USB通用串行总线

第7章 USB通用串行总线

7.1 概述

7.1.1 USB发展过程

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）由Compaq、IBM 、Intel、Microsoft、NEC等公司于1994年联合提出。

1996年发布USB1.0标准

1998年发布USB1.1标准

两种传输速度：1.5Mdbs（低速）、12Mdbs （全速）

热拔插和即插即用

最多可同时连接127台设备

1999年发布USB2.0标准

1）最高传输速度达480Mdbs（高速），是USB1.1的40倍

2）向下兼容USU1.1

7.1.2 USB的设计目标及特点

设计准则：

1）易于扩充

2）协议灵活

3）支持音频/视频等实时数据的传输

4）提供价格低廉的标准接口

USB的特点：

1）速度快

2）设备安装和配置容易

3）易于扩展

4）使用灵活

5）可总线供电

6）成本低

7.1.3 USB的接口特性

B的输出

. 差分驱动，支持半双工方式

. 电缆阻抗范围： 76.5 – 103.5Ω

. 驱动器输出阻抗匹配电阻：28 – 44Ω

. 所有USB设备的上游端口，按设备的最高速定义。

B的接收

. 差分接收

7.1.4 USB信号的定义

7.1.5 数据的编码与解码

NRZI的编码方法不需独立的时钟信号和数据一起发送，电平跳变代表“0”，没有电平跳变代表“1”。在数据被编码前，在数据流中每6个连续的“1”后插入1个“0”，从而强迫NRZI码发生变化，接收端必须去掉这个插入的“0”。

位填充和NRZI编码

如果接收端连续接收到7个逻辑“1”，则认为发生

了位填充错误。

7.2 USB系统结构

7.2.1 USB总线的拓扑结构

. 阶梯式星型拓扑结构

USB的物理连接USB的逻辑连接

. 管道：HOST软件与USB设备端口间的数据传输通道。

. 一个USB设备可有多个管道；设备的一个端口可建立一个输入管道和一个输出管道。

. 各管道之间相互独立。

7.2.2 USB主机

一个USB系统只有一个主机，主机的USB接口称为USB控制器。

USB控制器无论对主机还是USB设备，都必须具备如下的主要功能：

1. 帧产生

USB系统采用帧同步传输。

. 控制器将总线时间化分为帧，每帧持续时间：1ms

. 每1ms都以SOF（Start –Of-Frame）令牌开始，标识新的一帧开始。在SOF之后，总

线处于工作状态，主机与USB设备开始传输数据，传输完成，进入帧结束间隔区（EOF），

总线处于空闲状态。等待下一帧的开始。

. SOF以广播的方式，发到所有的全速设备，每隔1ms发送一次。

. 在帧结束间隔区（EOF）间内，所有的传输都被禁止或暂停。

. 高速微帧的持续时间为125us，每1ms内可产生8个微帧SOF令牌。

EOF间隔

SOF SOF SOF

帧 N+1

1ms 1ms

…

125us

2. 传输差错控制

. 超时错。目标端口没有反应。

. 协议错。位插入错（出现连续7个“1”），无效握手包，错误的包标志等。

. 数据丢失错或无效传输错。传输时间超过EOF （1ms）、CRC校验等

对于批传输、命令传输和中断传输，上述各类型的错误出现3次后，终止传输。同步传输则不受此限制。

3. 状态处理

控制器负责管理和报告USB系统的各种状态，状态处理器负责对状态信息做处理，使主机控制器与设备之间的状态保持一致。

4. 串行化与反串行化

. 输出数据。主机控制器将协议信息与原始数据信息转换为串行数据流。

. 输入数据。主机控制器将串行数据流还原为协议信息与原始数据信息。

. 串行接口引擎（STE）负责传输过程中的串行化与反串行化工作。

5. 数据处理

. 主机控制器负责处理主机输入/输出数据的请求。

. 数据传输的格式取决于系统的具体实现，并符合USB协议的要求。

站在用户的角度，主机控制器具有的功能：

. 检测USB设备的插入和拔出。

. 管理主机与设备的数据流。

. 对设备进行必要的控制。

. 收集/处理各种状态信息。

. 给设备供电。

7.2.3 USB设备

USB设备分为两类：USB集线器（HUB）、USB设备

1. USB集线器

. 上游端口

. 下游端口

. USB 集线器由控制器和中继器组成。

. 控制器负责与主机接口，接收主机发来的命令和数据。

. 中继器负责上游端口与下游端口之间的联接状态。可由硬件产

生复位、休眠和恢复信号。

2. USB功能设备

. 具备某一特定应用功能的设备，通过USB接口连接USB主机并收/

发数据和控制信息。

. 每一设备都必须由自己的配置信息（对设备功能的描述、设备的

属性、资源要求等），主机根据设备提供的配置信息对设备进行

配置和定位驱动软件。

. 端点。USB主机与USB设备的逻辑连接点。

. 接口。一组相关的端点组成一个接口。