USB通用串行總線接口資料學(xué)習(xí)課程

1、一、USB 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 USB（Universal Serial Bus）通用串行總通用串行總線是由線是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司聯(lián)合開發(fā)的一種流行的外設(shè)接口標(biāo)家公司聯(lián)合開發(fā)的一種流行的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn) 第1頁/共37頁第一頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。1994年開始研究，年開始研究，1996年年 USB 1.0 速度只有速度只有1.5Mb/s 1998年年 USB 1.1版本版本傳輸速率（傳輸速率（兩種模式）兩種模式）：低速（：低速（Low Speed）1.5Mbps 全速

2、全速(Full Speed)12Mbps2000年年4月月 USB 2.0版本版本USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外部設(shè)備及電纜線等，傳輸速率達(dá)外部設(shè)備及電纜線等，傳輸速率達(dá)480Mbps（高速（高速High Speed 系列）。系列）。2008年年11月月 USB 3.0版本版本最大傳輸速率高達(dá)最大傳輸速率高達(dá)5.0Gb/s，也就是，也就是625MB/s Super Speed 引入了新的電源管理機(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)引入了新的電源管理機(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài) 第2頁/共37頁第二頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。USB的應(yīng)用的應(yīng)用 USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的U

3、SB硬盤、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)硬盤、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等需大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男庐a(chǎn)品也已投入使用，其數(shù)據(jù)傳輸速度已高等需大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男庐a(chǎn)品也已投入使用，其數(shù)據(jù)傳輸速度已高達(dá)達(dá)480Mb/s；出現(xiàn)了出現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)接設(shè)備，提供轉(zhuǎn)接設(shè)備，提供USB接口到其他接口的轉(zhuǎn)換接口到其他接口的轉(zhuǎn)換，這樣，非，這樣，非USB接口的外設(shè)就能間接地使用接接口的外設(shè)就能間接地使用接USB接口，如接口，如USB到到PS/2、USB到到PCI等；新的專用測(cè)量?jī)x器也與等；新的專用測(cè)量?jī)x器也與PC機(jī)機(jī)USB接口；接口；使用使用USB接口可使筆記本電腦的外設(shè)連接變得方便簡(jiǎn)單，機(jī)接口可使筆記本電腦的外設(shè)連接變得方便

4、簡(jiǎn)單，機(jī)箱上提供多個(gè)箱上提供多個(gè)USB接口，接口，USB光驅(qū)、光驅(qū)、USB軟驅(qū)等作為配件，軟驅(qū)等作為配件，極大地方便了用戶使用。而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以使更高極大地方便了用戶使用。而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以使更高主頻的微處理器用于筆記本電腦中主頻的微處理器用于筆記本電腦中 ；第3頁/共37頁第三頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。二、USB的性能特點(diǎn)與基本的性能特點(diǎn)與基本 特性特性2.1 USB2.1 USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 傳輸速度快傳輸速度快連接簡(jiǎn)單快捷連接簡(jiǎn)單快捷 通用連接器通用連接器無須外接電源無須外接電源 數(shù)據(jù)線供電數(shù)據(jù)線供電 擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng) 不需要系統(tǒng)資源不需要系統(tǒng)資源

5、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)第4頁/共37頁第四頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。1)1)、傳輸速度快、傳輸速度快USB低速1.5Mbps低速的USB支持低速設(shè)備，例如，調(diào)制解調(diào)器、鍵盤、鼠標(biāo)、優(yōu)盤、硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)卡、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等；USB全速12Mbps， USB全速的數(shù)據(jù)傳輸用于大范圍的多媒體設(shè)備。USB 2.0高速數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達(dá)480Mbps2)2)、連接簡(jiǎn)單快捷、連接簡(jiǎn)單快捷可以熱插拔，真正的“即插即用”。設(shè)備連到USB時(shí)，不必打開機(jī)箱，也不必關(guān)閉主機(jī)電源，USB自檢測(cè)，軟件自動(dòng)配置，完成后立刻就能使用。第5頁/共37頁第五頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。3)3)、通用連接

6、器、通用連接器USB用一種通用的連接器可以連接多種類型的外設(shè)，其外型為4針插頭。 mini USB(A型)、mini USB (B型)、USB (B型)、USB (A型)、USB (A型)A型連接頭用于固定的外圍設(shè)備；B型連接頭用于經(jīng)常插拔的設(shè)備； 第6頁/共37頁第六頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。4)4)、無須外接電源、無須外接電源 數(shù)據(jù)線供電數(shù)據(jù)線供電由USB總線提供電源到外部設(shè)備，USB能提供+5V/500mA的電源，供低功耗USB設(shè)備如USB鍵盤、USB鼠標(biāo)、優(yōu)盤等作電源使用；高功耗的USB設(shè)備,如掃描儀等仍需自帶電源； U S B還 采 用 A P M （ A d v a n c

7、 e d P o w e r Management）技術(shù)，可以有效地節(jié)省電源功耗。如果3ms沒有總線活動(dòng)的話，USB會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掛起狀態(tài)。 進(jìn)入掛起狀態(tài)的設(shè)備消耗的電流不超過500uA。第7頁/共37頁第七頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。5)5)、擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)、擴(kuò)充外設(shè)能力強(qiáng)USB采用星形層式結(jié)構(gòu)和Hub技術(shù)，允許一個(gè)USB主控機(jī)可以連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)，用戶不用擔(dān)心要連接的設(shè)備數(shù)目會(huì)受到限制。兩個(gè)外設(shè)間的距離可達(dá)5米，擴(kuò)充方便。6)6)、不需要系統(tǒng)資源、不需要系統(tǒng)資源USB設(shè)備不占用內(nèi)存或I/O地址空間，而且也占用IRQ和DMA通道，所有事務(wù)處理都是由USB主機(jī)管理。7)7)、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢

8、復(fù)、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù) USB事務(wù)處理包括錯(cuò)誤保護(hù)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)無錯(cuò)誤發(fā)送。在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，事務(wù)處理可以重來。第8頁/共37頁第八頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。2.2、 USB的物理接口和電氣特性的物理接口和電氣特性 、接口信號(hào)線、接口信號(hào)線 連接序號(hào)連接序號(hào)信號(hào)名稱信號(hào)名稱典型連接線典型連接線1VBUS （USB電源）電源）紅紅2D+（正差分信號(hào)）（正差分信號(hào)）白白3D-（負(fù)差分信號(hào)（負(fù)差分信號(hào))綠綠4GND (USB地地)黑黑外層外層屏蔽層屏蔽層第9頁/共37頁第九頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。 收發(fā)器：收發(fā)器：對(duì)地電源對(duì)地電源電壓為電壓為4.755.25V，設(shè)備吸入的最大電流值，設(shè)備吸

9、入的最大電流值為為500mA ，D+、 D-上不加電壓。上不加電壓。 USBUSB設(shè)備：設(shè)備：高速在高速在D+上加上加3.03.6V電壓電壓, 低速反之低速反之。 D+D+、D-D-線電氣特性：線電氣特性： 無驅(qū)動(dòng)：高速無驅(qū)動(dòng)：高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反之；低速反之； 有驅(qū)動(dòng)：高速有驅(qū)動(dòng)：高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之。低速反之。 D+D+、D-D-線信號(hào)特性：線信號(hào)特性： 高電平：高電平：VD+ VD-200mV，VD+ 2.0V ； 低電平：低電平：VD- VD+ 200mV，VD- 2.0V 。 D+D+、D-D-線數(shù)據(jù)特性：線數(shù)據(jù)特性：NRZI

10、NRZI（不歸零反向碼）（不歸零反向碼） 邏輯邏輯0 0：D+D+、D-D-線上電平高、低間跳變；線上電平高、低間跳變； 邏輯邏輯1 1：D+D+、D-D-線上電平不變。線上電平不變。、電氣特性第10頁/共37頁第十頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。全速設(shè)備：全速設(shè)備：D+上接上接1.5k上拉電阻；上拉電阻；低速設(shè)備：低速設(shè)備： D-上接上接1.5k上拉電阻；上拉電阻；第11頁/共37頁第十一頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。、電源 USB系統(tǒng)可以通過USB線纜為其外設(shè)提供不高于+5V、500mA的總線電源。 完全依靠USB線纜來提供電源的器件被稱為總線驅(qū)動(dòng)器件(Bus-powered dev

11、ice), 自帶電源的器件則被稱為自驅(qū)動(dòng)外設(shè)(Self-powered device)。 當(dāng)一個(gè)外設(shè)初次連接時(shí)，器件的配置和分類并不使用外設(shè)自帶的電源，而是通過USB線纜提供的電源來使外設(shè)處于Powered狀態(tài)。 第12頁/共37頁第十二頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。、電源管理系統(tǒng) 設(shè)備掛起(Suspend) 在外設(shè)長(zhǎng)時(shí)間(3.0ms以上)處于非使用狀態(tài)時(shí)，USB系統(tǒng)自動(dòng)將該設(shè)備掛起(Suspend)， 當(dāng)一臺(tái)USB外設(shè)處于掛起狀態(tài)時(shí)，USB總線通過USB線纜為該設(shè)備僅僅提供500A以下的電流，并把該外設(shè)所占用的USB帶寬分配給其它的USB外設(shè)。 喚醒(Resume) 當(dāng)外設(shè)處于掛起狀態(tài)時(shí)

12、，必須先通過主機(jī)使該設(shè)備“喚醒” ，然后才可以執(zhí)行USB操作。 第13頁/共37頁第十三頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。USB總線系統(tǒng)中的設(shè)備可以分為三個(gè)類型USBUSB主機(jī)（主機(jī)（ USBUSB主控制器主控制器/ /根集線器根集線器(USB Host)(USB Host) ）：只能）：只能有一個(gè)，有一個(gè)，管理管理USBUSB系統(tǒng)，每秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置系統(tǒng)，每秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)請(qǐng)求對(duì)USBUSB設(shè)備進(jìn)行配置操作，對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行設(shè)備進(jìn)行配置操作，對(duì)總線上的錯(cuò)誤進(jìn)行管理和恢復(fù)。管理和恢復(fù)。USB 集線器（集線器（HUB）：類似于網(wǎng)絡(luò)集線器，）：類似于網(wǎng)絡(luò)集線器，完成USB設(shè)

13、備的添加（擴(kuò)展）、刪除和電源管理等USB總線設(shè)備（總線設(shè)備（USB功能外設(shè)）功能外設(shè)）組成金字塔型結(jié)構(gòu)金字塔型結(jié)構(gòu)，最多可連接7層層，127臺(tái)設(shè)備臺(tái)設(shè)備、USB設(shè)備及其體系結(jié)構(gòu)設(shè)備及其體系結(jié)構(gòu)第14頁/共37頁第十四頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB協(xié)議定義了在USB系統(tǒng)中主控制器Host與USB設(shè)備間的連接和通信，其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是金字塔型的層層向上方式。允許最多連接127個(gè)設(shè)備，最上層是USB主控制器。第15頁/共37頁第十五頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。在主控制器與USB設(shè)備之間建立通信通道，負(fù)責(zé)最底層的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，控制和管理硬件底層，負(fù)責(zé)將USB事物發(fā)送給USB

14、主控制器芯片，最終將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到電纜上。 驅(qū)動(dòng)USB設(shè)備的程序，由操作系統(tǒng)或USB設(shè)備制造商提供在設(shè)備設(shè)置時(shí)讀取描述寄存器以獲取USB設(shè)備的特征，并根據(jù)這些特征，在請(qǐng)求發(fā)送時(shí)組織數(shù)據(jù)傳輸。第16頁/共37頁第十六頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。三、三、USB的傳輸方式的傳輸方式 USB有有4種基本的傳輸方式種基本的傳輸方式: 批處理方式中斷傳輸方式等時(shí)傳輸方式控制傳輸方式 第17頁/共37頁第十七頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。） 批處理方式批處理方式批處理可以是單向，也可以是雙向。它用于批處理可以是單向，也可以是雙向。它用于傳輸大批數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間性不強(qiáng)，傳輸大批數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)

15、傳輸?shù)臅r(shí)間性不強(qiáng)，但要確保數(shù)據(jù)的正確性。在數(shù)據(jù)包的傳輸過但要確保數(shù)據(jù)的正確性。在數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需重新傳輸。其典型的程中，出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需重新傳輸。其典型的應(yīng)用是掃描儀、打印機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。應(yīng)用是掃描儀、打印機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。第18頁/共37頁第十八頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。中斷傳輸是中斷傳輸是單向單向的，且僅輸入到主機(jī)，它用于不固定的、的，且僅輸入到主機(jī)，它用于不固定的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理。當(dāng)設(shè)備需要主少量的數(shù)據(jù)傳輸，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理。當(dāng)設(shè)備需要主機(jī)為其服務(wù)時(shí)，向主機(jī)發(fā)送此類信息以通知主機(jī)，像鍵盤、機(jī)為其服務(wù)時(shí)，向主機(jī)發(fā)送此類信息以通知主機(jī)，像鍵盤、

16、鼠標(biāo)之類的輸入設(shè)備采用這方式。鼠標(biāo)之類的輸入設(shè)備采用這方式。USBUSB的中斷傳輸是的中斷傳輸是PollingPolling（查詢）類型。主機(jī)要頻繁地請(qǐng)求端點(diǎn)輸入。（查詢）類型。主機(jī)要頻繁地請(qǐng)求端點(diǎn)輸入。USBUSB設(shè)備在全速情設(shè)備在全速情況下，其端點(diǎn)況下，其端點(diǎn)PollingPolling周期為周期為1 1255ms255ms；對(duì)于低速情況，；對(duì)于低速情況，PollingPolling周期為周期為1010255ms255ms。因此，最快的。因此，最快的PollingPolling頻率是頻率是1 1HzHz。在信息的傳輸過程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需將在下一個(gè)在信息的傳輸過程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需

17、將在下一個(gè)PollingPolling中重新傳輸中重新傳輸） 中斷傳輸中斷傳輸?shù)?9頁/共37頁第十九頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。等時(shí)傳輸也稱同步傳輸，可以單向也可以雙向，等時(shí)傳輸也稱同步傳輸，可以單向也可以雙向，用于傳輸連續(xù)性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。這種方式的特點(diǎn)是用于傳輸連續(xù)性、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。這種方式的特點(diǎn)是要求傳輸速率固定，時(shí)間性強(qiáng)，忽略傳輸錯(cuò)誤，即要求傳輸速率固定，時(shí)間性強(qiáng)，忽略傳輸錯(cuò)誤，即傳輸中出錯(cuò)也不重傳。因?yàn)檫@樣會(huì)影響傳輸速率。傳輸中出錯(cuò)也不重傳。因?yàn)檫@樣會(huì)影響傳輸速率。傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包是傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包是1024B/ms1024B/ms。如視頻設(shè)備、數(shù)字。如視頻設(shè)備、數(shù)字聲音設(shè)備采用

18、這種方式聲音設(shè)備采用這種方式 ） 等時(shí)傳輸?shù)葧r(shí)傳輸?shù)?0頁/共37頁第二十頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分?？刂苽鬏斒请p向的，它的傳輸有控制傳輸是雙向的，它的傳輸有2 23 3個(gè)階段：個(gè)階段：SetupSetup階段階段（可以沒有）（可以沒有） ，DataData階段和階段和StatusStatus階段。階段。在在SetupSetup階段，主機(jī)傳送命令給設(shè)備；在階段，主機(jī)傳送命令給設(shè)備；在DataData階段，傳輸?shù)氖请A段，傳輸?shù)氖荢etupSetup階段所設(shè)定的數(shù)據(jù)；階段所設(shè)定的數(shù)據(jù)；StatusStatus階段，設(shè)備返回握手信號(hào)給主機(jī)階段，設(shè)備返回握手信號(hào)給主機(jī) ） 控制傳輸控制傳輸?shù)?1

19、頁/共37頁第二十一頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。 第22頁/共37頁第二十二頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。 特性：p符合通用串行總線 USB 1.1 版規(guī)范 p高性能 USB 接口器件， 集成了 SIE FIFO 存儲(chǔ)器 收發(fā)器以及電壓調(diào)整器 p可與任何外部微控制器/微處理實(shí)現(xiàn)高速并行接口 2M 字節(jié)/秒 p完全自治的直接內(nèi)存存取 DMA 操作 p集成 320 字節(jié)多結(jié)構(gòu) FIFO 存儲(chǔ)器 p主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸 p在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn) 1M 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率 p具有良好 EMI 特性的總線供電能力 p在掛起時(shí)可控制 LazyClo

20、ck 輸出 p可通過軟件控制與 USB 的連接 p采用 GoodLink 技術(shù)的連接指示器,在通訊時(shí)使 LED 閃爍 p可編程的時(shí)鐘頻率輸出 p符合 ACPI OnNOW 和 USB 電源管理的要求 p內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路 p有 SO28 和 TSSOP28 封裝，工業(yè)級(jí)操作溫度- 40 +85 p高于 8kV 的在片靜電防護(hù)電路減少了額外元件的費(fèi)用 p雙電源操作 3.30.3V 或擴(kuò)展的 5V 電源,范圍為 3.65.5V p多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸 第23頁/共37頁第二十三頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。模擬收發(fā)器：可以直接與USB電纜相連電壓調(diào)整器：3.3VPLL：鎖相環(huán)

21、，6M-48M的時(shí)鐘乘法PLL位時(shí)鐘恢復(fù)：采用4倍過采樣規(guī)則，從進(jìn)入的USB數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘。PSIE：串行接口引擎，實(shí)現(xiàn)全部的USB協(xié)議存儲(chǔ)器管理單元和集成RAM：作為USB之間速度差異的緩沖區(qū)。并行和DMA接口：第24頁/共37頁第二十四頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。 DATA0-7DATA0-7：雙向數(shù)據(jù)位；：雙向數(shù)據(jù)位；ALEALE：地址鎖存使能，下降沿關(guān)閉地址信息鎖存。：地址鎖存使能，下降沿關(guān)閉地址信息鎖存。CSCS：片選，低電平有效：片選，低電平有效SUSPENDSUSPEND：器件處于掛起狀態(tài)：器件處于掛起狀態(tài)CLKOUTCLKOUT：可編程時(shí)鐘輸出：可編程時(shí)鐘輸出INTIN

22、T：中斷，低電平有效：中斷，低電平有效RDRD：讀選通，低電平有效：讀選通，低電平有效WRWR：寫選通，低電平有效：寫選通，低電平有效DMAREQDMAREQ：DMADMA請(qǐng)求請(qǐng)求DMACKDMACK：DMADMA應(yīng)答，低電平有效應(yīng)答，低電平有效EOTEOT：DMADMA傳輸結(jié)束，低電平有效，傳輸結(jié)束，低電平有效，RESETRESET：復(fù)位，低電平有效且不同步，片內(nèi)上電復(fù)位：復(fù)位，低電平有效且不同步，片內(nèi)上電復(fù)位電路，管腳可固定接電路，管腳可固定接VccVccGLGL：GoodLink LEDGoodLink LED指示器，低電平有效指示器，低電平有效XTAL1XTAL1，XTAL2XTAL2

23、：晶振連接端，如果采用外部時(shí)鐘信號(hào)：晶振連接端，如果采用外部時(shí)鐘信號(hào)取代晶振，可連接取代晶振，可連接XATL1XATL1，XATL2XATL2應(yīng)懸空。應(yīng)懸空。D+D+、D-D-：USBUSB的數(shù)據(jù)線。的數(shù)據(jù)線。VOUT3.3VOUT3.3：3.3V3.3V調(diào)整輸出，要使器件工作在調(diào)整輸出，要使器件工作在3.3V3.3V，對(duì)，對(duì)VDDVDD和和Vout3.3Vout3.3腳提供腳提供3.3V3.3V。A0A0：地址位。：地址位。=0=0選擇命令指令，選擇命令指令，=1=1，選擇數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù) 第25頁/共37頁第二十五頁，編輯于星期日：七點(diǎn) 二十四分。 廣泛應(yīng)用于測(cè)控技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理。PCUSB控制控制芯片芯片MCU控制控制單元單元A/D采集采集USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖第26頁/共3