通用串行總線(USB)原理及接口設計

時間：2018-11-30 15:50:01

關鍵字： USB wdm 電源技術解析

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[導讀]通用串行總線USB （Universal SerialBus）是Intel、Microsoft等大廠商為解決計算機外設種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于1995年提出制定的。它是一種用于

通用串行總線USB （Universal SerialBus）是Intel、Microsoft等大廠商為解決計算機外設種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于1995年提出制定的。它是一種用于將適用USB的外圍設備連接到主機的外部總線結構，主要用在中速和低速的外設。USB同時又是一種通信協(xié)議，支持主機和USB的外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前較多設備支持的是USB1.1?1?，最新的USB2.0?3?已于2000年4月正式發(fā)布。

USB設備具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴展等優(yōu)點。

USB1.1有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為1.5Mbps，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實時性的設備，如鼠標等；全速模式為12Mbps，可以外接速率更高的外設。在剛剛發(fā)布的USB2.0中，增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達到480Mbps，可以滿足更加高速的外設的需要。

安裝USB設備不必打開主機箱，它支持即插即用（Plug and Play）和熱插拔（Hot Plug）。當插入USB設備的時候，主機檢測該外設并且通過自動加載相關的驅動程序來對該設備進行配置，并使其正常工作。

1 USB的結構與工作原理

1.1物理結構

USB的物理拓撲結構如圖1所示。在USB2.0中，高速方式下Hub使全速和低速方式的信令環(huán)境獨立出來，圖2中顯示了高速方式下Hub的作用。

通過使用集線器（Hub）擴展可外接多達127個外設。USB的電纜有四根線，兩根傳送的是5V的電源，另外的兩根是數(shù)據(jù)線。功率不大的外圍設備可以直接通過USB總線供電，而不必外接電源。USB總線最大可以提供5V 500mA電流，并支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。

1.2 USB設備邏輯結構

USB的設備可以分成多個不同類型，同類型的設備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議，這樣可以使設備驅動程序的編寫變得簡單一些。USB Forum在USB類規(guī)范?2?中定義了USB的設備類型，比如音頻、通信、HID、HUB等設備類。

每一個USB設備會有一個或者多個的邏輯連接點在里面?每個連接點叫端點。在USB的規(guī)范中用4位地址標識端點地址，每個設備最多有16個端點。端點0都被用來傳送配置和控制信息。在NS公司的USB接口芯片USBN9602?4?中有7個端點。

管道實現(xiàn)了在主機的一個內存緩沖區(qū)和設備的端點之間的數(shù)據(jù)傳輸，連接端點0的叫做缺省管道。管道是具有多個特征的信道，如帶寬分配，包大小，管道類別以及數(shù)據(jù)流向。管道有兩種類型分別是流管道（stream pipe）和消息管道（messagepipe）。流管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的內容不具有USB要求的結構，它是單向傳輸?shù)模涣鞴艿乐С峙?、等時和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先，由主機發(fā)請求給USB設備，然后在適當?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù)，最后是到達一個狀態(tài)階段。為了保證三個階段的數(shù)據(jù)傳輸，消息管道定義了一個數(shù)據(jù)結構使命令可靠地被識別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。

對于同樣性質的一組端點的組合叫做接口，如果一個設備包含不止一個接口就可以稱之為復合設備（見圖1）。

對于同樣類型接口的組合可以稱之為配置。但是每次只能有一個配置是可用的，而一旦該配置被激活，里面的接口和端點就都同時可以使用。主機從設備發(fā)過來的描述字中來判斷用的是哪個配置?哪個接口等等?而這些描述字通常是在端點0中傳送的。

1.3 USB通信分層模型

一臺主機到設備的連接需要許多層與實體之間的相互作用。USB總線接口層提供了主機和設備之間的物理／信令／包的連接。在系統(tǒng)軟件看來，USB設備層執(zhí)行的是一般的USB操作。功能接口層提供和應用軟件層相對應的附加功能。分層模型如圖3所示，雖然邏輯上USB設備層和功能層各自與主機上的相應層通信，但物理上都是通過USB總線接口層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?

1.4 四種傳輸方式

USB提供了四種傳輸方式，以適應各種設備的需要。這四種傳輸方式分別是：

控制傳輸方式：控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，主要用來進行查詢、配置和給USB設備發(fā)送通用的命令?？刂苽鬏斨饕迷谥饔嬎銠C和USB外設中端點0之間。

等時傳輸方式：等時傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時應用中。例如進行語音業(yè)務傳輸時，使用等時傳輸方式是很好的選擇。

中斷傳輸方式：中斷方式傳送是單向的并且對于主機來說只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時查詢設備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送，該傳輸方式應用在少量的、分散的、不可預測的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤、游戲桿和鼠標就屬于這一類型。

大量傳輸方式：主要應用在沒有帶寬和間隔時間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收，它要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。

在開發(fā)USB設備時通過設置接口芯片中相應的寄存器使端點處于不同的工作方式。

1.5 USB通信協(xié)議

USB的物理協(xié)議規(guī)定了在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，一個全速的數(shù)據(jù)幀有1500字節(jié)，而對于低速的幀有187字節(jié)。幀的作用是分配帶寬給不同的數(shù)據(jù)傳送方式。

一個最小的USB的數(shù)據(jù)塊叫做包，包通常有同步信號，包標識，地址、傳送的數(shù)據(jù)和CRC.包的ID由八位組成，其中后四位是糾錯位。根據(jù)包功能的不同，在USB1.1中定義了以下四類十種：

token OUT IN SOF SETUP

data DATA0 DATA1

handshake ACK NAK STALL

special PRE

在USB2.0中又增加了幾種類型的包以滿足高速傳輸?shù)男枰?。其中data類型增加了DATA2和MDATA，handshake類型增加了NYET，special類型則增加了ERR，SPLIT，PING，Reserved.

事務是在主機和設備之間不連續(xù)地數(shù)據(jù)交換。一個事務通常由主機開始，一般分三個階段，第一階段發(fā)送token包，第二階段發(fā)送是data包（可以向上也可以向下），在數(shù)據(jù)包傳送完之后，就會由設備返回一個handshake包。

當客戶端程序通過一個USB管道發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，它首先會調用Win32API，API會發(fā)送一個IRP到USB設備驅動程序。USB設備驅動程序的任務就是把客戶端的請求通過一個管道發(fā)送到外設合適的端點。為了實現(xiàn)這個任務，USB設備驅動程序會遞交請求給總線驅動程序，總線驅動程序可以把這些請求轉變成事務，然后將這些事務組合成幀在總線上傳輸。

1.6 USB帶寬分析舉例

在USB1.1標準中將其有效的帶寬分成幀，每幀通常是1ms長。但由于USB2.0的傳輸速率可高達480Mbps，因此在USB2.0增加了一種微幀，它只有原來幀的1／8，這使得在傳輸數(shù)據(jù)時使用更小的緩沖。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后，USB的主機就會對不同的端點和傳輸方式做一個統(tǒng)籌安排，用來適應它的帶寬。對全速和低速的端點，系統(tǒng)為等時和中斷方式的傳輸保留整個帶寬的90％，即占每個幀時間的90％，剩下的就安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。在USB2.0中，對于高速的端點，則為等時和中斷方式的傳輸保留每個微幀的80％。

以等時傳輸為例，在某個配置中作為一個等時傳輸管道的端點，定義了它能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效負載的長度。USB系統(tǒng)軟件用這個長度限制去保證足夠的總線時間使每幀的內容能容納最多的數(shù)據(jù)有效負載。如果有足夠的總線時間，配置才會建立。每個等時管道的數(shù)據(jù)有效負載可以是1，2，4，……，512，1023字節(jié)。

例如，當數(shù)據(jù)包最大有效負載為512個字節(jié)時，一個全速幀（1500字節(jié)）最多可以傳輸2個這樣的包。除去協(xié)議開銷的18個字節(jié)，剩余458個字節(jié)可以用于其他事務的傳輸。因此每幀有效字節(jié)數(shù)為2個包的字節(jié)即1024字節(jié)，因此最大帶寬為1.024Mbyte／s，每個包的有效字節(jié)占整個幀的35％。同樣可推算，數(shù)據(jù)有效負載長度為64、128或256時其最大帶寬值最大，為1.28Mbyte／s.

在USB2.0高速工作方式下，每個等時管道的數(shù)據(jù)有效負載可以是1，2，4，……，2048，3072字節(jié)。當數(shù)據(jù)有效負載長度為1024時其最大帶寬值最大，為5.7344Mbyte／s，每個包的有效字節(jié)占整個微幀的14％。

2 Windows USB驅動程序接口

USB的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的Win95的VxD（Virtual DeviceDriver）驅動程序不同，它屬于WDM（Windows DriverModel）類型的，Win98、Win2000等操作系統(tǒng)均支持該類型的驅動程序。WDM首先定義了一個基本的核心驅動程序模型，處理所有類型的數(shù)據(jù)，使驅動程序模型的內核實現(xiàn)更加的固定。WDM驅動程序還是一種分層的程序結構，可以看做是WindowsNT驅動程序的改進，WDM驅動程序支持即插即用、電源管理和WMI（Windows ManagementInstrumentation）特性。Win98和Win2000提供了一系列的系統(tǒng)驅動程序，它們具有為許多標準類型設備服務所需的所有基本功能。

USB的WDM驅動程序接口框圖如圖4所示。

Windows提供了USB的系統(tǒng)類驅動程序，它處理USB上的所有底層通信，這樣其他驅動程序就有了一個定義好的接口可以使用。USBHub.sys是USB集線器的驅動程序。USBD.sys是USB類驅動程序，它使用圖4中UHCD.sys或OpenHCI.sys分別驅動兩種類型的控制器 ?UHCI（USB Host Controller Driver），OHCI（Open Host ControllerInterface）。當PCI枚舉器發(fā)現(xiàn)USB主機控制器后，就會裝入相關的驅動程序。

通常一些設備都需要開發(fā)者寫一個核模式的驅動程序來使硬件正常工作。在核模式下?驅動程序通過IRP（I／O Request Packet）來組織和操作一些由其他部分發(fā)過來的要求和命令。而IRP又是通過URB（USB Request Blocks）來實現(xiàn)的。但對于一些HID（Human Interface Device）的USB設備，象鍵盤、鼠標和游戲操縱桿之類的設備可以被操作系統(tǒng)自動識別并且支持，開發(fā)者不需要再另寫驅動程序。

3 USB接口10M以太網(wǎng)卡的實現(xiàn)

3.1 選擇器件

目前市場上USB的接口產品有兩種，一種是集成了USB接口的單片機，另一種是不帶單片機的USB接口芯片。由于前者需要專用的開發(fā)機故開發(fā)成本較高，本文將介紹一種使用廉價USB接口芯片USBN9602（NS公司）加高速的51單片機實現(xiàn)10M以太網(wǎng)卡的方案。

在做設計之前一定要計算好外設所要求的帶寬和USB的速度是否匹配。一個USB以太網(wǎng)卡應該包括USB通信接口（USBN9602）、8051單片機以及IEEE802.3的MAC層和物理層。USBN9602在全速工作方式下可以達到12Mbit／s，采用USBN9602基本可以滿足10M以太網(wǎng)的帶寬需求。為達到較高的傳輸速率，USBN9602還應該用DMA方式與單片機通信。電路框圖如圖5所示。

3.2 設計單片機控制程序

對于單片機控制程序，目前沒有任何廠商提供自動生成微碼（firmware）的工具。USB單片機控制程序通常由三部分組成，第一、初始化單片機和所有的外圍電路（包括USBN9602）；第二、主循環(huán)部分，其任務是可以中斷；第三、中斷句柄，其任務是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。

3.3 開發(fā)USB網(wǎng)卡驅動程序

開發(fā)USB設備驅動程序通常采用WindowsDDK來實現(xiàn)，但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的Driver Works，BlueWaters的DriverWizard等軟件能夠方便地生成高質量的USB的驅動程序。沒有DDK或WDM基礎的開發(fā)人員可使用KRFTech公司的開發(fā)軟件WinDriver，它的最新版本4.32已經支持USB驅動程序的開發(fā)。最后的驅動程序調試工作可以使用Compuware的Softice或Microsoft的Windows Debugger來進行。

Windows下的網(wǎng)卡驅動程序需符合NDIS規(guī)范（Network Driver Interface Specification）。網(wǎng)絡驅動程序不直接調用操作系統(tǒng)的例程，而是通過NDIS進行系統(tǒng)調用，NDIS還根據(jù)需要調用了驅動程序提供的例程，共同完成網(wǎng)卡的功能。

USB網(wǎng)卡驅動程序可分為NDIS中間介質小端口驅動程序和USB驅動程序兩部分，然后將兩部分驅動程序動態(tài)連接。如果USB設備未連接和被禁止，使USB驅動不可用，那么NDIS驅動會返回一個NOT＿AVAILABLE的狀態(tài)。這種實現(xiàn)方法可以保證用戶不必重新安裝NDIS或重啟就可以連接或拔掉USB設備。

4 小結與展望

目前Win98、Win2000和WinCE均支持USB設備，USB并且已經得到了一個由450家技術公司組成的技術聯(lián)盟的支持，今后新PC都會裝有USB端口。APPLE公司更是推出了完全采用USB技術實現(xiàn)計算機與外設連接的新型計算機iMAC系列。市場上也已經出現(xiàn)了越來越多的支持USB的外設，用戶將從中享受到對外設選擇范圍更廣和與外設數(shù)據(jù)交換速度更快的好處。據(jù)Dataquest公司統(tǒng)計結果顯示，2000年全球將會售出近1億臺USB設備。

USB2.0已經于2000年4月27日正式發(fā)布。USB2.0將向下兼容，使用與1.1版相同的電纜、連接器、軟件接口、拓撲結構。對普通用戶來說，在使用時不會覺得有什么改變，但是USB2.0將可以達到480Mbps的高速，用戶將從2.0所提供的更高速的外設中受益。預計2000年第四季度USB2.0的外圍設備將試生產，2001年將投入商業(yè)生產，USB2.0使USB具有了更好的應用前景。