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1、第 7 章 USB通用串行总线7.1 USB概述 问题的提出：外设与CUP的连接存在接口标准各自独立、互 不兼容、无法共享的连接头问题，并且安装、配 置麻烦。 解决基本思路:采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相 应的软件，实现资源共享和外设简单快速连接， 提供设备共享接口来解决PC机与外部设备连接的 通用性。1.针对这一问题的解决，以Intel公司为主，并 有Compaq、Microsoft、IBM 、DEC、NEC等公 司共同开发，提出了USB通用外设接口标准。 USB（Universal Serial Bus）的中文含义是通用 串行总线.2.于1994年11月制定了第一个草案，1996
2、年2月 公布了USB1.0版本，目前，已发展到2.0版.3.1997年，微软在Windows97中开始外挂模块形 式提供对USB的支持，1998后，随着Windows98 中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备 日益增多，USB 逐渐流行起来。USB的主要优点： 速度快USB1.1: 有全速和低速两种方式，主模式为全 速模式，速率为12Mbps，另外为了适应一些不需 要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等， USB还提供低速方式，速率为1.5Mbps。USB2.0: 2000年9月推出的USB2.0协议将使其 速率达到480Mbps，它非常适用于一些视频输入/ 输出产品，并很有可能替
3、代SCSI接口标准。 设备安装和配置容易安装USB设备不必再打开机箱，所有USB设备支 持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了 过去的跳线和拨码开关设置。 实现成本低USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成 本的外设。 易于扩展通过使用Hub扩展可驳接多达127个外设。标准USB电 缆长度为3米（低速为5米）。通过Hub或中继器可以 使外设距离达到30米。 使用灵活USB共有4种传输模式：控制传输（control）、同步传 输（Synchronization）、中断传输（interrupt）、块 传输（bulk），以适应不同设备的需要。 能够采用总线供电USB工作在5V电压下，总
4、线提供最大达500mA电流。7.1.2 USB的设计目标及特点 设计准则：1）易于扩充 2）协议灵活 3）支持音频/视频等实时数据的传输 4）提供价格低廉的标准接口 USB的特点： 1）速度快 2）设备安装和配置容易 3）易于扩展 4）使用灵活 5）可总线供电 6）成本低7.1.3 USB的物理接口和电气特性1、接口信号线USB总线（电缆）包含4根信号线，用以传送信号和提供电源。 其中，D+和D-为信号线，传送信号，是一对双绞线；Vbus和GND是电源线，提供电源。USB接口插头（座）也比较简单，只有4芯。VBus D+ D- GNDVBus D+ D- GND(a)VBus D+GNDVBu
5、s D+ D- GNDUSB设备 1.5K 3.03.6VD+D-USB2944 在满速传输时外接电阻的连接当设备在满速传输时:要求接1.5K 5%的上拉电 阻，并且在D+和D-线上分别 接入串联电阻，其阻值为 2944，2、电气特性 n USB主机或根Hub对设备提供的对地电源电压为 4.755.25V。设备能吸入的最大电流值为500mA 。 n USB设备的电源供给有两种方式：自给方式（ 设备自带电源）和总线供给方式。USB Hub是 前一种方式。 n USB主机有一个独立于USB的电源管理系统（ APM）。USB系统软件通过与主机电源管理系统 交互来处理诸如挂起、唤醒等电源事件。USB设
6、备连接原理： USB的输出 . 差分驱动，支持半双工方式 . 电缆阻抗范围： 76.5 103.5 . 驱动器输出阻抗匹配电阻：28 44. 所有USB设备的上游端口，按设备的最高速定义。 USB的接收 . 差分接收7.1.4 USB信号的定义包开始数据线线从闲闲置状态态跳变变到K 态态包结结束SE0态态保持2位的传输时间传输时间 后之后， 保持1位传输时间传输时间 的J态态。SE0态态保持2位的传输时间传输时间 后之 后， 保持1位传输时间传输时间 的J态态。断开SE0 保持SE0态态持续续2.5us以 上SE0 保持SE0态态持续续2.5us以上连连接闲闲置状态态持续时间续时间 2ms闲闲
7、置状态态持续时间续时间 2.5us复位D+和D-2.8v的持续时间续时间 10msD+和D-0.3v的持续时间续时间 2.5us7.1.5 数据的编码与解码 NRZI的编码方法不需独立的时钟信号 和数据一起发送，电平跳变代表“0”，没有电 平跳变代表“1”。在数据被编码前，在数据流 中每6个连续的“1”后插入1个“0”，从而强迫 NRZI码发生变化，接收端必须去掉这个插入 的“0”。例：SyncPacker0 0 0 0 0 0 011 1 1 1 1 1 1 1 1 1 01SyncPacker0 0 0 0 0 0 011 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 01源码位插入 SyncP
8、ackerNRZI7.2.1 USB系统拓扑结构USB协议定义了在USB系统中Host与USB设备之间 的连接和通信，其物理拓扑结构如图所示。第二层第三层第四层Host宿主HublHub2NodeNodeHub3Hub4NodeNodeNodeNodeNodeNodeUSB系统拓扑结构示意图第一层HUBNodeNodeNode复合设备设备1设备2设备3总线的拓扑结构HostRoot HUBRoot HUBPC微机的USB拓扑结构中，USB设备具体连接方式如 12.23所示。键盘显示器USB主机光笔鼠标音箱麦克风电话集线器集线器 图12.23 USB设备具体连接方式7.2.2 USB主机USB逻
9、辑设备管道端点通信流缓冲区主机 客户软件1.数据和控制信号在主机和USB设备 间的交换存在两种管道：单向和双 向。 2.USB的数据传送是在主机软件和一 个USB设备的指定端口之间。这种 主机软件和USB设备的端口间的联 系称作管道。 3.各管道之间的数据流动是相互独立 的。一个指定的USB设备可有许多 管道。发送数据的管道和接收数据 的管道。 USB主机USB设备1. USB主机/设备的 简单模型: 2. USB主机n USB主机是一个带有USB主控制器的PC机，在USB 系统中，只有1个主机，它是USB系统的主控者。 n USB主控制器/根Hub(USB Host Controller/R
10、oot Hub)分别完成对传输的初始化和设备的接入。主 机控制器负责产生由主机软件高度的传输，然后 再传给根Hub。Host Root HUB1. 帧产生USB系统采用帧同步传输。. 控制器将总线时间化分为帧，每帧持续时间： 1ms. 每1ms都以SOF（StartOf-Frame）令牌开始， 标识新的一帧开始。. SOF以广播的方式，发到所有的全速设备，每隔 1ms发送一次。. 在帧结束间隔区（EOF）间内，所有的传输都被 禁止或暂停。. 高速微帧的持续时间为125us，每1ms内可产生8 个微帧SOF令牌。USB主机控制器的主要功能： 一个USB设备连上以后，系统软件将获得他的设备描述 符
11、，USB系统软件将根据设备描述符对各个设备分配带 宽！ USB是基于这样一种方式的，他们以1mS的时间片为单位 来进行数据传输。每个USB设备在这个时间片里将分的 一定的带宽！USB Frames1.USB defines a full-speed 1 ms frame time indicated by a Start Of Frame (SOF) packet each and every 1ms period with defined jitter tolerances. 2.USB also defines a high-speed microframe with a 125 s fr
12、ame time with related jitter tolerances. SOF packets are generated (by the host controller or hub transaction translator) every 1ms for full-speed links. SOF packets are also generated after the next seven 125 s periods for high-speed links.USB Frames and Microframes2. 传输差错控制. 超时错。目标端口没有反应。. 协议错。位插入
13、错（出现连续7个“1”），无效握手包，错误的包标志等。. 数据丢失错或无效传输错。传输时间超过EOF(1ms)、CRC校验错等。对于批传输、命令传输和中断传输，上述各类型 的错误出现3次后，终止传输。同步传输则不受此限 制。3. 状态处理控制器负责管理和报告USB系统的各种状态，状 态处理器负责对状态信息做处理，使主机控制器与 设备之间的状态保持一致。4. 串行化与反串行化. 输出数据。主机控制器将协议信息与原始数据信 息转换为串行数据流。. 输入数据。主机控制器将串行数据流还原为协议 信息与原始数据信息。. 串行接口引擎（STE）负责传输过程中的串行化 与反串行化工作。 5. 数据处理. 主
14、机控制器负责处理主机输入/输出数据的请求。. 数据传输的格式取决于系统的具体实现，并符合 USB协议的要求。 站在用户的角度，主机控制器具有的功能：. 检测USB设备的插入和拔出。. 管理主机与设备的数据流。. 对设备进行必要的控制。. 收集/处理各种状态信息。. 给设备供电。7.2.3 USB设备1.USB设备USB设备分成HUB、功能设备两种。(1) USB HUBn是USB实现即插即用的一个关键部分。每个USB hub有 一个面向主机的端口，称为上游端口（Upstream Port） ；同时还有几个用于和下端USB设备连接的端口，称为 下游端口（Downstream Port）。nHUB
15、可以检测到下游端口是否有设备插入，同时也可以 禁用某一个或某几个下游端口。每个下游端口可自由连 接全速或低速设备。USB集线器的结构图: 上游 端口下游 端口HUB功能: 一个USB集线器由控制器（Controller）和中继 器(Repeater) 两部分组成。 中继器是一个上游端口和下游端口之间的开关 (Switch)，由协议控制 它能由硬件产生复位（Reset），休眠（ Suspend）和恢复（Resume）信号。控制器提 供接口寄存器，用于和主机通信。 根据集线器特定的状态，主机使用一定的控制 命令可对集线器进行配置，检查各端口并对它 们进行控制。 功能设备能在总线上发送和接收数据或控
16、制信 息，它是完成某项具体功能的硬件设备，如鼠 标、键盘等。 每个设备中有一个或多个逻辑连接点，称为端 点（Endpoint）。端点在硬件上其实是一个有 一定深度的FIFO。 端点和主机共有四种形式的数据传输类型，在 设备配置时每个端点指明它与主机进行何种类 型的传输。 所有设备都有一个端点0，主机与它通信，对 设备进行配置和基本的控制。(2) 功能设备1.客户软件(client software)：为一个特定的USB设备而在主机上运行的 软件。这种软件由USB设备的提供者提供，或由操作系统提供。 2.USB系统软件(USB system software)：此软件用于在特定的操作系统 中支持USB，它由操作系统提供。与具体的USB设备无关，也独立于 客户软件。 3.USB主机控制器(USB Host Controller):
