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USB总线技及术应用

摘要：USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）简称，是一种应用在计算机领域新型接口技术（也越来越多地应用于嵌入式便携设备），是当前最流行接口技术之一。USB以其卓越易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性和低功耗等诸多长处得到了迅速发展和广泛应用。
USB是英文Universal Serial Bus简称，是一种应用在计算机领域新型接口技术（也越来越多地应用于嵌入式便携设备），是当前最流行接口技术之一。USB以其卓越易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性和低功耗等诸多长处得到了迅速发展和广泛应用。
当今计算机外部设备都在追求高速度和高通用性。为了满足顾客需求，以Intel为首七家公司Intel、Compaq、Microsoft、IBM、DEC、Northern、Telecom以及日本NEC于1994年11月推出了USB（Universal Serial Bus）通用串行总线合同第一种草案专用于低中速计算机外设，USB可把多达127个外设同步连到顾客系统上，所有外设通过合同来共享USB带宽，其12Mbps带宽对于键盘鼠标等低中速外设是完全足够。
随着USB技术应用不断进一步，在发布USB规范版本2.0中已经将USB支持带宽提高到480Mbps。USB 正在不断地占领PC外设市场，成为了PC外设主流接口。在自己产品中使用USB已经成为了一种潮流。如果但愿产品被市场接受开发者往往不得不使用USB。当前USB不光成为了微机主板上原则端口并且还成为了所有微机外设（涉及键盘、鼠标、显示屏、打印机、数字相机、扫描仪和游戏手柄等等）与主机相连原则合同之一。这种连接较以往普通并口（Parallel port）和串口（serial port）连接而言重要长处是速度高、功耗低、支持即插即用（Plug& Play）和使用维护以便。因而我觉得USB应用将越来越广泛。特别是在电气专业领域，工业现场控制，便携测试设备等方面。

1 USB基本原理
1.1 USB合同概述
USB是英文Universal Serial Bus简称。它以其易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性和低功耗等长处得到了迅速发展和广泛应用。
学习USB有关知识是进行USB项目开发基本。USB系统均有主机和从机两个某些，要注意是由于USB系统是被动通信系统，从机只能被动执行主机命令。主机理论上可以是任何带有CPU控制器，当前由于PC强大解决能力和存储空间，被广泛应用为主机。USB从机普通就是指USB设备，可以实现一定功能。
这篇结识报告重要整顿了三方面内容。第一某些是整顿了USB通信合同，第二某些重要整顿了USB项目开发环节，第三某些重要简介了USB接口芯片CH372功能和接口电路，普通USB通信实现。整顿资料对初学USB有一定参照意义。
1.2 USB重要长处
USB有自供电（Self-Powered）和总线供电（Bus-Powered）两种供电模式。
如果3ms内没有总线操作，设备就自动挂起，减少功耗。
可以实现即插即用（PnP，Play and Plug）。在USB电气构造上可以判断设备接入和拔出。
1.3 USB系统构成
USB整体通信模型：也就是USB星形拓扑构造，以USB主机为核心，建立USB主机与USB设备之间数据通信，通过USB Hub为节点连接主机与设备。
USB数据通信合同：以差模串行信号为载体传送二进制代码来传播信号；数据包作为最基本完整信息单元，包括了一系列数据信息。数据包也可以涉及诸多称为“域”层次；以包为基本，构成USB四种数据传播类型，进而构成不同传播类型，传播各种类型数据，实现USB各种功能。
软硬件架构：涉及主机，HUB与设备架构；主机与设备通信流程、环节；软硬件设计办法等。这是USB系统开发工程师最后目，也是学习和掌握USB技术目。

2 USB基本构造和特点

2.1引言
重要是对USB基本构造和特性作初步简介，与否理解这些知识对于设计USB设备系统至关重要,只有清晰地理解这些概念才干更好进行设计。

2.2 USB物理连接

如图2-1所示，USB采用4线电缆。其中Vbus为总线电源线，GND为地线，这两根线为下行（downstream）设备提供电源；D+和D-是差动（differential）信号线，用于串行传播USB数据。采用差动信号线目在于消除传播过程中噪声，从而提高传播可靠性。

USB电缆支持两种速率模式：全速模式（12Mbps）和低速模（1.5Mbps）。全速电缆与低速电缆区别在于：全速电缆数据信号线是双绞线，并且需要屏蔽层；而低速电缆数据信号线不需要双绞，也不需要屏蔽层。
USB连接器有两种类型：A型和B型。A型连接器是连接USB设备重要方式，所有USB设备都必要具备一种A型连接器；A型插座作为USB主机和集线器下行输出口；A型插头用于上行连接到USB主机和集线器。B型连接器用于厂家提供原则可分离（detachable）电缆，以以便最后顾客依照需要替代电缆；B型插座作为USB设备和集线器上行输入口；B型插头用于下行连接到USB设备。
下图所示为USB电缆分别连接到PC主机、打印机插头：

2.3 USB1.1合同总览

总来说，USB1.1是一种传播率可达12Mbps串行接口，并由不同类型PC外设一起分享这个串行总线接口中，并且可以高达127个外设相应于一种PC主机。其中，USB主机是整个总线上主控者掌握所有主控权，负责对各个外设发出各设定命令和配备。USB是以令牌包为主通信合同，而主机将会于总线上发布一种令牌包，此时一定会有一种符合其地址设备依照这个令牌包做出相应操作。此外，12Mbps总线带宽是被分割为1ms帧，所有位于此总线设备就会以时间分隔多任务传播来分享它。以实体观点来看，USB仅具有四条线，两条是电源线（Vcc与GND）,两条是以差分方式产生信号线（D+与D-）。
2.4 USB总线构造

USB系统中设备与主机连接方式采用是新型层次化星形连接，如下图所示。图中Hub是一类特殊USB设备，它是一组USB连接点，主机中有一种被嵌入Hub叫根Hub(root Hub)。主机通过根Hub提供若干个连接点。
图 2-2
2.5数据流模式

USB对于与设备之间通信提供了特定合同。虽然USB系统总线拓扑是新型层次化星形连接，但事实上USB主机与设备连接方式却是如图2-3所示一对一连接形式，这被称为USB总线逻辑拓扑构造，而数据流模式则是以这些逻辑连接为基本构造。

USB为主机上软件和客户USB功能模块之间提供了通信服务。功能模块会对通信流有不同规定。需要不同客户来实现互相作用。通过容许将不同USB功能模块不同通信流分离开来，USB提供了更好整体总线运用率.每一种通信流都要使用某一总线访问来完毕客户和功能模块之间通信，并且终结于设备上某一端点。设备端点用于区别任意通信流。
端 点 是 主机与设备之间一种逻辑通道，也是一种USB设备唯一可以确认某些，它是主机与设备之间通信流终点.一种USB逻辑设备对整个系统而言就是一种端点集合。依照其使用接口，端点可以被提成不同端点集。软件只能通过一种或各种端点与一种USB设备通信。运用设备地址和端点号就可以唯一地指定任一种端点。
管 道 就 是在USB主机上一种软件功能和一种USB设备之间建立一种虚连接，是设备上一种端点和主机上软件联合体，在USB技术中有两类管道:流管道和消息管道。对一种USB设备进行配备后就会形成道。一种客户软件普通是通过向一种管道发出IRP祈求来规定发送数据，如果需要话一种客户软件还可以使管道返回所有未解决祈求。

2.6 USB传播类型

针对设备对系统资源需求不同，USB共有4种数据传播类型：控制传播、中断传播、同步传播和块传播。
控制传播：此方式合用于传播少量、且对传播时间和传播速率均无规定、但必要保证传播数据。控制传播重要用于发送和接受与USB设备配备信息关于数据，如设备地址、配备描述符等，但它也可用于舆其她用途数据。控制传播可用于低速、全速或高速设备，且所有USB设备都必要支持控制舆。详细来说，任何USB设备都必要在其0号端点缺省管道中支持传播，USB系统软件会使用该管道来访问USB设备，并对其进行配备。从优先级别来说，它是级别最高传播方式。
中断传播：该方式用于传播少量或中量、且对服务周期有规定数据，这些数据需要及时解决，以达到实时效果。USB采用差错和重试机制来保证中断传播对的性。总来说中断传播特别适合于键盘、鼠标类设备，由于对于它们，所需解决事件只是键盘按下、鼠标点击和移动等，其数据量很少，并且顾客不但愿在使用键盘和无懈可击时浮现明显延迟，因此一方面考虑固定服务周期。
同步传播：该方式用于需要持续传播，并且对数据对的性规定不高，但对时间极为敏感外设。同步传播以固定传播速率持续不断在主机和USB外设之间传播数据，在传播数据发生错误时，USB并不解决这些错误，百是继续传送新数据。因此在此方式下数据包结束时没有CRC校验。同步传播特别适合于音频和视频类设备，如CD播放机、扬声器等；由于对于它们，数据被及时发送和接受远比其对的性重要。
批量传播：又叫块传播。该方式重要用于大量非周期数据传播，它采用差错控制和重试机制来保证数据传播对的性。批量传播特别适合于打印机和扫描仪类设备，由于对于它们，数据无错误地发送和接受远比其传播速率重要。
批量传播只能用于高速或全速USB设备，但全速/高速设备可以不支持批量传播
传播类型
端点类型
传播方式
所传播数据特点
批量传播
批量端点
IN或OUT
大量、无传播时间和传播速率规定
中断传播
中断端点
IN或OUT
少量或中量、有周期性
同步传播
同步端点
IN或OUT
大量、速率恒定、有周期性
控制传播
控制端点
IN或OUT
少量、无传播时间规定、传播有保证

2.7 USB接口传播合同

总来说，USBI.1 是一种传播率可达12Mbps串行接口，并由不同类型PC外设一起分享这个串行总线接口，并且可以高达127个外设相应于一种PC主机。其中，USB主机是整个总线上主控者，掌握所有主控权，负责对各个外设发出各设定命令和配备o USB是以令牌包为主通信合同，而主机将会于总线上发布一种令牌包，此时一定会有一种符合其地址设备依照这个令牌包做出相应操作。此外，12Mbps总线带宽是被分割为lms帧，所有位于此总线设备就会以时间分隔多任务传播来分享它。以实体观点来看，USB仅具有四条线，两条是电源线(V,。与GND)，两条是以差分方式产生信号线(D+与D_)。
传播合同：主机与设备之间通过称为事务离散交互进行通信；一种或各种事务完毕一次传播祈求。一种传播事务由若干个包(packet)构成。包是总线传播最小数据块，普通由各种域构成。包仅沿一种方向传送---主机到设备或设备到主机。数据地串行数据线上传播时，先发送最低有效位(LSb)，然后是次低位，最后是最高有效位(MSb)。为了保证发送方和接受方在信号级上同步，串行数据采用NRZI(不归零反相编码)和比特填充技术：遇到0信号发生跳变而遇到1时保持不变；当浮现持续7个1时插入一种0比特。此外，所有包以一种同步域(SYNC)开始。该域为一种IDLE状态背面跟随以NRZI编码二进制串“00000001”(数据80H)。SYNC域中最后两位用于SYNC域结束标志同步表达PID域开始。每个包发送完毕，发送方使两根数据线变为低电平保持2个比特位时间，其后再跟随1比特时间IDLE状态，该总线状态称为EOP(End of Packet)。
通信合同：前面提及过USB接口是以令牌包为主总线合同，并且PC主机掌握了这个总线主控权，就是说一切沟通都是由PC主机来负责启动。此外由于use不占用任何PC中断向量或是输入/输出资源，因而必要通过严谨合同才干与外设达到通信合同，以执行各项命令。
如图2 -4显示了PC主机如何与设备执行通信合同.从图中可以看到在USB 总线上执行通信合同荃本单位就是最下层数据域。几种不同型式数据域可以组合成一种分组，有1个、2个或3个不同型式分组又可以构成一种数据交易。因而，对高速设备而言，在lms帧内也许包括各个设备所提交数据交易，这些数据交易则也许涵盖于不同客户端驱动程序所启动输出入规定分组中，图中只显示了2个客户端驱动程序。

由上可知，要理解所有通信合同就需要从数据域来谈起。通过由下而上顺序，可以从最基本通信合同单位组合成各种复杂通信合同。

2.7.1 构成USB包数据域
依照不同令牌包类型，具有不同数量与类型数据域。如下将依序简介各种数据域规格和构造。USB传播顺序是由LSB(最低位)到MSB(最高位)。 1.同步顺序(SYNC)数据域
SYNC数据域长度定义为8bit，是一种数据分组前导，是用来产生同步作用，因此它数值是固定，为00000001。
2.包标示符(PID)数据域
一种 PID涉及一种4bit分组类型域和一种4bit校验域，如图2-4示.PID紧跟在SYNC背面，用来指出数据分组类型，并且可以据此推断出分组格式和分组所应用检错方式。 图2-5 PID格式
主机和所有功能设备必要能对所有接受到PID域进行完整解码。如果任意一种接受到PID检查域浮现错误或者其解码后为一种未定义值，就以为其受到了破坏。那么该PID 及分组别的某些都将被分组接受器忽视。
PID类型、编码和关于阐明都列在了表2一2中。PID可以提成四个码组:令牌、数据、握手和特殊类型，其中所传播前两个PID比特用于批示码组类型。　
PID类型
PID名称
PID[3:0]
阐明
令牌
OUT
IN
SOF
SETUP
B0001
B1001
B0101
B1101
地址＋主机中端点号→功能设备解决
地址＋功能设备中端点号→主机解决帧标记和帧标号开始
地址＋主机中端点号→用于一种控制端点建立功能设备解决
数据
DATA0
B0011
数据分组偶PID
握手
ACK
B0010
接受设备不能接受数据或发送设备不能发送数据
端点被禁止
特定
PRE
B1100
主机发出前同步信号。激活至低速设备下行总线数据流