引發(fā)的控制傳送(引發(fā)方式由實(shí)現(xiàn)決定)只用了數(shù)據(jù)幀的不到10%的時(shí)間，則剩余的時(shí)間留給批傳送 。 如果一個(gè)控制傳送被引發(fā)又被中止，則它的中止可在本次的幀內(nèi)，也可在以后的幀內(nèi)。也就是說(shuō)，引發(fā)和中止不必在同一個(gè)幀內(nèi)。 如果留給控制傳送的時(shí)間不夠用，但恰好有一些同步和中斷傳送的幀時(shí)間未用，則主機(jī)控制器利用這些時(shí)間進(jìn)行額外的控制傳送。 如果對(duì)可用的幀時(shí)間有太多的控制傳送在等待，那么就對(duì)它們進(jìn)行排序然后傳送。 如果各個(gè)控制傳送申請(qǐng)的是不同的端點(diǎn)，主機(jī)控制器根據(jù)公平訪問(wèn)原則決定它們的訪問(wèn)順序。公平訪問(wèn)原則的具體內(nèi)容決定于主機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)。 如果一個(gè)控制傳送事務(wù)頻繁地被中止，不能