USB系統結構分析論文

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摘要：通用串行總線(usb)是一種簡單的計算機外圍接口標準。它具有即插即用、擴展方便等優點，已成為計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過程，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

在早期的計算機系統上常用串口或并口連接外圍設備。每個接口都需要占用計算機的系統資源(如中斷，I/O地址，DMA通道等)。無論是串口還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，同時系統需要重新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，主要用于PC機與外圍設備的互聯。USB總線具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統上。

二、USB總線優缺點

1.優點

（1）使用簡單

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重新啟動。

（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USB2.0版本，最高可達幾百Mbps)。一個USB系統可同時支持不同速率的設備，如低速的鍵盤、鼠標，全速的ISDN、語音，高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設備)。

（3）較強的糾錯能力

USB系統可實時地管理設備插拔。在USB協議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能，同時根據不同的傳輸類型來處理傳輸錯誤。

（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設備也可采用自供電方式。

（5）低成本

USB接口電路簡單，易于實現，特別是低速設備。USB系統接口/電纜也比較簡單，成本比串口/并口低。

2.缺點

USB技術還不是很成熟，特別是高速設備。市場上現有的USB設備價格都比較昂貴，但隨著USB技術的日益成熟，設備的不斷增加和廣泛應用，其價格將會有所降低。

三、USB系統拓撲結構

一個USB系統包含三類硬件設備: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:

◇管理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管理和恢復。

（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斷是不是發給自己的數據包：若地址不符，則簡單地丟棄該數據包；若地址相符，則通過響應USBHOST的數據包與USBHOST進行數據傳輸。

（3）USBHUB

USBHUB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為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USBHUB可以通過端口的電氣變化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。一般來說，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過程組成。USB設備可根據數據包中的地址信息來判斷是否響應該數據傳輸。在USB標準1.1版本中，規定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求：

（1）控制傳輸（controltransfer）

控制傳輸發送設備請求信息，主要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、發送控制命令等功能。全速設備每次控制傳輸的最大有效負荷可為64個字節，而低速設備每次控制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，常用于語音設備。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通過控制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通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。

◇USBHOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統。

◇USBHOST通過控制傳輸更改Audio屬性。

◇USBHOST通過同步傳輸與Audio設備傳輸數據。

◇USBHOST通過控制傳輸更改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接口的處理器，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。

1.SL11HT特點

◇遵從USB1.1標準；

◇支持全速/低速傳輸；

◇支持主機/設備端兩種模式；

◇3.3/5.0V供電；

◇片內包含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:

◇由系統維護SOF幀數目；

◇由系統生成CRC5效驗碼；

◇要求系統中斷潛伏期小于1.5μs。

2.SL11HT接口硬件框圖

圖4簡單地給出了使用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。

3.USBHOST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設備分配唯一的地址；

◇使用默認的配置來配置設備；

◇支持基本的USB命令請求；

◇連接設備與相應的驅動程序；

◇轉發設備驅動程序的數據包。

（3）設備驅動程序

設備驅動程序需實現以下功能:

◇提供與應用程序的接口；

◇讀取并解析USB設備特有的描述符，獲得設備提供的傳輸通道；

◇發送設備特有的和基本的USB命令請求；

◇通過設備提供的傳輸通道與設備進行數據傳輸；

◇通過USB命令請求重新配置設備。