USB通用串行总线接口资料学习课程

1、一、USB 简介简介 USB（Universal Serial Bus）通用串行总通用串行总线是由线是由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标家公司联合开发的一种流行的外设接口标准准 第1页/共37页第一页，编辑于星期日：七点 二十四分。1994年开始研究，年开始研究，1996年年 USB 1.0 速度只有速度只有1.5Mb/s 1998年年 USB 1.1版本版本传输速率（传输速率（两种模式）两种模式）：低速（：低速（Low Speed）1.5Mbps 全速

2、全速(Full Speed)12Mbps2000年年4月月 USB 2.0版本版本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（高速（高速High Speed 系列）。系列）。2008年年11月月 USB 3.0版本版本最大传输速率高达最大传输速率高达5.0Gb/s，也就是，也就是625MB/s Super Speed 引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态 第2页/共37页第二页，编辑于星期日：七点 二十四分。USB的应用的应用 USB2.0 标准的标准的U

3、SB硬盘、扫描仪和数码相机、数码摄像机硬盘、扫描仪和数码相机、数码摄像机等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据传输速度已高等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据传输速度已高达达480Mb/s；出现了出现了USB转接设备，提供转接设备，提供USB接口到其他接口的转换接口到其他接口的转换，这样，非，这样，非USB接口的外设就能间接地使用接接口的外设就能间接地使用接USB接口，如接口，如USB到到PS/2、USB到到PCI等；新的专用测量仪器也与等；新的专用测量仪器也与PC机机USB接口；接口；使用使用USB接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便简单，机接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便

4、简单，机箱上提供多个箱上提供多个USB接口，接口，USB光驱、光驱、USB软驱等作为配件，软驱等作为配件，极大地方便了用户使用。而且系统结构简单，可以使更高极大地方便了用户使用。而且系统结构简单，可以使更高主频的微处理器用于笔记本电脑中主频的微处理器用于笔记本电脑中 ；第3页/共37页第三页，编辑于星期日：七点 二十四分。二、USB的性能特点与基本的性能特点与基本 特性特性2.1 USB2.1 USB的性能特点的性能特点 传输速度快传输速度快连接简单快捷连接简单快捷 通用连接器通用连接器无须外接电源无须外接电源 数据线供电数据线供电 扩充外设能力强扩充外设能力强 不需要系统资源不需要系统资源

5、错误检测和恢复错误检测和恢复第4页/共37页第四页，编辑于星期日：七点 二十四分。1)1)、传输速度快、传输速度快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全速的数据传输用于大范围的多媒体设备。USB 2.0高速数据传输速度可以高达480Mbps2)2)、连接简单快捷、连接简单快捷可以热插拔，真正的“即插即用”。设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，USB自检测，软件自动配置，完成后立刻就能使用。第5页/共37页第五页，编辑于星期日：七点 二十四分。3)3)、通用连接

6、器、通用连接器USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外设，其外型为4针插头。 mini USB(A型)、mini USB (B型)、USB (B型)、USB (A型)、USB (A型)A型连接头用于固定的外围设备；B型连接头用于经常插拔的设备； 第6页/共37页第六页，编辑于星期日：七点 二十四分。4)4)、无须外接电源、无须外接电源 数据线供电数据线供电由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；高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源； U S B还 采 用 A P M （ A d v a n c

7、 e d P o w e r Management）技术，可以有效地节省电源功耗。如果3ms没有总线活动的话，USB会自动进入挂起状态。 进入挂起状态的设备消耗的电流不超过500uA。第7页/共37页第七页，编辑于星期日：七点 二十四分。5)5)、扩充外设能力强、扩充外设能力强USB采用星形层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机可以连接多达127个外设，用户不用担心要连接的设备数目会受到限制。两个外设间的距离可达5米，扩充方便。6)6)、不需要系统资源、不需要系统资源USB设备不占用内存或I/O地址空间，而且也占用IRQ和DMA通道，所有事务处理都是由USB主机管理。7)7)、错误检测和恢

8、复、错误检测和恢复 USB事务处理包括错误保护机制，确保数据无错误发送。在发生错误时，事务处理可以重来。第8页/共37页第八页，编辑于星期日：七点 二十四分。2.2、 USB的物理接口和电气特性的物理接口和电气特性 、接口信号线、接口信号线 连接序号连接序号信号名称信号名称典型连接线典型连接线1VBUS （USB电源）电源）红红2D+（正差分信号）（正差分信号）白白3D-（负差分信号（负差分信号)绿绿4GND (USB地地)黑黑外层外层屏蔽层屏蔽层第9页/共37页第九页，编辑于星期日：七点 二十四分。 收发器：收发器：对地电源对地电源电压为电压为4.755.25V，设备吸入的最大电流值，设备吸

9、入的最大电流值为为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。 D+D+、D-D-线电气特性：线电气特性： 无驱动：高速无驱动：高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反之；低速反之； 有驱动：高速有驱动：高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之。低速反之。 D+D+、D-D-线信号特性：线信号特性： 高电平：高电平：VD+ VD-200mV，VD+ 2.0V ； 低电平：低电平：VD- VD+ 200mV，VD- 2.0V 。 D+D+、D-D-线数据特性：线数据特性：NRZI

10、NRZI（不归零反向码）（不归零反向码） 逻辑逻辑0 0：D+D+、D-D-线上电平高、低间跳变；线上电平高、低间跳变； 逻辑逻辑1 1：D+D+、D-D-线上电平不变。线上电平不变。、电气特性第10页/共37页第十页，编辑于星期日：七点 二十四分。全速设备：全速设备：D+上接上接1.5k上拉电阻；上拉电阻；低速设备：低速设备： D-上接上接1.5k上拉电阻；上拉电阻；第11页/共37页第十一页，编辑于星期日：七点 二十四分。、电源 USB系统可以通过USB线缆为其外设提供不高于+5V、500mA的总线电源。 完全依靠USB线缆来提供电源的器件被称为总线驱动器件(Bus-powered dev

11、ice), 自带电源的器件则被称为自驱动外设(Self-powered device)。 当一个外设初次连接时，器件的配置和分类并不使用外设自带的电源，而是通过USB线缆提供的电源来使外设处于Powered状态。 第12页/共37页第十二页，编辑于星期日：七点 二十四分。、电源管理系统 设备挂起(Suspend) 在外设长时间(3.0ms以上)处于非使用状态时，USB系统自动将该设备挂起(Suspend)， 当一台USB外设处于挂起状态时，USB总线通过USB线缆为该设备仅仅提供500A以下的电流，并把该外设所占用的USB带宽分配给其它的USB外设。 唤醒(Resume) 当外设处于挂起状态时

12、，必须先通过主机使该设备“唤醒” ，然后才可以执行USB操作。 第13页/共37页第十三页，编辑于星期日：七点 二十四分。USB总线系统中的设备可以分为三个类型USBUSB主机（主机（ USBUSB主控制器主控制器/ /根集线器根集线器(USB Host)(USB Host) ）：只能）：只能有一个，有一个，管理管理USBUSB系统，每秒产生一帧数据；发送配置系统，每秒产生一帧数据；发送配置请求对请求对USBUSB设备进行配置操作，对总线上的错误进行设备进行配置操作，对总线上的错误进行管理和恢复。管理和恢复。USB 集线器（集线器（HUB）：类似于网络集线器，）：类似于网络集线器，完成USB设

13、备的添加（扩展）、删除和电源管理等USB总线设备（总线设备（USB功能外设）功能外设）组成金字塔型结构金字塔型结构，最多可连接7层层，127台设备台设备、USB设备及其体系结构设备及其体系结构第14页/共37页第十四页，编辑于星期日：七点 二十四分。USB系统拓扑结构USB协议定义了在USB系统中主控制器Host与USB设备间的连接和通信，其物理拓扑结构是金字塔型的层层向上方式。允许最多连接127个设备，最上层是USB主控制器。第15页/共37页第十五页，编辑于星期日：七点 二十四分。在主控制器与USB设备之间建立通信通道，负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，负责将USB事物发送给USB

14、主控制器芯片，最终将串行数据发送到电缆上。 驱动USB设备的程序，由操作系统或USB设备制造商提供在设备设置时读取描述寄存器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在请求发送时组织数据传输。第16页/共37页第十六页，编辑于星期日：七点 二十四分。三、三、USB的传输方式的传输方式 USB有有4种基本的传输方式种基本的传输方式: 批处理方式中断传输方式等时传输方式控制传输方式 第17页/共37页第十七页，编辑于星期日：七点 二十四分。） 批处理方式批处理方式批处理可以是单向，也可以是双向。它用于批处理可以是单向，也可以是双向。它用于传输大批数据，这种数据传输的时间性不强，传输大批数据，这种数据

15、传输的时间性不强，但要确保数据的正确性。在数据包的传输过但要确保数据的正确性。在数据包的传输过程中，出现错误，则需重新传输。其典型的程中，出现错误，则需重新传输。其典型的应用是扫描仪、打印机和数码相机。应用是扫描仪、打印机和数码相机。第18页/共37页第十八页，编辑于星期日：七点 二十四分。中断传输是中断传输是单向单向的，且仅输入到主机，它用于不固定的、的，且仅输入到主机，它用于不固定的、少量的数据传输，但这些数据需要及时处理。当设备需要主少量的数据传输，但这些数据需要及时处理。当设备需要主机为其服务时，向主机发送此类信息以通知主机，像键盘、机为其服务时，向主机发送此类信息以通知主机，像键盘、

16、鼠标之类的输入设备采用这方式。鼠标之类的输入设备采用这方式。USBUSB的中断传输是的中断传输是PollingPolling（查询）类型。主机要频繁地请求端点输入。（查询）类型。主机要频繁地请求端点输入。USBUSB设备在全速情设备在全速情况下，其端点况下，其端点PollingPolling周期为周期为1 1255ms255ms；对于低速情况，；对于低速情况，PollingPolling周期为周期为1010255ms255ms。因此，最快的。因此，最快的PollingPolling频率是频率是1 1HzHz。在信息的传输过程中，如果出现错误，则需将在下一个在信息的传输过程中，如果出现错误，则需

17、将在下一个PollingPolling中重新传输中重新传输） 中断传输中断传输第19页/共37页第十九页，编辑于星期日：七点 二十四分。等时传输也称同步传输，可以单向也可以双向，等时传输也称同步传输，可以单向也可以双向，用于传输连续性、实时的数据。这种方式的特点是用于传输连续性、实时的数据。这种方式的特点是要求传输速率固定，时间性强，忽略传输错误，即要求传输速率固定，时间性强，忽略传输错误，即传输中出错也不重传。因为这样会影响传输速率。传输中出错也不重传。因为这样会影响传输速率。传输的最大数据包是传输的最大数据包是1024B/ms1024B/ms。如视频设备、数字。如视频设备、数字声音设备采用

18、这种方式声音设备采用这种方式 ） 等时传输等时传输第20页/共37页第二十页，编辑于星期日：七点 二十四分。控制传输是双向的，它的传输有控制传输是双向的，它的传输有2 23 3个阶段：个阶段：SetupSetup阶段阶段（可以没有）（可以没有） ，DataData阶段和阶段和StatusStatus阶段。阶段。在在SetupSetup阶段，主机传送命令给设备；在阶段，主机传送命令给设备；在DataData阶段，传输的是阶段，传输的是SetupSetup阶段所设定的数据；阶段所设定的数据；StatusStatus阶段，设备返回握手信号给主机阶段，设备返回握手信号给主机 ） 控制传输控制传输第21

19、页/共37页第二十一页，编辑于星期日：七点 二十四分。 第22页/共37页第二十二页，编辑于星期日：七点 二十四分。 特性：p符合通用串行总线 USB 1.1 版规范 p高性能 USB 接口器件， 集成了 SIE FIFO 存储器 收发器以及电压调整器 p可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口 2M 字节/秒 p完全自治的直接内存存取 DMA 操作 p集成 320 字节多结构 FIFO 存储器 p主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 p在批量模式和同步模式下均可实现 1M 字节/秒的数据传输速率 p具有良好 EMI 特性的总线供电能力 p在挂起时可控制 LazyClo

20、ck 输出 p可通过软件控制与 USB 的连接 p采用 GoodLink 技术的连接指示器,在通讯时使 LED 闪烁 p可编程的时钟频率输出 p符合 ACPI OnNOW 和 USB 电源管理的要求 p内部上电复位和低电压复位电路 p有 SO28 和 TSSOP28 封装，工业级操作温度- 40 +85 p高于 8kV 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 p双电源操作 3.30.3V 或扩展的 5V 电源,范围为 3.65.5V p多中断模式实现批量和同步传输 第23页/共37页第二十三页，编辑于星期日：七点 二十四分。模拟收发器：可以直接与USB电缆相连电压调整器：3.3VPLL：锁相环

21、，6M-48M的时钟乘法PLL位时钟恢复：采用4倍过采样规则，从进入的USB数据流中恢复时钟。PSIE：串行接口引擎，实现全部的USB协议存储器管理单元和集成RAM：作为USB之间速度差异的缓冲区。并行和DMA接口：第24页/共37页第二十四页，编辑于星期日：七点 二十四分。 DATA0-7DATA0-7：双向数据位；：双向数据位；ALEALE：地址锁存使能，下降沿关闭地址信息锁存。：地址锁存使能，下降沿关闭地址信息锁存。CSCS：片选，低电平有效：片选，低电平有效SUSPENDSUSPEND：器件处于挂起状态：器件处于挂起状态CLKOUTCLKOUT：可编程时钟输出：可编程时钟输出INTIN

22、T：中断，低电平有效：中断，低电平有效RDRD：读选通，低电平有效：读选通，低电平有效WRWR：写选通，低电平有效：写选通，低电平有效DMAREQDMAREQ：DMADMA请求请求DMACKDMACK：DMADMA应答，低电平有效应答，低电平有效EOTEOT：DMADMA传输结束，低电平有效，传输结束，低电平有效，RESETRESET：复位，低电平有效且不同步，片内上电复位：复位，低电平有效且不同步，片内上电复位电路，管脚可固定接电路，管脚可固定接VccVccGLGL：GoodLink LEDGoodLink LED指示器，低电平有效指示器，低电平有效XTAL1XTAL1，XTAL2XTAL2

23、：晶振连接端，如果采用外部时钟信号：晶振连接端，如果采用外部时钟信号取代晶振，可连接取代晶振，可连接XATL1XATL1，XATL2XATL2应悬空。应悬空。D+D+、D-D-：USBUSB的数据线。的数据线。VOUT3.3VOUT3.3：3.3V3.3V调整输出，要使器件工作在调整输出，要使器件工作在3.3V3.3V，对，对VDDVDD和和Vout3.3Vout3.3脚提供脚提供3.3V3.3V。A0A0：地址位。：地址位。=0=0选择命令指令，选择命令指令，=1=1，选择数据，选择数据 第25页/共37页第二十五页，编辑于星期日：七点 二十四分。 广泛应用于测控技术、数据采集、信号处理。PCUSB控制控制芯片芯片MCU控制控制单元单元A/D采集采集USB数据采集系统硬件框图第26页/共3