USB介紹與應(yīng)用(共15頁(yè))

1、USB介紹與應(yīng)用1 USB介紹1.USB概述USB，是英文Universal Serial Bus（）的縮寫，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和功能。USB是在1994年底由、IBM、等多家公司聯(lián)合提出的。USB協(xié)議有兩種：USB1.1和USB2.0。USB2.0和USB1.1完全兼容。USB1.1支持的數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps和1.5Mbps（用于慢速外設(shè)），USB2.0支持的數(shù)據(jù)傳速率可達(dá)480Mbps。在普通用戶看來(lái)，USB系統(tǒng)就是外設(shè)通過(guò)一根USB電纜和PC機(jī)連接起來(lái)。通常把外設(shè)稱為USB設(shè)備，把其所連接的PC機(jī)稱為USB

2、主機(jī)。將指向USB主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方向稱為上行通信，把指向USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方向稱為下行通信。USB網(wǎng)絡(luò)采用階梯式星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1.1。一個(gè)USB網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主機(jī)。主機(jī)內(nèi)設(shè)置了一個(gè)根集線器，提供了主機(jī)上的初始附屬點(diǎn)。集線器（復(fù)合設(shè)備）游戲桿USB設(shè)備(根階梯)階梯0掃描儀鼠標(biāo)集線器USB設(shè)備階梯1階梯2PC主機(jī)（根集線器）圖1.12.USB系統(tǒng)介紹 USB的所有數(shù)據(jù)通信（不論是上行通信還是下行通信）都由USB主機(jī)啟動(dòng)，所以USB主機(jī)在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中占據(jù)著主導(dǎo)地位。在USB系統(tǒng)中只允許有一個(gè)主機(jī)。從開發(fā)人員的角度看，USB主機(jī)可分為三個(gè)不同的功能模塊：客戶軟件、USB系統(tǒng)軟件和USB

3、總線接口。 (1) 客戶軟件(2) USB系統(tǒng)軟件(3) USB總線接口(1) 客戶軟件 客戶軟件負(fù)責(zé)和USB設(shè)備的功能單元進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)其特定功能。一般由開發(fā)人員自行開發(fā)?？蛻糗浖荒苤苯釉L問(wèn)USB設(shè)備，其與USB設(shè)備功能單元的通信必須經(jīng)過(guò)USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口模塊才能實(shí)現(xiàn)?？蛻糗浖话惆║SB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和界面應(yīng)用程序兩部分。 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)和USB系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信。通常，它向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出I/O請(qǐng)求包（IRP）以啟動(dòng)一次USB數(shù)據(jù)傳輸。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，它還應(yīng)提供一個(gè)或空或滿的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。界面應(yīng)用程序負(fù)責(zé)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，以控

4、制USB設(shè)備。它是最上層的軟件，只能看到向USB設(shè)備發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和從USB設(shè)備接收的最終數(shù)據(jù)。(2) USB系統(tǒng)軟件USB系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)和USB邏輯設(shè)備進(jìn)行配置通信，并管理客戶軟件啟動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸。USB邏輯設(shè)備是程序員與USB設(shè)備打交道的部分。USB系統(tǒng)軟件一般包括USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序這兩部分。(3) USB總線接口USB總線接口包括主控制器和根集線器兩部分。根集線器為USB系統(tǒng)提供連接起點(diǎn)，用于給USB系統(tǒng)提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)（端口）。主控制器負(fù)責(zé)完成主機(jī)和USB設(shè)備之間數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸，包括對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行串行編解碼、差錯(cuò)控制等。3.USB設(shè)備介紹一個(gè)USB設(shè)備由三個(gè)功

5、能模塊組成：USB總線接口、USB邏輯設(shè)備和功能單元。這里的USB總線接口指的是USB設(shè)備中的串行接口引擎（SIE）；USB邏輯設(shè)備被USB系統(tǒng)軟件看作是一個(gè)端點(diǎn)的集合；功能單元被客戶軟件看作是一個(gè)接口的集合。SIE、端點(diǎn)和接口都是USB設(shè)備的組成單元。為了更好地描述USB設(shè)備的特征，USB提出了設(shè)備架構(gòu)的概念。從這個(gè)角度來(lái)看，可以認(rèn)為USB設(shè)備是由一些配置、接口和端點(diǎn)組成的，即一個(gè)USB設(shè)備可以含有一個(gè)或多個(gè)配置，在每個(gè)配置中可含有一個(gè)或多個(gè)接口，在每個(gè)接口中可含有若干個(gè)端點(diǎn)。其中，配置和接口是對(duì)USB設(shè)備功能的抽象，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸由端點(diǎn)來(lái)完成。在使用USB設(shè)備前，必須指明其采用的配置和接口

6、。這個(gè)步驟一般是在設(shè)備接入主機(jī)時(shí)設(shè)備進(jìn)行自舉時(shí)完成的，我們?cè)诤竺鏁?huì)進(jìn)一步介紹。USB設(shè)備使用各種描述符來(lái)說(shuō)明其設(shè)備架構(gòu)，包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符以及字符串描述符，它們通常被保存在USB設(shè)備的固件程序中。4.USB接口USB使用一根屏蔽的4線電纜與網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)一個(gè)差分雙絞線進(jìn)行，這兩根線分別標(biāo)為D+和D-，另外兩根線是Vcc和Ground，其中Vcc向USB設(shè)備供電。使用USB電源的設(shè)備稱為總線供電設(shè)備，而使用自己外部電源的設(shè)備叫做自供電設(shè)備。為了避免混淆，USB電纜中的線都用不同的顏色標(biāo)記，如表1.4.1所示。引腳編號(hào)信號(hào)名稱纜線顏色1Vcc紅2

7、Data-(D-)白3Data+(D+)綠4Ground黑 表1.4.1在 USB 主機(jī)上，D-和 D+都是接了 15K 的電阻到低的，所以在沒有設(shè)備接入的時(shí)候，D+、D-均是低電平。而在 USB 設(shè)備中，如果是高速設(shè)備，則會(huì)在 D+上接一個(gè) 1.5K 的電阻到 VCC，而如果是低速設(shè)備，則會(huì)在 D-上接一個(gè) 1.5K 的電阻到 VCC。這樣當(dāng)設(shè)備接入主機(jī)的時(shí)候，主機(jī)就可以判斷是否有設(shè)備接入，并能判斷設(shè)備是高速設(shè)備還是低速設(shè)備。從一個(gè)設(shè)備連回到主機(jī)，稱為上行連接；從主機(jī)到設(shè)備的連接，稱為下行連接。為了防止回環(huán)情況的發(fā)生，上行和下行端口使用不同的連接器所以USB在電纜和設(shè)備的連接中分別采用了兩種

8、類型的連接頭，即圖1.4.2所示的A型連接頭和B型連接頭。每個(gè)連接頭內(nèi)的電線號(hào)與圖1.4.2的引腳編號(hào)是一致的。A型連接頭，用于上行連接，即在主機(jī)或集線器上有一個(gè)A型插座，而在連接到主機(jī)或集線器的電纜的一端是A型插頭。在USB設(shè)備上有B型插座，而B型插頭在從主機(jī)或集線器接出的下行電纜的一端。采用這種連接方式，可以確保USB設(shè)備、主機(jī)/集線器和USB電纜始終以正確的方式連接，而不出現(xiàn)電纜接入方式出錯(cuò)，或直接將兩個(gè)USB設(shè)備連接到一起的情況。12341243A型連接頭B型連接頭圖1.4.2 USB連接頭5.USB信號(hào)（1）差分信號(hào)技術(shù)特點(diǎn)傳統(tǒng)的傳輸方式大多使用“正信號(hào)”或者“負(fù)信號(hào)”二進(jìn)制表達(dá)機(jī)制

9、，這些信號(hào)利用單線傳輸。用不同的信號(hào)電平范圍來(lái)分別表示1和0，它們之間有一個(gè)臨界值，如果在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受到中低強(qiáng)度的干擾，高低電平不會(huì)突破臨界值，那么信號(hào)傳輸可以正常進(jìn)行。但如果遇到強(qiáng)干擾，高低電平突破臨界值，由此造成數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。差分信號(hào)技術(shù)最大的特點(diǎn)是：必須使用兩條線路才能表達(dá)一個(gè)比特位，用兩條線路傳輸信號(hào)的壓差作為判斷1還是0的依據(jù)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是具有極強(qiáng)的抗干擾性。倘若遭受外界強(qiáng)烈干擾，兩條線路對(duì)應(yīng)的電平同樣會(huì)出現(xiàn)大幅度提升或降低的情況，但二者的電平改變方向和幅度幾乎相同，電壓差值就可始終保持相對(duì)穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并不會(huì)因干擾噪聲而有所降低。 （2） 通信格式 USB的數(shù)據(jù)包使

10、用反向不歸零編碼（NRZI）。圖1.5.1描述了在USB電纜段上傳輸信息的步驟。反向不歸零編碼由傳送信息的USB代理程序完成；然后，被編碼的數(shù)據(jù)通過(guò)差分驅(qū)動(dòng)器送到USB電纜上；接著，接收器將輸入的差分信號(hào)進(jìn)行放大，將其送給解碼器。使用該編碼和差動(dòng)信號(hào)傳輸方式可以更好地保證數(shù)據(jù)的完整性并減少噪聲干擾。圖1.5.2NRZI編碼器電纜段差分驅(qū)動(dòng)器NRZI解碼器差分驅(qū)動(dòng)器D+ D-（3） 通信方式 無(wú)論如何都是主機(jī)發(fā)送命令，有三種情況：1.主機(jī)用來(lái)向設(shè)備發(fā)送控制命令；2.主機(jī)用來(lái)從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)；3.主機(jī)用來(lái)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。USB協(xié)議定義了四種傳輸類型：控制傳輸(Control Transfers):

11、非周期性，突發(fā).特性:每個(gè)USB設(shè)備都必須有控制端點(diǎn)，支持控制傳輸來(lái)進(jìn)行命令和狀態(tài)的傳輸。USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)將通過(guò)控制傳輸與USB設(shè)備的控制端點(diǎn)通信，完成USB設(shè)備的枚舉和配置 .方向:控制傳輸是雙向的傳輸，必須有IN和OUT兩個(gè)方向上的特定端點(diǎn)號(hào)的控制端點(diǎn)來(lái)完成兩個(gè)方向上的控制傳輸大容量數(shù)據(jù)傳輸(Bulk Transfers): 非周期性，突發(fā).特性: 大容量數(shù)據(jù)傳輸適用于那些需要大數(shù)據(jù)量傳輸，但是對(duì)實(shí)時(shí)性，對(duì)延遲性和帶寬沒有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。大容量傳輸可以占用任意可用的數(shù)據(jù)帶寬。.方向: 大容量傳輸是單向的，可以用單向的大容量傳輸端點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向的大容量傳輸。同步傳輸(Isochronous

12、Transfers): 周期性.特性: 同步傳輸用于傳輸那些需要保證帶寬，并且不能忍受延遲的信息。整個(gè)帶寬都將用于保證同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整，并且不支持出錯(cuò)重傳。.方向:同步傳輸總是單向的，可以使用單向的同步端點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向上的同步傳輸。中斷傳輸(Interrupt Transfers): 周期性，低頻率.特性:中斷傳輸用于那些頻率不高，但對(duì)周期有一定要求的數(shù)據(jù)傳輸。具有保證的帶寬，并能在下個(gè)周期對(duì)先前錯(cuò)誤的傳輸進(jìn)行重傳。.方向:中斷傳輸總是單向的，可以用單向的中斷端點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向上的中斷傳輸。2 USB實(shí)驗(yàn)以戰(zhàn)艦精英STM32為例，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，通過(guò)中斷傳輸。主函數(shù) i

13、nt main(void) led_Init();delay_init();NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); chuankou_Init();while(1); 中斷函數(shù)：void USART1_IRQHandler(void) u8 res; if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) res= USART_ReceiveData(USART1); PE5=!PE5; USART_SendData(USART1,res); PB5=!PB5;初始化LED函數(shù)void led_Init(vo

14、id)GPIO_InitTypeDef a;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE,ENABLE);a.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;a.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;a.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &a);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);a.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;a.GPIO_Pin=G

15、PIO_Pin_5;a.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOE, &a);GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);初始化串口函數(shù)void chuankou_Init(void) GPIO_InitTypeDef a; USART_InitTypeDef b; NVIC_InitTypeDef c; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); a.GPIO_M

16、ode=GPIO_Mode_AF_PP;a.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;a.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOA,&a); a.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;a.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;a.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOA,&a);b.USART_BaudRate=115200;b.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;b.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;b.USART_Parity=USART_Parity_No;b.USART_StopBits=USART_StopBits_1 ;b.USART_WordLength=USART_Word