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1、USB接口与应用Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望2通用串行总线通用串行总线USB USB（Universal Serial Bus）通用串行通用串行总线是由是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司家公司联合开合开发的一种流行的外的一种流行的外设接口接口标准。准。 1996年年2月公布了月公布了USB 1.0版本，版本，传输速率有低速速率有低速1.5Mbps和高速
2、和高速12Mbps两种模式。两种模式。USB 2.0已于已于2000年年4月月27日由日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式正式对外外发布，作布，作为新一代新一代USB标准，准，USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外外部部设备及及电缆线等，等，传输速率达速率达480Mbps。USB 2.0不不仅使使USB大大提速，而且使更多的大大提速，而且使更多的设备可以可以经USB连接到接到PC3一、一、USBUSB系统系统概述概述： USB是是一一种种电电缆缆总总线线，支支持持在在主主机机和和各各式式各各样样的的即即插插即即用用的的外外设设之
3、之间间进进行行数数据据传传输输。由由主主机机预预定定的的标标准准协协议议使使各各种种设设备备分分享享USB带带宽宽，当当其其它它设设备备和和主主机机在在运运行行时时，总总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。线允许添加、设置、使用以及拆除外设。通用串行总线通用串行总线USB 1 1、USBUSB系统的组成系统的组成一般一般USBUSB系统被分成系统被分成USBUSB的连接、的连接、USBUSB的设备和的设备和USBUSB的主机。的主机。USBUSB的的连连接接是是指指设设备备和和主主机机之之间间进进行行连连接接的的交交互互动动作作。USBUSB的的物物理理连连接接是是有有层层次次性性的的星星型型
4、布布局局，每每个个集集线线器器在在星星型型的的中中心心，每条线段是点对点连接的。每条线段是点对点连接的。41 1、USBUSB系统的组成系统的组成( (续续) )任何USB系统中，只有一个主机。USB的设备包括集线器(Hub)和功能器件(Function)。集线器为USB提供更多的连接点，一个USB系统最多可连接127个设备，功能部件是指键盘、打印机、数码相机等为系统提供具体功能的设备。USB设 备 和 USB主 机 的 接 口 称 为 主 机 控 制 器 (Host controller)，它是硬件和软件综合实现的。根集线器是综合于主机系统内部的，用以提供USB的连接点。通用串行总线通用串行
5、总线USB 5USB的性能特点的性能特点 使用方便，具有热插拔和即插即用功能。使用方便，具有热插拔和即插即用功能。 传输速度快。传输速度快。 支持异步和同步传输支持异步和同步传输 数据传输可靠数据传输可靠 连接灵活连接灵活 独立供电，耗电少。独立供电，耗电少。 接口灵活方便接口灵活方便 ，易于扩展，易于扩展通用串行总线通用串行总线USB 6 使使用用USB接接口口可可以以连连接接多多个个不不同同的的设设备备，连连接接简简单单快快捷捷，可可以以进进行行热热插插拔拔。即即设设备备连连到到USB时时，不不必必打打开开机机箱箱，也不必关闭主机电源。也不必关闭主机电源。 在在软软件件方方面面，为为USB
6、设设计计的的驱驱动动程程序序和和应应用用软软件件可可以以自自动动启启动动，无无需需用用户户干干预预。USB设设备备也也不不涉涉及及IRQ冲冲突突等等问问题题，它它单单独独使使用用自自己己的的保保留留中中断断，不不会会同同其其它它设设备备争争用用PC机机有有限限的的资资源源，为为用用户户省省去去了了硬硬件件配配置置的的烦烦恼恼。USB设备能真正做到设备能真正做到“即插即用即插即用”。使用方便使用方便USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB 7传输速度快传输速度快 USB 1.0 提提供供了了两两种种速速度度：USB低低速速1.5Mbps，低低速速的的USB支支持持低低速速设设备
7、备，例例如如，调调制制解解调调器器、键键盘盘、鼠鼠标标、优优盘盘、硬硬盘盘、光光驱驱、网网卡卡、扫扫描描仪仪、数数码码相相机机等等；USB全全速速12Mbps，USB全全速速的的数数据据传传输输速速度度比比RS-232C串串口口的的9600bps快快1000多多倍倍，它它用用于于大大范范围围的的多多媒媒体体设设备备。而而USB 2.0的的数数据据传传输输速速度度可可以以高高达达480Mbps。 USB3.0接接口的传输率可达口的传输率可达5Gb/s。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB 8连接灵活连接灵活 一一个个USB接接口口理理论论上上可可以以连连接接127个个USB
8、设设备备。连连接接的的方方式式也也十十分分灵灵活活，既既可可以以使使用用串串行行连连接接，也也可可以以使使用用中中枢枢转转接接头头(Hub)，把把多多个个设设备备连连接接在在一一起起，再再同同PC机机的的USB口口相相接接。在在USB方方式式下下，所所有有的的外外设设都都在在机机箱箱外外连连接接，不不必必打打开开机机箱箱；允允许许外外设设热热插插拔拔，而而不不必必关关闭闭主主机机电电源源。USB采采用用“级级联联”方方式式，即即每每个个USB设设备备用用一一个个USB插插头头连连接接到到一一个个外外设设的的USB插插座座上上，而而其其本本身身又又提提供供一一个个USB插插座座供供下下一一个个U
9、SB外外设设连连接接用用。通通过过这这种种类类似似菊菊花花链链式式的的连连接接，一一个个USB控控制制器器可可以以连连接接多多达达127个个外外设设。标标准准USB电电缆缆长长度度为为3m(低低速速5m)。通通过过Hub或或中中继继器器可可以以使使外外设设距距离离达达到到30m。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB 9独立供电独立供电由由 USB总总 线线 提提 供供 电电 源源 到到 外外 部部 设设 备备 ， USB能能 提提 供供+5V/500mA的的电电源源，供供低低功功耗耗USB设设备备如如USB键键盘盘、USB鼠鼠标标、优优盘盘等等作作电电源源使使用用；但但需
10、需高高功功耗耗的的USB设设备备,如如扫扫描描仪仪等等仍仍需需自自带带电电源源；USB还还采采用用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗。）技术，可以有效地节省电源功耗。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB 10接口灵活方便接口灵活方便 USB共共有有4种种传传输输模模式式：控控制制传传输输(control)、同同步步传传输输(Synchronization)、 中中 断断 传传 输输 (interrupt)、 批批 量量 传传 输输(bulk)，以以适适应应不不同同设设备备的的需需要要。USB还还能能智智能能识识别别US
11、B链链上上外外围围设设备备的的接接入入或或拆拆卸卸。USB接接口口支支持持即即插插即即用用和和热热插插拔拔，具具有有强强大大的的可可扩扩展展性性，为为外外围围设设备备提提供供了了低低成成本本的的标标准准数数据据传传输输形形式式。无无论论是是键键盘盘、鼠鼠标标、游游戏戏摇摇杆杆之之类类的的简简单单输输入入设设备备，还还是是打打印印机机、扫扫描描仪仪、存存储储设设备备、modem、摄摄像像头头之之类类的的高高级级外外部部设设备备,都都可可以以采采用用USB接接口口。所所有有使使用用PS/2、串行、并行传统接口的外围设备均可采用串行、并行传统接口的外围设备均可采用USB接口形式。接口形式。USB的性
12、能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB 11 USB使用一个使用一个4芯的标准接口，芯的标准接口，2芯是数据线芯是数据线，另另2芯分别是芯分别是+5V电源线和地线电源线和地线。接头有两种，扁平。接头有两种，扁平的的A型和梯形的型和梯形的B型。通常型。通常B型供集线器型供集线器(Hub)的设备的设备使用。使用。 USB接口引脚接口灵活方便接口灵活方便通用串行总线通用串行总线USB 红白绿黑12USBUSB系统的基本框架有三部分组成：系统的基本框架有三部分组成： USBUSB主机控制器主机控制器/ /根集线器、根集线器、 USB USB集线器集线器 USB USB设备。设备。USB的基本
13、框架的基本框架 通用串行总线通用串行总线USB 13USBUSB主机控制器主机控制器/ /根集线器根集线器通用串行总线通用串行总线USB 负责激活USB系统删的处理动作；根集线器；为USB设备或集线器提供USB连接端口。USBUSB集线器集线器除了根端口以外，USB系统还提供附加的集线器，为连接其它设备提供一个或多个端口。USB集线器可集成到键盘或显示器设备中去，也可以成为一个独立的设备。14USBUSB设备设备通用串行总线通用串行总线USB 泛指各种类型的USB外围设备，USB设备能够以高速、低俗、全速中的任何一种方式运行。低速设备：如键盘鼠标，传输速率为1.5Mb/s。全速设备：如CCD、
14、移动硬盘等，传输速率为12Mb/s.高速设备：如CCD、移动硬盘等设备，传输速率480Mb/s。15USB的物理接口和电气特性的物理接口和电气特性 一、接口信号线一、接口信号线 3 3、电气特性、电气特性 163 3、电气特性、电气特性 D+D+、D-D-线电气特性：线电气特性： 无驱动：无驱动：高速高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反之；低速反之； 有驱动：有驱动：高速高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之低速反之收发器：收发器：对地电源对地电源电压为电压为4.755.25V，设备吸入的，设备吸入的最大电流值为最大电流值为500mA ，D+、 D-上不加电压上不加电压
15、USBUSB设备：设备：高速在高速在D+上加上加3.03.6V电压电压, 低速反之低速反之173 3、电气特性、电气特性 在USB总线上的两个端点之间传送数据时，总是采用平衡发送差分接收的方式工作，这样可以极大地提高传输速率，并能减少噪声。驱动器和接收器采用差分电路可抵消噪声的干扰。183 3、电气特性（续）、电气特性（续） USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆。 两根双绞线是信号线D+和D-，用于发送信号。 USB为适应不同的设备需要，具有不同的数据传输率。可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的使用低速模式，将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限的个别低带宽的设备(
16、如鼠标)。 Vbus和GND两条线，为设备提供电源，Vbus的电压为5V。 USB设备可从总线和上行集线器上获得电压，也可以自行供电，设备获取的电量也可进行设置。USB电缆 193 3、电气特性（续）、电气特性（续） USB具有省电模式，即进入挂起状态，USB支持两种类型的挂起方式：全部挂起和选择挂起，全部挂起是所有的USB设备进入挂起状态；选择挂起是仅被选择的设备进入挂起状态。当3ms内没有检测到总线行为，设备将会进入挂起状态，当设备进入挂起状态时，它消耗的电流不超过500A。当设备被唤醒时(远程唤醒或由唤醒信号唤醒)，必须限制从总线上获取的电流，设备必须有足够大的分流电容，以保证当设备处在
17、恢复过程时，从集线器获取的电流不超过端口的最大电流允许值。通用串行总线通用串行总线USB 20USBUSB数据编码和解码数据编码和解码 当PC主机对设备各发出控制信号时，所有连接的设备都通过根集线器收到同样的信号，但是经过对比所配置的设备地址后，只能有一个设备作出相对应的动作。因此对一个设备而言，不仅要无误地接收主机端所送来的数据，还要正确地发出响应的信号。因此，在D与D-的差动数据线上就必须采用一种特别的编号方式再加以传送出去，以解决在USB缆线所产生信号延迟以及误差等问题。4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 21USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） USBUSB采采用
18、用了了NRZINRZI（Non Non Return Return to to Zero Zero InvertInvert，翻翻转转非非零零码码）的的编编码码方方式式，无无须须同同步步的的时时钟钟信信号号也也能能产产生生同同步步的的数数据存取。据存取。 NRZINRZI的的编编码码规规则则是是，当当数数据据位位为为“1 1”时时不不转转换换，为为“0 0”时再作转换时再作转换。4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 22USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） NRZINRZI的的编编码码方方式式会会遇遇到到一一个个很很严严重重的的问问题题：若若重重复复相相同同的的“1 1”信
19、信号号一一直直进进入入时时，就就会会造造成成数数据据长长时时间间无无法法转转换换，逐逐渐渐地地累累积积而而导导致致“塞塞车车”的的状状况况，使使得得读读取取的的时时序序就就会会发发生生严严重重的的错错误误。因因此此，在在NRZINRZI编编码码之之间间，还还需需执执行行所所谓谓的的位位填充填充（bit-stuffingbit-stuffing）的工作。）的工作。 若若原原始始的的串串行行数数据据中中含含有有连连续续6 6个个“1 1”位位，就就在在其其后后填填塞塞一一个个“0 0”位位，强强制制在在NRZINRZI编编码码的的数数据据流流中中加加入入跳跳变变，执执行位填塞的工作。行位填塞的工作
20、。 如果原始数据的第七位是0，填充位还是会被加入的，而且还加在同样的位置，这就导致了在填充后的数据流中会有两个连续的0。 4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 23USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） 若若原原始始的的串串行行数数据据中中含含有有连连续续6 6个个“1 1”位位，就就在在其其后后填填塞塞一一个个“0 0”位位，强强制制在在NRZINRZI编编码码的的数数据据流流中中加加入入跳跳变变，执执行位填塞的工作。行位填塞的工作。 4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 24USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） 位位填填充充操操作作从从同同步步数数据据
21、段段开开始始，贯贯穿穿于于整整个个传传送送过过程程，在在同同步步数数据据段段的的数数据据“1 1”作作为为真真正正数数据据流流的的第第一一位位。位位填填充操作毫无例外由传送端强制执行。充操作毫无例外由传送端强制执行。 在发送端进行数据传输之前，须先执行位填塞和在发送端进行数据传输之前，须先执行位填塞和NRZINRZI编编码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先执行执行NRZINRZI译码，识别插入位并去掉它们，然后再做位反填塞译码，识别插入位并去掉它们，然后再做位反填塞（unbit-stuffingunbit-stuffing）的
22、工作。如果接收端发现数据包中任一）的工作。如果接收端发现数据包中任一处有七个连续的处有七个连续的“1 1”，则将会产生一个位插入错误，该数，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。据包将被忽略。4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 25USBUSB协议将通信逻辑上分为三层：协议将通信逻辑上分为三层： 总线接口层、协议层和数据层总线接口层、协议层和数据层。 总线接口层是真正的物理对应关系，也是最底层结构，而其他两层则是逻辑对应关系。总线接口层为主机接口和设备接口的连接，传送的是二进制比特流；协议层逻辑上是USB协议栈和USB逻辑设备之间的对应，其中传送的是包字节流；数据层则是主机端驱动程
23、序或者应用软件和设备端功能单元的对应，传送的是有一定意义的信息。USB协议在区分三层结构中不同的信息流时候使用了不同的称谓来描述：总线接口层的位信息流为信息包；协议层的包信息流为事务处理；数据层的信息流为数据传输。5 5、USBUSB通信的逻辑结构通信的逻辑结构 6.1 包包 包（包（Packet）是）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段）、数据字段、循环冗
24、余校验字段（CRC）和包结尾字段（）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下图：），包的基本格式如下图：同步字段（SYNC）PID字段数据字段CRC字段包结尾字段（EOP） 1、SYNC字段字段由由8位组成，作为每个数据封包的前导，位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为它的数值固定为00000001。 2、PID字段字段用来表示数据封包的类型。用来表示数据封包的类型。PID字段如字段如下图所示：下图所示：PID0PID1PID2PID3PID0PID1PID2PID36 6、USBUSB总
25、线的协议总线的协议 各种封包的类型与规范 封包类型PID名称PID编码意义令牌OUT0001B从主机到设备的数据传输IN1001B从设备到主机的数据传输SOF0101B帧的起始标记与帧码SETUP1101B从主机到设备。表示要进行控制传输数据DATA00011B偶数数据封包DATA11011B奇数数据封包握手ACK0010B接收器收到无错误的数据封包NAK1010B接收器无法接收数据或发射器无法送出数据STALL1110B端点产生停滞的状况特殊PRE1100B使能下游端口的USB总线的数据传输切换到低速的设备6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 6.1 包3、数据字段数据字段是用来携带主机
26、与设备之间要传递的信息，其内容和是用来携带主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的USB包包都必须有数据字段，例如握手包、专用包和都必须有数据字段，例如握手包、专用包和SOF令牌包就没有数据字令牌包就没有数据字段。在段。在USB包中，数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列号以包中，数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传输字节的最高位。输字节的最高位。4、CRC字段字
27、段由不同数目的位所组成。其中重要的数据封包采用由不同数目的位所组成。其中重要的数据封包采用CRC16的数据域（的数据域（16个位），而其余的封包类型则采用个位），而其余的封包类型则采用CRC5的数据的数据域（域（5个位）。个位）。5、包结尾字段即包结尾字段即发送方在包的结尾发出包结尾信号。它表现为差发送方在包的结尾发出包结尾信号。它表现为差分线路的两根数据线保持分线路的两根数据线保持2比特低位时间和比特低位时间和1比特空闲位时间。比特空闲位时间。USB主主机根据机根据EOP判断数据包的结束。判断数据包的结束。6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 6.2 封包格式起始（SOF）封包SOF封包
28、属于令牌封包的一种，但具有独自的PID类型名：SOF。这个封包常用于等时传输，并不应用于低速设备。格式如下：8位8位11位5位SYNCPIDPID帧序列号（FRAME#）CRC5令牌（token）封包由于USB的数据交换是由PC主机端所激活的，所以在每一个数据交换中必须以SYNC、PID、ADDR、ENDP与CRC5这5个数据域组合而成的令牌封包为起始。格式如下：8位8位7位4位5位SYNCPIDPIDADDRENDPCRC56 6、USBUSB总线的协议总线的协议 数据（data）封包数据封包含有数据封包含有4个域：个域：SYNC、PID、DATA与与CRC16。DATA数据域的位数据域的位
29、值是根据值是根据USB设备的传输速度及传输类型而定，且须以设备的传输速度及传输类型而定，且须以8字节为基本单位。也就字节为基本单位。也就是，若传输的数据不足是，若传输的数据不足8字节，或传输到最后所剩余的也不足字节，或传输到最后所剩余的也不足8字节，仍须传输字节，仍须传输8字节的数据域。格式如下：字节的数据域。格式如下： 8位8位01023位16位SYNCPIDPIDDATACRC16握手（Handshake）封包握手封包仅包含SYNC和一个PID数据域，格式如下： 特殊（special）封包PRE是主机从高速传输变成低速传输时送来的封包。格式如下：8位8位SYNCPIDPID8位8位SYNC
30、PRE6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 事务处理（Transaction）：在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程。（1）输入（IN）事务处理输入事务处理表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程。正常的输入事务处理设备忙时的输入事务处理 设备出错时的输入事务处理6.3 事务IN(ADDR,EP)DATA0(D1D8)ACK主机主机设备设备主机主机IN(ADDR,EP)NAK主机主机设备设备IN(ADDR,EP)STALL主机主机设备设备6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 正常的输出事务处理（2）输出（OUT）事务处理OUT (ADDR,EP)DATA(D1
31、D8)ACK主机主机主机主机设备设备设备忙时的输出事务处理设备出错时的输入事务处理OUT (ADDR,EP)DATA(D1D8)NAK主机主机主机主机设备设备OUT (ADDR,EP)DATA(D1D8)STALL主机主机主机主机设备设备6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 正常的设置事务处理 （3）设置（SETUP）事务处理SETUP (ADDR,EP)DATA(D1D8)ACK主机主机主机主机设备设备设备忙时的设置事务处理设备出错时的设置事务处理SETUP(ADDR,EP)DATA(D1D8)NAK主机主机主机主机设备设备SETUP(ADDR,EP)DATA(D1D8)STALL主机主
32、机主机主机设备设备（4）帧起始（）帧起始（SOF）事务处理）事务处理（5）帧结束（）帧结束（EOF）事务处理）事务处理 6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 在在USB的传输中，制定了的传输中，制定了4种传输类型：种传输类型：控制传输控制传输、中断传输中断传输、批批量传输量传输以及以及等时传输等时传输。控制传输是控制传输是USB传输中最重要的传输。它包含传输中最重要的传输。它包含3种类型：控制读取、种类型：控制读取、控制写入以及无数据控制。这控制写入以及无数据控制。这3种控制传输类型又分为种控制传输类型又分为23个阶段：设个阶段：设置阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。置阶
33、段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。阶段一：设置阶段阶段一：设置阶段主机从主机从USB设备获取配置信息，并设置设备的配置值。设备获取配置信息，并设置设备的配置值。设置阶段的数据交换包含了设置阶段的数据交换包含了SETUP令牌封包、紧随其后的令牌封包、紧随其后的DATA0数据封包以及数据封包以及ACK握手封包。它的作用是执行一个设置（概念含糊）的握手封包。它的作用是执行一个设置（概念含糊）的数据交换，并定义此控制传输的内容。数据交换，并定义此控制传输的内容。 6.4 USB的数据传输6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 数据传输阶段用来传输主机与设备之间的数据。控制读取将数据从
34、设备移到主机上；控制写入将数据从主机传到设备上。 阶段二：数据传输阶段主机主机设备设备1. IN1. IN令牌封包令牌封包2. DATA12. DATA1数据封包数据封包3. ACK3. ACK握手封包握手封包控制读取的控制读取的ININ数据交换的过程示意图数据交换的过程示意图主机主机设备设备1.OUT1.OUT令牌封包令牌封包2. DATA12. DATA1数据封包数据封包3. ACK3. ACK握手封包握手封包控制写入的控制写入的OUTOUT数据交换的过程示意图数据交换的过程示意图6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 状态阶段用来表示整个传输的过程已完全结束。状态阶段用来表示整个传输的
35、过程已完全结束。状态阶段传输的方向必须与数据阶段的方向相反，即原状态阶段传输的方向必须与数据阶段的方向相反，即原来是来是IN令牌封包，这个阶段应为令牌封包，这个阶段应为OUT令牌封包；反之，原令牌封包；反之，原来是来是OUT令牌封包，这个阶段应为令牌封包，这个阶段应为IN令牌封包。对于控制令牌封包。对于控制读取而言，主机会送出读取而言，主机会送出OUT令牌封包，其后再跟着令牌封包，其后再跟着0长度的长度的DATA1封包。而此时，设备也会做出相对应的动作，送封包。而此时，设备也会做出相对应的动作，送ACK握手封包、握手封包、NAK握手封包或握手封包或STALL握手封包。相对地握手封包。相对地对于
36、控制写入传输，主机会送出对于控制写入传输，主机会送出IN令牌封包，然后设备送令牌封包，然后设备送出表示完成状态阶段的出表示完成状态阶段的0长度的长度的DATA1封包，主机再做出相封包，主机再做出相对应的动作：对应的动作：送送ACK握手封包、握手封包、NAK握手封包或握手封包或STALL握握手封包手封包。阶段三：状态阶段6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 第二节第二节 芯片的主要性能指标芯片的主要性能指标USB接口芯片大致可以分为两大类：接口芯片大致可以分为两大类：1.仅包含仅包含USB串行接口引擎串行接口引擎（SIE）、）、FIFO内存内存、收发器以及电压调整器收发器以及电压调整器的芯片
37、。的芯片。2.针对某种特殊目的所开发的专用针对某种特殊目的所开发的专用USB微处理器，微处理器，内部包含了通用型的内部包含了通用型的CPU或或MPU。常用的常用的USB微处理器有微处理器有Cypress公司的公司的M8系列系列与与EZ-USB系列；系列；Atmel公司的公司的AT43USB321Microchip公司的公司的PIC16C745与与PIC16C765，Scanlogic公司的公司的SL16-USB，Motorala公司公司的的68HC705JB2、B3、B4系列等系列等串行接口引擎（串行接口引擎（SIE）主要功能）主要功能1.封包辨识，数据交换的持续产生。封包辨识，数据交换的持续
38、产生。2.包开始、包结束、包开始、包结束、RESET、RESUME的信号检测的信号检测/产生。产生。3.时钟时钟/数据的分离。数据的分离。4.NRZI数据译码数据译码/编码以及位填充。编码以及位填充。5.CRC的产生与检查、令牌封包（的产生与检查、令牌封包（CRC5校验）与数据封包校验）与数据封包（CRC16校验）。校验）。6.包标示符（包标示符（PID）的产生以及检查）的产生以及检查/译码。译码。7.串行串行-并行并行/并行并行-串行转换。串行转换。8.USB地址与端点译码。地址与端点译码。9.端点阶层流程控制端点阶层流程控制10.作为作为USB数据缓冲器。数据缓冲器。11.维持维持DATA
39、 Toggle位的状态。位的状态。12.提供之后段区域设备控制器或专用控制器或县城可编程门列提供之后段区域设备控制器或专用控制器或县城可编程门列阵的接口。阵的接口。USB芯片中的硬件单元芯片中的硬件单元SIE第三节第三节 SL811HS接口芯片接口芯片 SLH811HS 是是CYPRESS公司生产的、可支持全速数据公司生产的、可支持全速数据传输的传输的USB控制芯片。该芯片采用控制芯片。该芯片采用脚脚PLCC和脚和脚TQFP（薄四方扁平封装薄四方扁平封装 ）两种封装形式两种封装形式，且内含，且内含USB主主从控制器，从控制器， 支持全速（支持全速（FULL-SPEED）低速）低速 (LOW-S
40、PEED)数据传并能自动识别低速或全速设备。数据传并能自动识别低速或全速设备。 SLH811HS所提供的接口遵从所提供的接口遵从USB 标标 准，可与微处理器、微控准，可与微处理器、微控制器、制器、DSP相连，也可直接与相连，也可直接与ISA、PCMCIA及其它总线相及其它总线相连。连。 SLH811HS的数据接口与微处理器进行接口可提供的数据接口与微处理器进行接口可提供位数据位数据 或双向通道，并能以从机操作方式或双向通道，并能以从机操作方式支持数据传输。此外，通过中断支持还可以轻松地与支持数据传输。此外，通过中断支持还可以轻松地与Motorola、Intel 及其它众多类型的标准微处理器或
41、微控制及其它众多类型的标准微处理器或微控制器相连。器相连。 SLH811HS内部有一个字节的内部有一个字节的RAM，可用，可用做控制寄存器或数据缓冲器做控制寄存器或数据缓冲器 SL811HS内部结构框图SL811HS实物图一、一、SL811HS的的主要特点主要特点SL811HS能工作在能工作在Host/Slave两种模式。两种模式。能通过硬件设置或软件设置的方法使该芯片工作在能通过硬件设置或软件设置的方法使该芯片工作在Host/Slave模式。模式。自动探测所接设备是低速设备还是高速设备。自动探测所接设备是低速设备还是高速设备。8位双向数据总线。位双向数据总线。片内包含片内包含SIE、USB收
42、发器。收发器。自动产生自动产生SOF令牌包，以及自动生成令牌包、数据令牌包，以及自动生成令牌包、数据包中所需要的包中所需要的CRC5/CRC16数据。数据。内部内部256BRAM，支持乒乓操作；支持，支持乒乓操作；支持Suspend/ResumeWake Up、Low-Power模式。模式。二、二、 SL811HS管脚说明。管脚说明。 SL811HS采用采用脚和脚脚和脚两种封两种封装形装形 。SL811HS的管脚图的管脚图三、三、SL811HS的工作原理的工作原理 SL811HS的内部寄存器一共有的内部寄存器一共有256个个单元，单元，每个单元是一个字节，地址为每个单元是一个字节，地址为00H
43、-FFH。其中前其中前16个单元个单元是是SL811HS的状态寄存器或控的状态寄存器或控制寄存器（统称为制寄存器（统称为特殊寄存器特殊寄存器）。）。07H单元单元为为预留寄存器；预留寄存器；10H-FFH为为数据缓冲寄存数据缓冲寄存器。器。SL811HS对对USB设备的启动过程设备的启动过程1.初始化初始化 （1）SL811HS芯片的复位芯片的复位 （2）USB总线复位总线复位 （3）设备插拔检测和设备）设备插拔检测和设备USB数数据传输速的检测。据传输速的检测。SL811HS对对USB设备的启动过程设备的启动过程2.传输事务的实现传输事务的实现 一个事务的传输一般包括三个包的传输，一个事务的
44、传输一般包括三个包的传输，分别为分别为标记包、数据包和握手包标记包、数据包和握手包，在，在USB四中四中数据传输方式中，控制传输方式至少由数据传输方式中，控制传输方式至少由两个传两个传输事务输事务构成，其他三种传输方式均由构成，其他三种传输方式均由一个传输一个传输事务构成事务构成。 使用使用SL811HS设计设计USB主机系统时，用主机系统时，用户只需让单片机设置户只需让单片机设置SL811HS内部及相关的内部及相关的特殊寄存器，然后把传输事务启动位置为特殊寄存器，然后把传输事务启动位置为“1”，就可以让接口芯片自动完成这个包的，就可以让接口芯片自动完成这个包的发送与接收。发送与接收。第四节第
45、四节 CH375接口芯片接口芯片概述概述 CH375 是一个是一个USB总线的通用接口芯片，支总线的通用接口芯片，支持持USB-HOST主机方式和主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，设备方式。在本地端，CH375具有具有8位数据总线位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总等控制器的系统总线上。在线上。在USB主机方式下，主机方式下，CH375还提供了还提供了串行串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出
46、与单片机与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。等相连接。一、特点一、特点 全速全速USB-HOST 主机接口，兼容主机接口，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容。，外围元器件只需要晶体和电容。 全速设备接口，完全兼容全速设备接口，完全兼容CH372 芯片，支芯片，支持动态切换主机与设备方式。持动态切换主机与设备方式。 主机端点输入和输出缓冲区各主机端点输入和输出缓冲区各64 字节，支字节，支持常用的持常用的12Mbps 全速全速USB 设备。设备。 支持支持USB 设备的控制传输、批量传输、中设备的控制传输、批量传输、中断传输。断传输。 自动检测自动检测USB 设备的连接和断
47、开，提供设设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。备连接和断开的事件通知。 内置控制传输的协议处理器，简化常用的内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。控制传输。 内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议，内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议，支持支持Bulk-Only传输协议和传输协议和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的或等效命令集的USB 存储设备（包括存储设备（包括USB 硬硬盘盘/USB 闪存盘闪存盘/U 盘）。盘）。 通过通过U 盘文件级子程序库实现单片机读写盘文件级子程序库实现单片机读写USB 存储设备中的文件。存储设备中的文件。 并行接口包含并行接口包含8 位
48、数据总线，位数据总线，4 线控制：读选线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出。通、写选通、片选输入、中断输出。 串行接口包含串行输入、串行输出、中断输出，串行接口包含串行输入、串行输出、中断输出，支持通讯波特率动态调整。支持通讯波特率动态调整。 支持支持5V 电源电压和电源电压和3.3V 电源电压，电源电压，CH375A 芯片还支持低功耗模式。芯片还支持低功耗模式。 采用采用SOP-28 封装，可以提供封装，可以提供SOP28 到到DIP28 的转换板。的转换板。 CH375 采用采用28脚脚SOP封装封装形式，形式，芯片内部集成了芯片内部集成了PLL 倍频器、主从倍频器、主从USB 接口
49、接口SIE、数据缓冲区、被动、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。用的固件程序等。二、二、CH375管脚说明管脚说明CH375管脚图二、二、CH375管脚说明管脚说明管管脚脚说说明明CH375芯片内部具有芯片内部具有7个物理端点个物理端点。 端点端点0是默认端点，支持上传和下传，是默认端点，支持上传和下传，上传和下传缓冲区各是上传和下传缓冲区各是8B； 端点端点1包括上传端点和下传端点，上包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是传和下传缓冲区各是8B，上传端点的端，上传端点的
50、端点号是点号是81H，下传端点的端点号是，下传端点的端点号是01H； 端点端点2包括上传端点和下传端点，上包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是传和下传缓冲区各是64B，上传端点的，上传端点的端点号是端点号是82H，下传端点的端点号是，下传端点的端点号是02H。 三、三、CH375接口芯片工作原理接口芯片工作原理 主机端点包括输出端点和输入端点，主机端点包括输出端点和输入端点，输出和输入缓冲区各是输出和输入缓冲区各是64B，主机端点，主机端点与端点与端点2合用同一组缓冲区，主机端点的合用同一组缓冲区，主机端点的输出缓冲区就是端点输出缓冲区就是端点2的上传缓冲区，主的上传缓冲区，主机端点的
51、输入缓冲区就是端点机端点的输入缓冲区就是端点2的下传缓的下传缓冲区。冲区。 其中，其中，CH375的端点的端点0、端点、端点1、端点、端点2只用于只用于USB设备方式，在设备方式，在USB主机方式主机方式下只需要用到主机端点下只需要用到主机端点。 三、三、CH375接口芯片工作原理接口芯片工作原理CH375 芯片在本地端提供了通用的芯片在本地端提供了通用的被动并被动并行接口行接口和和点对点的串行接口点对点的串行接口。在在 CH375 芯片的复位期间，芯片的复位期间，TXD 引脚引脚用用于选择通讯接口。如果于选择通讯接口。如果 CH375 在复位在复位期间检测到期间检测到 TXD 引脚为低电平则
52、启用引脚为低电平则启用并行接口，否则启用串行接口。如果启并行接口，否则启用串行接口。如果启用串行接口，那么复位完成后用串行接口，那么复位完成后 TXD 引引脚将用于串行数据输出，并且脚将用于串行数据输出，并且 CH375 芯片只能工作于芯片只能工作于 USB 主机方式。主机方式。并行接口并行接口这是这是 CH375 与普通的与普通的 MCS-51 单片机的连接电路。单片机的连接电路。CH375 的的 TXD 引脚通过引脚通过 1K左右的下拉电阻接地或者左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使直接接地，从而使 CH375 工作于并口方式。工作于并口方式。电容电容 C3 用于用于 CH375 内部电
53、源节点退耦，内部电源节点退耦，C3 是容量为是容量为 4700pF 到到 0.02F 的独石或者高频瓷片电容。电容的独石或者高频瓷片电容。电容 C4 和和 C5 用于外部电源退耦，用于外部电源退耦，C4 是容量为是容量为 0.1F 的独石或的独石或者高频瓷片电容。晶体者高频瓷片电容。晶体 X1、电容、电容C1 和和 C2 用于用于 CH375 的时钟振荡电路。的时钟振荡电路。USB-HOST 主机主机方式要求时钟频率比较准确，晶体方式要求时钟频率比较准确，晶体 X1 的频率是的频率是12MHz0.4，C1 和和 C2 是容量为是容量为 15pF30pF 的独的独石或高频瓷片电容。石或高频瓷片电
54、容。为使为使 CH375 可靠复位，电源电压从可靠复位，电源电压从 0V 上升到上升到 5V 的上升的上升时间应该少于时间应该少于 100mS。如果电源上电过程较慢并且电源。如果电源上电过程较慢并且电源断电后不能及时放电，那么断电后不能及时放电，那么 CH375 将不能可靠复位。可将不能可靠复位。可以在以在 RSTI 引脚与引脚与 VCC 之间跨接之间跨接一个容量为一个容量为 0.1F 或者或者 0.47F 的电容的电容 C11 延长复位时延长复位时间。间。CH375 芯片具有通用的被动并行接口，可以直接连接多芯片具有通用的被动并行接口，可以直接连接多种单片机、种单片机、DSP、MCU 等。在
55、普通的等。在普通的 MCS-51系列单片机的典型应用电路中，系列单片机的典型应用电路中，CH375 芯片可以通过芯片可以通过 8 位被动并行接口的位被动并行接口的 D7D0、-RD、-WR、-CS、A0 直接挂接到单片机直接挂接到单片机 U2 的系统总线上。的系统总线上。如果如果 MCS-51 单片机没有用单片机没有用 U3 锁存锁存 A7A0 地址，地址，那么可以用那么可以用 U2 的的 P20 等引脚驱动等引脚驱动 CH375 的地址的地址线线 A0，并且单片机程序中的端口地址需要相应修改。，并且单片机程序中的端口地址需要相应修改。U4 用于简单的地址译码，产生所需的片选信号，用于简单的地
56、址译码，产生所需的片选信号，图中图中 CH375 芯片的片选地址范围为芯片的片选地址范围为 B000H-BFFFH，而实际上而实际上 CH375 只需要占用两个地址：地址只需要占用两个地址：地址 BXX1H用于写命令，地址用于写命令，地址 BXX0H 用于读写数据用于读写数据 串口方式串口方式 如果如果 CH375 芯片的芯片的 TXD 引脚悬空或者没有通过下拉引脚悬空或者没有通过下拉电阻接地，那么电阻接地，那么 CH375 工作于串口方式。在工作于串口方式。在串口方式下，串口方式下，CH375 只需要与单片机只需要与单片机/DSP/MCU 连接连接 3 个信号线，个信号线，TXD 引脚、引脚
57、、RXD 引脚以及引脚以及 INT#引脚，引脚，其它引脚都可以悬空。除了连接线较少之外，其它外围其它引脚都可以悬空。除了连接线较少之外，其它外围电路与并口方式基本相同。电路与并口方式基本相同。由于由于 INT#引脚和引脚和 TXD 引脚在引脚在 CH375 复位期间只能复位期间只能提供微弱的高电平输出电流，在进行较远距离提供微弱的高电平输出电流，在进行较远距离的连接时，为了避免的连接时，为了避免 INT#或者或者 TXD 在在 CH375 复位复位期间受到干扰而导致单片机误操作，可以在期间受到干扰而导致单片机误操作，可以在 INT#引引脚或者脚或者 TXD 引脚上加阻值为引脚上加阻值为 2K5
58、K的上拉电阻，的上拉电阻，以维持较稳定的高电平。在以维持较稳定的高电平。在 CH375 芯片复位完芯片复位完成后，成后，INT#引脚和引脚和 TXD 引脚将能够提供引脚将能够提供 4mA 的高电的高电平输出电流或者平输出电流或者 4mA 的低电平吸入电流的低电平吸入电流 命令操作命令操作 CH375芯片占用两个地址位，当芯片占用两个地址位，当A0管脚为管脚为高电平时选择命令端口，可以写入命令；当高电平时选择命令端口，可以写入命令；当A0管脚为低电平时选择数据端口，可以读写管脚为低电平时选择数据端口，可以读写数据。数据。命令操作步骤如下：命令操作步骤如下：1.在在A0=1时向命令端口写入命令代码。时向命令端口写入命令代码。2.如果该命令具有输入数据，则在如果该命令具有输入数据，则在A0=0时一次时一次写入输入数据，每次一个字节。写入输入数据，每次一个字节。3.如果该命令具有输出数据，则在如果该命令具有输出数据，则在A0=0时一次时一次读取输出数据，每次一个字节。读取输出数据，每次一个字节。4.命令完成，可以暂停或者转到（命令完成，可以暂停或者转到（1）继续执行）继续执行下一个命令下一个命令
