微机原理与接口技术USB总线Word文档下载推荐.docx

1、统一这些接口，简化计算机体系结构，这正是USB要解决的一个问题。 随着PC的广泛应用，其外设也越来越多，打印机、鼠标、扫描仪、游戏杆、音箱.。每个外设都需要通过一个接口与PC相连。外设多了，PC的接口自然也就不够用了。在很多特定的应用场合，如工业数据采集等领域，常常用采集板卡来完成工作，而每一个板卡自然会占用一个PC插槽。PC插槽就那么几个，要是采集点多了怎么办呢？PC外设安装过程中比较麻烦的另一件事情是在加减设备时，必须关掉电源，加减设备完成之后再从新启动机器。对于板卡式的外设就更加麻烦了，不得不打开机箱，弄得满头大汗，一不小心，汗水滴到主板上，机器就死翘翘了。 USB的出现就能够为您完全解

2、决掉上面提到的这些尴尬，每台PC通过USB端口最多可以接127个外设！把您所有的东西全接上来吧，没问题！还有，USB完全是PNP的，在第一次安装完成以后，加减设备只需要拔出或插上USB插头就一切OK了，不必理会机器是开还是关，就这么简单。可不要因为慢得象蜗牛的232而联想到串行就代表慢。USB有快速和慢速工作方式，传输速率分别为12Mbps和1.5Mbps，比232快了不知道多少倍。三、USB的变革 至目前为止，USB共经历以下几次重大变革：0.7版本 于1994年11月11日发布。是USB的最早版本。1.0版本 于1995年11月13日制定发布了,规定USB具有2种传输速度 Low-spee

3、d 1.5Mb/s, Full-speed 12Mb/s。1.1版本 于1998年9月23日制定了1.1规格版本,速度不变。2.0 （草案）版本 于1999年10月5日发布。制定了High-speed的概念，规格 。2.0版本 于2000年4月27日发布。四、USB系统拓扑结构和USB设备逻辑结构对于每个USB系统来说，都有一个称为HOST控制器的设备，该Host控制器和一个根HUB作为一个整体。这个根HUB下可以接多级HUB，每个HUB又可以接子HUB。每个USB设备作为一个节点接在不同级别的HUB上。每条USB总线上最多可以接127个设备。USB主控制器： 负责处理主机与设备之间的电气和协

4、议层的互联。常见的USB主控制器规格有：OHCI：只要是非PC系统上的USB芯片UHCI：USB1.1规格EHCI： 兼容上面种规格，遵循USB2.0规范 每个USB HUB控制器都会自带一个USB HUB ，被称为根HUB。这个根HUB可以接子HUB，每个HUB上挂载USB设备。通过外接USB HUB，可以插更多的USB设备。当USB设备插入到USB HUB或从上面拔出时，都会发出电信号通知系统。USB设备就是插在USB总线上工作的设备，广义的讲USB HUB也算是USB设备。有的USB设备功能单一，直接挂载在USB HUB上。而有的USB设备功能复杂，会将多个USB功能结合在一起，称为一个

5、复合设备。USB设备逻辑结构 在USB设备的逻辑组织中，包含设备，配置，接口，端点4个层次。 设备通常有一个或多个配置，配置通常有一个或多个接口，接口有零或多个端点。 每个USB设备都可以包含一个或多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合（在探测，连接期间需从其中选定一个），配置由多个接口组成。在usb协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能，是USB设备驱动程序控制的对象，一个功能复杂的USB设备可以具有多个接口，而接口是端点的汇集例子一个USB播放器带有音频，视频功能，还有旋钮和按钮配置1 音频（接口）+旋钮（接口）配置2 视频（接口）+音频（接口）+按钮（接口）每个接口对应需

6、要一个驱动程序 USB设备中的唯一可寻址部分是设备的端点。它是位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送USB的各种数据。主机和设备的通信最终作用于设备上的各个端点，它是主机与设备间通信流的一个逻辑终端每个USB设备有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设计设备时给定的。每个端点都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，两者不可兼得。 基于PnP机制，设备被枚举时，它必须向主机报告各个端点的特性，包括端点号，通信方向，端点支持的最大包大小，带宽要求等（其中端点支持的最大包大小叫做数

7、据有效负载）。每个设备必须有端点0，它用于设备枚举和对设备进行一些基本的控制功能。除了端点0，其余的端点在设备配置之前不能与主机通信，只有向主机报告这些端点的特性并被确认后才能被激活。五 USB的特点 1USB为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。 2USB整个的系统只有一个端口和一个中。 3USB支持热插拔（hot plug）。 4USB支持PNP。 5USB在设备供电方面提供了灵活性。 6USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率来适应各种不同类型的外设；USB2.0 还支持480Mbps 的高速传输速率。 7USB2.0的High-speed模式支持音

8、频和视频设备，可以保证其固定带宽。 8为了适应各种不同类型外围设备的要求USB 提供了四种不同的数据传输类型：控制传输，Bulk数据传输，中断数据传输，同步数据传输。同步数据传输可为音频和视频等实时设备的实时数据传输提供固定带宽。 9USB 的端口具有很灵活的扩展性。一个USB 端口串接上一个USB Hub 就可以扩展为多个USB端口。规范中说，USB可以扩展到127个外设端口。六、 USB工作原理1、NRZI编码 NRZ-I编码中，编码后电平只有正负电平之分，没有零电平，是不归零编码。如下图所示，NRZ-I电平的一次翻转来表示Data电平的逻辑0，与前一个NRZ-I电平相同的电平表示Data

9、电平的逻辑1（翻转代表0，不变代表1）。NRZ-I编码信号经过反向后，还原的内容不变。典型应用如USB传输。2、分组传送 USB技术和IP技术一样，都是基于分组传送方式的。对USB总线来讲，当要传送一个文件时，程序按照USB协议，首先把数据分成若干块，然后在每块数据前面添上同步信号、包标识，后面添上CRC校验，就形成了USB封包。一个文件可能可能有多个封包。全速USB总线把1毫秒作为一个时间帧，总线在一个帧内依次传送不同文件的封包。因此从宏观上，就仿佛总线同时对不同的USB外设进行数据传送。3、USB封包 根据信息包所实现的功能可分为3种类型：令牌包、数据包和握手包。（1）令牌封包由于USB的

10、数据交易是由PC主机端所激活的，所以在每一个数据交易中，必须以下列的5个数据域所组合而成的令牌封包作为起始，并执行通信协议的前导工作。一个令牌封包含盖了5个数据域SYNC、PID、ADDR、ENDP与CRC5。这即是54233的第1个数字：5。如下所列为其令牌封包的各个组成的数据域。 令牌封包的PID数据域（PID1：00，1）中包含了OUT、IN、SETUP这3种PID类型名称。也就是包含了OUT令牌封包、IN令牌封包以及SETUP令牌封包。例如，在执行控制传输主机要通过预设的地址取得设备描述符（GetDescriptor），就必须先执行下的SETUP令牌封包，作为每一次控制传输的开始，其中

11、，PID栏变成SETUP的PID类型名称（0xB4）。IN令牌封包，则是主机用来通知设备，将要执行数据输入的工作。而OUT令牌封包则刚好相反。 令牌包定义了数据传送的类型。比如图所示。（2）数据封包在USB接口中，主机执行了总线的管理、数据传输以及设各对主机所提出的要求命令作出响应的动作。这些所要传输的数据与要求命令是什么呢？因此，必须通过数据封包来执行这项工作。而由SETUP、IN与OUT令牌封包所起始的数据传输，将会以DATAO、DATA1、DATA2与MDATA封包来加以实现。一个数据封包含了4个数据域：SYNC、PID、DATA与CRC16。各个字段的意义之前已有介绍过。这即是5423

12、3的第2个数字：4。在这里，要稍微注意的是DATA字段内所放置的位值，须根据USB设各的传输设备（低速、高速与全速）以及传输类型（中断传输、批量传输与等时传输）而定，且须以所设置的MaxPackSize字节为基本单位。也即是，若传输的数据不足MaxPackSize字节，或是传输到最后所剩余的也不足MaxPackSize字节，则仍须传输MaxPackSize个字节的数据域。 列出由4个数据域所组合而成的数据封包。数据封包的PID数据域（PID1：01：1）包含了4种类型：DATA0、DATA1、DATA2与MDATA。而根据USB规范，最初的数据封包都以DATA0作为开始，其后才是DATA1，然

13、后依此方式交替切换。这个动作称之为数据紧密连接（data toggle）。这个动作有点类似将数据紧密连接。如此就可确保整个传输过程中，主机能与设各维持同步，且作为帧错之用。例如，如果两个连续的DATA0被接收到的话，意味着DATA1封包被遗漏掉，并产生了错误的状况。而DATA2与MDATA，则仅适用于高速的等时传输。（3）握手封包握手封包是最简单的封包类型。在这个握手封包中，仅包含一个PID数据域。它的格式如下所列，仅包含SYNC与PID两个数据域，这即是54233的第3个数字：2。 握手封包的PID数据域（PID1：0）中包含了ACK、NAK、STALL与NYET这4种PID类型名称。也就是

14、含有ACK、NAK、STALL与NYET握手封包。七、USB传输方式1、USB的四种传输方式 （1）同步（isochronous）方式传输 同步传输提供了确定的带宽和间隔时间，以固定的传输速率,连续不断地在主机与USB 设备之间传输数据,在传送数据发生错误时,USB并不处理这些错误,而是继续传送新的数据，它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输或者用于要求恒定的数据传输率的即时应用中。 （2）中断传输方式（Interrupt）该方式传送的数据量很小,但这些数据需要及时处理,以达到实时效果。此方式主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。 （3）控制传输方式（Control） 控制传输是双向

15、传输，数据量通常较小，用来处理主机到USB设备的数据传输。包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。 （4）批（Bulk）传输方式主要应用在数据大量传输和接受数据上，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输正确无误的数据。2、USB设备类型八、USB设备列举 在USB规范中有一个非常重要的“动作”或“过程”。这个动作将会让PC机知道何种USB设备刚接上以及其所含的各种信息。这样，PC机就可以与这个USB设备开始进行数据传输的工作了。这个动作称之为设备列举（enumeration）。1、USB描述符 在设备列举过程中，USB设备向主机传送了一个重要的信息，使主机知道了这个设备是“谁”，并启动了该设备的驱动程序。这个信息就是USB描述符 2、设备列举 设备列举包含两方面的功能，一是主机搜集USB设备的信息，也就是USB描述符。另一个是主机根据USB描述符对设备进行配置，比如USB设备地址设置，USB设备各端点数据传输方式设置。参考文献：彭彪.微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社，2011