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1、 二级专业结构辅导：USB系统结构与应用设计一、USB接口背景在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源（如中断，I/O地址，DMA通道等）。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。USB总线是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。USB总线具有低本钱、使用简洁、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上。二、USB总线优缺点1
2、优点（1）使用简洁所用USB系统的接口全都，连线简洁。系统可对设备进展自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。（2）应用范围广USB系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB系统最多可支持127个物理设备。USB设备的带宽可从几Kbps到几Mbps（在USB2.0版本，可达几百Mbps）。一个USB系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的ISDN、语音，高速的磁盘、图像等（仅USB2.0版本支持高速设备）。（3）较强的纠错力量USB系统可实时地治理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误治理、错误恢复等功能，同时依
3、据不同的传输类型来处理传输错误。（4）总线供电USB总线可为连接在其上的设备供应5V电压/100mA电流的供电，可供应500mA的电流。USB设备也可采纳自供电方式。（5）低本钱USB接口电路简洁，易于实现，特殊是低速设备。USB系统接口/电缆也比拟简洁，本钱比串口/并口低。2缺点USB技术还不是很成熟，特殊是高速设备。市场上现有的USB设备价格都比拟昂贵，但随着USB技术的日益成熟，设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。三、USB系统拓扑构造一个USB系统包含三类硬件设备：USB主机（USBHOST）、USB设备（USBDEVICE）、USB集线器（USBHUB），如图1所示。（1）
4、USBHOST在一个USB系统中，当且仅当有一个USBHOST时，USBHOST有以下功能：治理USB系统；每毫秒产生一帧数据；发送配置恳求对USB设备进展配置操作；对总线上的错误进展治理和恢复。（2）USBDEVICE在一个USB系统中，USBDEVICE和USBHUB总数不能超过127个。USBDEVICE接收USB总线上的全部数据包，通过数据包的地址域来推断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简洁地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USBHOST的数据包与USBHOST进展数据传输。（3）USBHUBUSBHUB用于设备扩展连接，全部USBDEVICE都连接在USBHUB的端口上。一
5、个USBHOST总与一个根HUB（USBROOTHUB）相连。USBHUB为其每个端口供应100mA电流供设备使用。同时，USBHUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USBHOST的数据包把端口状态汇报给USBHOST一般来说，USB设备与USBHUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOTHUB）。四、USB总线数据传输USB总线上数据传输的构造如图2所示。从物理构造上，USB系统是一个星形构造；但在规律构造上，每个USB规律设备都是直接与USBHOST相连进展数据传输的。在USB总线上，每ms传输1帧数据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成
6、。USB设备可依据数据包中的地址信息来推断是否响应当数据传输。在USB标准1.1版本中，规定了4种传输方式以适应不同的传输需求：（1）掌握传输（controltransfer）掌握传输发送设备恳求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送掌握命令等功能。全速设备每次掌握传输的有效负荷可为64个字节，而低速设备每次掌握传输的有效负荷仅为8个字节。（2）同步传输（isochronoustransfer）同步传输仅适用于全速/高速设备。同步传输每ms进展一次传输，有较大的带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的有效负荷可为1023个字节。（3）中断传输（interru
7、pttransfer）中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可为1255ms，而低速设备的中断传输周期为10255ms全速设备每次中断传输的有效负荷可为64个字节，而低速设备每次中断传输的有效负荷仅为8个字节。（4）块数据传输（bulktransfer）块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进展块数据传输。块数据传输每次数据传输的有效负荷可为64个字节。五、典型应用USB系统的典型应用如图3所示。在图3所示系统中，显示器、Audio、Modem皆为全速设备，键盘、鼠标为低速设备。其数据传输为：USBHOST通过掌
8、握传输更改显示器属性。USBHOST通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。USBHOST通过掌握传输更改键盘、鼠标属性。USBHOST通过中断传输要求键盘、鼠标输入读入系统。USBHOST通过掌握传输更改Audio属性。USBHOST通过同步传输与Audio设备传输数据。USBHOST通过掌握传输更改Modem属性。USBHOST通过块数据传输与Modem设备传输数据六、一个USBHOST接口的软硬件设计市场上现已有许多公司供应的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS820/
9、USS620，SCANLOGIC的SL11，等等。同时也有许多带USB接口的处理器，如CYPRESS的EZUSB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面给出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT实现嵌入式USBHOST的例子。1SL11HT特点遵从USB1.1标准；支持全速/低速传输；支持主机/设备端两种模式；3.3/5.0V供电；片内包含256个字节的SRAM；48MHz晶振输入。当SL11HT被用作USBHOST接口时，对系统有以下要求：由系统维护SOF帧数目；由系统生成CRC5效验码；要求系统中断埋伏期小于1
10、.5s2SL11HT接口硬件框图3USBHOST端软件构造（1）USB接口驱动程序USB接口驱动程序需实现以下功能：USB接口器件的初始化；计算上层数据包的效验和，发送上层的数据包；发送SOF帧；接收从USB接口传送来的数据，并检查数据的有效性；将接收到的数据送往上层。（2）USB协议栈驱动程序USB协议栈驱动程序需实现以下功能：供应与设备驱动程序的接口；读取并解析USB设备描述符，配置描述符；为USB设备安排的地址；使用默认的配置来配置设备；支持根本的USB命令恳求；连接设备与相应的驱动程序；转发设备驱动程序的数据包。（3）设备驱动程序设备驱动程序需实现以下功能：供应与应用程序的接口；读取并解析USB设备特有的描述符，获得设备供应的传输通道；发送设备特有的和根本的USB命令恳求；通过设备供应的传输通道与设备进展数据传输；通过USB命令恳求重新配置设备
