USB接口与应用

1、第四章第四章 USB接口与应用接口与应用2通用串行总线通用串行总线USB USB USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是由通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及及Northern Telecom等等7家公司联合开发的一种流行的外设接口家公司联合开发的一种流行的外设接口标准。标准。 1996年年2月公布了月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速和高速12Mbps两种模式。两种模式。USB 2.0已于已于2000年年4月月27日由日由Compaq、HP、I

2、ntel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式正式对外发布，作为新一代对外发布，作为新一代USB标准，标准，USB 2.0兼容所有兼容所有USB 1.0外部设备及电缆线等，传输速率达外部设备及电缆线等，传输速率达480Mbps。USB 2.0不仅使不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到连接到PC3一、一、USBUSB系统系统概述概述： USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插是一种电缆总线，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。由即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准协议使主机预定的标准协议使

3、各种设备分享各种设备分享USB带宽带宽，当其它设备和主机在运行时，总，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。线允许添加、设置、使用以及拆除外设。通用串行总线通用串行总线USB USB 1 1、USBUSB系统的组成系统的组成一般一般USBUSB系统被分成系统被分成USBUSB的连接、的连接、USBUSB的设备和的设备和USBUSB的主机。的主机。USBUSB的连接的连接是指设备和主机之间进行连接的是指设备和主机之间进行连接的交互动作交互动作。USBUSB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

4、是点对点连接的。心，每条线段是点对点连接的。41 1、USBUSB系统的组成系统的组成( (续续) )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。U S B 设 备 和 U S B 主 机 的 接 口 称 为 主 机 控 制 器 ( H o s t controller)，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。通用串行总线通用串行总线USB USB 5连接灵活连接灵活

5、一个一个USB接口理论上可以连接接口理论上可以连接127个个USB设备。连接的设备。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转接头(Hub)，把多个设备连接在一起，再同，把多个设备连接在一起，再同PC机的机的USB口相接。在口相接。在USB方式下，所有的外设都在机箱外连接，不方式下，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。必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用采用“级联级联”方式，即每个方式，即每个USB设备用一个设备用一个USB插头插头连接到一个外设的连接到一个外设

6、的USB插座上，而其本身又提供一个插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个连接，一个USB控制器可以连接多达控制器可以连接多达127个外设。标准个外设。标准USB电缆长度为电缆长度为3m(低速低速5m)。通过。通过Hub或中继器可以使外设距或中继器可以使外设距离达到离达到30m。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB USB 6USB的性能特点的性能特点 使用方便，具有热插拔和即插即用功能。使用方便，具有热插拔和即插即用功能。 传输速度快。传输速度快。 支持异步和同步传输支持

7、异步和同步传输 数据传输可靠数据传输可靠 连接灵活连接灵活 独立供电，耗电少。独立供电，耗电少。 接口灵活方便接口灵活方便 ，易于扩展，易于扩展通用串行总线通用串行总线USB USB 7 使用使用USB接口可以连接多个不同的设备，连接简单快接口可以连接多个不同的设备，连接简单快捷，可以进行捷，可以进行热插拔热插拔。即设备连到。即设备连到USB时，不必打开机箱时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源。，也不必关闭主机电源。 在软件方面，为在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。自动启动，无需用户干预。USB设备也不涉及设备也不涉及IRQ冲突

8、等冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用用PC机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。USB设备能真正做到设备能真正做到“即插即用即插即用”。使用方便使用方便USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB USB 8传输速度快传输速度快 USB 1.0 提供了两种速度：提供了两种速度：USB低速低速1.5Mbps，低速，低速的的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、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；优盘、硬盘

9、、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速全速12Mbps，USB全速的数据传输速度比全速的数据传输速度比RS-232C串口串口的的9600bps快快1000多倍，它用于大范围的多媒体设备。而多倍，它用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输速度可以高达的数据传输速度可以高达480Mbps。 USB3.0接接口的传输率可达口的传输率可达5Gb/s。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB USB 9独立供电独立供电由由 U S B 总 线 提 供 电 源 到 外 部 设 备 ，总 线 提 供 电 源 到 外 部 设 备 ， U S B 能 提 供能 提 供+5V/5

10、00mA的电源，的电源，供低功耗供低功耗USB设备如设备如USB键盘、键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设备设备,如扫描如扫描仪等仍需自带电源；仪等仍需自带电源；USB还采用还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗。）技术，可以有效地节省电源功耗。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB USB 10接口灵活方便接口灵活方便 USB共有共有4种传输模式：种传输模式：控制传输控制传输(control)、同步传输、同步传输(Synchronization)、中断传输、中断

11、传输(interrupt)、批量传输、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。以适应不同设备的需要。USB还能智能识别还能智能识别USB链上外围设链上外围设备的接入或拆卸。备的接入或拆卸。USB接口支持即插即用和热插拔，具有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、备，还是打印机、扫描仪、存储设备、modem、摄像头之、摄像头之类的高级外部设备类的高级外部设备,都可以采用

12、都可以采用USB接口。所有使用接口。所有使用PS/2、串行、并行传统接口的外围设备均可采用串行、并行传统接口的外围设备均可采用USB接口形式。接口形式。USB的性能特点的性能特点 通用串行总线通用串行总线USB USB 11 USB使用一个使用一个4芯的标准接口，芯的标准接口，2芯是数据线芯是数据线，另另2芯分别是芯分别是+5V电源线和地线电源线和地线。接头有两种，扁平。接头有两种，扁平的的A型和梯形的型和梯形的B型。通常型。通常B型供集线器型供集线器(Hub)的设的设备使用。备使用。+5VD +D -G N D12MHz 1,5MHz USB接口引脚接口灵活方便接口灵活方便通用串行总线通用串

13、行总线USB USB 红白绿黑12USBUSB系统的基本框架有三部分组成：系统的基本框架有三部分组成： USBUSB主机控制器主机控制器/ /根集线器、根集线器、 USBUSB集线器集线器 USBUSB设备。设备。USB的基本框架的基本框架 通用串行总线通用串行总线USB USB 13USBUSB主机控制器主机控制器/ /根集线器根集线器通用串行总线通用串行总线USB 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。USBUSB集线器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

14、备中去，也可以成为一个独立的设备。14USBUSB设备设备通用串行总线通用串行总线USB 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的物理接口和电气特性 一、接口信号线一、接口信号线 3 3、电气特性、电气特性 163 3、电气特性、电气特性 D+D+、D-D-线电气特性：线电气特性： 无驱动：无驱动：高速高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反

15、之；低速反之； 有驱动：有驱动：高速高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之低速反之收发器：收发器：对地电源对地电源电压为电压为4.755.25V，设备吸入，设备吸入的最大电流值为的最大电流值为500mA ，D+、 D-上不加电压上不加电压USBUSB设备：设备：高速在高速在D+上加上加3.03.6V电压电压, 低速反之低速反之173 3、电气特性、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 3、电气特性（续）、电气特性（续） USB传送信号和电源是

16、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。UBUSDDGNDUBUSDDGNDUSB电缆 193 3、电气特性（续）、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

17、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500A。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。通用串行总线通用串行总线USB USB 20USBUSB数据编码和解码数据编码和解码 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

18、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 4、USBUSB的编码方式的编码方式 21USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） USBUSB采用了采用了NRZINRZI（Non Return to Zero InvertNon Return to Zero Invert，翻转非，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。据存取。 NRZINRZI的编码规则是，的编码规则是，

19、当数据位为当数据位为“1 1”时不转换时不转换，为为“0 0”时再作转换时再作转换。4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 22USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） NRZINRZI的编码方式会遇到一个很严重的问题：的编码方式会遇到一个很严重的问题：若重复相同若重复相同的的“1 1”信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐，逐渐地累积而导致渐地累积而导致“塞车塞车”的状况，使得读取的时序就会发生的状况，使得读取的时序就会发生严重的错误。因此，在严重的错误。因此，在NRZINRZI编码之间，还需执行所谓的编码之间，还需执行所谓的位

20、填位填充充（bit-stuffingbit-stuffing）的工作。）的工作。 若若原始的串行数据中含有连续原始的串行数据中含有连续6 6个个“1 1”位，就在其后填位，就在其后填塞一个塞一个“0 0”位位，强制，强制在在NRZINRZI编码的数据流中加入跳变编码的数据流中加入跳变，执行，执行位填塞的工作。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 4、USBUSB的编码方式的编码方式 23USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） 若原始的串行数据中含有连续若原始的串行数据中含有连续6

21、6个个“1 1”位，就在其后填塞位，就在其后填塞一个一个“0 0”位，强制在位，强制在NRZINRZI编码的数据流中加入跳变，执行位编码的数据流中加入跳变，执行位填塞的工作。填塞的工作。 4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 24USBUSB数据编码和解码（续）数据编码和解码（续） 位填充操作位填充操作从同步数据段开始从同步数据段开始，贯穿于整个传送过程，贯穿于整个传送过程，在同步数据段的数据在同步数据段的数据“1 1”作为真正数据流的第一位。位填充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。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，须先执行位填塞和在发送端

22、进行数据传输之前，须先执行位填塞和NRZINRZI编编码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先执行执行NRZINRZI译码，识别插入位并去掉它们，然后再做位反填塞译码，识别插入位并去掉它们，然后再做位反填塞（unbit-stuffingunbit-stuffing）的工作。如果接收端发现数据包中任一）的工作。如果接收端发现数据包中任一处有七个连续的处有七个连续的“1 1”，则将会产生一个位插入错误，该数据，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。包将被忽略。4 4、USBUSB的编码方式的编码方式 25USBUSB协议将通信逻

23、辑上分为三层：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、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 5、USBUSB通信的逻辑结构通信的逻辑结构 6.

24、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： 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：6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 各种封包的类型与规范 6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 6.1 包3、数据字段是用来携带主机与设备之间

25、要传递的信息，其内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的USB包都必须有数据字段，例如握手包、专用包和SOF令牌包就没有数据字段。在USB包中，数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传输字节的最高位。4、CRC字段由不同数目的位所组成。其中重要的数据封包采用CRC16的数据域（16个位），而其余的封包类型则采用CRC5的数据域（5个位）。5、包结尾字段即发送方在包的结尾发出包结尾信号。它表现为差分线路的两根数据线保持2比特低位时间和1比特空闲位时间。USB主机根据EOP判断数据包的结束。6 6、USBUSB总线

26、的协议总线的协议 6.2 封包格式起始（SOF）封包SOF封包属于令牌封包的一种，但具有独自的PID类型名：SOF。这个封包常用于等时传输，并不应用于低速设备。格式如下：令牌（token）封包由于USB的数据交换是由PC主机端所激活的，所以在每一个数据交换中必须以SYNC、PID、ADDR、ENDP与CRC5这5个数据域组合而成的令牌封包为起始。格式如下：6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 数据（data）封包数据封包含有4个域：SYNC、PID、DATA与CRC16。DATA数据域的位值是根据USB设备的传输速度及传输类型而定，且须以8字节为基本单位。也就是，若传输的数据不足8字节，或

27、传输到最后所剩余的也不足8字节，仍须传输8字节的数据域。格式如下： 握手（Handshake）封包握手封包仅包含SYNC和一个PID数据域，格式如下： 特殊（special）封包PRE是主机从高速传输变成低速传输时送来的封包。格式如下：6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 事务处理（Transaction）：在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程。（1）输入（IN）事务处理输入事务处理表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程。正常的输入事务处理设备忙时的输入事务处理 设备出错时的输入事务处理6.3 事务主机主机设备设备主机主机主机主机设备设备主机主机设备设备6 6、

28、USBUSB总线的协议总线的协议 正常的输出事务处理（2）输出（OUT）事务处理主机主机主机主机设备设备设备忙时的输出事务处理设备出错时的输入事务处理主机主机主机主机设备设备主机主机主机主机设备设备6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 正常的设置事务处理 （3）设置（SETUP）事务处理主机主机主机主机设备设备设备忙时的设置事务处理设备出错时的设置事务处理主机主机主机主机设备设备主机主机主机主机设备设备（4）帧起始（SOF）事务处理（5）帧结束（EOF）事务处理 6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 在USB的传输中，制定了4种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输以及等时传输。控制传

29、输是USB传输中最重要的传输。它包含3种类型：控制读取、控制写入以及无数据控制。这3种控制传输类型又分为23个阶段：设置阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。阶段一：设置阶段主机从USB设备获取配置信息，并设置设备的配置值。设置阶段的数据交换包含了SETUP令牌封包、紧随其后的DATA0数据封包以及ACK握手封包。它的作用是执行一个设置（概念含糊）的数据交换，并定义此控制传输的内容。 6.4 USB的数据传输6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 数据传输阶段用来传输主机与设备之间的数据。控制读取将数据从设备移到主机上；控制写入将数据从主机传到设备上。 阶段二：数据传输阶段主机

30、主机设备设备1. IN1. IN令牌封包令牌封包2. DATA12. DATA1数据封包数据封包3. ACK3. ACK握手封包握手封包控制读取的控制读取的ININ数据交换的过程示意图数据交换的过程示意图主机主机设备设备1.OUT1.OUT令牌封包令牌封包2. DATA12. DATA1数据封包数据封包3. ACK3. ACK握手封包握手封包控制写入的控制写入的OUTOUT数据交换的过程示意图数据交换的过程示意图6 6、USBUSB总线的协议总线的协议 状态阶段用来表示整个传输的过程已完全结束。状态阶段传输的方向必须与数据阶段的方向相反，即原来是IN令牌封包，这个阶段应为OUT令牌封包；反之，原来是OUT令牌封包，这个阶段应为IN令