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1、1,第五章 USB通用串行总线,目 录5.1 USB系统组成5.2 USB系统的接口信号和电器特性5.3 USB数据流类型和传输类型 5.4 USB交换的包格式5.5 USB设备状态和总线枚举5.6 USB外围芯片及应用,计算机接口技术,西安电子科技大学 计算机学院 司栋森,第 2 页,5.1 USB系统组成,“USB”的英文全称为“Universal Serial Bus”，中文名通常称之为“通用串行总线”接口。它是一种串行I/O总线，带有5V电压，支持即插即用功能，支持热拔插功能，最多能同时连入127个USB设备，由各个设备均分带宽。USB技术诞生于1994年，当时是由PC界的几位巨头，如
2、康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在统一外设如打印机、外置Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和PS/2接口。USB发展到今天，总共有三种标准：.1996年发布的USB1.0.1998年发布的USB1.1.以及发布不久的最新标准USB2.0 此三种标准最大的差别就在于数据传输率方面，在其它方面也有不同程度的改进。总体来说，目前的USB2.0而言，技术性能已经十分完善了，速度也上了一个新台阶。,第 3 页,1、USB 硬件概述,包括：USB主机、USB设备（HUB和功能设备）和连接电缆。,第 4 页,各部分说明,(1)USB主机（PC机内
3、）,带有USB主控制器（和根HUB）的PC机以及相应的软件。USB主机是整个总线上的主控者，掌握所有的控制权，负责对各个外围设备发出各种设定命令与配置。主机提供的主要功能：检测USB设备的接入和拆除操作；管理主机和USB设备之间传输的数据流，并进行流量控制；搜集状态和性能统计信息；控制主控制器和USB设备之间的电气接口，提供有限的电源。,第 5 页,USB功能设备,(2)集线器（HUB),分成两类：集线器（HUB)、功能设备。,集线器是用来向主机提供2个以上的USB设备接入点的设备。一般一个主机只提供2个或4个USB接口（即：主机带有一个根HUB）。因此，只有利用HUB，才可能使一个主机带12
4、7个USB设备。利用HUB整个USB系统可构成一个树形拓扑结构。HUB的主要功能 连接主机和USB设备或USB设备与USB设备的互接。识别USB设备的添加和拆除。电源管理。总线故障检测和恢复。支持全速和低速率USB设备。,第 6 页,USB功能设备（外设）,带有USB接口的计算机外围设备就叫USB功能设备。一般USB功能设备与计算机相连接时不需要驱动卡（实际上该设备中的USB接口就带有驱动卡的功能）。因此，USB功能设备与计算机连接变得非常简单。,第 7 页,USB设备驱动程序 实现对设备的初始化。采用分层的概念，降低驱动程序的复杂性。USB总线驱动程序 在设备设置时读取描述器以获取USB设备
5、的特征，并根据这些特征，在请求发生时组织数据传输。USB驱动程序可以是捆绑在操作系统中，也可以是以可装载的设备驱动程序形式加入到操作系统中。USB主控制器驱动程序 完成对USB交换的调度，是访问硬件的接口，并通过根Hub或其他的Hub完成对交换的初始化。,2.USB的软件,第 8 页,3 USB总线的拓扑结构,1、总线拓扑,USB系统拓扑结构呈星状的层层向上的结构。如图，允许最多连接127个USB设备。,主机(Host)一个系统只能有一个主机集线器(Hub)提供连接点,电源,终端自供电或总线供电设备(Device),接口(Interfaces)和端点(Endpoints)设备是一个接口的集合
6、接口是一个端点的集合可寻址127个设备和16个端点,第 9 页,5.2 USB系统的接口信号和电气特性,1、接口信号线,USB总线包含4条信号线。其中D+和D-是信号线，VBUS和GND是电源线。,第 10 页,第 11 页,USB主机或根HUB对外设可以提供5V的电源。最大输出电流500mA。USB主机有一个独立于USB系统的电源管理系统（APM)。主机具有电源挂起和唤醒操作。暂时不用的USB设备，USB系统和APM将其置于电源挂起状态。USB设备第一次被主机检测到时，设备吸入的电流100mA。USB设备的供电一般采用总线供给，当设备耗电量大时，要采用外接电源的自供电方式。,2、电气特性,第
7、 12 页,VCC,GND,高速设备,第 13 页,USB常用信号电平（高速设备）,第 14 页,USB设备接入检测及设备类型的区分,在USB设备未连接至PC机时，由于D+、D-两条信号线因下拉电阻的关系，几乎视为接地（0V)。当某一个USB设备连接至PC机时，提升电阻（1.5k）与下拉电阻（15k）就会形成一个分压器，其中有一条信号线（D+或D-）的电位就会提升到VCC的90%，而另一条信号线电压维持在0V状态。根集线器测得此电压即可确定有一台设备已经连接上了。根集线器通过测得D+和D-上的电压即可确定有一台设备的类型（低速、全速/高速）。显然，当HUB测得两信号线电压小于0.8V，时间大于
8、2.5s时，即可断定该设备已脱离了。PC机会不断地轮询根HUB，检查D+、D-的电位变化，以了解设备的连接情况。,第 15 页,高/低速USB收发器(主机或集线器端口),高速USB收发器(高速设备),+5vdc,D+,D-,地,15K,15K,+3.03.6vdc,1.5K,D+,D-,高/低速USB收发器(主机或集线器端口),低速USB收发器(低速设备),+5vdc,D+,D-,地,15K,15K,+3.03.6vdc,1.5K,D+,D-,USB数据线,USB数据线,全速设备,低速设备,第 16 页,设备接入到端口上的过程,设备从端口上断开过程,第 17 页,数据包传送开始过程,数据包传送
9、结束过程,差分“0”/起始位,第 18 页,NRZI的编码方法不需独立的时钟信号和数据一起发送，电平跳变代表“0”，没有电平跳变代表“1”。在数据被编码前，在数据流中每6个连续的“1”后插入1个“0”，从而强迫NRZI码发生变化，接收端必须去掉这个插入的“0”。,3、NRZI编码（无回零反向码）,第 19 页,5.3 USB数据流类型和传输类型,USB数据流类型有4种：控制信号流:当USB设备加入时,USB系统软件与设备之间建立起控制信号流,发送控制信号。块数据流：用于发送大量的数据。中断数据流：用于传输少量随机输入信号。实时数据流：用于传输固定速率的信号。,第 20 页,USB有4种基本的传
10、输类型：,2批传输：单/双向，用于大批数据传输，要求准确，出错重传。时间性不强。（打印机）,1控制传输：双向，用于配置设备或特殊用途，发生错误需重传。每个设备必须要用端点0完成USB主机检测时和主机交换信息的控制传送。（初始化）,3中断传输：单向入主机，用于随机少量传送。采用查询中断方式，出错时下一查询周期重新传。（键盘）,4等时传输：单/双向，用于连续实时的数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。（音响）,第 21 页,1、传输类型的特性,对于慢速设备仅支持控制型传输和中断型传 输。每一种传输类型都具有自己的特性：规定的数据结构 通信方向 分组大小 带宽限制 所要求的数据顺序,第
11、22 页,2、控制型传输,属于双向型传输。用于传输主机发往设备的命令（设备请求）、主机发往HUB的集线器请求、设备传向主机的设备描述符配置及状态等信息。这些信息叫控制型数据，组成的包叫控制包。控制型传输分三个阶段：设定（Setup）阶段、数据（Data）阶段和状态（Status）阶段。,（1）“设定阶段”交换的有三个包。它们是：主机发往设备的SETUP令牌包（包含请求的设备地址、端口号等）；主机发往设备的，包含有“设备请求”的数据包；设备给主机的握手包。,第 23 页,（2）“数据阶段”交换的也有三个包。它们是（读：）主机发往设备的IN令牌包；设备发给主机的DATA1数据包；主机给设备的ACK
12、握手包。（3）“状态阶段”交换的也有三个包。它们是：主机发往设备的OUT令牌包；主机给设备的DATA0数据包；设备传向主机的ACK应答（握手）信号。,第 24 页,USB协议规定：控制型传输只能用端点0进行传输。每当USB设备第一次连接到USB主机时，就用控制型传输，设定USB设备的地址和读取设备的描述符。,第 25 页,3、中断型传输,它属于单向传输，且只能从设备传到主机。由于USB不支持硬件中断（不占用系统的中断类型等资源），主机实际是采用“轮询”的方式。使用该种传输的有USB键盘、USB鼠标和USB摇杆等人机接口设备（HID)。在中断传输类型中进行数据交换一般有三个或两个步骤：请求包、数
13、据包（可有可无）和握手包。即：主机往设备发送IN令牌包；设备往主机发送数据包；主机往设备发送握手包。,第 26 页,如果主机往设备发送IN令牌包后，设备无数据发往主机，则发送NAK作应答：主机往设备发送IN令牌包；主机往设备发送NAK握手包。,第 27 页,4、批传输,批传输用于大量数据的，准确的，但无速度限制（不考虑带宽）的传输。其特点是出现错误后，可以重传。应用这类传输的有USB打印机、USB扫描仪等。在批传输类型中进行数据交换一般有三个或两个步骤：请求包、数据包（可有可无）和握手包。即：主机往设备发送IN令牌包；设备往主机发送数据包；主机往设备发送握手包。,第 28 页,第 29 页,5
14、、等时传输,用于传输连续、实时的数据。其特点是：要求稳定的带宽，实时性强，但可忽略错误。应用这类传输的有视频设备、数字声音设备、数字相机等全速设备。在实时传输类型中进行数据交换一般有两个步骤：请求包、数据包（可有可无）。即：主机往设备发送IN令牌包；设备往主机发送数据包；,第 30 页,第 31 页,5.5 USB数据交换的包格式,1、帧,USB中信息传输以“帧”为单位，一帧中可以包含多种“包”，每一个包又包含多种类型的“域”。USB系统在数据交换中常见的有五种包：令牌包、数据包、握手包、帧开始包和特殊包。“包”中的“域”有7种类型：同步域、标识域、地址域、端点域、数据域、帧标识域和校检域等。
15、各类包中所包含的域的种类和数量依包而定。1桢=令牌包、数据包、握手包、等 1包=同步域、标识域、地址域、端点域、数据域、帧标识域和校检域,第 32 页,标志包,数据包,握手包,一次交换（事务处理）,等时传输无握手包,交换完毕，进入帧结束间隔区发送方把D+和D-上的电压降低到0.8V以下，并保持2个位的传输时间，然后维持1个位传输时间的J状态表示包结束，之后进入闲置状态。,每次交换均由主机发起，对中断传输，亦由主机发送查询包取得中断信息。,帧结束间隔区,2、信息传递的过程,第 33 页,3、域类型(7种）：,SYNC（同步）域。每一种包的前面均有此域，占8位二进制位，取固定值：00000001
16、PID（分组标识域）；跟在SYNC域后面，表示数据包的类型，占8位二进制位。传输时，首先传LSB，后传MSB：PID0 PID1 PID3 PID4 PID0 PID1 PID3 PID4 令牌包有三种类型的PID：SETUP（配置令牌）PID、OUT（发送令牌）PID和IN（接收令牌）PID；数据包有二种类型的PID：DATA0（偶PID数据）PID、DATA1（奇PID数据）PID；握手包有三种类型的PID：ACK（无错应答）PID、NAK（不能接、发应答）PID、STALL（端点被禁止）PID。,第 34 页,PID（分组标识域）,第 35 页,地址域 表达设备地址，由7位组成。可寻址1
17、27个外设。每当新的外设刚接入时，主机系统赋予默认地址0，其后再赋予该地址域表示的地址。端点域 表达设备中的端点号，由4位组成。一个设备最多可有16个端点。该域只出现在OUT分组、IN分组和SETUP分组中，因此，对全速设备可有16个发送端口和16个接收端口。慢速设备只有端口0及7个端点1作为中断传输模式（如CY7C63？系列USB微控制器）。帧标号域 仅存于SOF分组内。由11位组成。通常，目标设备根据其帧标号来辨别起点帧。常用于实时型传输，因此，一般出现在全速设备的传输中。,第 36 页,数据域 仅存于数据分组中。数据域的大小从0-1023位。校检域 循环冗余校检。除数据分组采用16位校检
18、外，其余分组均采用5位校检：G(X)=X5+X2+1；G(X)=X16+X15+X2+1,第 37 页,4、包的类型(阴影部分是USB2.0规范),第 38 页,第 39 页,SYNC：同步序列,PID：包标识别，发送从低位到高位,所有数据发送都时从低位开始向高位发送,数据为10000000,PID,PID的反码,包的一般格式,第 40 页,(1)帧开始包（SOF）（一帧持续时间为1ms）,编码,数据,0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1,标志包,帧开始包（SOF）告诉目标设备一帧的开始。由主机在每一帧的开始，将此包广播到所有全速设备。一帧占用1 ms。SOF包只能在
19、令牌包一起出现，不可能与数据包和握手包同时出现。,第 41 页,(2)接收包,(3)发送包,接收交换包括了全部4种传输类型,接受交换:根Hub广播接受包目标设备返回数据包根发握手包（等时传输无握手包）,发送交换:根Hub广播发送包根发数据包目标设备发握手包（批传输才有握手包）,发送交换包括了除等时传输外的其他3种传输类型,第 42 页,(4)设置包,控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个IN或OUT交换，或只包含一个端点传到主机的状态,数据包,发送包、接收包和设置包统称为令牌包（分组）。,第 43 页,数据接受方发向数据发送方。,只有SYNC和PID组成主机希望与低速设备进行低速传输
20、的时候发此包PID域应该高速（全速）发送。PID之后，在低速数据包传输之前要延迟4个高速字节时间低速设备只支持控制传输与中断传输与低速设备交换数据只有8字节,握手包,特殊包,第 44 页,5.5.6 USB的“设备请求”,1、标准设备请求,在USB系统中，主机始终占据主导地位。主机可以向设备发送各种命令，这些命令就称为“设备请求”。USB协议规定了一些“标准的设备请求”，设备开发商还可以定义自己设备的“特定设备请求”。每一种“设备请求”均占有8个字节信息。USB主机在“控制传输类型”的第二个阶段数据阶段，将设备请求的8字节信息以数据包的形式发送给设备。,第 45 页,标准设备请求：,第 46
21、页,2、设备请求数据格式,USB协议规定：8字节的“设备请求”由五部分组成：bmRequestType请求类型域，占一个字节 bRequest特定请求域，占一个字节 wvalue向设备传递的参数域，占二个字节 windex传递的索引，占二个字节 wlength数据阶段传输的数据长度域，占二个字节,第 47 页,设备请求数据格式表：,域,字节长度,功能说明,第 48 页,设备请求类型域（bmRequestType）,设备请求类型域（bmRequestType）一般取值可有以下几类：0、1、2：它们对应于设置（SET)类设备请求 80H、81H、82H：它们对应于获取（GET)类设备请求 下表列出
22、了对应于bmRequestType去不同值时的设备请求各个域的配合情况：,第 49 页,第 50 页,5.5.7 USB总线枚举,1、总线枚举的过程：,USB主机识别刚接入USB系统的各个USB设备，并配置刚接入的各个USB设备的过程或识别USB设备从系统中撤出的过程，就叫USB设备枚举或叫总线枚举。,（1）当USB设备接到HUB上，该HUB就会根据D-、D+电位的变化，得知这一事件，并将此事件通知主机，设备进入连接状态，但设备端口并未进入使能状态，端口是封闭的。（2）主机传送一个重置命令，使新接入端口使能，端口被打开。（3）HUB提供100mA电流给USB设备，USB设备进入上电状态，所有的
23、寄存器均重设，并响应默认地址（0地址）。以上均由硬件完成；,第 51 页,（4）主机发出包含“SETUP令牌”的“设备请求”包及其后跟的DATA0数据包至地址0，以取得设备的描述符；（5）USB设备中的控制器将此请求解码后，并从它的ROM表格中取得设备描述符，在主机执行控制型读取时，发往主机；（6）主机再发出包含“SETUP令牌”的“设备请求”包及其后跟的DATA0数据包至地址0，该数据包中包含有分配给设备的唯一地址；（7）USB设备将新地址存于“设备地址寄存器”中；（8）主机用新地址发出设备请求以获取完整的设备描述符；（9）USB设备中的控制器将此请求解码后，并从它的ROM表格中取得设备描述
24、符，在主机执行控制型读取时，发往主机；,第 52 页,（10）主机执行控制型读取，请求配置等其它描述符；（11）主机收到所有描述符后，总线枚举过程结束。,第 53 页,2、USB设备状态和总线枚举,主 机,HUB,设备,第 54 页,5.5.8 USB控制传输举例,例一：系统从设备读取设备描述符信息。,控制传输包含2个或3个阶段：设定阶段、数据阶段（可有可无）和状态阶段。每个阶段都包含多个数据交换。,主机使用控制型传输。该过程可分成三个阶段：(1)设置阶段 主机先将SETUP令牌包发往设备；主机再往设备发送一个DATA0数据包，DATA0域的内容：主机对设备的“设备请求”，共8个字节（控制型传
25、输中数据包只有8个字节）；设备如果接收到主机的请求，并已准备好，则给主机发送一个ACK握手包，如果设备未准备好，则发送一个NAK握手包，如果设备收到的请求包有错，则发回STALL握手包。,第 55 页,设置阶段包的交换过程,第 56 页,设置阶段包的交换过程说明：,“主机发数据包”中的DATA域为设备请求（共8个字节）。其中：第一字节80H为“设备请求类型”段。因D71，表明在控制型传输类型的第二阶段，数据传输方向是从设备到主机；因D6D5=0，表明主机的“设备请求”属于“标准设备请求”；D4D3D2D1D0=0，表明“请求接收者”是“设备”（不是接口和端点）。第二字节6为“特定请求”类型码段
26、。6表明为“获取设备描述符”。0 1为描述符类型码。“0H01H”表明描述符是“设备描述符”。最后两字节12H 0-为所要求的描述符长度，为18字节。,第 57 页,（2)数据阶段,主机先将IN令牌包发往设备，表明主机请求“接收设备”传来数据；设备将DATA1数据包（数据是设备描述符）发往主机，作为主机请求的响应；主机发送ACK握手包作应答。,其中“DATA段数据为设备描述符的前8个字节的内容。USB协议规定：此处只需传输一部分即可（其它在以后的传输中再进行）。,第 58 页,（3)状态阶段,主机先将OUT令牌包发往设备；主机再往设备发送一个DATA0数据包，DATA0域无内容：设备给主机发送
27、ACK握手包。整个传输结束。,第 59 页,例二：设定设备地址,（1）设置阶段,第 60 页,说明：,“DATA”域中各字节的含义：第一字节“0为“设备请求类型”，因D70，表明在控制型传输类型的第二阶段，数据传输方向是从主机到设备；因D6D5=0，表明主机的“设备请求”属于“标准设备请求”；D4D3D2D1D0=0，表明“请求接收者”是“设备”（不是接口和端点）。第二字节5为“特定请求”类型码段。5表明为“设置地址请求”。第三字节”2为新的设备地址。,第 61 页,（2）数据阶段,第 62 页,基于CY7C68013的USB2.0开发,CY7C68013的特点：1、符合USB2.0规范，48
28、0Mbps高速传输协议标准，并向下兼容USB1.1。2、含括增强型USB Core、高速8051 Core和16K RAM，3、拥有1个独特的架构，其中包括1个智能串行接口引擎（SIE）。它执行所有基本的USB功能，将嵌入式MCU解放出来以用于实现专用的功能，并保证其持续的高性能的传输速率。4、RS232串口：一个5、EEPROM：用做存放VID/PID或固件，可通过跳线选择EEPROM容量，缺省配置24LC64（8K）6、包括2个通用可编程接口（GPIF），可与任何ASIC或DSP进行连接，并且它还支持所有通用总线标准，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。,第 63 页,第 64
29、 页,使用CY7C68013A 的优点：1、丰富的实验例子，包括批量传输，中断传输，控制传输，I2C按钮和数码管实验，FX2传输速度测试，IO端口控制，GPIF试验，USB转串口试验，串口转USB试验等。2、已建立固件（Keil C51）、驱动（DDK和DriverStudio）和应用程序（VC6.0）开发环境（工程）3、Keil软件仿真调试功能（64K程序，数据空间）4、在线下载和在系统可编程功能5、总线或外部供电可选,第 65 页,第五章 结 束,结束放映,第 66 页,USB主控制器（外设端）,主控制器是一个微控制器芯片，内部集成了8位的RISC（精简指令）微处理器、EPROM、SRAM
30、、倍频器、USB SIE（串行接口引擎，其功能是：将D+和D-的串行数据进行编码与解码、计算校检和、进行位填充、USB收、发）等功能部件，逻辑图如下：,第 67 页,USB主控制器及主控制器软件具有以下功能：,状态控制；串并转换；形成帧；向主机发送数据传输请求和处理来自主机的数据请求；传输差错控制；协议引擎。支持所有USB的协议。,第 68 页,（2)HUB的组成,一个HUB包括两部分：（见图）集线器中继器：管理连接的建立和拆除；集线器控制器：提供状态控制，允许主机对HUB进行访问。,第 69 页,拓扑 层状星型(分布连接点)最多127个设备 可达6层(每段最长5米)总线事务 速率:12Mbp
31、s 总计 1.5Mbps 子通道 同步和异步 主机控制总线活动,配置 热插拔 即插即用 物理层 两根线差分信号,NRZI 编码,位填充 支持电源+5V 信号采用 CMOS电压 3.3V 4 脚连接器,4 线电缆,2、设备地址和端口号,USB系统不占用系统资源，即：不用考虑I/O地址、IRQ及DMA通道等问题。但USB系统给已连接的USB设备分配一个唯一的7位二进制数的逻辑地址。地址0分配给刚刚连接上的外设，作为设备配置用。其它地址：地址1-127分配给已经连接的外设，（可见USB系统最多可连接127个外设）。每一个USB外设均具有一定数量的寄存器，每一个寄存器均有一个端口号，按USB的协议的规
32、定，每个端口用4位二进制数表示一个端口号，用1位二进制数表示是输入还是输出，所以，一个USB设备最多只能有32个I/O端口，其中16个用于输入端口，另16个用于输出端口。每个设备上的端口0用于传输控制信息（如读取设备的描述符等信息），从此端口，USB系统即可知道该设备的类型。,第 71 页,3、USB系统的逻辑连接,通过设备地址和端口号，USB系统软件即可与每个端点进行通信。从该意义上看，USB系统的逻辑连接如图所示。,设备地址端口号,设备地址端口号,设备地址端口号,第 72 页,4、管道,通过设备地址和端口号，USB系统软件即可与每个端点进行通信。在USB协议中将USB系统软件与一个端点间进
33、行的通信称为一个“管道”。,一个端点对应一个管道。端点0所对应的管道称为默认管道。默认管道主要传输控制类型数据。一个外设与USB系统通信时，可能有多个管道，如有的管道进行文字传输，有的管道进行图像传输，另一管道进行声音传输等等。,第 73 页,5、描述符,在USB协议中“描述符”被定义成是具有一定格式的数据结构。USB协议规定：USB设备应通过各种“描述符”向USB主机来报告它的属性和特点。每一个USB设备至少具有四类描述符：“设备描述符”、“配置描述符”、“接口描述符”和“端点描述符”。有些设备还可以添加一些描述符，如：“字符串描述符”、“类描述符”及“报告描述符”等等。,第 74 页,6、
34、描述符树,一台USB设备的各个描述符构成一个“描述符树”，如图所示。,第 75 页,7、描述符的定义,各描述符数据结构的长度并不相同，但各：描述符的第0个字节的意义均相同，代表该描述符的长度，第1个字节代表该描述符的类型：除最低层的端点描述符外，其它三层描述符中均包含有下一层描述符的个数的说明项。描述符一般由设备开发商将其固化在USB设备的接口芯片所包含的EPROM中。（如：Philips的D12、Cypress公司的CypressUSB控制器：CY7C6000),第 76 页,设备描述符,一个设备只有一个设备描述符。它是主机向USB设备要求的第一个描述符。,第 77 页,配置描述符,*配置属性：总线供电：D7H、自我供电：D6H、电源唤醒：D5H,第 78 页,接口描述符,第 79 页,端点描述符,
