USB接口与应用解析

第四章USB接口与应用2通用串行总线USBUSB（UniversalSerialBus）通用串行总线是由Compaq、DigitalEquipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及NorthernTelecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准。1996年2月公布了USB1.0版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。USB2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代USB标准，USB2.0兼容所有USB1.0外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到PC3一、USB系统概述：USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准协议使各种设备分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。通用串行总线USB1、USB系统的组成一般USB系统被分成USB的连接、USB的设备和USB的主机。USB的连接是指设备和主机之间进行连接的交互动作。USB的物理连接是有层次性的星型布局，每个集线器在星型的中心，每条线段是点对点连接的。41、USB系统的组成(续)任何USB系统中，只有一个主机。USB的设备包括集线器(Hub)和功能器件(Function)。集线器为USB提供更多的连接点，一个USB系统最多可连接127个设备，功能部件是指键盘、打印机、数码相机等为系统提供具体功能的设备。USB设备和USB主机的接口称为主机控制器(Hostcontroller)，它是硬件和软件综合实现的。根集线器是综合于主机系统内部的，用以提供USB的连接点。通用串行总线USB5连接灵活一个USB接口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头(Hub)，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。在USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式，即每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设。标准USB电缆长度为3m(低速5m)。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m。USB的性能特点通用串行总线USB6USB的性能特点使用方便，具有热插拔和即插即用功能。传输速度快。支持异步和同步传输数据传输可靠连接灵活•独立供电，耗电少。•接口灵活方便，易于扩展通用串行总线USB7使用USB接口可以连接多个不同的设备，连接简单快捷，可以进行热插拔。即设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源。在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。USB设备也不涉及IRQ冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用PC机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。USB设备能真正做到“即插即用”。使用方便USB的性能特点通用串行总线USB8传输速度快USB1.0提供了两种速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速12Mbps，USB全速的数据传输速度比RS-232C串口的9600bps快1000多倍，它用于大范围的多媒体设备。而USB2.0的数据传输速度可以高达480Mbps。USB3.0接口的传输率可达5Gb/s。USB的性能特点通用串行总线USB9独立供电由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源；USB还采用APM（AdvancedPowerManagement）技术，可以有效地节省电源功耗。USB的性能特点通用串行总线USB10接口灵活方便USB共有4种传输模式：控制传输(control)、同步传输(Synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。USB还能智能识别USB链上外围设备的接入或拆卸。USB接口支持即插即用和热插拔，具有强大的可扩展性，为外围设备提供了低成本的标准数据传输形式。无论是键盘、鼠标、游戏摇杆之类的简单输入设备，还是打印机、扫描仪、存储设备、modem、摄像头之类的高级外部设备,都可以采用USB接口。所有使用PS/2、串行、并行传统接口的外围设备均可采用USB接口形式。USB的性能特点通用串行总线USB11USB使用一个4芯的标准接口，2芯是数据线，另2芯分别是+5V电源线和地线。接头有两种，扁平的A型和梯形的B型。通常B型供集线器(Hub)的设备使用。+5VD+D-GND12MHz\1,5MHzUSB接口引脚接口灵活方便通用串行总线USB红白绿黑12USB系统的基本框架有三部分组成：USB主机控制器/根集线器、USB集线器USB设备。USB的基本框架通用串行总线USB13USB主机控制器/根集线器通用串行总线USB负责激活USB系统删的处理动作；根集线器；为USB设备或集线器提供USB连接端口。USB集线器除了根端口以外，USB系统还提供附加的集线器，为连接其它设备提供一个或多个端口。USB集线器可集成到键盘或显示器设备中去，也可以成为一个独立的设备。14USB设备通用串行总线USB泛指各种类型的USB外围设备，USB设备能够以高速、低俗、全速中的任何一种方式运行。低速设备：如键盘鼠标，传输速率为1.5Mb/s。全速设备：如CCD、移动硬盘等，传输速率为12Mb/s.高速设备：如CCD、移动硬盘等设备，传输速率480Mb/s。15USB的物理接口和电气特性一、接口信号线3、电气特性163、电气特性D+、D-线电气特性：无驱动：高速VD+＞2.7V,VD-＜0.8V,低速反之；有驱动：高速VD+＞2.0V,VD-＜2.0V,低速反之收发器：对地电源电压为4.75~5.25V，设备吸入的最大电流值为500mA，D+、D-上不加电压USB设备：高速在D+上加3.0~3.6V电压,低速反之173、电气特性在USB总线上的两个端点之间传送数据时，总是采用平衡发送差分接收的方式工作，这样可以极大地提高传输速率，并能减少噪声。驱动器和接收器采用差分电路可抵消噪声的干扰。183、电气特性（续）USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆。两根双绞线是信号线D+和D-，用于发送信号。USB为适应不同的设备需要，具有不同的数据传输率。可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的使用低速模式，将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限的个别低带宽的设备(如鼠标)。Vbus和GND两条线，为设备提供电源，Vbus的电压为5V。USB设备可从总线和上行集线器上获得电压，也可以自行供电，设备获取的电量也可进行设置。UBUSD＋D－GNDUBUSD＋D－GNDUSB电缆193、电气特性（续）USB具有省电模式，即进入挂起状态，USB支持两种类型的挂起方式：全部挂起和选择挂起，全部挂起是所有的USB设备进入挂起状态；选择挂起是仅被选择的设备进入挂起状态。当3ms内没有检测到总线行为，设备将会进入挂起状态，当设备进入挂起状态时，它消耗的电流不超过500μA。当设备被唤醒时(远程唤醒或由唤醒信号唤醒)，必须限制从总线上获取的电流，设备必须有足够大的分流电容，以保证当设备处在恢复过程时，从集线器获取的电流不超过端口的最大电流允许值。通用串行总线USB20USB数据编码和解码当PC主机对设备各发出控制信号时，所有连接的设备都通过根集线器收到同样的信号，但是经过对比所配置的设备地址后，只能有一个设备作出相对应的动作。因此对一个设备而言，不仅要无误地接收主机端所送来的数据，还要正确地发出响应的信号。因此，在D＋与D-的差动数据线上就必须采用一种特别的编号方式再加以传送出去，以解决在USB缆线所产生信号延迟以及误差等问题。4、USB的编码方式21USB数据编码和解码（续）USB采用了NRZI（NonReturntoZeroInvert，翻转非零码）的编码方式，无须同步的时钟信号也能产生同步的数据存取。NRZI的编码规则是，当数据位为“1”时不转换，为“0”时再作转换。4、USB的编码方式22USB数据编码和解码（续）NRZI的编码方式会遇到一个很严重的问题：若重复相同的“1”信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐地累积而导致“塞车”的状况，使得读取的时序就会发生严重的错误。因此，在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填充（bit-stuffing）的工作。若原始的串行数据中含有连续6个“1”位，就在其后填塞一个“0”位，强制在NRZI编码的数据流中加入跳变，执行位填塞的工作。如果原始数据的第七位是0，填充位还是会被加入的，而且还加在同样的位置，这就导致了在填充后的数据流中会有两个连续的0。4、USB的编码方式23USB数据编码和解码（续）若原始的串行数据中含有连续6个“1”位，就在其后填塞一个“0”位，强制在NRZI编码的数据流中加入跳变，执行位填塞的工作。4、USB的编码方式24USB数据编码和解码（续）位填充操作从同步数据段开始，贯穿于整个传送过程，在同步数据段的数据“1”作为真正数据流的第一位。位填充操作毫无例外由传送端强制执行。在发送端进行数据传输之前，须先执行位填塞和NRZI编码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先执行NRZI译码，识别插入位并去掉它们，然后再做位反填塞（unbit-stuffing）的工作。如果接收端发现数据包中任一处有七个连续的“1”，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。4、USB的编码方式25USB协议将通信逻辑上分为三层：总线接口层、协议层和数据层。总线接口层是真正的物理对应关系，也是最底层结构，而其他两层则是逻辑对应关系。总线接口层为主机接口和设备接口的连接，传送的是二进制比特流；协议层逻辑上是USB协议栈和USB逻辑设备之间的对应，其中传送的是包字节流；数据层则是主机端驱动程序或者应用软件和设备端功能单元的对应，传送的是有一定意义的信息。USB协议在区分三层结构中不同的信息流时候使用了不同的称谓来描述：总线接口层的位信息流为信息包；协议层的包信息流为事务处理；数据层的信息流为数据传输。5、USB通信的逻辑结构6.1包包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下图：同步字段（SYNC）PID字段数据字段CRC字段包结尾字段（EOP）1、SYNC字段由8位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为00000001。2、PID字段用来表示数据封包的类型。PID字段如下图所示：PID0PID1PID2PID3PID0PID1PID2PID36、USB总线的协议各种封包的类型与规范封包类型PID名称PID编码意义令牌OUT0001B从主机到设备的数据传输IN1001B从设备到主机的数据传输SOF0101B帧的起始标记与帧码SETUP1101B从主机到设备。表示要进行控制传输数据DATA00011B偶数数据封包DATA11011B奇数数据封包握手ACK0010B接收器收到无错误的数据封包NAK1010B接收器无法接收数据或发射器无法送出数据STALL1110B端点产生停滞的状况特殊PRE1100B使能下游端口的USB总线的数据传输切换到低速的设备6、USB总线的协议6.1包3