USB總線技術及應用

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

2、都在追求高速度和高通用性。為了滿足用戶的需求，以Intel為首的七家公司Intel、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，USB可把多達127個外設同時連到用戶的系統(tǒng)上，所有的外設通過協(xié)議來共享USB的帶寬，其12Mbps的帶寬對于鍵盤鼠標等低中速外設是完全足夠。隨著USB技術的應用不斷深入，在2000年發(fā)布的USB規(guī)范版本2.0中已經(jīng)將USB支持的帶寬提升到480Mbps。USB 正在不斷地占領PC外設的市場

3、，成為了PC外設的主流接口。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?，F(xiàn)在USB不光成為了微機主板上的標準端口而且還成為了所有微機外設（包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、數(shù)字相機、掃描儀和游戲手柄等等）與主機相連的標準協(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的應用將越來越廣泛。特別是在電氣專業(yè)領域，工業(yè)現(xiàn)場控制，便攜測試設備等方面。1 USB的基本原理1.1 USB協(xié)議概述USB是英文U

4、niversal 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)絡性和低功耗等優(yōu)點得到了迅速發(fā)展和廣泛的應用。學習USB的相關知識是進行USB項目開發(fā)的基礎。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，被廣泛的應用為主機。USB從機一般就是指USB設備，可以實現(xiàn)一定的功能。這篇認識報告主要整理了三方面內(nèi)容。第一部分是整理了USB的通信協(xié)議，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

5、和接口電路，普通的USB通信的實現(xiàn)。整理的資料對初學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內(nèi)沒有總線操作，設備就自動掛起，降低功耗。能夠實現(xiàn)即插即用（PnP，Play and Plug）。在USB的電氣結構上能夠判斷設備的接入和拔出。1.3 USB系統(tǒng)組成USB整體通信模型：也就是USB的星形拓撲結構，以USB主機為核心，建立USB主機與USB設備之間的數(shù)據(jù)通信，通過USB Hub為節(jié)點連接主機與設備。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

6、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，構成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：包括主機，HUB與設備架構；主機與設備通信的流程、步驟；軟硬件設計方法等。這是USB系統(tǒng)開發(fā)工程師最終的目的，也是學習和掌握USB技術的目的。2 USB基本結構和特點2.1引言主要是對USB的基本結構和特性作初步的介紹，是否了解這些知識對于設計USB設備系統(tǒng)至關重要,只有清楚地理解這些概念才能更好的進行設計。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，GND為

7、地線，這兩根線為下行（downstream）設備提供電源；D+和D-是差動（differential）信號線，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。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設備的主要方式，所有USB設備都必須具備一個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

8、集線器。B型連接器用于廠家提供的標準的可分離（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設備和集線器的上行輸入口；B型插頭用于下行連接到USB設備。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外設一起分享這個串行總線接口中，而且可以高達127個外設對應于一個PC主機。其中，USB主機是整個總線上的主控者掌握所有的主控權，負責對各個外設發(fā)出各設定命令和配置。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

9、其地址的設備根據(jù)這個令牌包做出相應的操作。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備就會以時間分隔的多任務傳輸來分享它。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總線結構USB系統(tǒng)中的設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Hub是一類特殊的USB設備，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。圖 2-22.5數(shù)據(jù)流模式USB對于與設備之間的通信提供了特定的協(xié)議。雖然USB系統(tǒng)的

10、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總線的邏輯拓撲結構，而數(shù)據(jù)流的模式則是以這些邏輯連接為基本結構。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。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。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，并且終止于設備上的某一端點。設備端點用于區(qū)別任意的通信流。 端 點 是 主機與設備之間的一個邏輯通道，也是一個USB設備唯一可以確認的部分，它

11、是主機與設備之間的通信流終點.一個USB邏輯設備對整個系統(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設備通信。利用設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設備之間建立的一個虛連接，是設備上的一個端點和主機上的軟件的聯(lián)合體，在USB技術中有兩類管道:流管道和消息管道。對一個USB設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 針對設備對系統(tǒng)資源需求的

12、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設備的配置信息有關的數(shù)據(jù)，如設備地址、配置描述符等，但它也可用于輿其他用途的數(shù)據(jù)。控制傳輸可用于低速、全速或高速設備，且所有的USB設備都必須支持控制輿。具體來說，任何USB設備都必須在其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、且對服務周期有要求的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要及時處理，

13、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)恼_性?？偟膩碚f中斷傳輸特別適合于鍵盤、鼠標類設備，因為對于它們，所需處理的事件只是鍵盤按下、鼠標點擊和移動等，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周期。同步傳輸：該方式用于需要連續(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。同步傳輸以固定的傳輸速率連續(xù)不斷的在主機和USB外設之間傳輸數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，USB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)包結束時沒有CRC校驗。同步傳輸特別適合于音頻和視頻類設備，如CD播放機、揚聲器等；因為對于它們，數(shù)

14、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速或全速USB設備，但全速/高速設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

15、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外設一起分享這個串行總線接口，而且可以高達127個外設對應于一個PC主機。其中，USB主機是整個總線上的主控者，掌握所有的主控權，負責對各個外設發(fā)出各設定命令和配置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備根據(jù)這個令牌包做出相應的操作。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備就會以時間分隔的多任務傳輸來分享它。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_)。傳

16、輸協(xié)議：主機與設備之間通過稱為事務的離散交互進行通信；一個或多個事務完成一次傳輸請求。一個傳輸事務由若干個包(packet)組成。包是總線傳輸?shù)淖钚?shù)據(jù)塊，通常由多個域組成。包僅沿一個方向傳送-主機到設備或設備到主機。數(shù)據(jù)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：遇到0信號發(fā)生跳變而遇到1時保持不變；當出現(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)

17、據(jù)80H)。SYNC域中的最后兩位用于SYNC域的結束標志同時表示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?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(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，就是說一切的溝通都是由PC主機來負責啟動的。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，因此必須通過嚴謹?shù)膮f(xié)議才能與外設達成通信的協(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

18、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，對高速設備而言，在lms的幀內(nèi)可能包含各個設備所提交的數(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個客戶端的驅動程序。 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雜的通信協(xié)議。2.7.1 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)格和結構。USB的傳輸順序是由LSB(最低位)到MSB(最高位)。 1.同步順序(SYNC)數(shù)據(jù)域SYNC數(shù)據(jù)域的長度的定義為8bit，是一個數(shù)據(jù)分組的前導，是用來產(chǎn)生同步的作用，所以它的數(shù)值是固定的，為00000001。2.包標示符(PID)數(shù)據(jù)域一個 PID包括一個4bit的分組類型域和一個4bit的校驗域，如圖2-4示.PID緊跟在SYNC后面，用來指出數(shù)據(jù)分組的類型，并且可以據(jù)此推斷出分組格式和分組所應用的檢錯方式。 圖2-5 PID格式主機和所有的功能設備必須能對所有接收到的PID域進行完整的解碼。如果任意一個接收到的PID的檢驗域出現(xiàn)錯誤或者其解碼后為一個未定義的值，就認為其受到了破壞。那么該PID 及分