USB系統(tǒng)結構與應用設計

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　　摘 要：通用串行總線（USB）是一種簡單的計算機外圍接口標準。它具有即插即用、擴展方便等優(yōu)點，已成為計算機必備的一個接口。本文簡要介紹USB總線的功能、拓樸結構及其數(shù)據(jù)傳輸過程，并舉例說明USB接口的實際應用。

　　關鍵詞：通用串行總線 USB接口 外圍接口標準

　　一、USB接口背景

　　在早期的計算機系統(tǒng)上常用串口或并口連接外圍設備。每個接口都需要占用計算機的系統(tǒng)資源（如中斷，I/O地址，DMA通道等）。無論是串口還是并口都是點對點的連接，一個接口僅支持一個設備。因此每添加一個新的設備，就需要添加一個ISA/EISA 或PCI卡來支持，同時系統(tǒng)需要重新啟動才能驅動新的設備。

　　USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標準，主要用于PC機與外圍設備的互聯(lián)。USB總線具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統(tǒng)上。

　　二、USB總線優(yōu)缺點

　　1.優(yōu) 點

　　（1）使用簡單

　　所用USB系統(tǒng)的接口一致，連線簡單。系統(tǒng)可對設備進行自動檢測和配置，支持熱插拔。新添加設備系統(tǒng)不需要重新啟動。

　?。?）應用范圍廣

　　USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)報文附加信息少，帶寬利用率高，可同時支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個USB系統(tǒng)最多可支持127個物理設備。USB設備的帶寬可從幾Kbps 到幾Mbps （在USB2.0版本，最高可達幾百Mbps）。一個USB系統(tǒng)可同時支持不同速率的設備，如低速的鍵盤、鼠標，全速的ISDN、語音，高速的磁盤、圖像等（僅USB2.0版本支持高速設備）。

　?。?）較強的糾錯能力

　　USB系統(tǒng)可實時地管理設備插拔。在USB協(xié)議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能，同時根據(jù)不同的傳輸類型來處理傳輸錯誤。

　?。?）總線供電

　　USB總線可為連接在其上的設備提供5V電壓/100mA電流的供電，最大可提供500mA的電流。USB設備也可采用自供電方式。

　　（5）低成本

　　USB接口電路簡單，易于實現(xiàn)，特別是低速設備。USB系統(tǒng)接口/電纜也比較簡單，成本比串口/并口低。

　　2.缺 點

　　USB技術還不是很成熟，特別是高速設備。市場上現(xiàn)有的USB設備價格都比較昂貴，但隨著USB技術的日益成熟，設備的不斷增加和廣泛應用，其價格將會有所降低。

　　三、USB系統(tǒng)拓撲結構

　　一個USB系統(tǒng)包含三類硬件設備： USB主機（USB HOST）、 USB設備（USB DEVICE）、USB集線器（USB HUB），如圖1所示。

　?。?）USB HOST

　　在一個USB系統(tǒng)中，當且僅當有一個USB HOST時，USB HOST有以下功能：

　　◇ 管理USB系統(tǒng)；◇ 每毫秒產生一幀數(shù)據(jù)；◇ 發(fā)送配置請求對USB設備進行配置操作；◇ 對總線上的錯誤進行管理和恢復。

　?。?）USB DEVICE

　　在一個USB系統(tǒng)中，USB DEVICE和USB HUB總數(shù)不能超過127個。USB DEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)包的地址域來判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包：若地址不符，則簡單地丟棄該數(shù)據(jù)包；若地址相符，則通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包與USB HOST進行數(shù)據(jù)傳輸。

　?。?）USB HUB

　　USB HUB用于設備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個USB HOST總與一個根HUB （USB ROOT HUB）相連。USB HUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報給USB HOST.一般來說，USB設備與USB HUB間的連線長度不超過5m，USB系統(tǒng)的級聯(lián)不能超過5級（包括ROOT HUB）。

　　四、USB總線數(shù)據(jù)傳輸

　　USB總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y構如圖2所示。

　　從物理結構上，USB系統(tǒng)是一個星形結構；但在邏輯結構上，每個USB邏輯設備都是直接與USB HOST相連進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在USB總線上，每ms傳輸1幀數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)可由多個數(shù)據(jù)包的傳輸過程組成。USB設備可根據(jù)數(shù)據(jù)包中的地址信息來判斷是否響應該數(shù)據(jù)傳輸。在USB標準1.1版本中，規(guī)定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求：

　?。?）控制傳輸（control transfer）

　　控制傳輸發(fā)送設備請求信息，主要用于讀取設備配置信息及設備狀態(tài)、設置設備地址，設置設備屬性、發(fā)送控制命令等功能。全速設備每次控制傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?4個字節(jié)，而低速設備每次控制傳輸?shù)淖畲笥行ж摵蓛H為8個字節(jié)。

　　（2）同步傳輸（isochronous transfer）

　　同步傳輸僅適用于全速/高速設備。同步傳輸每ms進行一次傳輸，有較大的帶寬，常用于語音設備。同步傳輸每次傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?023個字節(jié)。

　?。?）中斷傳輸（interrupt transfer）

　　中斷傳輸用于支持數(shù)據(jù)量少的周期性傳輸需求。全速設備的中斷傳輸周期可為1~255ms，而低速設備的中斷傳輸周期為10~255ms.全速設備每次中斷傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?4個字節(jié)，而低速設備每次中斷傳輸?shù)淖畲笥行ж摵蓛H為8個字節(jié)。

　?。?）塊數(shù)據(jù)傳輸（bulk transfer）

　　塊數(shù)據(jù)傳輸是非周期性的數(shù)據(jù)傳輸，僅全速/高速設備支持塊數(shù)據(jù)傳輸，同時，當且僅當總線帶寬有效時才進行塊數(shù)據(jù)傳輸。塊數(shù)據(jù)傳輸每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?4個字節(jié)。

　　五、典型應用

　　USB系統(tǒng)的典型應用如圖3所示。

　　在圖3所示系統(tǒng)中，顯示器、Audio、Modem皆為全速設備，鍵盤、鼠標為低速設備。其數(shù)據(jù)傳輸為：

　　◇ USB HOST通過控制傳輸更改顯示器屬性。

　　◇ USB HOST通過塊數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)送給顯示器。

　　◇ USB HOST通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。

　　◇ USB HOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統(tǒng)。

　　◇ USB HOST通過控制傳輸更改Audio屬性。

　　◇ USB HOST通過同步傳輸與Audio設備傳輸數(shù)據(jù)。

　　◇ USB HOST通過控制傳輸更改Modem屬性。

　　◇ USB HOST通過塊數(shù)據(jù)傳輸與Modem設備傳輸數(shù)據(jù)六、一個USB HOST接口的軟硬件設計

　　市場上現(xiàn)已有很多公司提供的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。

　　同時也有很多帶USB接口的處理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面給出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT實現(xiàn)嵌入式USB HOST的例子。

　　1.SL11HT特點

　　◇ 遵從USB1.1標準；◇ 支持全速/低速傳輸；◇ 支持主機/設備端兩種模式；◇ 3.3/5.0V供電；◇ 片內包含256個字節(jié)的SRAM；◇ 48MHz晶振輸入。

　　當SL11HT被用作USB HOST接口時，對系統(tǒng)有以下要求：

　　◇ 由系統(tǒng)維護SOF幀數(shù)目；◇ 由系統(tǒng)生成CRC5效驗碼；◇ 要求系統(tǒng)中斷潛伏期小于1.5μs.

　　2.SL11HT接口硬件框圖

　　3.USB HOST端軟件結構

　　（1）USB接口驅動程序

　　USB接口驅動程序需實現(xiàn)以下功能：

　　◇ USB接口器件的初始化；◇ 計算上層數(shù)據(jù)包的效驗和，發(fā)送上層的數(shù)據(jù)包；◇ 發(fā)送SOF幀；◇ 接收從USB接口傳送來的數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)的有效性；◇ 將接收到的數(shù)據(jù)送往上層。

　?。?）USB協(xié)議棧驅動程序

　　USB協(xié)議棧驅動程序需實現(xiàn)以下功能：

　　◇ 提供與設備驅動程序的接口；◇ 讀取并解析USB設備描述符，配置描述符；◇ 為USB設備分配唯一的地址；◇ 使用默認的配置來配置設備；◇ 支持基本的USB命令請求；◇ 連接設備與相應的驅動程序；◇ 轉發(fā)設備驅動程序的數(shù)據(jù)包。

　　（3）設備驅動程序

　　設備驅動程序需實現(xiàn)以下功能：

　　◇ 提供與應用程序的接口；◇ 讀取并解析USB設備特有的描述符，獲得設備提供的傳輸通道；◇ 發(fā)送設備特有的和基本的USB命令請求；◇ 通過設備提供的傳輸通道與設備進行數(shù)據(jù)傳輸；◇ 通過USB命令請求重新配置設備。