USB系統結構與應用設計摘要：通用串行總線(USB)是一種簡單的運算機外圍接口標準。它具有即插即用、擴展方便等優勢，已成為運算機必備的一個接口。本文簡要介紹USB總線的功能、拓樸結構及其數據傳輸進程，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接口背景在初期的運算機系統上經常使用串口或并口連接外圍設備。每一個接口都需要占用運算機的系統資源 (如中斷，I/O地址，DMA通道等)。不管是串口仍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，同時系統需要從頭啟動才能驅動新的設備。USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯合提出的一種新的串行總線標準，要緊用于PC機與外圍設備的互聯。USB總線具有低本錢、利用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，已被普遍地用在PC機及嵌入式系統上。二、USB總線優缺點（1）利用簡單所用USB系統的接口一致，連線簡單。系統可對設備進行自動檢測和配置，支持熱插拔。新添加設備系統不需要從頭啟動。（2）應用范圍廣USB系統數據報文附加信息少，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(在版本，最高可達幾百Mbps)。一個USB系統可同時支持不同速度的設備， 如低速的鍵盤、鼠標，全速的ISDN、語音，高速的磁盤、圖像等(僅版本支持高速設備)。（3）較強的糾錯能力USB系統可實時地治理設備插拔。在 USB協議中包括了傳輸錯誤治理、錯誤恢復等功能，同時依照不同的傳輸類型來處置傳輸錯誤。（4）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設備也可采納自供電方式。（5）低本錢USB接口電路簡單，易于實現，專門是低速設備。 USB系統接口/電纜也比較簡單，本錢比串口 /并口低。USB技術還不是很成熟，專門是高速設備。市場上現有的USB設備價錢都比較昂貴，但隨著USB技術的日趨成熟，設備的不斷增加和普遍應用，其價錢將會有所降低。三、USB系統拓撲結構一個USB系統包括三類硬件設備:USB主機(USBHOST)、USB設備(USBDEVICE)、USB集線器(USBHUB)，如圖1所示。1）USBHOST在一個USB系統中，當且僅當有一個USBHOST時，USBHOST有以下功能:

治理USB系統；

每毫秒產生一幀數據；

發送配置請求對 USB設備進行配置操作；

對總線上的錯誤進行治理和恢復。2）USBDEVICE在一個USB系統中，USBDEVICE和USBHUB總數不能超過 127個。USBDEVICE接收USB總線上的所有數據包，通過數據包的地址域來判定是不是發給自己的數據包：假設地址不符，那么簡單地拋棄該數據包；假設地址相符，那么通過響應USBHOST的數據包與USBHOST進行數據傳輸。3）USBHUBUSBHUB用于設備擴展連接，所有USBDEVICE都連接在USBHUB的端口上。一個USBHOST總與一個根HUB(USBROOTHUB)相連。USBHUB為其每一個端口提供100mA電流供設備利用。同時，USBHUB能夠通過端口的電氣轉變診斷出設備的插拔操作，并通過響應USBHOST的數據包把端口狀態匯報給USBHOST。一樣來講，USB設備與USBHUB間的連線長度不超過5m，USB系統的級聯不能超過5級（包括ROOTHUB）。四、USB總線數據傳輸USB總線上數據傳輸的結構如圖 2所示。從物理結構上，USB系統是一個星形結構；但在邏輯結構上，每一個USB邏輯設備都是直接與USBHOST相連進行數據傳輸的。在USB總線上，每ms傳輸1幀數據。每幀數據可由多個數據包的傳輸進程組成。USB設備可依照數據包中的地址信息來判定是不是響應該數據傳輸。在USB標準版本中，規定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求：（1）操縱傳輸（controltransfer ）操縱傳輸發送設備請求信息，要緊用于讀取設備配置信息及設備狀態、設置設備地址，設置設備屬性、發送操縱命令等功能。全速設備每次操縱傳輸的最大有效負荷可為64個字節，而低速設備每次操縱傳輸的最大有效負荷僅為8個字節。2）同步傳輸（isochronoustransfer）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，經常使用于語音設備。同步傳輸每次傳輸的最大有效負荷可為1023個字節。（3）中斷傳輸（interrupttransfer ）中斷傳輸用于支持數據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的最大有效負荷可為64個字節，而低速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷僅為8個字節。4）塊數據傳輸（bulktransfer）塊數據傳輸是非周期性的數據傳輸，僅全速/高速設備支持塊數據傳輸，同時，當且僅當總線帶寬有效時才進行塊數據傳輸。塊數據傳輸每次數據傳輸的最大有效負荷可為64個字節。五、典型應用USB系統的典型應用如圖 3所示。在圖3所示系統中，顯示器、Audio、Modem皆為全速設備，鍵盤、鼠標為低速設備。其數據傳輸為：USBHOST通過操縱傳輸更改顯示器屬性。USBHOST通過塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。USBHOST通過操縱傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。USBHOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統。USBHOST通過操縱傳輸更改Audio屬性。USBHOST通過同步傳輸與Audio設備傳輸數據。USBHOST通過操縱傳輸更改Modem屬性。USBHOST通過塊數據傳輸與Modem設備傳輸數據六、一個USBHOST接口的軟硬件設計市場上現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接口的處置器，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實現嵌入式USBHOST的例子。特點

遵從標準；

支持全速/低速傳輸；

支持主機/設備端兩種模式；

供電；

片內包括256個字節的SRAM；48MHz晶振輸入。當SL11HT被用作USBHOST接口時，對系統有以下要求 :

由系統保護SOF幀數量；

由系統生成CRC5效驗碼；

要求系統中斷暗藏期小于μ s。接口硬件框圖圖4簡單地給出了利用SL11HT擴展USB接口的框圖，更詳細的硬件連線圖請見參考文獻2,3。端軟件結構USBHOST端軟件結構如圖 5所示。（1）USB接口驅動程序USB接口驅動程序需實現以下功能 :USB接口器件的初始化；

計算上層數據包的效驗和，發送上層的數據包；

發送SOF幀；

接收從USB接口傳送來的數據，并檢查數據的有效性；

將接收到的數據送往上層。（2）USB協議棧驅動程序USB協議棧驅動程序需實現以下功能 :

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設備分派唯一的地址；

利用默許的配置來配置設