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摘要摘要：通用串行總線(usb)是一種簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)外圍接口標(biāo)準(zhǔn)。它具有即插即用、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為計(jì)算機(jī)必備的一個(gè)接口。本文簡(jiǎn)要介紹USB總線的功能、拓樸結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，并舉例說(shuō)明USB接口的實(shí)際應(yīng)用。

摘要：通用串行總線USB接口外圍接口標(biāo)準(zhǔn)

一、USB接口背景

在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上常用串口或并口連接外圍設(shè)備。每個(gè)接口都需要占用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源(如中斷，I/O地址，DMA通道等)。無(wú)論是串口還是并口都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，一個(gè)接口僅支持一個(gè)設(shè)備。因此每添加一個(gè)新的設(shè)備，就需要添加一個(gè)ISA/EISA或PCI卡來(lái)支持，同時(shí)系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)才能驅(qū)動(dòng)新的設(shè)備。

USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于PC機(jī)和外圍設(shè)備的互聯(lián)。USB總線具有低成本、使用簡(jiǎn)單、支持即插即用、易于擴(kuò)展等特征，已被廣泛地用在PC機(jī)及嵌入式系統(tǒng)上。

二、USB總線優(yōu)缺點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)

（1）使用簡(jiǎn)單

所用USB系統(tǒng)的接口一致，連線簡(jiǎn)單。系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和配置，支持熱插拔。新添加設(shè)備系統(tǒng)不需要重新啟動(dòng)。

（2）應(yīng)用范圍廣

USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文附加信息少，帶寬利用率高，可同時(shí)支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個(gè)USB系統(tǒng)最多可支持127個(gè)物理設(shè)備。USB設(shè)備的帶寬可從幾Kbps到幾Mbps(在USB2.0版本，最高可達(dá)幾百M(fèi)bps)。一個(gè)USB系統(tǒng)可同時(shí)支持不同速率的設(shè)備，如低速的鍵盤、鼠標(biāo)，全速的ISDN、語(yǔ)音，高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設(shè)備)。

（3）較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力

USB系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地管理設(shè)備插拔。在USB協(xié)議中包含了傳輸錯(cuò)誤管理、錯(cuò)誤恢復(fù)等功能，同時(shí)根據(jù)不同的傳輸類型來(lái)處理傳輸錯(cuò)誤。

（4）總線供電

USB總線可為連接在其上的設(shè)備提供5V電壓/100mA電流的供電，最大可提供500mA的電流。USB設(shè)備也可采用自供電方式。

（5）低成本

USB接口電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，非凡是低速設(shè)備。USB系統(tǒng)接口/電纜也比較簡(jiǎn)單，成本比串口/并口低。

2.缺點(diǎn)

USB技術(shù)還不是很成熟，非凡是高速設(shè)備。市場(chǎng)上現(xiàn)有的USB設(shè)備價(jià)格都比較昂貴，但隨著USB技術(shù)的日益成熟，設(shè)備的不斷增加和廣泛應(yīng)用，其價(jià)格將會(huì)有所降低。

三、USB系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一個(gè)USB系統(tǒng)包含三類硬件設(shè)備摘要:USB主機(jī)(USBHOST)、USB設(shè)備(USBDEVICE)、USB集線器(USBHUB)，如圖1所示。

（1）USBHOST

在一個(gè)USB系統(tǒng)中，當(dāng)且僅當(dāng)有一個(gè)USBHOST時(shí)，USBHOST有以下功能摘要:

管理USB系統(tǒng)；

每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)；

發(fā)送配置請(qǐng)求對(duì)USB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)。

（2）USBDEVICE

在一個(gè)USB系統(tǒng)中，USBDEVICE和USBHUB總數(shù)不能超過(guò)127個(gè)。USBDEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過(guò)數(shù)據(jù)包的地址域來(lái)判定是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包摘要：若地址不符，則簡(jiǎn)單地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過(guò)響應(yīng)USBHOST的數(shù)據(jù)包和USBHOST進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）USBHUB

USBHUB用于設(shè)備擴(kuò)展連接，所有USBDEVICE都連接在USBHUB的端口上。一個(gè)USBHOST總和一個(gè)根HUB(USBROOTHUB)相連。USBHUB為其每個(gè)端口提供100mA電流供設(shè)備使用。同時(shí)，USBHUB可以通過(guò)端口的電氣變化診斷出設(shè)備的插拔操作，并通過(guò)響應(yīng)USBHOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報(bào)給USBHOST。一般來(lái)說(shuō)，USB設(shè)備和USBHUB間的連線長(zhǎng)度不超過(guò)5m，USB系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)不能超過(guò)5級(jí)（包括ROOTHUB）。

四、USB總線數(shù)據(jù)傳輸

USB總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

從物理結(jié)構(gòu)上，USB系統(tǒng)是一個(gè)星形結(jié)構(gòu)；但在邏輯結(jié)構(gòu)上，每個(gè)USB邏輯設(shè)備都是直接和USBHOST相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｔ赨SB總線上，每ms傳輸1幀數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)可由多個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸過(guò)程組成。USB設(shè)備可根據(jù)數(shù)據(jù)包中的地址信息來(lái)判定是否響應(yīng)該數(shù)據(jù)傳輸。在USB標(biāo)準(zhǔn)1.1版本中，規(guī)定了4種傳輸方式以適應(yīng)不同的傳輸需求摘要：

（1）控制傳輸（controltransfer）

控制傳輸發(fā)送設(shè)備請(qǐng)求信息，主要用于讀取設(shè)備配置信息及設(shè)備狀態(tài)、設(shè)置設(shè)備地址，設(shè)置設(shè)備屬性、發(fā)送控制命令等功能。全速設(shè)備每次控制傳輸?shù)淖畲笥行ж?fù)荷可為64個(gè)字節(jié)，而低速設(shè)備每次控制傳輸?shù)淖畲笥行ж?fù)荷僅為8個(gè)字節(jié)。

（2）同步傳輸（isochronoustransfer）

同步傳輸僅適用于全速/高速設(shè)備。同步傳輸每ms進(jìn)行一次傳輸，有較大的帶寬，常用于語(yǔ)音設(shè)備。同步傳輸每次傳輸?shù)淖畲笥行ж?fù)荷可為1023個(gè)字節(jié)。

（3）中斷傳輸（interrupttransfer）

中斷傳輸用于支持?jǐn)?shù)據(jù)量少的周期性傳輸需求。全速設(shè)備的中斷傳輸周期可為1~255ms，而低速設(shè)備的中斷傳輸周期為10~255ms。全速設(shè)備每次中斷傳輸?shù)淖畲笥行ж?fù)荷可為64個(gè)字節(jié)，而低速設(shè)備每次中斷傳輸?shù)淖畲笥行ж?fù)荷僅為8個(gè)字節(jié)。

（4）塊數(shù)據(jù)傳輸（bulktransfer）

塊數(shù)據(jù)傳輸是非周期性的數(shù)據(jù)傳輸，僅全速/高速設(shè)備支持塊數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)總線帶寬有效時(shí)才進(jìn)行塊數(shù)據(jù)傳輸。塊數(shù)據(jù)傳輸每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笥行ж?fù)荷可為64個(gè)字節(jié)。

五、典型應(yīng)用

USB系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖3所示。

在圖3所示系統(tǒng)中，顯示器、Audio、Modem皆為全速設(shè)備，鍵盤、鼠標(biāo)為低速設(shè)備。其數(shù)據(jù)傳輸為摘要：

USBHOST通過(guò)控制傳輸更改顯示器屬性。

USBHOST通過(guò)塊數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)送給顯示器。

USBHOST通過(guò)控制傳輸更改鍵盤、鼠標(biāo)屬性。

USBHOST通過(guò)中斷傳輸要求鍵盤、鼠標(biāo)輸入讀入系統(tǒng)。

USBHOST通過(guò)控制傳輸更改Audio屬性。

USBHOST通過(guò)同步傳輸和Audio設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。

USBHOST通過(guò)控制傳輸更改Modem屬性。

USBHOST通過(guò)塊數(shù)據(jù)傳輸和Modem設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)

六、一個(gè)USBHOST接口的軟硬件設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上現(xiàn)已有很多公司提供的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。

同時(shí)也有很多帶USB接口的處理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面給出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT實(shí)現(xiàn)嵌入式USBHOST的例子。

1.SL11HT特征

遵從USB1.1標(biāo)準(zhǔn)；

支持全速/低速傳輸；

支持主機(jī)/設(shè)備端兩種模式；

3.3/5.0V供電；

片內(nèi)包含256個(gè)字節(jié)的SRAM；

48MHz晶振輸入。

當(dāng)SL11HT被用作USBHOST接口時(shí)，對(duì)系統(tǒng)有以下要求摘要:

由系統(tǒng)維護(hù)SOF幀數(shù)目；

由系統(tǒng)生成CRC5效驗(yàn)碼；

要求系統(tǒng)中斷潛伏期小于1.5μs。

2.SL11HT接口硬件框圖

圖4簡(jiǎn)單地給出了使用SL11HT擴(kuò)展USB接口的框圖，更具體的硬件連線圖請(qǐng)見參考文獻(xiàn)2,3。

3.USBHOST端軟件結(jié)構(gòu)

USBHOST端軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（1）USB接口驅(qū)動(dòng)程序

USB接口驅(qū)動(dòng)程序需實(shí)現(xiàn)以下功能摘要:

USB接口器件的初始化；

計(jì)算上層數(shù)據(jù)包的效驗(yàn)和，發(fā)送上層的數(shù)據(jù)包；

發(fā)送SOF幀；

接收從USB接口傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)的有效性；

將接收到的數(shù)據(jù)送往上層。

（2）USB協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序

USB協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序需實(shí)現(xiàn)以下功能摘要:

提供和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接口；

讀取并解析USB設(shè)備描述符，配置描述符；

為USB設(shè)備分配唯一的地址；

使用默認(rèn)的配置來(lái)配置設(shè)備；

支持基本的USB命令請(qǐng)求；

連接設(shè)備和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序；

轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)包。

（3）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需實(shí)現(xiàn)以下功能摘要:

提供和應(yīng)用程序的接口；

讀取并解析USB設(shè)備特有的描述符，獲得設(shè)備提供的傳輸通道；

發(fā)送設(shè)備特有的和基本的USB命令請(qǐng)求；

通過(guò)設(shè)備提供的傳輸通道和設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

通過(guò)USB命令請(qǐng)求重新配置設(shè)備。