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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):