USB總線技術(shù)及應(yīng)用

1、USB總線技及術(shù)應(yīng)用 摘要：USB是通用串行總線（Universal Serial Bus）的簡稱，是一種應(yīng)用在計算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)（也越來越多地應(yīng)用于嵌入式便攜設(shè)備），是當(dāng)前最流行的接口技術(shù)之一。USB以其卓越的易用性、穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性、完備性、網(wǎng)絡(luò)性和低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。USB是英文Universal Serial Bus的簡稱，是一種應(yīng)用在計算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)（也越來越多地應(yīng)用于嵌入式便攜設(shè)備），是當(dāng)前最流行的接口技術(shù)之一。USB以其卓越的易用性、穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性、完備性、網(wǎng)絡(luò)性和低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今的計算機(jī)外部設(shè)備

2、都在追求高速度和高通用性。為了滿足用戶的需求，以Intel為首的七家公司Intel、Compaq、Microsoft、IBM、DEC、Northern、Telecom以及日本NEC于1994年11月推出了USB（Universal Serial Bus）通用串行總線協(xié)議的第一個草案專用于低中速的計算機(jī)外設(shè)，USB可把多達(dá)127個外設(shè)同時連到用戶的系統(tǒng)上，所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享USB的帶寬，其12Mbps的帶寬對于鍵盤鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠。隨著USB技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，在2000年發(fā)布的USB規(guī)范版本2.0中已經(jīng)將USB支持的帶寬提升到480Mbps。USB 正在不斷地占領(lǐng)PC外設(shè)的市場

3、，成為了PC外設(shè)的主流接口。在自己的產(chǎn)品中使用USB已經(jīng)成為了一種潮流。如果希望產(chǎn)品被市場接受開發(fā)者往往不得不使用USB。現(xiàn)在USB不光成為了微機(jī)主板上的標(biāo)準(zhǔn)端口而且還成為了所有微機(jī)外設(shè)（包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、數(shù)字相機(jī)、掃描儀和游戲手柄等等）與主機(jī)相連的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之一。這種連接較以往普通并口（Parallel port）和串口（serial port）的連接而言主要的優(yōu)點(diǎn)是速度高、功耗低、支持即插即用（Plug& Play）和使用維護(hù)方便。因此我覺得USB的應(yīng)用將越來越廣泛。特別是在電氣專業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)現(xiàn)場控制，便攜測試設(shè)備等方面。1 USB的基本原理1.1 USB協(xié)議概述USB

4、是英文Universal Serial Bus的簡稱。它以其易用性、穩(wěn)定性、兼容性、擴(kuò)展性、完備性、網(wǎng)絡(luò)性和低功耗等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。學(xué)習(xí)USB的相關(guān)知識是進(jìn)行USB項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)。USB系統(tǒng)均有主機(jī)和從機(jī)兩個部分，要注意的是由于USB系統(tǒng)是被動通信系統(tǒng)，從機(jī)只能被動的執(zhí)行主機(jī)的命令。主機(jī)理論上可以是任何帶有CPU的控制器，目前由于PC的強(qiáng)大的處理能力和存儲空間，被廣泛的應(yīng)用為主機(jī)。USB從機(jī)一般就是指USB設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)一定的功能。這篇認(rèn)識報告主要整理了三方面內(nèi)容。第一部分是整理了USB的通信協(xié)議，第二部分主要整理了USB項(xiàng)目開發(fā)的步驟，第三部分主要介紹了USB接口芯片CH37

5、2的功能和接口電路，普通的USB通信的實(shí)現(xiàn)。整理的資料對初學(xué)USB有一定的參考意義。1.2 USB的主要優(yōu)點(diǎn)USB有自供電（Self-Powered）和總線供電（Bus-Powered）兩種供電模式。如果3ms內(nèi)沒有總線操作，設(shè)備就自動掛起，降低功耗。能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用（PnP，Play and Plug）。在USB的電氣結(jié)構(gòu)上能夠判斷設(shè)備的接入和拔出。1.3 USB系統(tǒng)組成USB整體通信模型：也就是USB的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以USB主機(jī)為核心，建立USB主機(jī)與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，通過USB Hub為節(jié)點(diǎn)連接主機(jī)與設(shè)備。USB數(shù)據(jù)通信協(xié)議：以差模串行信號為載體傳送二進(jìn)制代碼來傳輸信號；數(shù)據(jù)包作

6、為最基本的完整信息單元，包含了一系列數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)包也可以包括很多稱為“域”的層次；以包為基礎(chǔ)，構(gòu)成USB的四種數(shù)據(jù)傳輸類型，進(jìn)而組成不同的傳輸類型，傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)USB的各種功能。軟硬件架構(gòu)：包括主機(jī)，HUB與設(shè)備架構(gòu)；主機(jī)與設(shè)備通信的流程、步驟；軟硬件設(shè)計方法等。這是USB系統(tǒng)開發(fā)工程師最終的目的，也是學(xué)習(xí)和掌握USB技術(shù)的目的。2 USB基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2.1引言主要是對USB的基本結(jié)構(gòu)和特性作初步的介紹，是否了解這些知識對于設(shè)計USB設(shè)備系統(tǒng)至關(guān)重要,只有清楚地理解這些概念才能更好的進(jìn)行設(shè)計。2.2 USB的物理連接如圖2-1所示，USB采用4線電纜。其中Vbus為總線電源線，

7、GND為地線，這兩根線為下行（downstream）設(shè)備提供電源；D+和D-是差動（differential）信號線，用于串行傳輸U(kuò)SB數(shù)據(jù)。采用差動信號線的目的在于消除傳輸過程中的噪聲，從而提高傳輸可靠性。USB電纜支持兩種速率模式：全速模式（12Mbps）和低速模（1.5Mbps）。全速電纜與低速電纜的區(qū)別在于：全速電纜的數(shù)據(jù)信號線是雙絞線，并且需要屏蔽層；而低速電纜的數(shù)據(jù)信號線不需要雙絞，也不需要屏蔽層。 USB連接器有兩種類型：A型和B型。A型連接器是連接USB設(shè)備的主要方式，所有USB設(shè)備都必須具備一個A型連接器；A型插座作為USB主機(jī)和集線器的下行輸出口；A型插頭用于上行連接到US

8、B主機(jī)和集線器。B型連接器用于廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)的可分離（detachable）電纜，以方便最終用戶根據(jù)需要替換電纜；B型插座作為USB設(shè)備和集線器的上行輸入口；B型插頭用于下行連接到USB設(shè)備。下圖所示為USB電纜分別連接到PC主機(jī)、打印機(jī)的插頭： 2.3 USB1.1協(xié)議總覽總的來說，USB1.1是一個傳輸率可達(dá)12Mbps的串行接口，并由不同類型的PC外設(shè)一起分享這個串行總線接口中，而且可以高達(dá)127個外設(shè)對應(yīng)于一個PC主機(jī)。其中，USB主機(jī)是整個總線上的主控者掌握所有的主控權(quán)，負(fù)責(zé)對各個外設(shè)發(fā)出各設(shè)定命令和配置。USB是以令牌包為主的通信協(xié)議，而主機(jī)將會于總線上發(fā)布一種令牌包，此時一定會有

9、一個符合其地址的設(shè)備根據(jù)這個令牌包做出相應(yīng)的操作。此外，12Mbps的總線帶寬是被分割為1ms的幀，所有位于此總線的設(shè)備就會以時間分隔的多任務(wù)傳輸來分享它。以實(shí)體的觀點(diǎn)來看，USB僅含有四條線，兩條是電源線（Vcc與GND）,兩條是以差分方式產(chǎn)生的信號線（D+與D-）。2.4 USB總線結(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新型的層次化的星形連接，如下圖所示。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)中有一個被嵌入的Hub叫根Hub(root Hub)。主機(jī)通過根Hub提供若干個連接點(diǎn)。圖 2-22.5數(shù)據(jù)流模式USB對于與設(shè)備之間的通信提供了特定的協(xié)議。雖然US

10、B系統(tǒng)的總線拓?fù)涫切滦偷膶哟位男切芜B接，但實(shí)際上USB主機(jī)與設(shè)備的連接方式卻是如圖2-3所示的一對一的連接形式，這被稱為USB總線的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而數(shù)據(jù)流的模式則是以這些邏輯連接為基本結(jié)構(gòu)。USB為主機(jī)上的軟件和客戶的USB功能模塊之間提供了通信服務(wù)。功能模塊會對通信流有不同的要求。需要不同的客戶來實(shí)現(xiàn)相互作用。通過允許將不同的USB功能模塊的不同通信流分離開來，USB提供了更好的整體總線利用率.每一個通信流都要使用某一總線訪問來完成客戶和功能模塊之間的通信，并且終止于設(shè)備上的某一端點(diǎn)。設(shè)備端點(diǎn)用于區(qū)別任意的通信流。 端 點(diǎn) 是 主機(jī)與設(shè)備之間的一個邏輯通道，也是一個USB設(shè)備唯一可以確認(rèn)的

11、部分，它是主機(jī)與設(shè)備之間的通信流終點(diǎn).一個USB邏輯設(shè)備對整個系統(tǒng)而言就是一個端點(diǎn)的集合。根據(jù)其使用的接口，端點(diǎn)可以被分成不同的端點(diǎn)集。軟件只能通過一個或多個端點(diǎn)與一個USB設(shè)備通信。利用設(shè)備的地址和端點(diǎn)號就可以唯一地指定任一個端點(diǎn)。管 道 就 是在USB主機(jī)上的一個軟件功能和一個USB設(shè)備之間建立的一個虛連接，是設(shè)備上的一個端點(diǎn)和主機(jī)上的軟件的聯(lián)合體，在USB技術(shù)中有兩類管道:流管道和消息管道。對一個USB設(shè)備進(jìn)行配置后就會形成道。一個客戶軟件通常是通過向一個管道發(fā)出IRP請求來要求發(fā)送數(shù)據(jù)，如果需要的話一個客戶軟件還可以使管道返回所有未處理的請求。2.6 USB的傳輸類型 針對設(shè)備對系統(tǒng)資

12、源需求的不同，USB共有4種數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和塊傳輸?？刂苽鬏敚捍朔绞竭m用于傳輸少量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求、但必須保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。控制傳輸主要用于發(fā)送和接收與USB設(shè)備的配置信息有關(guān)的數(shù)據(jù)，如設(shè)備地址、配置描述符等，但它也可用于輿其他用途的數(shù)據(jù)?？刂苽鬏斂捎糜诘退?、全速或高速設(shè)備，且所有的USB設(shè)備都必須支持控制輿。具體來說，任何USB設(shè)備都必須在其0號端點(diǎn)的缺省管道中支持傳輸，USB系統(tǒng)軟件會使用該管道來訪問USB設(shè)備的，并對其進(jìn)行配置。從優(yōu)先級別來說，它是級別最高的傳輸方式。中斷傳輸：該方式用于傳輸少量或中量的、且對服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要及

13、時處理，以達(dá)到實(shí)時效果。USB采用差錯和重試機(jī)制來確保中斷傳輸?shù)恼_性?？偟膩碚f中斷傳輸特別適合于鍵盤、鼠標(biāo)類設(shè)備，因?yàn)閷τ谒鼈?，所需處理的事件只是鍵盤按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊和移動等，其數(shù)據(jù)量很少，而且用戶不希望在使用鍵盤和無懈可擊時出現(xiàn)明顯的延遲，所以首先考慮固定的服務(wù)周期。同步傳輸：該方式用于需要連續(xù)傳輸，而且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高，但對時間極為敏感的外設(shè)。同步傳輸以固定的傳輸速率連續(xù)不斷的在主機(jī)和USB外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，USB并不處理這些錯誤，百是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。所以在此方式下數(shù)據(jù)包結(jié)束時沒有CRC校驗(yàn)。同步傳輸特別適合于音頻和視頻類設(shè)備，如CD播放機(jī)、揚(yáng)聲器等；因?yàn)閷τ?/p>

14、它們，數(shù)據(jù)被及時發(fā)送和接收遠(yuǎn)比其正確性重要。批量傳輸：又叫塊傳輸。該方式主要用于大量非周期數(shù)據(jù)的傳輸，它采用差錯控制和重試機(jī)制來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。批量傳輸特別適合于打印機(jī)和掃描儀類設(shè)備，因?yàn)閷τ谒鼈儯瑪?shù)據(jù)無錯誤地發(fā)送和接收遠(yuǎn)比其傳輸速率重要。批量傳輸只能用于高速或全速USB設(shè)備，但全速/高速設(shè)備可以不支持批量傳輸傳輸類型端點(diǎn)類型傳輸方式所傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)批量傳輸批量端點(diǎn)IN或OUT大量、無傳輸時間和傳輸速率要求中斷傳輸中斷端點(diǎn)IN或OUT少量或中量、有周期性同步傳輸 同步端點(diǎn)IN或OUT大量、速率恒定、有周期性控制傳輸 控制端點(diǎn)IN或OUT少量、無傳輸時間要求、傳輸有保證2.7 USB接口的

15、傳輸協(xié)議總的來說，USBI.1 是一個傳輸率可達(dá)12Mbps的串行接口，并由不同類型的PC外設(shè)一起分享這個串行總線接口，而且可以高達(dá)127個外設(shè)對應(yīng)于一個PC主機(jī)。其中，USB主機(jī)是整個總線上的主控者，掌握所有的主控權(quán)，負(fù)責(zé)對各個外設(shè)發(fā)出各設(shè)定命令和配置o USB是以令牌包為主的通信協(xié)議，而主機(jī)將會于總線上發(fā)布一種令牌包，此時一定會有一個符合其地址的設(shè)備根據(jù)這個令牌包做出相應(yīng)的操作。此外，12Mbps的總線帶寬是被分割為lms的幀，所有位于此總線的設(shè)備就會以時間分隔的多任務(wù)傳輸來分享它。以實(shí)體的觀點(diǎn)來看，USB僅含有四條線，兩條是電源線(V,。與GND)，兩條是以差分方式產(chǎn)生的信號線(D+與D

16、_)。傳輸協(xié)議：主機(jī)與設(shè)備之間通過稱為事務(wù)的離散交互進(jìn)行通信；一個或多個事務(wù)完成一次傳輸請求。一個傳輸事務(wù)由若干個包(packet)組成。包是總線傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)塊，通常由多個域組成。包僅沿一個方向傳送-主機(jī)到設(shè)備或設(shè)備到主機(jī)。數(shù)據(jù)地串行數(shù)據(jù)線上傳輸時，先發(fā)送最低有效位(LSb)，然后是次低位，最后是最高有效位(MSb)。為了保證發(fā)送方和接受方在信號級上的同步，串行數(shù)據(jù)采用NRZI(不歸零反相編碼)和比特填充技術(shù)：遇到0信號發(fā)生跳變而遇到1時保持不變；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)7個1時插入一個0比特。另外，所有包以一個同步域(SYNC)開始。該域?yàn)橐粋€IDLE狀態(tài)后面跟隨以NRZI編碼的二進(jìn)制串“0000000

17、1”(數(shù)據(jù)80H)。SYNC域中的最后兩位用于SYNC域的結(jié)束標(biāo)志同時表示PID域的開始。每個包發(fā)送完畢，發(fā)送方使兩根數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖奖３?個比特位的時間，其后再跟隨1比特時間的IDLE狀態(tài)，該總線狀態(tài)稱為EOP(End of Packet)。通信協(xié)議：前面提及過USB接口是以令牌包為主的總線協(xié)議，而且PC主機(jī)掌握了這個總線的主控權(quán)，就是說一切的溝通都是由PC主機(jī)來負(fù)責(zé)啟動的。另外由于use不占用任何PC的中斷向量或是輸入/輸出的資源，因此必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮f(xié)議才能與外設(shè)達(dá)成通信的協(xié)議，以執(zhí)行各項(xiàng)命令。如圖2 -4顯示了PC主機(jī)如何與設(shè)備執(zhí)行通信協(xié)議.從圖中可以看到在USB 總線上執(zhí)行通信協(xié)議的荃

18、本單位就是最下層的數(shù)據(jù)域。幾個不同型式的數(shù)據(jù)域可以組合成一個分組，有1個、2個或3個不同型式的分組又可以組成一個數(shù)據(jù)交易。因此，對高速設(shè)備而言，在lms的幀內(nèi)可能包含各個設(shè)備所提交的數(shù)據(jù)交易，這些數(shù)據(jù)交易則可能涵蓋于不同的客戶端驅(qū)動程序所啟動的輸出入要求分組中，圖中只顯示了2個客戶端的驅(qū)動程序。 由上可知，要了解所有的通信協(xié)議就需要從數(shù)據(jù)域來談起。通過由下而上的順序，可以從最基本的通信協(xié)議單位組合成各種復(fù)雜的通信協(xié)議。2.7.1 組成USB包的數(shù)據(jù)域根據(jù)不同的令牌包的類型，含有不同數(shù)量與類型的數(shù)據(jù)域。以下將依序介紹各種數(shù)據(jù)域的規(guī)格和結(jié)構(gòu)。USB的傳輸順序是由LSB(最低位)到MSB(最高位)。 1.同步順序(SYNC)數(shù)據(jù)域SYNC數(shù)據(jù)域的長度的定義為8bit，是一個數(shù)據(jù)分組的前導(dǎo)，是用來產(chǎn)生同步的作用，所以它的數(shù)值是固定的，為00000001。2.包標(biāo)示符(PID)數(shù)據(jù)域一個 PID包括一個4bit的分組類型域和一個4bit的校驗(yàn)域，如圖2-4示.PID緊跟在SYNC后面，用來指出數(shù)據(jù)分組的類型，并且可以據(jù)此推斷出分組格式和分組所應(yīng)用的檢錯方式。 圖2-5 PID格式主機(jī)和所有的功能設(shè)備必須能對所有接收到的PID域進(jìn)行完整的解碼。如果任意一個接收到的PID的檢驗(yàn)域出現(xiàn)錯誤或者其解碼后為一個未定義的值，就認(rèn)為其受到了破壞。那么該P(yáng)ID 及分