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(jiǎn)稱，是一種應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)（也越來(lái)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(jiǎn)稱，是一種應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)（也越來(lái)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(jì)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(gè)草案專用于低中速的計(jì)算機(jī)外設(shè)，USB可把多達(dá)127個(gè)外設(shè)同時(shí)連到用戶的系統(tǒng)上，所有的外設(shè)通過(guò)協(xié)議來(lái)共享USB的帶寬，其12Mbps的帶寬對(duì)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(chǎng)

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(chǎng)接受開(kāi)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(jué)得USB的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。特別是在電氣專業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，便攜測(cè)試設(shè)備等方面。1 USB的基本原理1.1 USB協(xié)議概述USB是英文U

4、niversal Serial Bus的簡(jiǎn)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(shí)是進(jìn)行USB項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。USB系統(tǒng)均有主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分，要注意的是由于USB系統(tǒng)是被動(dòng)通信系統(tǒng)，從機(jī)只能被動(dòng)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(chǔ)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(shí)報(bào)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(kāi)發(fā)的步驟，第三部分主要介紹了USB接口芯片CH372的功能

5、和接口電路，普通的USB通信的實(shí)現(xiàn)。整理的資料對(duì)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(méi)有總線操作，設(shè)備就自動(dòng)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(guò)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(hào)為載體傳送二進(jìn)制代碼來(lái)傳輸信號(hào)；數(shù)據(jù)包作為最基本

6、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(jì)方法等。這是USB系統(tǒng)開(kāi)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(duì)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(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)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(jì)。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，GND為

7、地線，這兩根線為下行（downstream）設(shè)備提供電源；D+和D-是差動(dòng)（differential）信號(hào)線，用于串行傳輸U(kuò)SB數(shù)據(jù)。采用差動(dòng)信號(hào)線的目的在于消除傳輸過(guò)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(hào)線是雙絞線，并且需要屏蔽層；而低速電纜的數(shù)據(jù)信號(hào)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(gè)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USB主機(jī)和

8、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(lái)說(shuō)，USB1.1是一個(gè)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(gè)串行總線接口中，而且可以高達(dá)127個(gè)外設(shè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)PC主機(jī)。其中，USB主機(jī)是整個(gè)總線上的主控者掌握所有的主控權(quán)，負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)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(huì)于總線上發(fā)布一種令牌包，此時(shí)一定會(huì)有一個(gè)符合

9、其地址的設(shè)備根據(jù)這個(gè)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(huì)以時(shí)間分隔的多任務(wù)傳輸來(lái)分享它。以實(shí)體的觀點(diǎn)來(lái)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(hào)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(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)。圖 2-22.5數(shù)據(jù)流模式USB對(duì)于與設(shè)備之間的通信提供了特定的協(xié)議。雖然USB系統(tǒng)的

10、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(duì)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(huì)對(duì)通信流有不同的要求。需要不同的客戶來(lái)實(shí)現(xiàn)相互作用。通過(guò)允許將不同的USB功能模塊的不同通信流分離開(kāi)來(lái)，USB提供了更好的整體總線利用率.每一個(gè)通信流都要使用某一總線訪問(wèn)來(lái)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(gè)邏輯通道，也是一個(gè)USB設(shè)備唯一可以確認(rèn)的部分，它

11、是主機(jī)與設(shè)備之間的通信流終點(diǎn).一個(gè)USB邏輯設(shè)備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言就是一個(gè)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(guò)一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)與一個(gè)USB設(shè)備通信。利用設(shè)備的地址和端點(diǎn)號(hào)就可以唯一地指定任一個(gè)端點(diǎn)。管 道 就 是在USB主機(jī)上的一個(gè)軟件功能和一個(gè)USB設(shè)備之間建立的一個(gè)虛連接，是設(shè)備上的一個(gè)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(duì)一個(gè)USB設(shè)備進(jìn)行配置后就會(huì)形成道。一個(gè)客戶軟件通常是通過(guò)向一個(gè)管道發(fā)出IRP請(qǐng)求來(lái)要求發(fā)送數(shù)據(jù)，如果需要的話一個(gè)客戶軟件還可以使管道返回所有未處理的請(qǐng)求。2.6 USB的傳輸類型 針對(duì)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)資源需求的

12、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(duì)傳輸時(shí)間和傳輸速率均無(wú)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)。控制傳輸可用于低速、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(lái)說(shuō)，任何USB設(shè)備都必須在其0號(hào)端點(diǎn)的缺省管道中支持傳輸，USB系統(tǒng)軟件會(huì)使用該管道來(lái)訪問(wèn)USB設(shè)備的，并對(duì)其進(jìn)行配置。從優(yōu)先級(jí)別來(lái)說(shuō)，它是級(jí)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(duì)服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理，

13、以達(dá)到實(shí)時(shí)效果。USB采用差錯(cuò)和重試機(jī)制來(lái)確保中斷傳輸?shù)恼_性?？偟膩?lái)說(shuō)中斷傳輸特別適合于鍵盤、鼠標(biāo)類設(shè)備，因?yàn)閷?duì)于它們，所需處理的事件只是鍵盤按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊和移動(dòng)等，其數(shù)據(jù)量很少，而且用戶不希望在使用鍵盤和無(wú)懈可擊時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)的正確性要求不高，但對(duì)時(shí)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(cuò)誤時(shí)，USB并不處理這些錯(cuò)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(shí)沒(méi)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?duì)于它們，數(shù)

14、據(jù)被及時(shí)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(cuò)控制和重試機(jī)制來(lái)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?duì)于它們，數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)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(wú)傳輸時(shí)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(wú)傳輸時(shí)間要求、傳輸有保證2.7 USB接口的傳輸協(xié)議

15、總的來(lái)說(shuō)，USBI.1 是一個(gè)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(gè)串行總線接口，而且可以高達(dá)127個(gè)外設(shè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)PC主機(jī)。其中，USB主機(jī)是整個(gè)總線上的主控者，掌握所有的主控權(quán)，負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)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(huì)于總線上發(fā)布一種令牌包，此時(shí)一定會(huì)有一個(gè)符合其地址的設(shè)備根據(jù)這個(gè)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(huì)以時(shí)間分隔的多任務(wù)傳輸來(lái)分享它。以實(shí)體的觀點(diǎn)來(lái)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(hào)線(D+與D_)。傳

16、輸協(xié)議：主機(jī)與設(shè)備之間通過(guò)稱為事務(wù)的離散交互進(jìn)行通信；一個(gè)或多個(gè)事務(wù)完成一次傳輸請(qǐng)求。一個(gè)傳輸事務(wù)由若干個(gè)包(packet)組成。包是總線傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)塊，通常由多個(gè)域組成。包僅沿一個(gè)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(shí)，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(hào)級(jí)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(hào)發(fā)生跳變而遇到1時(shí)保持不變；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)7個(gè)1時(shí)插入一個(gè)0比特。另外，所有包以一個(gè)同步域(SYNC)開(kāi)始。該域?yàn)橐粋€(gè)IDLE狀態(tài)后面跟隨以NRZI編碼的二進(jìn)制串“00000001”(數(shù)

17、據(jù)80H)。SYNC域中的最后兩位用于SYNC域的結(jié)束標(biāo)志同時(shí)表示PID域的開(kāi)始。每個(gè)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(gè)比特位的時(shí)間，其后再跟隨1比特時(shí)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(guò)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(gè)總線的主控權(quán)，就是說(shuō)一切的溝通都是由PC主機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)啟動(dòng)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(guò)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)議的荃本單位就

18、是最下層的數(shù)據(jù)域。幾個(gè)不同型式的數(shù)據(jù)域可以組合成一個(gè)分組，有1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)不同型式的分組又可以組成一個(gè)數(shù)據(jù)交易。因此，對(duì)高速設(shè)備而言，在lms的幀內(nèi)可能包含各個(gè)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(dòng)程序所啟動(dòng)的輸出入要求分組中，圖中只顯示了2個(gè)客戶端的驅(qū)動(dòng)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(lái)談起。通過(guò)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(zhǎng)度的定義為8bit，是一個(gè)數(shù)據(jù)分組的前導(dǎo)，是用來(lái)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(gè) PID包括一個(gè)4bit的分組類型域和一個(gè)4bit的校驗(yàn)域，如圖2-4示.PID緊跟在SYNC后面，用來(lái)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(cuò)方式。 圖2-5 PID格式主機(jī)和所有的功能設(shè)備必須能對(duì)所有接收到的PID域進(jìn)行完整的解碼。如果任意一個(gè)接收到的PID的檢驗(yàn)域出現(xiàn)錯(cuò)誤或者其解碼后為一個(gè)未定義的值，就認(rèn)為其受到了破壞。那么該P(yáng)ID 及分