USB系统结构设计管理论文_优秀论文

1、 USB系统结构设计管理论文摘要：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。

2、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,

3、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

4、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(USBHOST)、USB设备(USBDEVICE)、USB集线器(USBHUB), 如图1所示。（1）USBHOST在一个USB系统中, 当且仅当有一个USBHOST时, USBHOST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）USBDEVICE在一个USB系统中, USBDEVICE和USBHUB总数不能超过127个。

5、USBDEVICE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USBHOST的数据包与USBHOST进行数据传输。（3）USBHUBUSBHUB用于设备扩展连接, 所有USBDEVICE都连接在USBHUB的端口上。一个USBHOST总与一个根HUB(USBROOTHUB)相连。USBHUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时, USBHUB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USBHOST的数据包把端口状态汇报给USBHOST。一般来说, USB设备与USBHUB间的

6、连线长度不超过5m, USB系统的级联不能超过5级（包括ROOTHUB）。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USBHOST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（controltransfer）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

7、、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（isochronoustransfer）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（interrupttransfer）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

8、节。（4）块数据传输（bulktransfer）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：USBHOST通过控制传输更改显示器属性。USBHOST通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。USBHOST通过控制传输更改键盘、鼠标属性。USBHOST通过中断传输要求键盘、鼠标输入读入系统。USBHOST通过控制传输更改Audio属

9、性。USBHOST通过同步传输与Audio设备传输数据。USBHOST通过控制传输更改Modem属性。USBHOST通过块数据传输与Modem设备传输数据六、一个USBHOST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PPC8

10、23/PPC850, 等等。下面给出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT实现嵌入式USBHOST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USBHOST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.USBHOST端软件结构USBHOST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