1、USB總線技及術應用 摘要：USB是通用串行總線（Universal Serial Bus）的簡稱，是一種應用在計算機領域的新型接口技術（也越來越多地應用于嵌入式便攜設備），是當前最流行的接口技術之一。USB以其卓越的易用性、穩定性、兼容性、擴展性、完備性、網絡性和低功耗等諸多優點得到了迅速發展和廣泛的應用。USB是英文Universal Serial Bus的簡稱，是一種應用在計算機領域的新型接口技術（也越來越多地應用于嵌入式便攜設備），是當前最流行的接口技術之一。USB以其卓越的易用性、穩定性、兼容性、擴展性、完備性、網絡性和低功耗等諸多優點得到了迅速發展和廣泛的應用。當今的計算機外部設備

2、都在追求高速度和高通用性。為了滿足用戶的需求，以Intel為首的七家公司Intel、Compaq、Microsoft、IBM、DEC、Northern、Telecom以及日本NEC于1994年11月推出了USB（Universal Serial Bus）通用串行總線協議的第一個草案專用于低中速的計算機外設，USB可把多達127個外設同時連到用戶的系統上，所有的外設通過協議來共享USB的帶寬，其12Mbps的帶寬對于鍵盤鼠標等低中速外設是完全足夠。隨著USB技術的應用不斷深入，在2000年發布的USB規范版本2.0中已經將USB支持的帶寬提升到480Mbps。USB 正在不斷地占領PC外設的市場

3、，成為了PC外設的主流接口。在自己的產品中使用USB已經成為了一種潮流。如果希望產品被市場接受開發者往往不得不使用USB。現在USB不光成為了微機主板上的標準端口而且還成為了所有微機外設（包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、數字相機、掃描儀和游戲手柄等等）與主機相連的標準協議之一。這種連接較以往普通并口（Parallel port）和串口（serial port）的連接而言主要的優點是速度高、功耗低、支持即插即用（Plug& Play）和使用維護方便。因此我覺得USB的應用將越來越廣泛。特別是在電氣專業領域，工業現場控制，便攜測試設備等方面。1 USB的基本原理1.1 USB協議概述USB

4、是英文Universal Serial Bus的簡稱。它以其易用性、穩定性、兼容性、擴展性、完備性、網絡性和低功耗等優點得到了迅速發展和廣泛的應用。學習USB的相關知識是進行USB項目開發的基礎。USB系統均有主機和從機兩個部分，要注意的是由于USB系統是被動通信系統，從機只能被動的執行主機的命令。主機理論上可以是任何帶有CPU的控制器，目前由于PC的強大的處理能力和存儲空間，被廣泛的應用為主機。USB從機一般就是指USB設備，可以實現一定的功能。這篇認識報告主要整理了三方面內容。第一部分是整理了USB的通信協議，第二部分主要整理了USB項目開發的步驟，第三部分主要介紹了USB接口芯片CH37

5、2的功能和接口電路，普通的USB通信的實現。整理的資料對初學USB有一定的參考意義。1.2 USB的主要優點USB有自供電（Self-Powered）和總線供電（Bus-Powered）兩種供電模式。如果3ms內沒有總線操作，設備就自動掛起，降低功耗。能夠實現即插即用（PnP，Play and Plug）。在USB的電氣結構上能夠判斷設備的接入和拔出。1.3 USB系統組成USB整體通信模型：也就是USB的星形拓撲結構，以USB主機為核心，建立USB主機與USB設備之間的數據通信，通過USB Hub為節點連接主機與設備。USB數據通信協議：以差模串行信號為載體傳送二進制代碼來傳輸信號；數據包作

6、為最基本的完整信息單元，包含了一系列數據信息。數據包也可以包括很多稱為“域”的層次；以包為基礎，構成USB的四種數據傳輸類型，進而組成不同的傳輸類型，傳輸各種類型的數據，實現USB的各種功能。軟硬件架構：包括主機，HUB與設備架構；主機與設備通信的流程、步驟；軟硬件設計方法等。這是USB系統開發工程師最終的目的，也是學習和掌握USB技術的目的。2 USB基本結構和特點2.1引言主要是對USB的基本結構和特性作初步的介紹，是否了解這些知識對于設計USB設備系統至關重要,只有清楚地理解這些概念才能更好的進行設計。2.2 USB的物理連接如圖2-1所示，USB采用4線電纜。其中Vbus為總線電源線，

7、GND為地線，這兩根線為下行（downstream）設備提供電源；D+和D-是差動（differential）信號線，用于串行傳輸USB數據。采用差動信號線的目的在于消除傳輸過程中的噪聲，從而提高傳輸可靠性。USB電纜支持兩種速率模式：全速模式（12Mbps）和低速模（1.5Mbps）。全速電纜與低速電纜的區別在于：全速電纜的數據信號線是雙絞線，并且需要屏蔽層；而低速電纜的數據信號線不需要雙絞，也不需要屏蔽層。 USB連接器有兩種類型：A型和B型。A型連接器是連接USB設備的主要方式，所有USB設備都必須具備一個A型連接器；A型插座作為USB主機和集線器的下行輸出口；A型插頭用于上行連接到US

8、B主機和集線器。B型連接器用于廠家提供的標準的可分離（detachable）電纜，以方便最終用戶根據需要替換電纜；B型插座作為USB設備和集線器的上行輸入口；B型插頭用于下行連接到USB設備。下圖所示為USB電纜分別連接到PC主機、打印機的插頭： 2.3 USB1.1協議總覽總的來說，USB1.1是一個傳輸率可達12Mbps的串行接口，并由不同類型的PC外設一起分享這個串行總線接口中，而且可以高達127個外設對應于一個PC主機。其中，USB主機是整個總線上的主控者掌握所有的主控權，負責對各個外設發出各設定命令和配置。USB是以令牌包為主的通信協議，而主機將會于總線上發布一種令牌包，此時一定會有

9、一個符合其地址的設備根據這個令牌包做出相應的操作。此外，12Mbps的總線帶寬是被分割為1ms的幀，所有位于此總線的設備就會以時間分隔的多任務傳輸來分享它。以實體的觀點來看，USB僅含有四條線，兩條是電源線（Vcc與GND）,兩條是以差分方式產生的信號線（D+與D-）。2.4 USB總線結構USB系統中的設備與主機的連接方式采用的是新型的層次化的星形連接，如下圖所示。圖中的Hub是一類特殊的USB設備，它是一組USB的連接點，主機中有一個被嵌入的Hub叫根Hub(root Hub)。主機通過根Hub提供若干個連接點。圖 2-22.5數據流模式USB對于與設備之間的通信提供了特定的協議。雖然US

10、B系統的總線拓撲是新型的層次化的星形連接，但實際上USB主機與設備的連接方式卻是如圖2-3所示的一對一的連接形式，這被稱為USB總線的邏輯拓撲結構，而數據流的模式則是以這些邏輯連接為基本結構。USB為主機上的軟件和客戶的USB功能模塊之間提供了通信服務。功能模塊會對通信流有不同的要求。需要不同的客戶來實現相互作用。通過允許將不同的USB功能模塊的不同通信流分離開來，USB提供了更好的整體總線利用率.每一個通信流都要使用某一總線訪問來完成客戶和功能模塊之間的通信，并且終止于設備上的某一端點。設備端點用于區別任意的通信流。 端 點 是 主機與設備之間的一個邏輯通道，也是一個USB設備唯一可以確認的

11、部分，它是主機與設備之間的通信流終點.一個USB邏輯設備對整個系統而言就是一個端點的集合。根據其使用的接口，端點可以被分成不同的端點集。軟件只能通過一個或多個端點與一個USB設備通信。利用設備的地址和端點號就可以唯一地指定任一個端點。管 道 就 是在USB主機上的一個軟件功能和一個USB設備之間建立的一個虛連接，是設備上的一個端點和主機上的軟件的聯合體，在USB技術中有兩類管道:流管道和消息管道。對一個USB設備進行配置后就會形成道。一個客戶軟件通常是通過向一個管道發出IRP請求來要求發送數據，如果需要的話一個客戶軟件還可以使管道返回所有未處理的請求。2.6 USB的傳輸類型 針對設備對系統資

12、源需求的不同，USB共有4種數據傳輸類型：控制傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和塊傳輸。控制傳輸：此方式適用于傳輸少量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求、但必須保證傳輸的數據。控制傳輸主要用于發送和接收與USB設備的配置信息有關的數據，如設備地址、配置描述符等，但它也可用于輿其他用途的數據。控制傳輸可用于低速、全速或高速設備，且所有的USB設備都必須支持控制輿。具體來說，任何USB設備都必須在其0號端點的缺省管道中支持傳輸，USB系統軟件會使用該管道來訪問USB設備的，并對其進行配置。從優先級別來說，它是級別最高的傳輸方式。中斷傳輸：該方式用于傳輸少量或中量的、且對服務周期有要求的數據，這些數據需要及

13、時處理，以達到實時效果。USB采用差錯和重試機制來確保中斷傳輸的正確性。總的來說中斷傳輸特別適合于鍵盤、鼠標類設備，因為對于它們，所需處理的事件只是鍵盤按下、鼠標點擊和移動等，其數據量很少，而且用戶不希望在使用鍵盤和無懈可擊時出現明顯的延遲，所以首先考慮固定的服務周期。同步傳輸：該方式用于需要連續傳輸，而且對數據的正確性要求不高，但對時間極為敏感的外設。同步傳輸以固定的傳輸速率連續不斷的在主機和USB外設之間傳輸數據，在傳輸數據發生錯誤時，USB并不處理這些錯誤，百是繼續傳送新的數據。所以在此方式下數據包結束時沒有CRC校驗。同步傳輸特別適合于音頻和視頻類設備，如CD播放機、揚聲器等；因為對于

14、它們，數據被及時發送和接收遠比其正確性重要。批量傳輸：又叫塊傳輸。該方式主要用于大量非周期數據的傳輸，它采用差錯控制和重試機制來確保數據傳輸的正確性。批量傳輸特別適合于打印機和掃描儀類設備，因為對于它們，數據無錯誤地發送和接收遠比其傳輸速率重要。批量傳輸只能用于高速或全速USB設備，但全速/高速設備可以不支持批量傳輸傳輸類型端點類型傳輸方式所傳輸數據的特點批量傳輸批量端點IN或OUT大量、無傳輸時間和傳輸速率要求中斷傳輸中斷端點IN或OUT少量或中量、有周期性同步傳輸 同步端點IN或OUT大量、速率恒定、有周期性控制傳輸 控制端點IN或OUT少量、無傳輸時間要求、傳輸有保證2.7 USB接口的

15、傳輸協議總的來說，USBI.1 是一個傳輸率可達12Mbps的串行接口，并由不同類型的PC外設一起分享這個串行總線接口，而且可以高達127個外設對應于一個PC主機。其中，USB主機是整個總線上的主控者，掌握所有的主控權，負責對各個外設發出各設定命令和配置o USB是以令牌包為主的通信協議，而主機將會于總線上發布一種令牌包，此時一定會有一個符合其地址的設備根據這個令牌包做出相應的操作。此外，12Mbps的總線帶寬是被分割為lms的幀，所有位于此總線的設備就會以時間分隔的多任務傳輸來分享它。以實體的觀點來看，USB僅含有四條線，兩條是電源線(V,。與GND)，兩條是以差分方式產生的信號線(D+與D

16、_)。傳輸協議：主機與設備之間通過稱為事務的離散交互進行通信；一個或多個事務完成一次傳輸請求。一個傳輸事務由若干個包(packet)組成。包是總線傳輸的最小數據塊，通常由多個域組成。包僅沿一個方向傳送-主機到設備或設備到主機。數據地串行數據線上傳輸時，先發送最低有效位(LSb)，然后是次低位，最后是最高有效位(MSb)。為了保證發送方和接受方在信號級上的同步，串行數據采用NRZI(不歸零反相編碼)和比特填充技術：遇到0信號發生跳變而遇到1時保持不變；當出現連續7個1時插入一個0比特。另外，所有包以一個同步域(SYNC)開始。該域為一個IDLE狀態后面跟隨以NRZI編碼的二進制串“0000000

17、1”(數據80H)。SYNC域中的最后兩位用于SYNC域的結束標志同時表示PID域的開始。每個包發送完畢，發送方使兩根數據線變為低電平保持2個比特位的時間，其后再跟隨1比特時間的IDLE狀態，該總線狀態稱為EOP(End of Packet)。通信協議：前面提及過USB接口是以令牌包為主的總線協議，而且PC主機掌握了這個總線的主控權，就是說一切的溝通都是由PC主機來負責啟動的。另外由于use不占用任何PC的中斷向量或是輸入/輸出的資源，因此必須通過嚴謹的協議才能與外設達成通信的協議，以執行各項命令。如圖2 -4顯示了PC主機如何與設備執行通信協議.從圖中可以看到在USB 總線上執行通信協議的荃

18、本單位就是最下層的數據域。幾個不同型式的數據域可以組合成一個分組，有1個、2個或3個不同型式的分組又可以組成一個數據交易。因此，對高速設備而言，在lms的幀內可能包含各個設備所提交的數據交易，這些數據交易則可能涵蓋于不同的客戶端驅動程序所啟動的輸出入要求分組中，圖中只顯示了2個客戶端的驅動程序。 由上可知，要了解所有的通信協議就需要從數據域來談起。通過由下而上的順序，可以從最基本的通信協議單位組合成各種復雜的通信協議。2.7.1 組成USB包的數據域根據不同的令牌包的類型，含有不同數量與類型的數據域。以下將依序介紹各種數據域的規格和結構。USB的傳輸順序是由LSB(最低位)到MSB(最高位)。 1.同步順序(SYNC)數據域SYNC數據域的長度的定義為8bit，是一個數據分組的前導，是用來產生同步的作用，所以它的數值是固定的，為00000001。2.包標示符(PID)數據域一個 PID包括一個4bit的分組類型域和一個4bit的校驗域，如圖2-4示.PID緊跟在SYNC后面，用來指出數據分組的類型，并且可以據此推斷出分組格式和分組所應用的檢錯方式。 圖2-5 PID格式主機和所有的功能設備必須能對所有接收到的PID域進行完整的解碼。如果任意一個接收到的PID的檢驗域出現錯誤或者其解碼后為一個未定義的值，就認為其受到了破壞。那么該PID 及分