USB總線協(xié)議

USBUniversal Serial Bus總線協(xié)議是以Intel為主并有CompaqMicrosoftIBMDECNorthern Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn)1994年11月制定了第一個(gè)草案1996年2月公布了USB規(guī)范版本1.0USB可把多達(dá)127個(gè)外設(shè)同時(shí)聯(lián)到你的系統(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)是完全足夠的注在1999年2月發(fā)布的USB規(guī)范版本2.0草案中已建議將12Mbps的帶寬提升到120-240MbpsUSB允許外設(shè)在主機(jī)和其它外設(shè)工作時(shí)進(jìn)行連接配置使用及移除即所謂的即插即用Plug & Play同時(shí)USB總線的應(yīng)用可以清除PC上過多的I/O端口而以一個(gè)串行通道取代使PC與外設(shè)之間的連接更容易。

一. 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

USB總線的物理連接是一種分層的菊花鏈結(jié)構(gòu)集線器(hub)是每個(gè)星形結(jié)構(gòu)的中心PC機(jī)就是主機(jī)和根Hub用戶可以將外設(shè)或附加的Hub與之相連這些附加的Hub可以連接另外的外設(shè)以及下層HubUSB支持最多5個(gè)Hub層以及127個(gè)外設(shè)。

二. USB的物理層

USB的物理接口包括電氣特性和機(jī)械特性：USB通過一個(gè)四線電纜來傳輸信號與電源。其中D+和D-是一對差模的信號線而VBus和GND則提供了5V的電源，它可以給一些設(shè)備(包括Hub)供電。當(dāng)然要有一定的條件限制。USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率：一種是12Mb的高速(full speed)模式，另一種是1.5Mb的低速模式。這兩種模式可以同時(shí)存在于一個(gè)USB系統(tǒng)中，而引入低速模式主要是為了降低要求不高的設(shè)備的成本，比如：鼠標(biāo)鍵盤等等。USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長不能超過5m。而在低速模式時(shí)中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線，但最長不能超過3m。這主要是由于信號衰減的限制，為了提供信號電壓保證以及與終端負(fù)載相匹配，在電纜的每一端都使用了不平衡的終端負(fù)載，這種終端負(fù)載也保證了能夠檢測外設(shè)與端口的連接或分離并且可以區(qū)分高速與低速設(shè)備。所有的設(shè)備都有上行的接口。上行和下行的接頭是不能互換的，這保證了不會有非法的連接出現(xiàn)。插頭與插座有兩個(gè)系列分別為A和B系列。A用于基本固定的外圍設(shè)備，而系列B用于經(jīng)常拔插的設(shè)備。這兩個(gè)系列是不能互換的。

三.USB設(shè)備

USB設(shè)備包括Hub和功能設(shè)備，而功能設(shè)備又可以細(xì)分為定位設(shè)備字符設(shè)備等等。為了進(jìn)一步敘述，我們給出端點(diǎn)(endpoint)和管道(pipe)的概念。

端點(diǎn)：每一個(gè)USB設(shè)備在主機(jī)看來就是一個(gè)端點(diǎn)的集合。主機(jī)只能通過端點(diǎn)與設(shè)備進(jìn)行通訊，以使用設(shè)備的功能。每個(gè)端點(diǎn)實(shí)際上就是一個(gè)一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這些端點(diǎn)在設(shè)備出廠時(shí)就已定義好。在USB系統(tǒng)中每一個(gè)端點(diǎn)都有唯一的地址，這是由設(shè)備地址和端點(diǎn)號給出的。每個(gè)端點(diǎn)都有一定的特性，其中包括傳輸方式，總線訪問頻率，帶寬端點(diǎn)號，數(shù)據(jù)包的最大容量等等。端點(diǎn)必須在設(shè)備配置后才能生效(端點(diǎn)0除外)。

Hub

Hub在USB結(jié)構(gòu)中是一個(gè)關(guān)鍵。它提供了附加的USB節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)被稱為端口。Hub可以檢測出每一個(gè)下行端口的狀態(tài)。并且可以給下端的設(shè)備提供電源。

即插即用

USB設(shè)備可以即插即用，但在可以使用之前，必須對設(shè)備進(jìn)行配置。一旦設(shè)備連接到某一個(gè)USB的節(jié)點(diǎn)上，USB就會產(chǎn)生一系列的操作來完成對設(shè)備的配置。這種操作被稱為總線枚舉過程。

1.設(shè)備所連接的Hub檢測出端口上有設(shè)備連接，通過狀態(tài)變化管道向主機(jī)報(bào)告。

2.主機(jī)通過詢問Hub以獲取確切的信息。

3.主機(jī)這時(shí)知道設(shè)備連接到哪個(gè)端口上，于是向這個(gè)端口發(fā)出復(fù)位命令。

4.Hub發(fā)出的復(fù)位信號結(jié)束后，端口被打開，Hub向設(shè)備提供100mA的電源。這時(shí)，設(shè)備上電所有的寄存器復(fù)位，并且，以缺省地址0以及端點(diǎn)0響應(yīng)命令。

5.主機(jī)通過缺省地址與端點(diǎn)0進(jìn)行通訊。賦予設(shè)備一個(gè)獨(dú)一的地址，并且讀取設(shè)備的配置信息。

6.最后主機(jī)對設(shè)備進(jìn)行配置,該設(shè)備就可以使用了。當(dāng)該設(shè)備被移走時(shí)，Hub依然要報(bào)告主機(jī)，并且關(guān)閉端口。一旦主機(jī)接到設(shè)備移走的報(bào)告，就會改寫當(dāng)前結(jié)構(gòu)信息。

設(shè)備的電源

USB設(shè)備的電源可以由USB總線供給，也可以自備電源。一個(gè)USB設(shè)備可以具有這兩種供電方式。但同一時(shí)刻只能由一種方式供電。這兩種供電方式是可以切換的。

設(shè)備的掛起

為了節(jié)電，當(dāng)設(shè)備在指定的時(shí)間內(nèi)沒有總線傳輸，USB設(shè)備自動進(jìn)入掛起狀態(tài)。如果設(shè)備所接的Hub的端口被禁止了，設(shè)備也將進(jìn)入掛起狀態(tài)(稱之為選擇掛起)。當(dāng)然，主機(jī)也可以進(jìn)入掛起狀態(tài)。

Re: USB接口技術(shù)（三）

USB主機(jī) USB主機(jī)在USB系統(tǒng)中處于中心地位。并且，對USB及其連接的設(shè)備有著特殊的責(zé)任。主機(jī)控制著所有對USB的訪問一個(gè)外設(shè)。只有主機(jī)允許才有權(quán)力訪問總線。主機(jī)同時(shí)也監(jiān)測著USB的結(jié)構(gòu)。USB主機(jī)包括三層：設(shè)備驅(qū)動程序，USB系統(tǒng)軟件，USB主控制器(主機(jī)的總線接口)。另外，還有兩個(gè)軟件接口：USB驅(qū)動USBD接口，主機(jī)控制驅(qū)動(HCD)接口。 USB數(shù)據(jù)流 從邏輯上講，USB數(shù)據(jù)的傳輸是通過管道進(jìn)行的。USB系統(tǒng)軟件通過缺省管道(與端點(diǎn)0相對應(yīng))管理設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動程序通過其它的管道來管理設(shè)備的。功能接口實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸過程是這樣的：設(shè)備驅(qū)動程序通過對USBD接口(USB driver interface)的調(diào)用，發(fā)出輸入輸出請求(IRPI/O Request Packet)。USB驅(qū)動程序接到請求后調(diào)用HCD接口(host controller driver interface)，將IRP轉(zhuǎn)化為USB的傳輸(transfer)，一個(gè)IRP可以包含一個(gè)或多個(gè)USB傳輸； 然后HCD將USB傳輸分解為總線操作(transaction)，由主控制器以包(packet)的形式發(fā)出。需要注意的是，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是由主機(jī)開始的，任何外設(shè)都無權(quán)開始一個(gè)傳輸。 IRP是由操作系統(tǒng)定義的，而USB傳輸與總線操作是USB規(guī)范定義的。為了進(jìn)一步說明USB傳輸，我們引出幀frame的概念。 幀：USB總線將1ms定義為一幀，每幀以一個(gè)SOF包為起始，在這1ms里USB進(jìn)行一系列的總線操作。引入幀的概念主要是為了支持與時(shí)間有關(guān)的總線操作。 為了滿足不同外設(shè)和用戶的要求，USB提供了四種傳輸方式：控制傳輸，同步傳輸，中斷傳輸，批傳輸。它們在數(shù)據(jù)格式，傳輸方向，數(shù)據(jù)包容量限制，總線訪問限制等方面有著各自不同的特征： 控制傳輸（Control Transfer） 1.通常用于配置/命令/狀態(tài)等情形 2.其中的設(shè)置操作setup和狀態(tài)操作status的數(shù)據(jù)包具有USB定義的結(jié)構(gòu)。因此控制傳輸只能通過消息管道進(jìn)行 3.支持雙向傳輸 4.對于高速設(shè)備,允許數(shù)據(jù)包最大容量為81632或64字節(jié)。對于低速設(shè)備，只有8字節(jié)一種選擇 5.端點(diǎn)不能指定總線訪問的頻率和占用總線的時(shí)間，USB系統(tǒng)軟件會做出限制 6 具有數(shù)據(jù)傳輸，保證在必要時(shí)可以重試 同步傳輸（Isochronous Transfer） 1.是一種周期的連續(xù)的傳輸方式，通常用于與時(shí)間有密切關(guān)系的信息的傳輸 2.數(shù)據(jù)沒有USB定義的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流管道 3.單向傳輸。如果一個(gè)外設(shè)需要雙向傳輸，則必須使用另一個(gè)端點(diǎn) 4.只能用于高速設(shè)備，數(shù)據(jù)包的最大容量可以從0到1023個(gè)字節(jié) 5.具有帶寬保證，并且保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎愣?。每個(gè)同步管道每幀傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包 6.沒有數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，要求具有一定的容錯(cuò)性 7.與中斷方式一起占用總線的時(shí)間不得超過一幀的90% 中斷傳輸(Interrupt Transfer) 1.用于非周期的自然發(fā)生的數(shù)據(jù)量很小的信息的傳輸，如鍵盤鼠標(biāo)等 2.數(shù)據(jù)沒有USB定義的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流管道 3.只有輸入這一種傳輸方式即外設(shè)到主機(jī) 4.對于高速設(shè)備允許數(shù)據(jù)包最大容量為小于或等于64字節(jié)，對于低速設(shè)備，只能小于或等于8字節(jié) 5.具有最大服務(wù)周期保證，即在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保證有一次數(shù)據(jù)傳輸 6.與同步方式一起占用總線的時(shí)間不得超過一幀的90% 7.具有數(shù)據(jù)傳輸保證在必要時(shí)可以重試 批傳輸(Bulk Transfer) 1.用于大量的對時(shí)間沒有要求的數(shù)據(jù)傳輸 2.數(shù)據(jù)沒有USB定義的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流管道 3.單向傳輸，如果一個(gè)外設(shè)需要雙向傳輸，則必須使用另一個(gè)端點(diǎn) 4.只能用于高速設(shè)備，允許數(shù)據(jù)包最大容量為81632或64字節(jié) 5.沒有帶寬的保證，只要有總線空閑就允許傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)先級小于控制傳輸 6.具有數(shù)據(jù)傳輸，保證在必要時(shí)可以重試，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性   Re: USB接口技術(shù)（四）   USB總線協(xié)議 所有總線操作都可以歸結(jié)為三種包的傳輸：任何操作都是從主機(jī)開始的，主機(jī)以預(yù)先排好的時(shí)序發(fā)出一個(gè)描述操作類型，方向外設(shè)地址，以及端點(diǎn)號(這將在以下部分給予解釋)的包。我們稱之為令牌包(Token Packet)。然后在令牌中指定的數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包或者指出它沒有數(shù)據(jù)可以傳輸。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個(gè)確認(rèn)包(Handshake Packet)作出響應(yīng)，以表明傳輸是否成功。 域的類型 同步域(SYNC field)。所有的包都起始于SYNC域，它被用于本地時(shí)鐘與輸入信號的同步。并且在長度上定義為8位。SYNC的最后兩位作為一個(gè)記號，表明PID域(標(biāo)識域)的開始。在以后的敘述中SYNC域?qū)⒈皇∪ァ? 標(biāo)識域(Packet Identifier Field)。對于每個(gè)包PID都是緊跟著SYNC的。PID指明了包的類型及其格式。主機(jī)和所有的外設(shè)都必須對接收到的PID域進(jìn)行解碼。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤或者解碼為未定義的值，那么這個(gè)包就會被接收者忽略。如果外設(shè)接收到一個(gè)PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設(shè)將不作出響應(yīng)。 地址域(Address Field)。外設(shè)端點(diǎn)都是由地址域指明的。它包括兩個(gè)子域外設(shè)地址和外設(shè)端點(diǎn)。外設(shè)必須解讀這兩個(gè)域。其中有任何一個(gè)不匹配，這個(gè)令牌就會被忽略。 外設(shè)地址域(ADDR)。指定了外設(shè)，它根據(jù)PID所說明的令牌的類型，指明了外設(shè)是數(shù)據(jù)包的發(fā)送者或接收者。ADDR共6位，因此最多可以有127個(gè)地址。一旦外設(shè)被復(fù)位或上電，外設(shè)的地址被缺省為0，這時(shí)必須在主機(jī)枚舉過程中被賦予一個(gè)獨(dú)一的地址。而0地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址。 端點(diǎn)域(ENDP)。有4位，它使設(shè)備可以擁有幾個(gè)子通道，所有的設(shè)備必須支持一個(gè)控制端點(diǎn)0(endpoint 0)。低速的設(shè)備最多支持2個(gè)端點(diǎn)0和一個(gè)附加端點(diǎn)。高速設(shè)備可以支持最多16個(gè)端點(diǎn)。 幀號域(Frame Number Field)。這是一個(gè)11位的域，指明了目前幀的排號。每過一幀(1ms)，這個(gè)域的值加1，到達(dá)最大值XFF后，返回0。這個(gè)域只存在于每幀開始時(shí)的SOF令牌中，SOF令牌在下面將詳細(xì)介紹。 數(shù)據(jù)域(Data Field)。范圍是01023字節(jié)，而且必須是整數(shù)個(gè)字節(jié)。 CRC校驗(yàn)。包括令牌校驗(yàn)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。 包的類型 令牌包(Token Packed) 其中包括：IN(輸入)，OUT(輸出)，SETUP(設(shè)置)和SOF(Start of Frame幀起始)四種類型。 對于OUT和SETUP來說，ADDR和ENDP中所指明的端點(diǎn)將接收到主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包，而對IN來說，所指定的端點(diǎn)將輸出一個(gè)數(shù)據(jù)包。 Token和SOF在三個(gè)字節(jié)的時(shí)間內(nèi)，以一個(gè)EOP(End of Packet)結(jié)束。如果一個(gè)包被解碼為Token包，但是并沒有在3個(gè)字節(jié)時(shí)間內(nèi)以EOP結(jié)束，它就會被看作非法或被忽略。 數(shù)據(jù)包包括Data0和Data1兩種類型。這兩種包的定義是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)。同步數(shù)據(jù)包包含了PIDDATA和CRC三個(gè)域。 應(yīng)答包(Handshake Packet)僅包含一個(gè)PID域。Handshake用來報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，只有支持流控制的傳輸類型，控制中斷和批傳輸才能返回Handshake。