USB系统结构与应用设计

USB系统结构与应用设计摘 要：通用串行总线(USB) 是一种简单的计算机外围接口标准。它具有即插即用、扩展方便等优点，已成为计算机必备的一个接口。本文简要介绍 USB 总线的功能、拓朴结构及其数据传输过程，并举例说明 USB接口的实际应用。关键词：通用串行总线 USB 接口 外围接口标准一、USB 接口背景在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源(如中断，I/O 地址，DMA 通道等)。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个 ISA/EISA 或 PCI 卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。USB 总线是 INTEL、DEC 、MICROSOFT 、IBM 等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于 PC机与外围设备的互联。USB 总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在 PC 机及嵌入式系统上。二、USB 总线优缺点1.优 点（1）使用简单所用 USB 系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。（2）应用范围广USB 系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB 系统最多可支持 127 个物理设备。 USB 设备的带宽可从几 Kbps 到几 Mbps (在 USB2.0 版本，最高可达几百 Mbps)。一个 USB 系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的 ISDN、语音，高速的磁盘、图像等( 仅 USB2.0 版本支持高速设备)。（3）较强的纠错能力USB 系统可实时地管理设备插拔。在 USB 协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。（4）总线供电USB 总线可为连接在其上的设备提供 5V 电压/100mA 电流的供电，最大可提供 500mA 的电流。USB设备也可采用自供电方式。（5）低成本USB 接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB 系统接口/电缆也比较简单，成本比串口/并口低。2.缺 点USB 技术还不是很成熟，特别是高速设备。市场上现有的 USB 设备价格都比较昂贵，但随着 USB 技术的日益成熟，设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。三、USB 系统拓扑结构一个 USB 系统包含三类硬件设备: USB 主机(USB HOST)、 USB 设备(USB DEVICE)、USB 集线器(USB HUB)，如图 1 所示。（1）USB HOST在一个 USB 系统中，当且仅当有一个 USB HOST 时，USB HOST 有以下功能: 管理 USB 系统； 每毫秒产生一帧数据； 发送配置请求对 USB 设备进行配置操作； 对总线上的错误进行管理和恢复。（2）USB DEVICE在一个 USB 系统中，USB DEVICE 和 USB HUB 总数不能超过 127 个。USB DEVICE 接收 USB 总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应 USB HOST 的数据包与 USB HOST 进行数据传输。（3）USB HUBUSB HUB 用于设备扩展连接，所有 USB DEVICE 都连接在 USB HUB 的端口上。一个 USB HOST 总与一个根 HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB 为其每个端口提供 100mA 电流供设备使用。同时，USB HUB 可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应 USB HOST 的数据包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说，USB 设备与 USB HUB 间的连线长度不超过 5m，USB 系统的级联不能超过 5 级（包括 ROOT HUB） 。四、USB 总线数据传输USB 总线上数据传输的结构如图 2 所示。从物理结构上，USB 系统是一个星形结构；但在逻辑结构上，每个 USB 逻辑设备都是直接与USB HOST 相连进行数据传输的。在 USB 总线上，每 ms 传输 1 帧数据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成。USB 设备可根据数据包中的地址信息来判断是否响应该数据传输。在 USB 标准 1.1 版本中，规定了 4 种传输方式以适应不同的传输需求：（1）控制传输（control transfer）控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大有效负荷可为 64 个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅为 8 个字节。（2）同步传输（isochronous transfer）同步传输仅适用于全速/高速设备。同步传输每 ms 进行一次传输，有较大的带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为 1023 个字节。（3）中断传输（interrupt transfer）中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可为 1255ms，而低速设备的中断传输周期为 10255ms。全速设备每次中断传输的最大有效负荷可为 64 个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为 8 个字节。（4）块数据传输（bulk transfer）块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行块数据传输。块数据传输每次数据传输的最大有效负荷可为 64 个字节。五、典型应用USB 系统的典型应用如图 3 所示。在图 3 所示系统中，显示器、Audio、Modem 皆为全速设备，键盘、鼠标为低速设备。其数据传输为： USB HOST 通过控制传输更改显示器属性。 USB HOST 通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。 USB HOST 通过控制传输更改键盘、鼠标属性。 USB HOST 通过中断传输要求键盘、鼠标输入读入系统。 USB HOST 通过控制传输更改 Audio 属性。 USB HOST 通过同步传输与 Audio 设备传输数据。 USB HOST 通过控制传输更改 Modem 属性。 USB HOST 通过块数据传输与 Modem 设备传输数据六、一个 USB HOST 接口的软硬件设计市场上现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。同时也有很多带 USB 接口的处理器，如 CYPRESS 的 EZ-USB，AMD 的 AM186CC，ATMEL 的AT43320，MOTOROLA 的 PPC823/PPC850，等等。下面给出用 SCANLOGIC 的 USB 接口器件 SL11HT 实现嵌入式 USB HOST 的例子。1.SL11HT 特点 遵从 USB1.1 标准； 支持全速/低速传输； 支持主机/设备端两种模式； 3.3/5.0V 供电； 片内包含 256 个字节的 SRAM； 48MHz 晶振输入。当 SL11HT 被用作 USB HOST 接口时，对系统有以下要求: 由系统维护 SOF 帧数目； 由系统生成 CRC5 效验码； 要求系统中断潜伏期小于 1.5s。2.SL11HT 接口硬件框图图 4 简单地给出了使用 SL11HT 扩展 USB 接口的框图，更详细的硬件连线图请见参考文献 2,3。3.USB HOST 端软件结构USB HOST 端软件结构如图 5 所示。（1）USB 接口驱动程序USB 接口驱动程序需实现以下功能: USB 接口器件的初始化； 计算上层数据包的效验和，发送上层的数据包； 发送 SOF 帧； 接收从 USB 接口传送来的数据，并检查数据的有效性； 将接收到的数据送往上层。（2）USB 协议栈驱动程序USB 协议栈驱动程序需实现以下功能: 提供与设备驱动程序的接口； 读取并解析 USB 设备描述符，配置描述符； 为 USB 设备分配唯一的地址； 使用默认的配置来配置设备； 支持基本的 USB 命令请求； 连接设备与相应的驱动程序； 转发设备驱动程序的数据包。（3）设备驱动程序设备驱动程序需实现以下功能: 提供与应用程序的接口； 读取并解析 USB 设备特有的描述符，获得设备提供的传输通道； 发送设备特有的和基本的 USB 命令请求； 通过设备提供的传输通道与设备进行数据传输； 通过 USB 命令请求重新配置设备。