USB接口及應(yīng)用

1、第四章第四章 USB接口與應(yīng)用接口與應(yīng)用2通用串行總線通用串行總線USB USB USB（Universal Serial Bus）通用串行總線是由通用串行總線是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種流行的外設(shè)接口家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種流行的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 1996年年2月公布了月公布了USB 1.0版本，傳輸速率有低速版本，傳輸速率有低速1.5Mbps和高速和高速12Mbps兩種模式。兩種模式。USB 2.0已于已于2000年年4月月27日由日由Compaq、HP、I

2、ntel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式正式對(duì)外發(fā)布，作為新一代對(duì)外發(fā)布，作為新一代USB標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)，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。USB 2.0不僅使不僅使USB大大提速，而且使更多的設(shè)備可以經(jīng)大大提速，而且使更多的設(shè)備可以經(jīng)USB連接到連接到PC3一、一、USBUSB系統(tǒng)系統(tǒng)概述概述： USB是一種電纜總線，支持在主機(jī)和各式各樣的即插是一種電纜總線，支持在主機(jī)和各式各樣的即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由主機(jī)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議使主機(jī)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議使

3、各種設(shè)備分享各種設(shè)備分享USB帶寬帶寬，當(dāng)其它設(shè)備和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，總，當(dāng)其它設(shè)備和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，總線允許添加、設(shè)置、使用以及拆除外設(shè)。線允許添加、設(shè)置、使用以及拆除外設(shè)。通用串行總線通用串行總線USB USB 1 1、USBUSB系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成一般一般USBUSB系統(tǒng)被分成系統(tǒng)被分成USBUSB的連接、的連接、USBUSB的設(shè)備和的設(shè)備和USBUSB的主機(jī)。的主機(jī)。USBUSB的連接的連接是指設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行連接的是指設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行連接的交互動(dòng)作交互動(dòng)作。USBUSB的物理連接是有層次性的星型布局，每個(gè)集線器在星型的中的物理連接是有層次性的星型布局，每個(gè)集線器在星型的中心，每條線段

4、是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的。心，每條線段是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的。41 1、USBUSB系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成( (續(xù)續(xù)) )任何USB系統(tǒng)中，只有一個(gè)主機(jī)。USB的設(shè)備包括集線器(Hub)和功能器件(Function)。集線器為USB提供更多的連接點(diǎn)，一個(gè)USB系統(tǒng)最多可連接127個(gè)設(shè)備，功能部件是指鍵盤(pán)、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等為系統(tǒng)提供具體功能的設(shè)備。U S B 設(shè) 備 和 U S B 主 機(jī) 的 接 口 稱 為 主 機(jī) 控 制 器 ( H o s t controller)，它是硬件和軟件綜合實(shí)現(xiàn)的。根集線器是綜合于主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的，用以提供USB的連接點(diǎn)。通用串行總線通用串行總線USB USB 5連接靈活連接靈活

5、一個(gè)一個(gè)USB接口理論上可以連接接口理論上可以連接127個(gè)個(gè)USB設(shè)備。連接的設(shè)備。連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用中樞方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用中樞轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)接頭(Hub)，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同PC機(jī)的機(jī)的USB口相接。在口相接。在USB方式下，所有的外設(shè)都在機(jī)箱外連接，不方式下，所有的外設(shè)都在機(jī)箱外連接，不必打開(kāi)機(jī)箱；允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。必打開(kāi)機(jī)箱；允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。USB采用采用“級(jí)聯(lián)級(jí)聯(lián)”方式，即每個(gè)方式，即每個(gè)USB設(shè)備用一個(gè)設(shè)備用一個(gè)USB插頭插頭連接到一個(gè)外設(shè)的連接到一個(gè)外設(shè)

6、的USB插座上，而其本身又提供一個(gè)插座上，而其本身又提供一個(gè)USB插座供下一個(gè)插座供下一個(gè)USB外設(shè)連接用。通過(guò)這種類似菊花鏈?zhǔn)降耐庠O(shè)連接用。通過(guò)這種類似菊花鏈?zhǔn)降倪B接，一個(gè)連接，一個(gè)USB控制器可以連接多達(dá)控制器可以連接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長(zhǎng)度為電纜長(zhǎng)度為3m(低速低速5m)。通過(guò)。通過(guò)Hub或中繼器可以使外設(shè)距或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到離達(dá)到30m。USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 通用串行總線通用串行總線USB USB 6USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 使用方便，具有熱插拔和即插即用功能。使用方便，具有熱插拔和即插即用功能。 傳輸速度快。傳輸速度快。 支持異步和同步傳輸支持

7、異步和同步傳輸 數(shù)據(jù)傳輸可靠數(shù)據(jù)傳輸可靠 連接靈活連接靈活 獨(dú)立供電，耗電少。獨(dú)立供電，耗電少。 接口靈活方便接口靈活方便 ，易于擴(kuò)展，易于擴(kuò)展通用串行總線通用串行總線USB USB 7 使用使用USB接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，連接簡(jiǎn)單快接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，連接簡(jiǎn)單快捷，可以進(jìn)行捷，可以進(jìn)行熱插拔熱插拔。即設(shè)備連到。即設(shè)備連到USB時(shí)，不必打開(kāi)機(jī)箱時(shí)，不必打開(kāi)機(jī)箱，也不必關(guān)閉主機(jī)電源。，也不必關(guān)閉主機(jī)電源。 在軟件方面，為在軟件方面，為USB設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)需用戶干預(yù)。自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)需用戶干預(yù)。USB設(shè)備也不涉及設(shè)備也不涉及IRQ沖突

8、等沖突等問(wèn)題，它單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)同其它設(shè)備爭(zhēng)問(wèn)題，它單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)同其它設(shè)備爭(zhēng)用用PC機(jī)有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。機(jī)有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。USB設(shè)備能真正做到設(shè)備能真正做到“即插即用即插即用”。使用方便使用方便USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 通用串行總線通用串行總線USB USB 8傳輸速度快傳輸速度快 USB 1.0 提供了兩種速度：提供了兩種速度：USB低速低速1.5Mbps，低速，低速的的USB支持低速設(shè)備，例如，調(diào)制解調(diào)器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、支持低速設(shè)備，例如，調(diào)制解調(diào)器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)、硬盤(pán)、光驅(qū)、網(wǎng)卡、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等；優(yōu)盤(pán)、硬盤(pán)

9、、光驅(qū)、網(wǎng)卡、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等；USB全速全速12Mbps，USB全速的數(shù)據(jù)傳輸速度比全速的數(shù)據(jù)傳輸速度比RS-232C串口串口的的9600bps快快1000多倍，它用于大范圍的多媒體設(shè)備。而多倍，它用于大范圍的多媒體設(shè)備。而USB 2.0的數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸速度可以高達(dá)480Mbps。 USB3.0接接口的傳輸率可達(dá)口的傳輸率可達(dá)5Gb/s。USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 通用串行總線通用串行總線USB USB 9獨(dú)立供電獨(dú)立供電由由 U S B 總 線 提 供 電 源 到 外 部 設(shè) 備 ，總 線 提 供 電 源 到 外 部 設(shè) 備 ， U S B 能 提 供能 提 供+5V/5

10、00mA的電源，的電源，供低功耗供低功耗USB設(shè)備如設(shè)備如USB鍵盤(pán)、鍵盤(pán)、USB鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)等作電源使用；但需高功耗的鼠標(biāo)、優(yōu)盤(pán)等作電源使用；但需高功耗的USB設(shè)備設(shè)備,如掃描如掃描儀等仍需自帶電源；儀等仍需自帶電源；USB還采用還采用APM（Advanced Power Management）技術(shù)，可以有效地節(jié)省電源功耗。）技術(shù)，可以有效地節(jié)省電源功耗。USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 通用串行總線通用串行總線USB USB 10接口靈活方便接口靈活方便 USB共有共有4種傳輸模式：種傳輸模式：控制傳輸控制傳輸(control)、同步傳輸、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸、中斷

11、傳輸(interrupt)、批量傳輸、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。USB還能智能識(shí)別還能智能識(shí)別USB鏈上外圍設(shè)鏈上外圍設(shè)備的接入或拆卸。備的接入或拆卸。USB接口支持即插即用和熱插拔，具有接口支持即插即用和熱插拔，具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，為外圍設(shè)備提供了低成本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，為外圍設(shè)備提供了低成本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸形式。無(wú)論是鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、游戲搖桿之類的簡(jiǎn)單輸入設(shè)輸形式。無(wú)論是鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、游戲搖桿之類的簡(jiǎn)單輸入設(shè)備，還是打印機(jī)、掃描儀、存儲(chǔ)設(shè)備、備，還是打印機(jī)、掃描儀、存儲(chǔ)設(shè)備、modem、攝像頭之、攝像頭之類的高級(jí)外部設(shè)備類的高級(jí)外部設(shè)備,都可以采用

12、都可以采用USB接口。所有使用接口。所有使用PS/2、串行、并行傳統(tǒng)接口的外圍設(shè)備均可采用串行、并行傳統(tǒng)接口的外圍設(shè)備均可采用USB接口形式。接口形式。USB的性能特點(diǎn)的性能特點(diǎn) 通用串行總線通用串行總線USB USB 11 USB使用一個(gè)使用一個(gè)4芯的標(biāo)準(zhǔn)接口，芯的標(biāo)準(zhǔn)接口，2芯是數(shù)據(jù)線芯是數(shù)據(jù)線，另另2芯分別是芯分別是+5V電源線和地線電源線和地線。接頭有兩種，扁平。接頭有兩種，扁平的的A型和梯形的型和梯形的B型。通常型。通常B型供集線器型供集線器(Hub)的設(shè)的設(shè)備使用。備使用。+5VD +D -G N D12MHz 1,5MHz USB接口引腳接口靈活方便接口靈活方便通用串行總線通用串

13、行總線USB USB 紅白綠黑12USBUSB系統(tǒng)的基本框架有三部分組成：系統(tǒng)的基本框架有三部分組成： USBUSB主機(jī)控制器主機(jī)控制器/ /根集線器、根集線器、 USBUSB集線器集線器 USBUSB設(shè)備。設(shè)備。USB的基本框架的基本框架 通用串行總線通用串行總線USB USB 13USBUSB主機(jī)控制器主機(jī)控制器/ /根集線器根集線器通用串行總線通用串行總線USB USB 負(fù)責(zé)激活USB系統(tǒng)刪的處理動(dòng)作；根集線器；為USB設(shè)備或集線器提供USB連接端口。USBUSB集線器集線器除了根端口以外，USB系統(tǒng)還提供附加的集線器，為連接其它設(shè)備提供一個(gè)或多個(gè)端口。USB集線器可集成到鍵盤(pán)或顯示器設(shè)

14、備中去，也可以成為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備。14USBUSB設(shè)備設(shè)備通用串行總線通用串行總線USB USB 泛指各種類型的USB外圍設(shè)備，USB設(shè)備能夠以高速、低俗、全速中的任何一種方式運(yùn)行。低速設(shè)備：如鍵盤(pán)鼠標(biāo)，傳輸速率為1.5Mb/s。全速設(shè)備：如CCD、移動(dòng)硬盤(pán)等，傳輸速率為12Mb/s.高速設(shè)備：如CCD、移動(dòng)硬盤(pán)等設(shè)備，傳輸速率480Mb/s。15USB的物理接口和電氣特性的物理接口和電氣特性 一、接口信號(hào)線一、接口信號(hào)線 3 3、電氣特性、電氣特性 163 3、電氣特性、電氣特性 D+D+、D-D-線電氣特性：線電氣特性： 無(wú)驅(qū)動(dòng)：無(wú)驅(qū)動(dòng)：高速高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反

15、之；低速反之； 有驅(qū)動(dòng)：有驅(qū)動(dòng)：高速高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之低速反之收發(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，設(shè)備吸入的最大電流值為的最大電流值為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173 3、電氣特性、電氣特性 在USB總線上的兩個(gè)端點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，總是采用平衡發(fā)送差分接收的方式工作，這樣可以極大地提高傳輸速率，并能減少噪聲。驅(qū)動(dòng)器和接收器采用差分電路可抵消噪聲的干擾。183 3、電氣特性（續(xù)）、電氣特性（續(xù)） USB傳送信號(hào)和電源是

16、通過(guò)一種四線的電纜。 兩根雙絞線是信號(hào)線D+和D-，用于發(fā)送信號(hào)。 USB為適應(yīng)不同的設(shè)備需要，具有不同的數(shù)據(jù)傳輸率?？稍谟猛籙SB總線傳輸?shù)那闆r下自動(dòng)地動(dòng)態(tài)切換。因?yàn)檫^(guò)多的使用低速模式，將降低總線的利用率，所以該模式只支持有限的個(gè)別低帶寬的設(shè)備(如鼠標(biāo))。 Vbus和GND兩條線，為設(shè)備提供電源，Vbus的電壓為5V。 USB設(shè)備可從總線和上行集線器上獲得電壓，也可以自行供電，設(shè)備獲取的電量也可進(jìn)行設(shè)置。UBUSDDGNDUBUSDDGNDUSB電纜 193 3、電氣特性（續(xù)）、電氣特性（續(xù)） USB具有省電模式，即進(jìn)入掛起狀態(tài)，USB支持兩種類型的掛起方式：全部掛起和選擇掛起，全部掛起是

17、所有的USB設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)；選擇掛起是僅被選擇的設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)。當(dāng)3ms內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到總線行為，設(shè)備將會(huì)進(jìn)入掛起狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)時(shí)，它消耗的電流不超過(guò)500A。當(dāng)設(shè)備被喚醒時(shí)(遠(yuǎn)程喚醒或由喚醒信號(hào)喚醒)，必須限制從總線上獲取的電流，設(shè)備必須有足夠大的分流電容，以保證當(dāng)設(shè)備處在恢復(fù)過(guò)程時(shí)，從集線器獲取的電流不超過(guò)端口的最大電流允許值。通用串行總線通用串行總線USB USB 20USBUSB數(shù)據(jù)編碼和解碼數(shù)據(jù)編碼和解碼 當(dāng)PC主機(jī)對(duì)設(shè)備各發(fā)出控制信號(hào)時(shí)，所有連接的設(shè)備都通過(guò)根集線器收到同樣的信號(hào)，但是經(jīng)過(guò)對(duì)比所配置的設(shè)備地址后，只能有一個(gè)設(shè)備作出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。因此對(duì)一個(gè)設(shè)備而言，不僅要無(wú)

18、誤地接收主機(jī)端所送來(lái)的數(shù)據(jù)，還要正確地發(fā)出響應(yīng)的信號(hào)。因此，在D與D-的差動(dòng)數(shù)據(jù)線上就必須采用一種特別的編號(hào)方式再加以傳送出去，以解決在USB纜線所產(chǎn)生信號(hào)延遲以及誤差等問(wèn)題。4 4、USBUSB的編碼方式的編碼方式 21USBUSB數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)）數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)） USBUSB采用了采用了NRZINRZI（Non Return to Zero InvertNon Return to Zero Invert，翻轉(zhuǎn)非，翻轉(zhuǎn)非零碼）的編碼方式，無(wú)須同步的時(shí)鐘信號(hào)也能產(chǎn)生同步的數(shù)零碼）的編碼方式，無(wú)須同步的時(shí)鐘信號(hào)也能產(chǎn)生同步的數(shù)據(jù)存取。據(jù)存取。 NRZINRZI的編碼規(guī)則是，的編碼規(guī)則是，

19、當(dāng)數(shù)據(jù)位為當(dāng)數(shù)據(jù)位為“1 1”時(shí)不轉(zhuǎn)換時(shí)不轉(zhuǎn)換，為為“0 0”時(shí)再作轉(zhuǎn)換時(shí)再作轉(zhuǎn)換。4 4、USBUSB的編碼方式的編碼方式 22USBUSB數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)）數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)） NRZINRZI的編碼方式會(huì)遇到一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題：的編碼方式會(huì)遇到一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題：若重復(fù)相同若重復(fù)相同的的“1 1”信號(hào)一直進(jìn)入時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法轉(zhuǎn)換信號(hào)一直進(jìn)入時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法轉(zhuǎn)換，逐，逐漸地累積而導(dǎo)致漸地累積而導(dǎo)致“塞車塞車”的狀況，使得讀取的時(shí)序就會(huì)發(fā)生的狀況，使得讀取的時(shí)序就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤。因此，在嚴(yán)重的錯(cuò)誤。因此，在NRZINRZI編碼之間，還需執(zhí)行所謂的編碼之間，還需執(zhí)行所謂的位

20、填位填充充（bit-stuffingbit-stuffing）的工作。）的工作。 若若原始的串行數(shù)據(jù)中含有連續(xù)原始的串行數(shù)據(jù)中含有連續(xù)6 6個(gè)個(gè)“1 1”位，就在其后填位，就在其后填塞一個(gè)塞一個(gè)“0 0”位位，強(qiáng)制，強(qiáng)制在在NRZINRZI編碼的數(shù)據(jù)流中加入跳變編碼的數(shù)據(jù)流中加入跳變，執(zhí)行，執(zhí)行位填塞的工作。位填塞的工作。 如果原始數(shù)據(jù)的第七位是0，填充位還是會(huì)被加入的，而且還加在同樣的位置，這就導(dǎo)致了在填充后的數(shù)據(jù)流中會(huì)有兩個(gè)連續(xù)的0。 4 4、USBUSB的編碼方式的編碼方式 23USBUSB數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)）數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)） 若原始的串行數(shù)據(jù)中含有連續(xù)若原始的串行數(shù)據(jù)中含有連續(xù)6

21、6個(gè)個(gè)“1 1”位，就在其后填塞位，就在其后填塞一個(gè)一個(gè)“0 0”位，強(qiáng)制在位，強(qiáng)制在NRZINRZI編碼的數(shù)據(jù)流中加入跳變，執(zhí)行位編碼的數(shù)據(jù)流中加入跳變，執(zhí)行位填塞的工作。填塞的工作。 4 4、USBUSB的編碼方式的編碼方式 24USBUSB數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)）數(shù)據(jù)編碼和解碼（續(xù)） 位填充操作位填充操作從同步數(shù)據(jù)段開(kāi)始從同步數(shù)據(jù)段開(kāi)始，貫穿于整個(gè)傳送過(guò)程，貫穿于整個(gè)傳送過(guò)程，在同步數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)在同步數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)“1 1”作為真正數(shù)據(jù)流的第一位。位填充作為真正數(shù)據(jù)流的第一位。位填充操作毫無(wú)例外由傳送端強(qiáng)制執(zhí)行。操作毫無(wú)例外由傳送端強(qiáng)制執(zhí)行。 在發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，須先執(zhí)行位填塞和在發(fā)送端

22、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，須先執(zhí)行位填塞和NRZINRZI編編碼的工作。相對(duì)的，在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收之前，就必須先碼的工作。相對(duì)的，在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收之前，就必須先執(zhí)行執(zhí)行NRZINRZI譯碼，識(shí)別插入位并去掉它們，然后再做位反填塞譯碼，識(shí)別插入位并去掉它們，然后再做位反填塞（unbit-stuffingunbit-stuffing）的工作。如果接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包中任一）的工作。如果接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包中任一處有七個(gè)連續(xù)的處有七個(gè)連續(xù)的“1 1”，則將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位插入錯(cuò)誤，該數(shù)據(jù)，則將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位插入錯(cuò)誤，該數(shù)據(jù)包將被忽略。包將被忽略。4 4、USBUSB的編碼方式的編碼方式 25USBUSB協(xié)議將通信邏

23、輯上分為三層：協(xié)議將通信邏輯上分為三層： 總線接口層、協(xié)議層和數(shù)據(jù)層總線接口層、協(xié)議層和數(shù)據(jù)層。 總線接口層是真正的物理對(duì)應(yīng)關(guān)系，也是最底層結(jié)構(gòu)，而其他兩層則是邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系?？偩€接口層為主機(jī)接口和設(shè)備接口的連接，傳送的是二進(jìn)制比特流；協(xié)議層邏輯上是USB協(xié)議棧和USB邏輯設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)，其中傳送的是包字節(jié)流；數(shù)據(jù)層則是主機(jī)端驅(qū)動(dòng)程序或者應(yīng)用軟件和設(shè)備端功能單元的對(duì)應(yīng)，傳送的是有一定意義的信息。USB協(xié)議在區(qū)分三層結(jié)構(gòu)中不同的信息流時(shí)候使用了不同的稱謂來(lái)描述：總線接口層的位信息流為信息包；協(xié)議層的包信息流為事務(wù)處理；數(shù)據(jù)層的信息流為數(shù)據(jù)傳輸。5 5、USBUSB通信的邏輯結(jié)構(gòu)通信的邏輯結(jié)構(gòu) 6.

24、1 包 包（Packet）是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?，所有?shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)打包后在總線上傳輸?shù)?。USB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標(biāo)識(shí)符字段（PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段（CRC）和包結(jié)尾字段（EOP），包的基本格式如下圖： 1、SYNC字段由8位組成，作為每個(gè)數(shù)據(jù)封包的前導(dǎo)，用來(lái)產(chǎn)生同步作用，使USB設(shè)備與總線的包傳輸率同步，它的數(shù)值固定為00000001。 2、PID字段用來(lái)表示數(shù)據(jù)封包的類型。PID字段如下圖所示：6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 各種封包的類型與規(guī)范 6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 6.1 包3、數(shù)據(jù)字段是用來(lái)攜帶主機(jī)與設(shè)備之間

25、要傳遞的信息，其內(nèi)容和長(zhǎng)度根據(jù)包標(biāo)識(shí)符、傳輸類型的不同而各不相同。并非所有的USB包都必須有數(shù)據(jù)字段，例如握手包、專用包和SOF令牌包就沒(méi)有數(shù)據(jù)字段。在USB包中，數(shù)據(jù)字段可以包含設(shè)備地址、端點(diǎn)號(hào)、幀序列號(hào)以及數(shù)據(jù)等內(nèi)容。在總線傳輸中，總是首先傳輸字節(jié)的最低位，最后傳輸字節(jié)的最高位。4、CRC字段由不同數(shù)目的位所組成。其中重要的數(shù)據(jù)封包采用CRC16的數(shù)據(jù)域（16個(gè)位），而其余的封包類型則采用CRC5的數(shù)據(jù)域（5個(gè)位）。5、包結(jié)尾字段即發(fā)送方在包的結(jié)尾發(fā)出包結(jié)尾信號(hào)。它表現(xiàn)為差分線路的兩根數(shù)據(jù)線保持2比特低位時(shí)間和1比特空閑位時(shí)間。USB主機(jī)根據(jù)EOP判斷數(shù)據(jù)包的結(jié)束。6 6、USBUSB總線

26、的協(xié)議總線的協(xié)議 6.2 封包格式起始（SOF）封包SOF封包屬于令牌封包的一種，但具有獨(dú)自的PID類型名：SOF。這個(gè)封包常用于等時(shí)傳輸，并不應(yīng)用于低速設(shè)備。格式如下：令牌（token）封包由于USB的數(shù)據(jù)交換是由PC主機(jī)端所激活的，所以在每一個(gè)數(shù)據(jù)交換中必須以SYNC、PID、ADDR、ENDP與CRC5這5個(gè)數(shù)據(jù)域組合而成的令牌封包為起始。格式如下：6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 數(shù)據(jù)（data）封包數(shù)據(jù)封包含有4個(gè)域：SYNC、PID、DATA與CRC16。DATA數(shù)據(jù)域的位值是根據(jù)USB設(shè)備的傳輸速度及傳輸類型而定，且須以8字節(jié)為基本單位。也就是，若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不足8字節(jié)，或

27、傳輸?shù)阶詈笏Ｓ嗟囊膊蛔?字節(jié)，仍須傳輸8字節(jié)的數(shù)據(jù)域。格式如下： 握手（Handshake）封包握手封包僅包含SYNC和一個(gè)PID數(shù)據(jù)域，格式如下： 特殊（special）封包PRE是主機(jī)從高速傳輸變成低速傳輸時(shí)送來(lái)的封包。格式如下：6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 事務(wù)處理（Transaction）：在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過(guò)程。（1）輸入（IN）事務(wù)處理輸入事務(wù)處理表示USB主機(jī)從總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收一個(gè)數(shù)據(jù)包的過(guò)程。正常的輸入事務(wù)處理設(shè)備忙時(shí)的輸入事務(wù)處理 設(shè)備出錯(cuò)時(shí)的輸入事務(wù)處理6.3 事務(wù)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備6 6、

28、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 正常的輸出事務(wù)處理（2）輸出（OUT）事務(wù)處理主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備設(shè)備忙時(shí)的輸出事務(wù)處理設(shè)備出錯(cuò)時(shí)的輸入事務(wù)處理主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 正常的設(shè)置事務(wù)處理 （3）設(shè)置（SETUP）事務(wù)處理主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備設(shè)備忙時(shí)的設(shè)置事務(wù)處理設(shè)備出錯(cuò)時(shí)的設(shè)置事務(wù)處理主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備主機(jī)主機(jī)主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備（4）幀起始（SOF）事務(wù)處理（5）幀結(jié)束（EOF）事務(wù)處理 6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 在USB的傳輸中，制定了4種傳輸類型：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸以及等時(shí)傳輸。控制傳

29、輸是USB傳輸中最重要的傳輸。它包含3種類型：控制讀取、控制寫(xiě)入以及無(wú)數(shù)據(jù)控制。這3種控制傳輸類型又分為23個(gè)階段：設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段（無(wú)數(shù)據(jù)控制沒(méi)有此階段）以及狀態(tài)階段。階段一：設(shè)置階段主機(jī)從USB設(shè)備獲取配置信息，并設(shè)置設(shè)備的配置值。設(shè)置階段的數(shù)據(jù)交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其后的DATA0數(shù)據(jù)封包以及ACK握手封包。它的作用是執(zhí)行一個(gè)設(shè)置（概念含糊）的數(shù)據(jù)交換，并定義此控制傳輸?shù)膬?nèi)容。 6.4 USB的數(shù)據(jù)傳輸6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸階段用來(lái)傳輸主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)?？刂谱x取將數(shù)據(jù)從設(shè)備移到主機(jī)上；控制寫(xiě)入將數(shù)據(jù)從主機(jī)傳到設(shè)備上。 階段二：數(shù)據(jù)傳輸階段主機(jī)

30、主機(jī)設(shè)備設(shè)備1. IN1. IN令牌封包令牌封包2. DATA12. DATA1數(shù)據(jù)封包數(shù)據(jù)封包3. ACK3. ACK握手封包握手封包控制讀取的控制讀取的ININ數(shù)據(jù)交換的過(guò)程示意圖數(shù)據(jù)交換的過(guò)程示意圖主機(jī)主機(jī)設(shè)備設(shè)備1.OUT1.OUT令牌封包令牌封包2. DATA12. DATA1數(shù)據(jù)封包數(shù)據(jù)封包3. ACK3. ACK握手封包握手封包控制寫(xiě)入的控制寫(xiě)入的OUTOUT數(shù)據(jù)交換的過(guò)程示意圖數(shù)據(jù)交換的過(guò)程示意圖6 6、USBUSB總線的協(xié)議總線的協(xié)議 狀態(tài)階段用來(lái)表示整個(gè)傳輸?shù)倪^(guò)程已完全結(jié)束。狀態(tài)階段傳輸?shù)姆较虮仨毰c數(shù)據(jù)階段的方向相反，即原來(lái)是IN令牌封包，這個(gè)階段應(yīng)為OUT令牌封包；反之，原來(lái)是OUT令牌封包，這個(gè)階段應(yīng)為IN令