USB總線技術(shù)與應(yīng)用

1、USB總線技及術(shù)應(yīng)用摘要：USB是通用串行總線(Universal Serial Bus )的簡稱，是一種應(yīng)用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)(也越來越多地應(yīng)用于嵌入式便攜設(shè)備) ，是當(dāng)前最流 行的接口技術(shù)之一。USB以其卓越的易用性、穩(wěn)定性、兼容性、擴展性、完備性、 網(wǎng)絡(luò)性和低功耗等諸多優(yōu)點得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。USB是英文Universal Serial Bus的簡稱，是一種應(yīng)用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)(也越來越多地應(yīng)用于嵌入式便攜設(shè)備)，是當(dāng)前最流行的接口技術(shù) 之一。USB以其卓越的易用性、穩(wěn)定性、兼容性、擴展性、完備性、網(wǎng)絡(luò)性和低 功耗等諸多優(yōu)點得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今的計算

2、機外部設(shè)備都在追求高速度和高通用性。為了滿足用戶的需求，以 In tel 為首的七家公司 In tel、Compaq Microsoft、IBM、DEC Northern、 Telecom 以及日本 NEC于 1994年 11 月推出了 USB(Universal Serial Bus )通 用串行總線協(xié)議的第一個草案專用于低中速的計算機外設(shè)，USB可把多達127個外設(shè)同時連到用戶的系統(tǒng)上，所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享 USB的帶寬，其12Mbps 的帶寬對于鍵盤鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠。隨著USB技術(shù)的應(yīng)用不斷深入，在 2000年發(fā)布的USB規(guī)版本2.0中已經(jīng)將USB 支持的帶寬提升到480M

3、bps USB正在不斷地占領(lǐng)PC外設(shè)的市場，成為了 PC外 設(shè)的主流接口。在自己的產(chǎn)品中使用USB已經(jīng)成為了一種潮流。如果希望產(chǎn)品被 市場接受開發(fā)者往往不得不使用 USB現(xiàn)在USB不光成為了微機主板上的標(biāo)準(zhǔn)端 口而且還成為了所有微機外設(shè)(包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機、數(shù)字相機、 掃描儀和游戲手柄等等)與主機相連的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之一。這種連接較以往普通并口(Parallel port )和串口( serial port )的連接而言主要的優(yōu)點是速度高、功耗低、支持即插即用(Plug& Play )和使用維護方便。因此我覺得 USB的應(yīng)用將 越來越廣泛。特別是在電氣專業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)現(xiàn)場控制，便攜

4、測試設(shè)備等方面。1 USB的基本原理1.1 USB協(xié)議概述USB是英文Universal Serial Bus 的簡稱。它以其易用性、穩(wěn)定性、兼容 性、擴展性、完備性、網(wǎng)絡(luò)性和低功耗等優(yōu)點得到了迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。學(xué)習(xí)USB的相關(guān)知識是進行USE項目開發(fā)的基礎(chǔ)。USB系統(tǒng)均有主機和從機 兩個部分，要注意的是由于USB系統(tǒng)是被動通信系統(tǒng)，從機只能被動的執(zhí)行主機 的命令。主機理論上可以是任何帶有 CPU的控制器，目前由于PC的強大的處理 能力和存儲空間，被廣泛的應(yīng)用為主機。 USB從機一般就是指USB設(shè)備，可以實 現(xiàn)一定的功能。這篇認(rèn)識報告主要整理了三方面容。第一部分是整理了 USB的通信協(xié)議，

5、第 二部分主要整理了 USB項目開發(fā)的步驟，第三部分主要介紹了 USB接口芯片 CH372的功能和接口電路，普通的 USB通信的實現(xiàn)。整理的資料對初學(xué) USB有一 定的參考意義。1.2 USB的主要優(yōu)點USB有自供電(Self-Powered)和總線供電(Bus-Powered)兩種供電模式。如果3ms沒有總線操作，設(shè)備就自動掛起，降低功耗。能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用(PnP, Play and Plug )。在USB的電氣結(jié)構(gòu)上能夠判斷 設(shè)備的接入和拔出。1.3 USB系統(tǒng)組成USB整體通信模型：也就是 USB的星形拓撲結(jié)構(gòu)，以USB主機為核心，建立 USB主機與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，通過 USB

6、 Hub為節(jié)點連接主機與設(shè)備。USB數(shù)據(jù)通信協(xié)議：以差模串行信號為載體傳送二進制代碼來傳輸信號；數(shù) 據(jù)包作為最基本的完整信息單元，包含了一系列數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)包也可以包括很 多稱為“域”的層次；以包為基礎(chǔ)，構(gòu)成USB的四種數(shù)據(jù)傳輸類型，進而組成不 同的傳輸類型，傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)USB的各種功能。軟硬件架構(gòu)：包括主機，HUBW設(shè)備架構(gòu)；主機與設(shè)備通信的流程、步驟；軟硬 件設(shè)計方法等。這是USB系統(tǒng)開發(fā)工程師最終的目的，也是學(xué)習(xí)和掌握USB技術(shù) 的目的。2 USB基本結(jié)構(gòu)和特點2.1引言主要是對USB的基本結(jié)構(gòu)和特性作初步的介紹，是否了解這些知識對于設(shè)計USB 設(shè)備系統(tǒng)至關(guān)重要，只有清楚地理

7、解這些概念才能更好的進行設(shè)計。2.2 USB的物理連接如圖2-1所示，USB采用4線電纜。其中Vbus為總線電源線，GNC為地線，這兩 根線為下行(downstream)設(shè)備提供電源；D+和D-是差動(differential)信VbusD +D-GND號線，用于串行傳輸USB數(shù)據(jù)。采用差動信號線的目的在于消除傳輸過程中的噪 聲，從而提高傳輸可靠性。* busD + D-GND圖2-1： USB電纜USB電纜支持兩種速率模式：全速模式(12MbpS和低速模(1.5Mbps)。全速電 纜與低速電纜的區(qū)別在于：全速電纜的數(shù)據(jù)信號線是雙絞線，并且需要屏蔽層； 而低速電纜的數(shù)據(jù)信號線不需要雙絞，也不需

8、要屏蔽層。USB連接器有兩種類型：A型和B型。A型連接器是連接USB設(shè)備的主要方式， 所有USB設(shè)備都必須具備一個A型連接器；A型插座作為USB主機和集線器的下 行輸出口； A型插頭用于上行連接到USB主機和集線器。B型連接器用于廠家提 供的標(biāo)準(zhǔn)的可分離(detachable )電纜，以方便最終用戶根據(jù)需要替換電纜；B型插座作為USB設(shè)備和集線器的上行輸入口； B型插頭用于下行連接到USB設(shè)備。 下圖所示為USB電纜分別連接到PC主機、打印機的插頭：2.3 USB1.1 協(xié)議總覽總的來說，USB1.1是一個傳輸率可達12Mbps的串行接口，并由不同類型的 PC 外設(shè)一起分享這個串行總線接口中，

9、而且可以高達127個外設(shè)對應(yīng)于一個PC主機。其中，USE主機是整個總線上的主控者掌握所有的主控權(quán)，負責(zé)對各個外設(shè) 發(fā)出各設(shè)定命令和配置。USB是以令牌包為主的通信協(xié)議，而主機將會于總線上 發(fā)布一種令牌包，此時一定會有一個符合其地址的設(shè)備根據(jù)這個令牌包做出相應(yīng) 的操作。此外，12Mbps的總線帶寬是被分割為1ms的幀，所有位于此總線的設(shè) 備就會以時間分隔的多任務(wù)傳輸來分享它。以實體的觀點來看，USB僅含有四條線，兩條是電源線（Vcc與GND ,兩條是以差分方式產(chǎn)生的信號線（D+與 D-）。2.4 USB總線結(jié)構(gòu)USB 系統(tǒng)中的設(shè)備與主機的連接方式采用的是新型的層次化的星形連接，如下圖所示。圖中的

10、Hub是一類特殊的USB設(shè)備，它是一組USB的連接點，主機中有一 個被嵌入的 Hub叫根Hub（root Hub）。主機通過根 Hub提供若干個連接點。PC主機EHUB外設(shè)外設(shè)HUB總線的物理拓扌礪構(gòu)圖2-22.5數(shù)據(jù)流模式USB對于與設(shè)備之間的通信提供了特定的協(xié)議。 雖然USB系統(tǒng)的總線拓撲是新型 的層次化的星形連接，但實際上USB主機與設(shè)備的連接方式卻是如圖2-3所示的 一對一的連接形式，這被稱為USB總線的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)，而數(shù)據(jù)流的模式則是以 這些邏輯連接為基本結(jié)構(gòu)。USB為主機上的軟件和客戶的USB功能模塊之間提供了通信服務(wù)。功能模塊會對 通信流有不同的要求。需要不同的客戶來實現(xiàn)相互作用

11、。通過允許將不同的USB功能模塊的不同通信流分離開來，USB提供了更好的整體總線利用率.每一個通 信流都要使用某一總線訪問來完成客戶和功能模塊之間的通信，并且終止于設(shè)備上的某一端點。設(shè)備端點用于區(qū)別任意的通信流。端點是主機與設(shè)備之間的一個邏輯通道，也是一個USB設(shè)備唯一可以確認(rèn) 的部分，它是主機與設(shè)備之間的通信流終點一個USB邏輯設(shè)備對整個系統(tǒng)而言 就是一個端點的集合。根據(jù)其使用的接口，端點可以被分成不同的端點集。 軟件 只能通過一個或多個端點與一個 USB設(shè)備通信。利用設(shè)備的地址和端點號就可以 唯一地指定任一個端點。管道就 是在USB主機上的一個軟件功能和一個 USB設(shè)備之間建立的一個虛連

12、接，是設(shè)備上的一個端點和主機上的軟件的聯(lián)合體，在USB技術(shù)中有兩類管道：流管道和消息管道。對一個USB設(shè)備進行配置后就會形成道。一個客戶軟件通常 是通過向一個管道發(fā)出IRP請求來要求發(fā)送數(shù)據(jù)，如果需要的話一個客戶軟件還 可以使管道返回所有未處理的請求。2.6 USB 的傳輸類型針對設(shè)備對系統(tǒng)資源需求的不同，USB共有4種數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、中 斷傳輸、同步傳輸和塊傳輸?？刂苽鬏敚捍朔绞竭m用于傳輸少量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求、但必 須保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)?？刂苽鬏斨饕糜诎l(fā)送和接收與USB設(shè)備的配置信息有關(guān)的 數(shù)據(jù)，如設(shè)備地址、配置描述符等，但它也可用于輿其他用途的數(shù)據(jù)?？刂苽鬏?可用于

13、低速、全速或高速設(shè)備，且所有的USB設(shè)備都必須支持控制輿。具體來說， 任何USB設(shè)備都必須在其0號端點的缺省管道中支持傳輸，USB系統(tǒng)軟件會使用 該管道來訪問USB設(shè)備的，并對其進行配置。從優(yōu)先級別來說，它是級別最高的 傳輸方式。中斷傳輸：該方式用于傳輸少量或中量的、 且對服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)，這些數(shù) 據(jù)需要及時處理，以達到實時效果。USB采用差錯和重試機制來確保中斷傳輸?shù)?正確性?？偟膩碚f中斷傳輸特別適合于鍵盤、鼠標(biāo)類設(shè)備，因為對于它們，所需 處理的事件只是鍵盤按下、鼠標(biāo)點擊和移動等，其數(shù)據(jù)量很少，而且用戶不希望 在使用鍵盤和無懈可擊時出現(xiàn)明顯的延遲，所以首先考慮固定的服務(wù)周期。同步傳輸：該

14、方式用于需要連續(xù)傳輸，而且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高，但對時間 極為敏感的外設(shè)。同步傳輸以固定的傳輸速率連續(xù)不斷的在主機和 USB外設(shè)之間 傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，USE并不處理這些錯誤，百是繼續(xù)傳送新的 數(shù)據(jù)。所以在此方式下數(shù)據(jù)包結(jié)束時沒有 CRC校驗。同步傳輸特別適合于音頻和 視頻類設(shè)備，如CD播放機、揚聲器等；因為對于它們，數(shù)據(jù)被及時發(fā)送和接收 遠比其正確性重要。批量傳輸：又叫塊傳輸。該方式主要用于大量非周期數(shù)據(jù)的傳輸， 它采用差錯控 制和重試機制來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。批量傳輸特別適合于打印機和掃描儀類設(shè)備，因為對于它們，數(shù)據(jù)無錯誤地發(fā)送和接收遠比其傳輸速率重要。批量傳輸只能用于高

15、速或全速 USE設(shè)備，但全速/高速設(shè)備可以不支持批量傳輸傳輸類型端點類型傳輸方式所傳輸數(shù)據(jù)的特點批量傳輸批量端點IN 或 OUT大量、無傳輸時間和傳輸速率要 求中斷傳輸中斷端點IN 或 OUT少量或中量、有周期性同步傳輸同步端點IN 或 OUT大量、速率恒定、有周期性控制傳輸控制端點IN 或 OUT少量、無傳輸時間要求、傳輸有 保證2.7 USB 接口的傳輸協(xié)議總的來說，USBI.1是一個傳輸率可達12Mbps的串行接口，并由不同類型的 PC 外設(shè)一起分享這個串行總線接口，而且可以高達127個外設(shè)對應(yīng)于一個PC主機。 其中，USE主機是整個總線上的主控者，掌握所有的主控權(quán)，負責(zé)對各個外設(shè)發(fā) 出

16、各設(shè)定命令和配置o USB是以令牌包為主的通信協(xié)議，而主機將會于總線上發(fā) 布一種令牌包，此時一定會有一個符合其地址的設(shè)備根據(jù)這個令牌包做出相應(yīng)的 操作。此外，12Mbps的總線帶寬是被分割為lms的幀，所有位于此總線的設(shè)備 就會以時間分隔的多任務(wù)傳輸來分享它。以實體的觀點來看，USB僅含有四條線，兩條是電源線（V,。與GND）兩條是以差分方式產(chǎn)生的信號線（D+與D_）o 傳輸協(xié)議：主機與設(shè)備之間通過稱為事務(wù)的離散交互進行通信；一個或多個事務(wù)完成一次傳輸請求。一個傳輸事務(wù)由若干個包（packet）組成。包是總線傳輸?shù)淖?小數(shù)據(jù)塊，通常由多個域組成。包僅沿一個方向傳送-主機到設(shè)備或設(shè)備到主機。數(shù)據(jù)

17、地串行數(shù)據(jù)線上傳輸時，先發(fā)送最低有效位（LSb），然后是次低位，最后是最高有效位（MSb）。為了保證發(fā)送方和接受方在信號級上的同步，串行數(shù)據(jù) 采用NRZI（不歸零反相編碼）和比特填充技術(shù)：遇到0信號發(fā)生跳變而遇到1時 保持不變；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)7個1時插入一個0比特。另外，所有包以一個同步域（SYNC） 開始。該域為一個IDLE狀態(tài)后面跟隨以NRZI編碼的二進制串“ 00000001” （數(shù)據(jù)80H）。SYNC域中的最后兩位用于SYNC域的結(jié)束標(biāo)志同時表示PID域的開始。 每個包發(fā)送完畢，發(fā)送方使兩根數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖奖３?2個比特位的時間，其后 再跟隨1比特時間的IDLE狀態(tài)，該總線狀態(tài)稱為 EOP

18、（End of Packet）。通信協(xié)議：前面提及過 USB接 口是以令牌包為主的總線協(xié)議，而且 PC主機掌握 了這個總線的主控權(quán)，就是說一切的溝通都是由PC主機來負責(zé)啟動的。另外由于use不占用任何PC的中斷向量或是輸入/輸出的資源，因此必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮f(xié) 議才能與外設(shè)達成通信的協(xié)議，以執(zhí)行各項命令。如圖2 -4顯示了 PC主機如何與設(shè)備執(zhí)行通信協(xié)議.從圖中可以看到在USB總線 上執(zhí)行通信協(xié)議的荃本單位就是最下層的數(shù)據(jù)域。幾個不同型式的數(shù)據(jù)域可以組合成一個分組，有1個、2個或3個不同型式的分組又可以組成一個數(shù)據(jù)交易。 因此，對高速設(shè)備而言，在Ims的幀可能包含各個設(shè)備所提交的數(shù)據(jù)交易，這些數(shù)據(jù)交易則可能涵蓋于不同的客戶端驅(qū)動程序所啟動的輸出入要求分組中，圖中只顯示了 2個客戶端的驅(qū)動程序。1RP輸出入要求分姐I交易交易1-02P輸出入要求分組2教據(jù)分紐握手分組r .L分給令牌包數(shù)據(jù)分姐握手分筮1 字段9 2-1通加楓制F i4 Communication aechan i sm由上可知，要了解所有的通信協(xié)議就需要從數(shù)據(jù)域來談起。通過由下而上的順序,可以從最基本的通信協(xié)議單位組合成各種復(fù)雜的通信協(xié)議。組成USB包的數(shù)據(jù)域根據(jù)不同的令牌包的類型，含有不同數(shù)量與類型的數(shù)據(jù)域。以下將依序介紹各種 數(shù)據(jù)域的規(guī)格和結(jié)構(gòu)。USB勺傳輸順序是由LSB（最低位）到MSB最高位）