嵌入式課程講義

1第八講USB串行總線一、USB產(chǎn)生的背景二、USB電氣特性三、USB系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)四、USB數(shù)據(jù)傳輸類型與原理五、USB即插即用的實(shí)現(xiàn)

2一.USB產(chǎn)生的背景傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口:占用系統(tǒng)資源嚴(yán)重,每種設(shè)備都要占用固定的內(nèi)存地址,IO,IRG等;不可熱插拔;擴(kuò)展受限(插槽數(shù)有限);硬軟件手動(dòng)配置,存在潛在沖突;不同設(shè)備使用的接口不可共享;連接電纜不可共享;UniversalSerialBus(通用串行總線)主要優(yōu)點(diǎn):Host控制器直接與PCI總線相連,提高了系統(tǒng)的性能;2.即插即用,無(wú)需手動(dòng)設(shè)置地址,中斷;3.熱插拔,設(shè)備不需要重新啟動(dòng)便可以工作;4.易于擴(kuò)展,理論上可連接多達(dá)127個(gè)設(shè)備;傳輸率較高;接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,端口供電,不同設(shè)備之間基本可以共享接口電纜;3第八講USB串行總線一、USB產(chǎn)生的背景二、USB電氣特性三、USB系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)四、USB數(shù)據(jù)傳輸類型與原理五、USB即插即用的實(shí)現(xiàn)

4USB傳輸信號(hào)和電源是通過(guò)一種四線的電纜,兩根線是用于發(fā)送信號(hào).二.USB電氣特性全速設(shè)備連接低速設(shè)備連接低速設(shè)備全速設(shè)備高速設(shè)備交互設(shè)備10~20kbps電話,通信終端500kbps~10mbps視頻,磁盤25~500Mbps鍵盤.鼠標(biāo)ISBN,PBX音視頻,磁盤5第八講USB串行總線一、USB產(chǎn)生的背景二、USB電氣特性三、USB系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)四、USB數(shù)據(jù)傳輸類型與原理五、USB即插即用的實(shí)現(xiàn)

6三.USB系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Host:USB主控制器Device:USB設(shè)備Hub:USBHub1.節(jié)點(diǎn)：每個(gè)設(shè)備內(nèi)有一個(gè)或多個(gè)邏輯連接點(diǎn)，稱為節(jié)點(diǎn)。2.接口：一個(gè)設(shè)備對(duì)主機(jī)表現(xiàn)為一組合適的節(jié)點(diǎn)，一組相關(guān)的節(jié)點(diǎn)稱為一個(gè)接口。有多個(gè)接口的設(shè)備稱為組合設(shè)備。3.配置：設(shè)備可以有多組接口，每一組稱為一個(gè)配置，一次只能有一個(gè)配置是活動(dòng)的。但是，當(dāng)前配置中的所有接口（和它們的節(jié)點(diǎn)）可以同時(shí)是活動(dòng)的。大多數(shù)設(shè)備只有一個(gè)配置和一個(gè)接口。當(dāng)一個(gè)設(shè)備第一次插入系統(tǒng)時(shí)，

Windows提示用戶選擇合適的配置。4.管道：在USB中，傳輸是在USB設(shè)備的某一具節(jié)點(diǎn)和主機(jī)軟件之間進(jìn)行的，這個(gè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)就稱為管道，即為設(shè)備的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?。管道有兩種：流管道和消息管道。7第八講USB串行總線一、USB產(chǎn)生的背景二、USB電氣特性三、USB系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)四、USB數(shù)據(jù)傳輸類型與原理五、USB即插即用的實(shí)現(xiàn)

8三.USB數(shù)據(jù)傳輸類型占用預(yù)先分配的帶寬，實(shí)時(shí)傳輸。對(duì)于同步傳輸管道，帶寬的要求與設(shè)備的采樣率有關(guān)，時(shí)延的要求與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩沖大小有關(guān)。為保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，在傳輸過(guò)程中的一些誤碼是不被糾正的（如不進(jìn)行重試等），則實(shí)際上USB的傳輸錯(cuò)誤率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成問(wèn)題?？刂苽鬏旑愋陀糜趥鬏斂刂菩畔?，如：在連接時(shí)配置設(shè)備，控制其它管道的狀態(tài)以及完成一些設(shè)備自定的用途。塊數(shù)據(jù)傳輸類型用于傳輸相對(duì)比較大的和突發(fā)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)，一般這種傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)范圍比較寬。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎布渝e(cuò)誤檢測(cè)來(lái)保證，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可進(jìn)行重復(fù)發(fā)包送。塊傳輸是連續(xù)的，它的帶寬占用依據(jù)其它USB設(shè)備的使用情況而不同。這種傳輸類型一般用于打印機(jī)、掃描儀等。中斷數(shù)據(jù)傳輸類型數(shù)據(jù)量小，延遲短，通常用于傳輸設(shè)備反饋回計(jì)算機(jī)的字符和坐標(biāo)信息，多用于人機(jī)交互設(shè)備，如鼠標(biāo)，鍵盤、游戲桿等。同步數(shù)據(jù)傳輸類型9三.USB數(shù)據(jù)傳輸原理USB主控制器要保證所有連接到的數(shù)量不同,傳輸方式不同的設(shè)備能夠同時(shí)正常工作,那么主控制器到底如何與這些設(shè)備進(jìn)行通信呢?USB主控制器使用間隔為1ms的幀來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,產(chǎn)生1ms的混合傳輸幀.10三.USB數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程在傳送開始時(shí),主機(jī)向設(shè)備發(fā)送描述符請(qǐng)求,設(shè)備向主機(jī)提供各種描述符.主USB控制器發(fā)送一個(gè)描述傳輸動(dòng)作的種類,方向,USB設(shè)備地址和終端號(hào)的USB數(shù)據(jù)包,2.在傳輸開始時(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.3.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.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.1.消息是建立USB協(xié)議中定義好的數(shù)據(jù)格式,主機(jī)和設(shè)備都按這些格式來(lái)交換信息.2.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).3.USB還有一種控制通道.它屬于消息通道,當(dāng)設(shè)備一啟動(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.11第八講USB串行總線一、USB產(chǎn)生的背景二、USB電氣特性三、USB系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)四、USB數(shù)據(jù)傳輸類型與原理五、USB即插即用的實(shí)現(xiàn)12五.USB驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于美國(guó)微軟公司極力推薦的WDM(WindowsDriverModel，Windows驅(qū)動(dòng)程序模型)。WDM采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型，對(duì)于USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，可分為USB總線驅(qū)動(dòng)程序（USB.SYS）和USB功能驅(qū)動(dòng)程序。USB總線驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供，它位于USB功能驅(qū)動(dòng)程序的下面，負(fù)責(zé)與實(shí)際的硬件打交道，實(shí)現(xiàn)繁瑣的低層通信。

USB功能驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，通過(guò)向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB（USBRequestBlockusb請(qǐng)求塊）的IRP（I/0RequestPacket,I/O請(qǐng)求包），來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送或接收。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成：鏈接庫(kù)程序和應(yīng)用程序。鏈接庫(kù)負(fù)責(zé)與USB功能驅(qū)動(dòng)程序通信并接受應(yīng)用程序的各種操作請(qǐng)求，而應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析處理。13五.USB驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

描述符的概念

USB設(shè)備硬件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為描述符，可以被主機(jī)軟件識(shí)別。每個(gè)描述符開始于一個(gè)兩字節(jié)的頭，頭中指出描述符的字節(jié)長(zhǎng)度（包含頭）和描述符類型。描述符的長(zhǎng)度對(duì)于相同的描述符類型是固定的，即所有給定類型的描述符長(zhǎng)度相同。在描述符頭中保存明確的長(zhǎng)度便于描述符將來(lái)的擴(kuò)展。設(shè)備描述符每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的設(shè)備描述符，它向主機(jī)軟件標(biāo)識(shí)該設(shè)備。主機(jī)使用GET_DESCRIPTOR控制事物直接從設(shè)備的0號(hào)端點(diǎn)讀取該描述符。14五.USB即插即