通用串行总线(USB)原理及接口设计 I

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用串行总线(USB)原理及接口设计 摘要：以ＵＳＢ１．１为基础讨论了ＵＳＢ的基本原理、工作流程、通信协议和相应的关键技术，并介绍了一种ＵＳＢ接口的１０Ｍ以太网卡的设计方案。已经发布的ＵＳＢ２．０支持４８０Ｍｂｐｓ的高速数据传输，这将使ＰＣ可以通过ＵＳＢ接口传输更高速更大量的数据。还论述了ＵＳＢ２．０的改进和优点。 关键词：通用串行总线(ＵＳＢ) 设备驱动程序 ＷＤＭ通用串行总线ＵＳＢ (Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ＳｅｒｉａｌＢｕｓ)是Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ等大厂商为解决计算机外设种类的日益增加与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而于１９９５年提出制定的。它是一种用于将适用ＵＳＢ的外围设备连接到主机的外部总线结构，主要用在中速和低速的外设。ＵＳＢ同时又是一种通信协议，支持主机和ＵＳＢ的外围设备之间的数据传输。目前较多设备支持的是ＵＳＢ１．１?１?，最新的ＵＳＢ２．０?３?已于２０００年４月正式发布。
ＵＳＢ设备具有较高的数据传输率、使用灵活、易扩展等优点。
ＵＳＢ１．１有全速和低速两种方式，低速方式的速率为１．５Ｍｂｐｓ，支持一些不需要很大数据吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等；全速模式为１２Ｍｂｐｓ，可以外接速率更高的外设。在刚刚发布的ＵＳＢ２．０中，增加了一种高速方式，数据传输率达到４８０Ｍｂｐｓ，可以满足更加高速的外设的需要。
安装ＵＳＢ设备不必打开主机箱，它支持即插即用(Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ) 和热插拔(ＨｏｔＰｌｕｇ)。当插入ＵＳＢ设备的时候，主机检测该外设并且通过自动加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作。
１ ＵＳＢ的结构与工作原理
１．１物理结构
ＵＳＢ的物理拓扑结构如图１所示。在ＵＳＢ２．０中，高速方式下Ｈｕｂ使全速和低速方式的信令环境独立出来，图２中显示了高速方式下Ｈｕｂ的作用。
通过使用集线器(Ｈｕｂ)扩展可外接多达１２７个外设。ＵＳＢ的电缆有四根线，两根传送的是５Ｖ的电源，另外的两根是数据线。功率不大的外围设备可以直接通过ＵＳＢ总线供电，而不必外接电源。ＵＳＢ总线最大可以提供５Ｖ５００ｍＡ电流，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。
１．２ ＵＳＢ设备逻辑结构
ＵＳＢ的设备可以分成多个不同类型，同类型的设备可以拥有一些共同的行为特征和工作协议，这样可以使设备驱动程序的编写变得简单一些。ＵＳＢＦｏｒｕｍ在ＵＳＢ类规范?２?中定义了ＵＳＢ的设备类型，比如音频、通信、ＨＩＤ、ＨＵＢ等设备类。
每一个ＵＳＢ设备会有一个或者多个的逻辑连接点在里面?每个连接点叫端点。在ＵＳＢ的规范中用４位地址标识端点地址，每个设备最多有１６个端点。端点０都被用来传送配置和控制信息。在ＮＳ公司的ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２?４?中有７个端点。
管道实现了在主机的一个内存缓冲区和设备的端点之间的数据传输，连接端点０的叫做缺省管道。管道是具有多个特征的信道，如带宽分配，包大小，管道类别以及数据流向。管道有两种类型分别是流管道(ｓｔｒｅａｍｐｉｐｅ)和消息管道(ｍｅｓｓａｇｅｐｉｐｅ)。流管道传输的数据包的内容不具有ＵＳＢ要求的结构，它是单向传输的；流管道支持批量、等时和中断传输方式。而消息管道与流管道具有不同的行为。首先，由主机发请求给ＵＳＢ设备，然后在适当的方向上传输数据，最后是到达一个状态阶段。为了保证三个阶段的数据传输，消息管道定义了一个数据结构使命令可靠地被识别和传输。消息管道是双向的，它只支持控制传输方式。
对于同样性质的一组端点的组合叫做接口，如果一个设备包含不止一个接口就可以称之为复合设备(见图１)。
对于同样类型接口的组合可以称之为配置。但是每次只能有一个配置是可用的，而一旦该配置被激活，里面的接口和端点就都同时可以使用。主机从设备发过来的描述字中来判断用的是哪个配置?哪个接口等等?而这些描述字通常是在端点０中传送的。
１．３ ＵＳＢ通信分层模型
一台主机到设备的连接需要许多层与实体之间的相互作用。ＵＳＢ总线接口层提供了主机和设备之间的物理／信令／包的连接。在系统软件看来，ＵＳＢ设备层执行的是一般的ＵＳＢ操作。功能接口层提供和应用软件层相对应的附加功能。分层模型如图３所示，虽然逻辑上ＵＳＢ设备层和功能层各自与主机上的相应层通信，但物理上都是通过ＵＳＢ总线接口层实现数据传输的。