微机接口-第7章--USB

7.3.2 管道(Pipe)
USB支持功能性和控制性的数据传送，这些传 送发生在主机软件和USB设备的端点之间，USB 设备的端点和主机软件的联合称为管道（Pipe）。 管道是从逻辑概念上来描述信息传输的通道。

一个USB设备应有端点来支持接受数据的管道，
还应有端点来支持发送数据的管道。
端点0所对应的管道(默认管道):主要用于控制类
特 殊
PRE
用于低速传输
USB2.0 PID
包的类型编码:
Packet 类型 Token Token Token Token Data Data Handshake Handshake Handshake Special PID名称 OUT IN SOF Setup DATA0 DATA1 ACK NAK Stall PRE PID3 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 PID2 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 PID1 PID0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0
型的传输.主机对外设的控制就是通过默认管道来 实现的。
USB协议规定了两种管道：流管道、消息管道。
USB端点,管道,通信流
主机 客户软件 缓冲区
管道
USB逻辑设备
通信流
端点
USB主机/设备的简单模型:
1. USB的数据传送是在主机软 件和一个USB设备的指定端 口之间。这种主机软件和 USB设备的端口间的联系称 作管道。 2. 数据和控制信号在主机和 USB设备间的交换存在两种 管道：单向和双向。 3. 各管道之间的数据流动是相 互独立的。一个指定的USB 设备可有许多管道。发送数 据的管道和接收数据的管道。 USB主机 USB设备
7.3

USB的数据流模型
7.3.1 端点(Endpoint)
在USB接口中再也不用考虑I/O地址空间、IRQ线 及DMA通道的问题。只给每个USB外设分配一个逻 辑地址，但并不指定分配任何系统资源。 而USB外设本身应包含一定数量的独立寄存器端 口，并能由USB设备驱动程序直接操作。这些寄 存器也就是USB设备的端点（Endpoint）。 一个设备可以有多个端点，但所有的USB设备都 必须有一个零端点以用于设置，完成Control类 型传送。
7.2.3 USB通信模型
主机 客户软件层 USB系统软件层 USB主机控制器 设备
逻辑连接 逻辑连接 物理连接
功能层 USB设备层 总线接口层
1.
2.
3.
客户软件(client software)：为一个特定的USB设备而在主机上运行的 软件。这种软件由USB设备的提供者提供，或由操作系统提供。 USB系统软件(USB system software)：此软件用于在特定的操作系统 中支持USB，它由操作系统提供。与具体的USB设备无关，也独立于 客户软件。 USB主机控制器(USB Host Controller):总线在主机方面的接口，是软 件和硬件的总和。用于支持USB设备通过USB连到主机上。
传输过程:

在USB线路上传输的最小数据块是包。一个包由同步 信号（SYNC），包ID（PID），有时还有一些数据和 一些CRC校验字节组成。
D A T A 1 C R C 1 6 D A T A 0 C R C 1 6
A O D U D T R
E N D P
C R C 5
Payload Data
Data Packet
A C K H/S Pkt
A O D U D T R
E N D P
C R C 5
Payload Data
Data Packet
A C K H/S Pkt
Token Packet
Token Packet
SYNC
8位
PID
8位
ADDR
7位
ENDP
4位
CRC
5位
标志（令牌）包格式
PID说明：
2.
3.
7.1.2

USB的主要优点：
速度快
USB1.1: 有全速和低速两种方式，主模式为全速 模式，速率为12Mbps，另外为了适应一些不需要 很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等， USB还提供低速方式，速率为1.5Mbps。 USB2.0: 2000年9月推出的USB2.0协议将使其速 率达到480Mbps，它非常适用于一些视频输入/输 出产品，并很有可能替代SCSI接口标准。
(2) 功能设备




功能设备能在总线上发送和接收数据或控制信 息，它是完成某项具体功能的硬件设备，如鼠 标、键盘等。 每个设备中有一个或多个逻辑连接点，称为端 点（Endpoint）。 端点和主机共有四种形式的数据传输类型，在 设备配置时每个端点指明它与主机进行何种类 型的传输。 所有设备都有一个端点0，主机与它通信，对设 备进行配置和基本的控制。
类型
令牌 （TOKEN）
标志与意义
OUT 表示数据方向从主机到设备 IN 表示数据方向从设备到主机 SOF 表示这个包指示帧开始 SETUP 表示这是一个USB标准控制事务包 DATA0 DATA1 表示一个偶数据包 表示一个奇数据包
数据 （DATA） 握手
HANDSHAKE
ACK(确认 ) 表示传输成功完成 NAK(不确认) 一般表示器件正忙或暂时没有数据 STALL 一般表示传输有错误
组成。所有的包都是以包含了
PID
附加信息 CRC
识别信息的一个包ID（PID）
开始。
传输过程:




USB是一种查询（Polled）式的总线，每一次USB 数据传输都是由USB主机控制器发起。 数据传输的基本单元是事务（Transaction），它是 主机和设备之间一个或多个包的离散交换。 主 机 总 是 用 一 个 令 牌 （ TOKEN ） 包 开 始 一 个 Transaction。令牌包指定一个设备地址和端点地址。 所有设备对地址进行解码，与此地址匹配的设备的 端点将与主机进行通信。 最后是沿数据传输的反方向发送一个握手 （Handshake）包。
VBus
D+ DGND
… …
(a)
VBus
D+ DGND
7.1.4 USB的电气特性
1.
2.
3.
USB主机或根Hub对设备提供的对地电源电压为 4.75~5.25V。设备能吸入的最大电流值为500mA。 USB设备的电源供给有两种方式：自给方式 （设备自带电源）和总线供给方式。 USB主机有一个独立于USB的电源管理系统 （APM）。USB系统软件通过与主机电源管理系 统交互来处理诸如挂起、唤醒等电源事件。
1.
Host Root HUB
USB控制器
主机的USB接口称为USB控制器。其主要功能包括：



帧产生 传输差错控制 状态处理 串行化与反串行化 数据处理
7.2.2
USB设备
USB设备分成HUB、功能设备两种。
(1) USB HUB

是USB实现即插即用的一个关键部分。每个USB hub有 一个面向主机的端口，称为上游端口（Upstream Port）； 同时还有几个用于和下端USB设备连接的端口，称为下 游端口（Downstream Port）。 HUB可以检测到下游端口是否有设备插入，同时也可以 禁用某一个或某几个下游端口。每个下游端口可自由连 接全速或低速设备。
1.
针对这一问题的解决，以Intel公司为主，并有 Compaq、Microsoft、IBM 、DEC、NEC等公司 共同开发，提出了USB通用外设接口标准。USB （Universal Serial Bus）的中文含义是通用串行 总线. 于1994年11月制定了第一个草案，1996年2月公 布了USB1.0版本，目前，已发展到2.0版. 1997年，微软在Windows97中开始外挂模块形式 提供对USB的支持，1998后，随着Windows98中 内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备日 益增多，USB 逐渐流行起来。
主机 客户软件 缓冲区
管道
通信流
USB逻辑设备
端点
管道组 （到某一接口）
7.3.3

USB通信数据流
客户 （管理界面）
传送管理:
要完成主机与USB设备间 的任何数据传送，必须要 使用一定的USB带宽。要想 支持从同步设备到异步设 备的各种传送，必须要能 满足它们对传送的不同要 求。分配总线带宽给设备 的工作叫做传送管理。 主机上有几个部分是用于 协调USB上的信息流的，它 们是：客户软件、USB驱动 （USBD）和主机控制器驱 主机 动器（HCD）。 控制器 配置信息

设备安装和配置容易
安装USB设备不必再打开机箱，所有USB设备支持 热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过 去的跳线和拨码开关设置。

易于扩展
通过使用Hub扩展可连接多达127个外设。标准 USB电缆长度为3米（低速为5米）。通过Hub 或中继器可以使外设距离达到30米。

使用灵活
USB共有4种传输模式：控制传输（control）、 同步传输（Synchronization）、中断传输 （interrupt）、块传输（bulk），以适应不同设 备的需要。
第7章
USB通用串行总线
7.1 USB概述

问题的提出：
外设与CPU的连接存在接口标准各自独立、互不 兼容、无法共享的问题，并且安装、配置麻烦。

解决基本思路:
采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应 的软件，实现资源共享和外设简单快速连接，提供 设备共享接口来解决PC机与外部设备连接的通用性。
Hale Waihona Puke USB集线器的结构图:上游 端口