USB接口通信原理

USB接口通信原理摘要：由于多媒體技術(shù)的發(fā)展對(duì)外設(shè)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸率有了更高的需求， 因此，USB總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從 1994年11月11日發(fā)表了 USBV0.7版本以后， USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展為 3.1版本，成為二十一世紀(jì)電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。 本次報(bào)告將討論USB接口的結(jié)構(gòu)以及 USB接口的數(shù)據(jù)通信的過(guò)程。關(guān)鍵詞： USB；接口；通信隨著計(jì)算機(jī)硬件飛速發(fā)展，外圍設(shè)備日益增多，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、掃描儀早已為人所共知，數(shù)碼相機(jī)、 MP3隨身聽(tīng)接踵而至，這么多的設(shè)備，如何接入個(gè)人計(jì)算機(jī)？ USB就是基于這個(gè)目的產(chǎn)生的。 US(BUniversalSerialBus)，翻譯為中文就是通用串行總線(xiàn)， 是由 Conpaq，DEC，IBM，Inter，Microsoft，NEC和 NorthenTelecom等公司為簡(jiǎn)化 PC與外設(shè)之間的互連而共同研究開(kāi)發(fā)的一種免費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)化連接器，它支持各種 PC與外設(shè)之間的連接，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體集成。當(dāng)前主板中主要是采用 USB1.1和 USB2.0，各 USB版本間能很好的兼容。USB的結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)：USB采用四線(xiàn)電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游( Downstream)設(shè)備提供電源，對(duì)于高速且需要高帶寬的外設(shè)， USB以全速12Mbps的傳輸數(shù)據(jù)；對(duì)于低速外設(shè)， USB則以 1.5Mbps的傳輸速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。USB總線(xiàn)會(huì)根據(jù)外設(shè)情況在兩種傳輸模式中自動(dòng)地動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。 USB是基于令牌的總線(xiàn)。類(lèi)似于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)或 FDDI基于令牌的總線(xiàn)。 USB主控制器廣播令牌， 總線(xiàn)上設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符， 通過(guò)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)來(lái)響應(yīng)。 USB通過(guò)支持懸掛 /恢復(fù)操作來(lái)管理 USB總線(xiàn)電源。USB系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)星型拓?fù)洌撏負(fù)溆扇齻€(gè)基本部分組成：主機(jī)( Host)，集線(xiàn)器( Hub)和功能設(shè)備。主機(jī)，也稱(chēng)為根，根結(jié)或根 Hub，它做在主板上或作為適配卡安裝在計(jì)算機(jī)上，主機(jī)包含有主控制器和根集線(xiàn)器( RootHub)，控制著 USB總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)和控制信息的流動(dòng)，每個(gè) USB系統(tǒng)只能有一個(gè)根集線(xiàn)器，它連接在主控制器上。集線(xiàn)器是 USB結(jié)構(gòu)中的特定成分， 它提供叫做端口 （Port）的點(diǎn)將設(shè)備連接TOC\o"1-5"\h\z到USB總線(xiàn)上， 同時(shí)檢測(cè)連接在總線(xiàn)上的設(shè)備， 并為這些設(shè)備提供電源管理， 負(fù)責(zé)總線(xiàn)的故障檢測(cè)和恢復(fù)。 集線(xiàn)可為總線(xiàn)提供能源， 亦可為自身提供能源 （從外部得到電源） ，自身提供能源的設(shè)備可插入總線(xiàn)提供能源的集線(xiàn)器中， 但總線(xiàn)提供能源的設(shè)備不能插入自身提供能源的集線(xiàn)器或支持超過(guò)四個(gè)的下游端口中， 如總線(xiàn)提供能源設(shè)備的需要超過(guò) 100mA電源時(shí)， 不能同總線(xiàn)提供電源的集線(xiàn)器連接。功能設(shè)備通過(guò)端口與總線(xiàn)連接。 USB同時(shí)可做 Hub使用。軟件結(jié)構(gòu)：每個(gè) USB只有一個(gè)主機(jī)，它包括以下幾層 :（1）USB總線(xiàn)接口USB總線(xiàn)接口處理電氣層與協(xié)議層的互連。從互連的角度來(lái)看，相似的總線(xiàn)接口由設(shè)備及主機(jī)同時(shí)給出，例如串行接口機(jī)（ SIE）。 USB總線(xiàn)接口由主控制器實(shí)現(xiàn)。（2）USB系統(tǒng)USB系統(tǒng)用主控制器管理主機(jī)與 USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。 它與主控制器間的接口依賴(lài)于主控制器的硬件定義。同時(shí)， USB系統(tǒng)也負(fù)責(zé)管理 USB資源，例如帶寬和總線(xiàn)能量，這使客戶(hù)訪(fǎng)問(wèn) USB成為可能。 USB系統(tǒng)還有三個(gè)基本組件：主控制器驅(qū)動(dòng)程序（ HCD）：這可把不同主控制器設(shè)備映射到 USB系統(tǒng)中。HCD與USB之間的接口叫 HCD，特定的I HCDI由支持不同主控制器的操作系統(tǒng)定義，通用主控制器驅(qū)動(dòng)器（ UHC）處于軟結(jié)構(gòu)的最底層，由它來(lái)管理和控制主控D制器。 UHCD實(shí)現(xiàn)了與 USB主控制器通信和控制 USB主控制器，并且它對(duì)系統(tǒng)軟件的其他部分是隱蔽的。系統(tǒng)軟件中的最高層通過(guò) UHCD的軟件接口與主控制器通信。USB驅(qū)動(dòng)程序（ USBD）：它在 UHCD驅(qū)動(dòng)器之上，它提供驅(qū)動(dòng)器級(jí)的接口，滿(mǎn)足現(xiàn)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求。 USBD以I/O請(qǐng)求包（IRPs）的形式提供數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)，它由通過(guò)特定管道（ Pipe）傳輸數(shù)據(jù)的需求組成。此外， USBD使客戶(hù)端出現(xiàn)設(shè)備的一個(gè)抽象，以便于抽象和管理。作為抽象的一部分， USBD擁有缺省的管道。通過(guò)它可以訪(fǎng)問(wèn)所有的 USB設(shè)備以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的 USB控制。 該缺省管道描述了一條 USBD和USB設(shè)備間通信的邏輯通道。主機(jī)軟件： 它在某些操作系統(tǒng)中， 沒(méi)有提供 USB系統(tǒng)軟件。 這些軟件本來(lái)是用于向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供配置信息和裝載結(jié)構(gòu)的。 在這些操作系統(tǒng)中， 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)用提供的接口而不是直接訪(fǎng)問(wèn) USBD(IUSB驅(qū)動(dòng)程序接口)結(jié)構(gòu)。3)USB客戶(hù)軟件它是位于軟件結(jié)構(gòu)的最高層， 負(fù)責(zé)處理特定 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。 客戶(hù)程序?qū)用枋鏊兄苯幼饔糜谠O(shè)備的軟件入口。 當(dāng)設(shè)備被系統(tǒng)檢測(cè)到后， 這些客戶(hù)程序?qū)⒅苯幼饔糜谕鈬布?。這個(gè)共享的特性將 USB系統(tǒng)軟件置于客戶(hù)和它的設(shè)備之間，這就要根據(jù) USBD在客戶(hù)端形成的設(shè)備映像由客戶(hù)程序?qū)λM(jìn)行處理。主機(jī)各層有以下功能：檢測(cè)連接和移去的 USB設(shè)備。 管理主機(jī)和 USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)流。 連接 USB狀態(tài)和活動(dòng)統(tǒng)計(jì)。 控制主控制器和 USB設(shè)備間的電氣接口，包括限量能量供應(yīng)。HCD提供了主控制器的抽象和通過(guò) USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的主控制器視角的一個(gè)抽象。 USBD提供了 USB設(shè)備的抽象和 USBD客戶(hù)與 USB功能間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)抽象。USB系統(tǒng)促進(jìn)客戶(hù)和功能間的數(shù)據(jù)傳輸， 并作為 USB設(shè)備的規(guī)范接口的一個(gè)控制點(diǎn)。 USB系統(tǒng)提供緩沖區(qū)管理能力并允許數(shù)據(jù)傳輸同步于客戶(hù)和功能的需求。USB版本比較USB1.1USB最初是由英特爾與微軟公司倡導(dǎo)發(fā)起， 其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔和即插即用。當(dāng)設(shè)備插入時(shí)，主機(jī)偵測(cè) 此設(shè)備并加載所需的驅(qū)動(dòng)程式，因此使用遠(yuǎn)比PCI和ISA總線(xiàn)方便。 第一次是于 1995年，由Intel、IBM、Compa、qMicrosoft、NEC、Digital、NorthTelecom等七家公司組成的 USBIF(USBImplementForum)共同提出， USBIF于1996年1月正式提出 USB1.0規(guī)格，頻寬為 12Mbps.不過(guò)因?yàn)楫?dāng)時(shí)支持 USB的周邊裝置少的可憐，所以主機(jī)板商不太把 USBPort直接設(shè)計(jì)在主機(jī)板上。 1998年9月，USBIF提出 USB1.1規(guī)范來(lái)修正 USB1.0，主要修正了技術(shù)上的小細(xì)節(jié)， 但傳輸?shù)牡念l寬不變， 仍為 12Mbps。USB1.1向下兼容于 USB1.0，因此對(duì)于一般使用者而言，并感受不到 USB1.1與USB1.0的規(guī)范差異。 USB1.1的最高傳輸速率為 12Mbps，即 USB2.0標(biāo)準(zhǔn)中的 "Full-SpeedUSB"，一些廠(chǎng)商將其產(chǎn)品標(biāo)為"USB2.0Full-Speed"。"全速(Full-Speed)"與高速"高速(High-Speed)"不同，真正的 USB2.0High-Speed最高傳輸速率是 480Mbps。USB2.0這里有必要先說(shuō)清楚一下 USB2.0規(guī)范的由來(lái)。 USB2.0技術(shù)規(guī)范是有由Compa、qHewlettPackard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC、Philips共同制定發(fā)布的，把外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸速度提高到了 480Mbps，是 USB1.1設(shè)備的40倍！但按照原定計(jì)劃新的 USB2.0標(biāo)準(zhǔn)只是準(zhǔn)備把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定在 240Mbps，后來(lái)，經(jīng)過(guò)努力將它提高到了 480Mbps。由于2000年制訂的標(biāo)準(zhǔn)有了變化， USB規(guī)范就產(chǎn)生了三種速度選擇： 480Mbps、12Mbps、1.5Mbps。而 2003年6月份，當(dāng) USB2.0標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始逐漸深入人心之后，USB協(xié)會(huì)重新命名了 USB的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)， 也許當(dāng)時(shí) USB協(xié)會(huì)的舉措只是為了更好的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而不至于混亂， 但也許 USB協(xié)會(huì)沒(méi)想到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給閃存盤(pán)和 MP3市場(chǎng)造成一個(gè)混亂的局面。重新命名了 USB標(biāo)準(zhǔn)將原先的 USB1.1改成了USB2.0FullSpeed（全速版），同時(shí)將原有的 USB2.0改成了USB2.0High-Speed（高速版），并同時(shí)公布了新的標(biāo)識(shí)。 不言而喻， 高速版的 USB2.0速度當(dāng)然超過(guò)全速版的 USB2.0。用戶(hù)的需求， 是促進(jìn)科技發(fā)展的動(dòng)力， 廠(chǎng)商也同樣認(rèn)識(shí)到了這個(gè)瓶頸。 這時(shí)，COMPA、QHewlettPackard、Intel、Lucent、Microsoft、NEC和PHILIPS這7家廠(chǎng)商聯(lián)合制定了 USB2.0接口標(biāo)準(zhǔn)。 USB2.0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了 480Mbps，比 USB1.1標(biāo)準(zhǔn)快四十倍左右，速度的提高對(duì)于用戶(hù)的最大好處就是意味著用戶(hù)可以使用到更高效的外部設(shè)備， 而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以被連接到 USB2.0的線(xiàn)路上，而且無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生瓶頸效應(yīng)。USB3.0英特爾公司（ Intel）和業(yè)界領(lǐng)先的公司一起攜手組建了 USB3.0推廣組，旨在開(kāi)發(fā)速度超過(guò)當(dāng)今 10倍的超高效 USB互聯(lián)技術(shù)。該技術(shù)是由英特爾，以及惠普（ HP）、 NEC、NXP半導(dǎo)體以及德州儀器（ TexasInstruments）等公司共同開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用領(lǐng)域包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、 消費(fèi)及移動(dòng)類(lèi)產(chǎn)品的快速同步即時(shí)傳輸。 隨著數(shù)字媒體的日益普及以及傳輸文件的不斷增大——甚至超過(guò) 25GB，快速同步即時(shí)傳輸已經(jīng)成為必要的性能需求。USB3.0具有后向兼容標(biāo)準(zhǔn)， 并兼具傳統(tǒng) USB技術(shù)的易用性和即插即用功能。該技術(shù)的目標(biāo)是推出比當(dāng)前連接水平快 10倍以上的產(chǎn)品，采用與有線(xiàn) USB相同的架構(gòu)。除對(duì) USB3.0規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更低的能耗和更高的協(xié)議效率之外，USB3.0的端口和線(xiàn)纜能夠?qū)崿F(xiàn)向后兼容，以及支持未來(lái)的光纖傳輸?！皬倪壿嬌险f(shuō) USB3.0將成為下一代最普及的個(gè)人電腦有線(xiàn)互聯(lián)方式”，英特爾技術(shù)戰(zhàn)略師 JeffRavencraft說(shuō)道，“數(shù)字時(shí)代需要高速的性能和可靠的互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)日常生活中龐大數(shù)據(jù)量的傳輸。 USB3.0可以很好地應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，并繼續(xù)提供用戶(hù)已習(xí)慣并繼續(xù)期待的 USB易用性體驗(yàn)?！盪SB接口的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程USB接口中的＋ 5V電源不但可以為外接設(shè)置提供小電流供應(yīng)， 并且還起著檢測(cè)功能。當(dāng)USB設(shè)置插入 USB接口后， 主機(jī)的＋5V電源就會(huì)通過(guò) USB邊線(xiàn)與 USB設(shè)備相通。 USB外設(shè)的控制芯片會(huì)通過(guò)兩只 10K的電阻來(lái)檢查 USB設(shè)備是否接入了主機(jī)的 USB端口。如果這兩個(gè)引腳一個(gè)為高電平，一個(gè)為低電平時(shí)就表示 USB外設(shè)已經(jīng)正常確連入 USB接口， 這時(shí)外設(shè)的控制芯片開(kāi)始工作， 并通過(guò) DATA＋，DATA－向外送出數(shù)據(jù)。 這時(shí)主機(jī)接收數(shù)據(jù)后， 就會(huì)提示發(fā)現(xiàn)新硬件， 并開(kāi)始安裝新硬件驅(qū)動(dòng)。 在USB外設(shè)向外送出數(shù)據(jù)時(shí)， 其中就包括設(shè)備自身的設(shè)備名及型號(hào)等相關(guān)參數(shù)， 主機(jī)就是根據(jù)這些信息在顯示器上顯示出所發(fā)現(xiàn)的新硬件的名稱(chēng)型號(hào)的。主控制器負(fù)責(zé)主機(jī)和 USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。 這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)作連續(xù)的比特流。每個(gè)設(shè)備提供了一個(gè)或多個(gè)可以與客戶(hù)程序通信的接口，每個(gè)接口由 0個(gè)或多個(gè)管道組成，它們分別獨(dú)立地在客戶(hù)程序和設(shè)備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機(jī)軟件的現(xiàn)實(shí)需求建立了接口和管道，當(dāng)提出配置請(qǐng)求時(shí)，主控制器根據(jù)主機(jī)軟件提供的參數(shù)提供服務(wù)。USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸及數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應(yīng)用到具有相同名字的終端，則具有不同的性質(zhì)?？刂苽鬏旑?lèi)型：支持外設(shè)與主機(jī)之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道。 每種外設(shè)都支持控制傳輸類(lèi)型， 這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令 /狀態(tài)信息。等時(shí)(lsochronous)傳輸類(lèi)型 (或稱(chēng)同步傳輸 )：支持有周期性，有限的時(shí)延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。該類(lèi)型無(wú)差錯(cuò)校驗(yàn)，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，