USB 2.0SPEC

1、USB 2.0 SPEC USB 2.0 Motivation The original motivation for the Universal Serial Bus (USB) came from three interrelated considerations(Intel公司開發(fā)的通用串行總線架 構(gòu)(USB)的目的主要基于以下三方面考慮): Connection of the PC to the telephone (計(jì)算計(jì)算 機(jī)與電話之間的連接機(jī)與電話之間的連接) Ease-of-use(易用性易用性) Port expansion(端口擴(kuò)充端口擴(kuò)充) Goals for the U

2、niversal Serial Bus 設(shè)計(jì)USB的目標(biāo)就是使不同廠家所生產(chǎn)的設(shè)備可以在 一個(gè)開放的體系下廣泛的使用。USB 2.0 SPEC改進(jìn)了 便攜商務(wù)或家用電腦的現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為系統(tǒng)生 產(chǎn)商和外設(shè)開發(fā)商提供了足夠的空間來創(chuàng)造多功能的 產(chǎn)品和開發(fā)廣闊的市場，并不必使用陳舊的接口，害 怕失去兼容性。 USB 2.0 簡介 USB2.0是一種擴(kuò)展的pc結(jié)構(gòu)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其重點(diǎn)是pc外設(shè)。 Usb2.0 速度從usb 1.1上的12Mbps擴(kuò)展到480Mbps,為作為更高性能 pc 補(bǔ)充的下一代外設(shè)提供了連接點(diǎn) 具有usb 功能的設(shè)備是pc行業(yè)內(nèi)增長最快的細(xì)分市場之一 具有usb功能的pc從1

3、996年600萬臺(tái)增長到2002年4.2億臺(tái) （來源microcomputer) 全面向下兼容現(xiàn)有的usb 1.1 spec -公共布線 -所有高速設(shè)備必須支持全速操作 。 簡便易用的連接能力 -被消費(fèi)者認(rèn)可的設(shè)計(jì)（可以帶電熱拔插） USB 2.0 簡介 USB 2.0頻率：240Mhz USB提供了以下速度選擇： 數(shù)據(jù)速率上升時(shí)間 低速1.5Mbps75 to 300ns 全速12Mbps4 to 20 ns 高速480Mbps500ps USB 2.0 簡介 Agenda USB Technology Overview USB System description USB Transfer

4、 Type USB electrical feature USB bus protocol USB power distribution USB 2.0 typical application IC PC Connectivity Vision Telephony, Modem, Keyboard, Mouse, Joystick, Still/ Motion Camera,Digital Audio, Backup Store, Printer, Scanner, Wireless Adapters Architectural Overview - overview of the Unive

5、rsal Serial Bus (USB) architecture and key concepts. The USB is a cable bus that supports data exchange between a host computer and a wide range of simultaneously accessible peripherals. The attached peripherals share USB bandwidth through a host- scheduled, token-based protocol. The bus allows peri

6、pherals to be attached, configured, used, and detached while the host and other peripherals are in operation. USB System Description A USB system include: USB interconnect(USB 連接） -USB interconnect is the manner in which USB devices are connected to and communicate with the host. USB devices (USB設(shè)備)

7、 -USB devices are one of the following: Hubs, which provide additional attachment points to the USB Functions, which provide capabilities to the system, such as an ISDN connection a digital joystick, or speakers USB host(USB主機(jī)) - Hardware and Software USB的互連 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：

8、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； 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； 數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過USB從產(chǎn)生 方到使用方的流動(dòng)方式； USB的調(diào)度：USB提供了一個(gè)共享的連接。對可以 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)先級判別的開銷 USB的設(shè)備的設(shè)備 USB的設(shè)備如下所示: USB HUB(網(wǎng)絡(luò)集線器)，向USB提供 了更多的連接點(diǎn); USB Function(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。 集線器集線器 一個(gè)集線器包括兩部分：集線控制器（Controller）和

9、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)議控制開關(guān)。 而且硬件上支持復(fù)位、掛起、喚醒的信號。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 圖 3 典型集線器 功能部件 一種通過總線進(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

10、，來描述該設(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。 USB的主機(jī) Hardware and Software hardware: -host controller（主機(jī)控制器） 。 software: -USB device driver（USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式） -USB driver(USB驅(qū)動(dòng)程式) -host controller driver(主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程式) USB Data Flow Model Control T

11、ransfers: Bursty, non-periodic, host software-initiated request/response communication,typically used for command/status operations. Isochronous Transfers: Periodic, continuous communication between host and device, typically used for time-relevant information. This transfer type also preserves the

12、concept of time encapsulated in the data. This does not imply, however, that the delivery needs of such data is always time-critical. Interrupt Transfers: Low-frequency, bounded-latency communication. Bulk Transfers: Non-periodic, large-packet bursty communication, typically used for data that can u

13、se any available bandwidth and can also be delayed until bandwidth is available. Control transfer（控制傳輸） Control transfer is be-directional （雙向） -setup stage: the host sent command to the device -data stage :data transfer -status stage: the device sent handshake to the host Isochronous transfer（等時(shí)傳輸）

14、 用于transfer 周期的，連續(xù)的數(shù)據(jù) 可以單向，亦可以雙向 它的feature ；傳輸速率固定時(shí)間性強(qiáng)，忽略傳輸錯(cuò)誤， 即傳輸錯(cuò)誤也不重傳，因?yàn)檫@樣會(huì)影響傳輸速率 傳送的最大數(shù)據(jù)包是1024B/ms 適用于視頻設(shè)備，數(shù)字聲音設(shè)備和數(shù)字相機(jī)等 BULK Transfer (批傳輸） 可以單向，亦可以雙向 用于傳輸大批數(shù)據(jù) 時(shí)間性不強(qiáng)，但要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_ 性，出現(xiàn)錯(cuò)誤，則重傳。 多應(yīng)用于掃描儀，打印機(jī)和靜態(tài)圖片輸 入 Interrupt transfer(中斷數(shù)據(jù)傳輸中斷數(shù)據(jù)傳輸 ) 中斷傳輸?shù)念愋褪莗olling,in full speed ,polling cycle is 1-25

15、5ms,in low speed ,polling cycle is 10-255ms,so 最快的polling frequency is 1kHz 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 中斷傳輸雖然精確指定的傳輸率不必要，但USB必須對交互數(shù)據(jù) 提供一個(gè)反應(yīng)時(shí)間的最低界限 Electrical feature(電氣特性電氣特性 ) USB傳送信號和電源是通過一種四線的電纜 存在兩種數(shù)據(jù)傳輸率： USB的高速信號的比特率定為12Mbps； 低速信號傳送的模式定為1.5Mbps 電纜中包括VBUS、GND

16、二條線，向設(shè)備提供電源 。VBUS使用+5V電源。USB對電纜長 度的要求很寬，最長可為幾米。通過選擇合適的導(dǎo)線長度以匹配指定的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)端口都可檢測終端是否連接或分離，并區(qū)分出高速，或低速設(shè)備 圖3-2USB 的電纜 Bus protocol (總線協(xié)議總線協(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

17、和終 端號的USB數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包通常稱為標(biāo)志包(token 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)。在傳輸開始時(shí)，由標(biāo)志包來標(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) 事務(wù)預(yù)處理允許對一些數(shù)據(jù)流的

18、通道進(jìn)行控制，從而在硬件級上防止了對緩沖區(qū) 的高估或低估，通過發(fā)送不確認(rèn)握手信號從而阻塞了數(shù)據(jù)的傳輸速度。當(dāng)不確認(rèn) 信號發(fā)過后，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。 Power Distribution Each USB segment provides a limited amount of power over the cable. The host supplies power for use by USB devices that are directly c

19、onnected. In addition, any USB device may have its own power supply. USB devices that rely totally on power from the cable are called bus-powered devices. , those that have an alternate source of power are called self- powered devices. USB工作過程 1 當(dāng)USB設(shè)備接到hub上該hub就會(huì)通知主機(jī)發(fā) 生了設(shè)備接入事件設(shè)備進(jìn)入了連接（attached） 狀態(tài)，但

20、此時(shí)hub上與該設(shè)備相連接的端口還 未進(jìn)入使能狀態(tài)，即端口是關(guān)閉的 2 主機(jī)監(jiān)測hub，確認(rèn)設(shè)備的介入事件和接入端 口 3主機(jī)知道了有新設(shè)備介入端口，並將該端口 使能，並傳送一個(gè)重起（reset)命令 4 hub 向端口送一個(gè)持續(xù)100ms的重起信號，當(dāng) 該信號結(jié)束時(shí)，hub提供100mA的電流給設(shè)備， 設(shè)備進(jìn)入上電狀態(tài)，所有的寄存器和狀態(tài)重設(shè)， 並響應(yīng)默認(rèn)地址 5 在USB設(shè)備收到唯一地址前，可以通過設(shè)備 的默認(rèn)地址訪問默認(rèn)管道PIPE(endpoint0所對 應(yīng)的pipe）主機(jī)讀取設(shè)備的描述器來獲得設(shè)備 默認(rèn)管道的最大數(shù)據(jù)傳輸量，這時(shí)設(shè)備處於默 認(rèn)（default)狀態(tài)。 6 主機(jī)給usb

21、設(shè)備分發(fā)一個(gè)唯一的地址，設(shè)備進(jìn) 入地址（address)狀態(tài)。 7 主機(jī)讀取設(shè)備的配置信息 8 主機(jī)以配置信息和usb設(shè)備的用途，向設(shè)備分 發(fā)一個(gè)配置值設(shè)備進(jìn)入配置狀態(tài)所有的端點(diǎn)準(zhǔn) 備就緒可以開始工作，設(shè)備可以使用 Typical Application IC MSI 獨(dú)創(chuàng) PC 2 PC,讓電腦連線上網(wǎng)更加 容易，更加方便。 PC 2 PC 核心IC ：GL620USB-A GL620USB-A Features l Conforms to USB 12Mbps Specification, Version 1.1 l Patented architecture l Single chip

22、solution for host-to-host communication l Network driver (NDIS standard) support running on Windows 98 and Windows 2000 l Support TCP/IP, NetBEUI, IPX/SPX protocols l Up to 8.6Mbps transfer rate l Suitable for mobile and SOHO environment l Tiniest solution in the market 16-pin SOP l On-chip 3.3V out

23、put l 12MHz external clock l Internal power-on reset l Power management support GL620USB-A According to USB protocol, the PC is the host and the device is a slave, where the host initiates all the USB traffic and the slave responds to the hosts requests. In other words, a host cannot talk to another host via USB pro