第九章总线技术

1、1微型计算机原理与接口技术 Principles of Microcomputers and Interface Techniques 内蒙古大学理工学院自动化系内蒙古大学理工学院自动化系 29.1 总线的基本概念总线的基本概念9.2 ISA总线总线9.3 EISA总线总线9.4 PC/XT(AT、ISA、EISA)总线的特点总线的特点9.5 PCI总线总线9.6 PENTIUM4总线总线9.7 USB总线总线9.8 IEEE1394总线总线第九章 总线技术3主要内容总线的基本概念ISA、EISA、PC/XT总线的特点 及主要指标PCI、PENTIUM4总线的特点及主要指标总线的特点及主要指标

2、USB、 IEEE1394总线的特点及主要指标总线的特点及主要指标USB总线的应用总线的应用4 重点内容重点内容总线基本概念，常用的系统总线和局部总线，总线基本概念，常用的系统总线和局部总线， 了解各类总线的特点和功能了解各类总线的特点和功能 掌握掌握系统总线、局部总线的应用系统总线、局部总线的应用 了解微机系统中采用的外部设备总线了解微机系统中采用的外部设备总线 59.1 总线的基本概念9.1.1 总线概述总线：总线： 计算机中多个部件之间公用的一组连线，是若干互连信号线的集合，由它构成系统插件间、插件的芯片间或系统间的标准信息通路。 在微型计算机系统中，总线是各个部件信息交换的公共通道，各

3、部件之间的联系都是通过总线实现的，总线在计算机中起着重要的作用。微型计算机广泛采用总线技术，以便简化硬件、软件的系统设计。6 随着微型计算机的发展，总线技术也在不断地发展与完善，并且已经出现了一系列的标准化总线，这些标准化总线的广泛使用，对微型计算机系统在各个领域的普及和应用起到了积极的推动作用。为了使微型计算机应用系统朝模块化、标准化的方向发展，标准总线应具有以下特点：（1）可以简化计算机软件和硬件的设计；（2）可以简化系统的结构；（3）易于系统的扩展；（4）便于系统的更新；（5）便于系统的调试和维修。 7 总线标准总线标准 指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，指芯片之间、扩展卡之间以及系统

4、之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。一些协议与规范。 接口标准接口标准 外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信外设接口的规范，涉及接口信号线定义、信号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气号传输速率、传输方向和拓扑结构，以及电气特性和机械特性等多个方面。特性和机械特性等多个方面。 89.1.2 总线的分类 1) 按总线功能或信号类型分类：按总线功能或信号类型分类： 数据总线数据总线：双向三态，线宽表示数据传输的：双向三态，线宽表示数据传输的能力。能力。 地址总线地址总线：单向三态，线宽决定系统的寻址：单向三态，线宽决定系统的寻址

5、 范围。范围。 控制总线控制总线：可是单向或双向。控制总线最能：可是单向或双向。控制总线最能体现总线特点，决定总线功能的强弱和适应体现总线特点，决定总线功能的强弱和适应性。性。92) 按总线的层次结构分类：按总线的层次结构分类： CPU总线总线：微机系统中速度最快的总线，在：微机系统中速度最快的总线，在CPU内内部连接内部部件，在部连接内部部件，在CPU周围的小范围内也使用该周围的小范围内也使用该总线，提供系统的控制和命令。总线，提供系统的控制和命令。 局部总线局部总线：在系统总线和：在系统总线和CPU总线之间的一级总线总线之间的一级总线，提供，提供CPU和主板器件之间以及和主板器件之间以及C

6、PU与高速外设之与高速外设之间的快速信息通道。间的快速信息通道。 系统总线系统总线：I/O总线，通过总线扩展卡连接外部设备总线，通过总线扩展卡连接外部设备的总线。速度慢，其功能已经被局部总线替代。的总线。速度慢，其功能已经被局部总线替代。 通信总线通信总线：外部总线，是微机与微机，微机与外设：外部总线，是微机与微机，微机与外设之间进行通信的总线。之间进行通信的总线。10总线的系统结构总线的系统结构总线连接方法广泛用于微机系统的各个连接层次上大规模集成电路芯片内部（如微处理器的内部总线）主机板中微处理器、存储器及I/O接口电路之间，主机模板与各种接口模板之间微机系统之间以及微机系统与外部设备之间

7、CPUDRAMI/OI/O系统总线面向总线的系统结构11总线结构CPU存储器I/O接口系统总线（a）单总线结构CPU主存储器I/O处理器主存储器连线I/O总线系统总线（b）多总线结构CPU主存储器系统总线主存储器连线（c）多总线结构I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口12微机总线层次结构芯片总线I/O接口接口ROM RAMCPU外总线外总线内总线内总线主机板主机板芯片总线芯片总线扩充存储器扩充存储器计算机计算机通信接口通信接口打印机打印机打印机接口打印机接口智能仪表智能仪表仪表接口仪表接口局域网络局域网络网络接口网络接口13内总线（Internal Bus）微机系统中模板与模板间连接的总线

8、，是微机系统所特有的总线；用于模板级互连内总线也被称为板级总线或系统总线（System Bus）多数已实现标准化，例如STD总线、ISA总线等。微机主板的各种扩展插槽多属于内总线14微机总线层次结构芯片总线I/O接口接口ROM RAMCPU外总线外总线内总线内总线主机板主机板芯片总线芯片总线扩充存储器扩充存储器计算机计算机通信接口通信接口打印机打印机打印机接口打印机接口智能仪表智能仪表仪表接口仪表接口局域网络局域网络网络接口网络接口15外总线（External Bus）微机系统之间或微机系统与其外设通信的总线，用于设备级互连外总线过去又称为通信总线，主要指串行通信总线，例如RS-232现在，外

9、总线的意义常延伸为外设总线，主要用于连接各种外设外总线种类较多，常与特定设备有关，例如Centronics并行打印机总线、IEEE 488智能仪器仪表并行总线（又称为GPIB总线） 16微机总线层次结构外总线I/O接口接口ROM RAMCPU外总线外总线内总线内总线主机板主机板芯片总线芯片总线扩充存储器扩充存储器计算机计算机通信接口通信接口打印机打印机打印机接口打印机接口智能仪表智能仪表仪表接口仪表接口局域网络局域网络网络接口网络接口179.1.3 总线性能参数1总线频率：工作频率用（总线频率：工作频率用（MHZ），是总线速），是总线速 率的一个重要参数。率的一个重要参数。2总线宽度：指数据总

10、线的位数。总线宽度：指数据总线的位数。3总线的数据传输率总线的数据传输率 总线的数据传输率总线的数据传输率=(总线宽度总线宽度/8位位)总线频率总线频率 例：例：PCI总线的总线频率为总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为位的情况下，总线数据传输率为266MB/s 。 189.1.4 总线标准的特性1物理特性物理特性:2功能特性功能特性:3电器特性电器特性:4时间特性时间特性:总线物理连接方式总线物理连接方式(电缆式、蚀刻式），电缆式、蚀刻式），总线根数、插头和插座形状，引脚排列总线根数、插头和插座形状，引脚排列等。等。描述一组总线中每一根线的功

11、能。描述一组总线中每一根线的功能。定义每根线上信号的传递方向以及有效定义每根线上信号的传递方向以及有效电平范围。一般定义送入电平范围。一般定义送入CPU的信号为的信号为输入信号，从输入信号，从CPU中送出的信号是输出中送出的信号是输出信号。信号。低电平有效的信号用信号名上一低电平有效的信号用信号名上一横线或信号名后带横线或信号名后带#来表示。来表示。定义每一根线在什么时候有效，这和总定义每一根线在什么时候有效，这和总线操作的时序有关。线操作的时序有关。199.1.5 总线操作和总线传送控制 一、总线操作一、总线操作1总线请求和仲裁总线请求和仲裁： 主模块向总线仲裁机构提出使用总线请求，总线主模

12、块向总线仲裁机构提出使用总线请求，总线 仲裁机构决定使用总线的主模块。仲裁机构决定使用总线的主模块。2寻址寻址： 拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模 块的地址及有关命令，该从模块被选中并启动。块的地址及有关命令，该从模块被选中并启动。3数据传送数据传送： 主模块和从模块间进行双（单）向数据传送。主模块和从模块间进行双（单）向数据传送。4结束结束： 主、从模块均撤出总线。主、从模块均撤出总线。20二、总线传送控制二、总线传送控制1同步方式同步方式 优点：优点：1）电路简单）电路简单 2）适合高速设备的数据传输）适合高速设备的数据传输缺点：高速设备

13、和低速设备间只能用低速设备的缺点：高速设备和低速设备间只能用低速设备的速度来传输数据速度来传输数据主主clk从从2半同步方式半同步方式 主主clk从从wait/readywait/ready信号信号是单向的，不是是单向的，不是互锁的。互锁的。21总线读周期分成两个子周期总线读周期分成两个子周期 寻址子周期寻址子周期 数据传送子周期数据传送子周期在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。4分离方式分离方式clkaddressdata主主从从3异步方式异步方式 REQACK比同步方式慢比同步方式慢总线频带窄总线频带窄总线传输周期长总线传输周期长229.2

14、ISA总线总线 C18外内A1B1A31B31C1D1D182.5410.16138.5图图 ISA总线插槽示意图总线插槽示意图 工业标准体系结构，在工业标准体系结构，在PC总线基础上发展而来，总线基础上发展而来，最高工作频率为最高工作频率为8MHz，24根地址线，根地址线，16位数据线，拥位数据线，拥有大量接口卡，历经有大量接口卡，历经286、386、486和和Pentium几代微几代微机。机。23ISA总线的信号总线的信号 24PC/XT总线技术的微型计算机结构 图PC和PC/XT总线的微机系统结构示意图 扬声器 8 个 8 位 62 引脚扩展槽 扩展总线缓冲 CPU 8088(4.77M

15、Hz) 8087（可选） ROM BIOS DRAM 控制器 RAM 8237 DMA 控制器 DMA 页面寄存器 8253 定时/计数器 8259 中断控制器 8250 串行通信控制器 键盘与并行控制电路 25PC/AT ISA总线的微机系统结构 PC AT/ISA总线系统结构总线系统结构CPU 局部 总线SIMMS8 位总线后备电池8 个 8 位XT 插槽ISA 总线PC/AT 或 ISA 插槽6 个 16 位AT/ISA 扩展槽 主存 DRAM4768MB64K128KROM BIOSCPU80486PC AT/ISA 核心逻辑芯片组内含：7 个 DMA 通道15 级中断时间/计数器总线

16、缓冲器扩展总线控制器DRAM 与 L2Cache 控制器L2 Cache128K512K8042MPUKBD/Mous控制器实时时钟/日历CMOS RAM26PC机上的总线PCI总线总线ISA总线总线USB总线总线279.2.1 ISA总线（ Industry Standard Architecture）1、问题的提问：最早的PC总线是IBM公司于1981年推出的基于8位机PC/XT的总线，称为PC总线。1984年IBM推出了16位PC机PC/AT，其总线称为AT总线。然而，IBM从未公布过他们的AT总线规格。由Intel公司IEEE和EISA集团联合开发了与IBM/AT原装机总线意义接近的I

17、SA总线，即8/16位的“工业标准结构”总线。282 2、主要性能指标、主要性能指标（1）I/O地址空间0100H03FFH（2）24位地址线可直接寻址的内存空间为16MB（3）8/16位数据线（4）引脚数：62+36=98线（5）最大任意16位（bit）（6）最高时钟频率8MHz（7）最大传输率16MB/s（8）中断功能（9）DMA通道功能（10）开放式总线结构，允许多个CPU共享系统资源。293 3、ISAISA总线结构总线结构8088/386CPU总线缓冲器DRAM存储器8087/387FPU8/16 ISA BUS304 4、ISAISA扩展扩展I/OI/O插槽插槽8位ISA扩展I/O

18、插槽由62个引脚组成，用于8位的插卡。8/16位ISA扩展槽 8位62线插槽 附加高8位36线插槽ISA总线扩展槽引脚及定义6 2线1.地址线A0A9 20条2.数据线D0D9 8条 3.控 制线：21条4.状态线： 2条 1.地址线：7线2.数据线：8线3.其他控制线、地、电源等36线附加槽319.3 EISA总线总线 一、EISA产生的背景1. ISA总线对286以下的PC机是方便的，但对于386DX以上的提及具有32位地址线和数据宽度的PC机来说，不能满足要求。影响了32位微处理器的发挥。2. IBM推出了32位，采用MCA微通道总线技术，但由于IBM对MCA技术采用了严格的许可证制度，

19、使得其他厂商不能采用。同时，MCA与PC/AT总线也不兼容，所以除了在PS/2计算机中采用，任其之兼容机中没有得到一定推广。因此，MCA技术是失败的。32EISA总线的微机系统结构 图图 EISA总线微机系统结构图总线微机系统结构图 CPU 局部总线SIMMS8 位 X 总线后备电池ISA 总线8 位 XT 插槽16 位 ISA 插槽EISA 总线32 位 EISA 插槽CPU (486/Pentium)EISA 核心逻辑芯片组内含：7 个 DMA 通道15 级中断时间/计数器EISA 总线扩展与控制器控制RAM 与 L2Cache 控制器L2 Cache一般为 512K主存 DRAM4768

20、MB64128K ROM BIOS8042MPU键盘/鼠标控制器实时时钟/日历CMOS RAM33二、为了与MCA总线技术抗衡，Compaq、HP、AST、Epson、NEC等9家公司联合起来在ISA的基础上于1988年推出了32位PC机扩展工业标准结构（Extended Industry Standard Architecture ）即 EISA总线。 总结： EISA在结构上与ISA有良好的兼容性，保护了厂商和用户巨大的软硬件投资。 同时又充分发挥和利用32位机的功能。 EISA的推出打破了IBM MAC结构对PC机发展 的垄断。34三、EISA主要特点：结构与ISA卡完全兼容。开放式结构

21、，与ISA卡完全兼容。全兼容ISA总线，（ISA卡可插入EISA槽中）32位数据线D0-D3132位地址直接寻址范围为4GB.最大时钟频率8.3MHz最大传输率33MHz359.4 PC/XT、PC/AT ISA、EISA总线的特点 1PC/XT总线 XT总线与总线与8088CPU兼容，具有兼容，具有8根数据根数据总线、总线、20根地址总线、主要应用在根地址总线、主要应用在X86体系结体系结构的微机系统中。构的微机系统中。2ISA总线 ISA与与80286兼容，具有兼容，具有16位数据线，支位数据线，支持持8位或位或16位的数据存取；具有位的数据存取；具有24位地址线，位地址线，可寻址可寻址1

22、6MB的存储器空间，主要应用在的存储器空间，主要应用在80286及以上的微处理器组成的微机系统中。及以上的微处理器组成的微机系统中。363EISA总线 EISA与与32位的微处理器兼容。位的微处理器兼容。 EISA总线总线在信号定义与物理电气连接上完全与在信号定义与物理电气连接上完全与ISA总线兼总线兼容。容。 具有具有32位的数据线，支持位的数据线，支持8位、位、16位或位或32位位的数据存取，支持数据突发式传输。主要应用的数据存取，支持数据突发式传输。主要应用在在32位微处理器组成的微型计算机系统中。位微处理器组成的微型计算机系统中。37PC/XT、ISA、EISA总线信号引脚的定义 图图

23、XTXT、ISAISA、EISAEISA总线扩展总线扩展槽示意图槽示意图 说明：代表 ISA、XT 总线引脚代表 EISA 总线引脚 D 1 G H 19 C B 1 EF 31 A38表表XTXT、ISAISA、EISAEISA总线引脚总线引脚A A、B B面信号定义面信号定义39表表XTXT、ISAISA、EISAEISA总线引脚总线引脚C C、D D面信号定义面信号定义40表表XTXT、ISAISA、EISAEISA总线引脚总线引脚E E、F F、G G、H H面信号定义面信号定义419.5 PCI总线结构连接方式结构1、 PCI总线是一种PCI是一种先进的局部总线，已成为局部总线新标准

24、。不依附于某个具体处理器的局部总线。2、从结构上，PCI是在CPU与原来的系统之间插入的一级总线，并由桥接电路实现管理，协调数据传送。3、PCI总线支持总线主控技术,允许智能设备取得总线控制权,以加速数据传送.42CPUPCI桥接电路DRAM存储器CachePCI局部总线CPU总线PCI总线ISA/EISA桥接电路SCSI卡硬盘卡网卡南桥打印机磁带机扫描仪ISA总线439.5.1 PCI主要性能及特点支持10台外设总线时钟33.3MHz/66M最大数据率133MB/S时钟同步方式总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）能自动识别外设支持64位寻址具有与处理器和存储器子系统完全并列操作的能力。

25、44PCIPCI总线的特点总线的特点 1) 独立于处理器独立于处理器2) 传输效率高传输效率高3) 多总线共存多总线共存4) 支持突发传输支持突发传输 5) 支持总线主控方式支持总线主控方式6) 采用同步操作采用同步操作 7) 支持两种电压下的扩展卡支持两种电压下的扩展卡 8) 具有即插即用功能具有即插即用功能 9) 合理的管脚安排合理的管脚安排 10) 预留扩展空间预留扩展空间 45PCI插槽和PCI扩展卡 1. PCI插槽插槽 5V 32位插槽位插槽5V 64位插槽位插槽3.3V 32位插槽位插槽3.3V 64位插槽位插槽连接连接卡口卡口a. 4种种PCI卡插槽卡插槽A1外内A49A52B

26、1B49B52A62B621.273.8277.48b. 5V32位位PCI插槽插槽462. PCI插卡插卡 ICICIC1.9160.9612.741.680外边里边47总线仲裁总线仲裁 PCI总线采用集中式的同步仲裁方法总线采用集中式的同步仲裁方法中央中央仲裁器仲裁器PCI主主设备设备APCI主主设备设备BREQ#REQ#GNT#GNT#48PCI总线的微机系统结构 典型典型PCI局部总线的局部总线的PCI/ISA系统结构图系统结构图32/64 位 CPU 局部总线SIMMS2 至 3 个PCI 总线PCI 插槽可选择的主板 PCI 芯片级适配器4 个 8 位 XT 插槽4 个 16 位

27、ISA 槽CPU （486/Pentium）L2 Cache一般为 512KDRAM 与 L2Cache 控制器局部总线到 PCI桥电路主存 DRAM4768MBLANSCSIIDEPCI 到ISA桥电路（南桥）64K128KROM BIOS8042MPU键盘/鼠标控制器实时时钟CMOS RAM499.5.2 PCI总线的继承者 PCI Express1. 主要关键技术主要关键技术：在两个设备之间在两个设备之间点对点点对点串行互联串行互联双通道，高带宽，传输速度快双通道，高带宽，传输速度快灵活扩展性灵活扩展性低电源消耗，并有电源管理功能低电源消耗，并有电源管理功能支持设备热拨插和热交换支持设备

28、热拨插和热交换在软件层保持与在软件层保持与PCI以及以及PCI-X总线兼容总线兼容使用小型连接，节约空间，减少串扰使用小型连接，节约空间，减少串扰采用类似于网络通信中的采用类似于网络通信中的OSI分层模式，具有数据包分层模式，具有数据包和层协议架构和层协议架构502. PCI-Express的拓扑结构的拓扑结构北桥集成北桥集成根组件根组件终终端端PCI ExpressPCI桥桥终终端端终终端端终终端端终终端端终终端端端端点点PCI插槽插槽交换器交换器存储器存储器519.5.3 AGP总线的微机系统结构图图AGP/PCI总线微机系统结构图总线微机系统结构图 100/133MHz 系统总线 MEC

29、C 存储器接口 通道 A AGP/66 AGP/66 B 通道 B A IDE 接口 USB 接口 PCI 插槽 PCI/33 AC97 LPC I/F 北桥芯片 440 系列 或 8XX 系列 系统控制 逻辑 南桥芯片 82371 总线转换 逻辑 或 82801 I/O 控制 逻辑 处理器 1 处理器 2 AGP 图形 控制器 82806PCI64 控制器（P64H） 21154 BC AC97 Super I/O BIOS 或固件 控制器 52PCI、AGP总线接口槽引脚信号定义表PCI总线插槽引脚信号引线定义5354AGP总线的特点（1）采用双重驱动技术（2）采用带边信号传送技术（3）采

30、用内存请求流水线技术（4）减少对PCI总线的传输压力 55 AGP接口二级高速缓存二级高速缓存处理器处理器芯片组芯片组PCI设备设备系统主存系统主存图形控制器图形控制器显存显存显示器显示器PCI设备设备PCIAGP 图形系统图形系统AGP连接方式连接方式561、AGP的特点的特点采用流水线技术进行内存读采用流水线技术进行内存读/写写采用双泵技术采用双泵技术采用采用DIME技术技术采用边带寻址采用边带寻址显示显示RAM和系统和系统RAM可以并行操作可以并行操作缓解了缓解了PCI总线上的数据拥挤。总线上的数据拥挤。57模式模式工作频率工作频率数据传输率数据传输率传输触发方式传输触发方式166 MH

31、z264 MB/s上升沿上升沿2133 MHz532 MB/s上升沿和下降沿上升沿和下降沿4266 MHz1064 MB/s上升沿和下降沿上升沿和下降沿 表表 AGP工作模式工作模式2、AGP的工作模式的工作模式583、AGP PRO 高档高档3D图形加速卡中通常会有许多显示内存，所以图形加速卡中通常会有许多显示内存，所以需要较大的电流设计，而需要较大的电流设计，而AGP Pro总线就是为提供额外总线就是为提供额外的供电插槽而设计。的供电插槽而设计。AGPPro总线插槽，在中央的部分总线插槽，在中央的部分，依旧是标准，依旧是标准AGP4X插槽设计，只不过在后端以及前端插槽设计，只不过在后端以及

32、前端，加上了，加上了12V/3V的电压，提供一些绘图专用显示卡所需的电压，提供一些绘图专用显示卡所需要的电压。它要求邻近要的电压。它要求邻近AGP插槽的插槽的1、2条条PCI插槽归其插槽归其使用，并且这两条使用，并且这两条PCI插槽至少能进行插槽至少能进行33MHz32位的位的操作，更理想的是提供操作，更理想的是提供66MHz64位的能力。位的能力。 599.5.4 PCI/AGP主板简介下页图为常见的PCIAGP主板外形图。PCIAGP主板由CPU插座、内存、控制逻辑芯片组、软驱及硬盘IDE接口插座、PCI/AGP扩展插槽、键盘鼠标接口插座、并行及串行接口插座、USB通用串行接口插座、声音输

33、出输入插座及电源电路等组成。 该类主板支持高达160MHz的CPU外频并且采用多外频免跳频率微调技术，使外频可调，方便用户选择不同CPU类型。60 图图 PCI/AGPPCI/AGP总线结构的主板总线结构的主板619.6 Pentium 4系统结构简介 Pentium 4支持400MHz的系统总线，图为Pentium 4微处理器的微型计算机系统结构示意图。i850芯片组支持400MHz的系统总线，支持AGP 4X，通过ICH2芯片（南桥芯片）的配合支持Ultra DMA/33/66/100的IDE传输规范。支持PCI及AGP总线，内存支持达2GB存储器容量。图9-6-2为P4主板的外形图。62

34、图图9-6-1 Pentium 4 微处理器微机系统结构微处理器微机系统结构400MHz 带宽 3.2GB/s 系统总线 存储器接口DMA 33/66/100 IDE 接口133MB/sPCI 总线CPU Pentium 4I82850 芯片（北桥芯片）Dual ChannelRDRAM带宽 3.2GB/sAGP 4X1GB/sLAN ICH2 I82801BA（南桥芯片）USB6 Channel AudioCMOS RAM/BIOS63图图9-6-2 P4主板的外形图主板的外形图649.7.1 USB系统组成1. USB的硬件 USB主控制器主控制器/根集线器根集线器 主控制器负责将并行数据

35、转换成串行，并将数据传主控制器负责将并行数据转换成串行，并将数据传给根集线器。根集线器控制给根集线器。根集线器控制USB端口的电源，激活和禁端口的电源，激活和禁止端口，识别与端口相连的设备，设置和报告与每个端止端口，识别与端口相连的设备，设置和报告与每个端口相连的状态事件。口相连的状态事件。USB集线器集线器(USB Hub) 完成完成USB设备的添加（扩展）、删除和电源管理等。设备的添加（扩展）、删除和电源管理等。 9.7 USB总线总线65 USB设备设备 HUB设备和功能设备（外设），外设含一定数量设备和功能设备（外设），外设含一定数量独立的寄存器端口（端点）。外设有一个惟一的独立的寄存

36、器端口（端点）。外设有一个惟一的地址。通过这个地址和端点号，主机软件可以和地址。通过这个地址和端点号，主机软件可以和每个端点通信。数据的传送是在主机软件和每个端点通信。数据的传送是在主机软件和USB设备的端点之间进行的。设备的端点之间进行的。2. USB的软件的软件 USB设备驱动程序设备驱动程序 在在USB外设中，通过外设中，通过I/O请求包将请求发送给请求包将请求发送给USB设备中的设备中的USB（从）控制器。（从）控制器。66 USB驱动程序驱动程序 在主机中，当设置在主机中，当设置USB设备时读取描述器以获取设备时读取描述器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在发生请求时设备的特征

37、，并根据这些特征，在发生请求时组织数据传输。组织数据传输。 USB驱动程序可以是捆绑在操作系驱动程序可以是捆绑在操作系统中，也可以是以可装载的驱动程序形式加入到操统中，也可以是以可装载的驱动程序形式加入到操作系统中。作系统中。 USB主控制器驱动程序主控制器驱动程序 完成对完成对USB事务交换的调度，并通过根事务交换的调度，并通过根Hub或其他或其他的的Hub完成对交换的初始化。完成对交换的初始化。 673. USB的拓扑结构的拓扑结构 PCI总线总线宿主机宿主机USB主控制器主控制器/根根Hub高速高速电话电话高速高速显示器显示器高速高速集线器集线器高速高速麦克风麦克风扬声器扬声器高速高速扬

38、声器扬声器高速高速键盘键盘高速高速低速低速麦克风麦克风麦克风麦克风低速低速高速高速=480Mb/s全速全速=12Mb/s低速低速=1.5Mb/s USB的层次拓扑图的层次拓扑图689.7.2 USB系统的接口信号和电气特性 1.接口信号线接口信号线 高高/低速低速USB收发器收发器(主机主机或集线器端或集线器端口口)高速高速USB收收发器发器(主机端主机端口或高速设口或高速设备备)+5vdcD+D-地地15K15K+3.03.6vdc1.5KD+D-高高/低速低速USB收发器收发器(主机主机或集线器端或集线器端口口)低速低速USB收收发器发器(低速设低速设备备)+5vdcD+D-地地15K15

39、K+3.03.6vdc1.5KD+D-图图3.12 USB集成器和设备的电阻连接集成器和设备的电阻连接USB数据线数据线USB数据线数据线69USB常用信号电平（高速设备，低速设备电平相反）常用信号电平（高速设备，低速设备电平相反） 总线状态总线状态信信 号号 电电 平平发送端发送端接受器端接受器端差分差分“1”D+2.8V并且并且D-200mV并且并且D+2.0V差分差分“0”D-2.8V并且并且D+200mV并且并且D-2.0V单端点单端点0(SE0) D+和和D-0.3VD+和和D-2.7V并且并且D-0.8V70设备接入到端口上的过程设备接入到端口上的过程设备从端口上断开过程设备从端口

40、上断开过程D+和和D-的电压全部下降到的电压全部下降到0.8V并维并维持持2.5 s连接连接状态状态断开断开状态状态数据包传送结束过程数据包传送结束过程保持信号线保持信号线2个位的传输时间的个位的传输时间的SE0状状态，之后保持态，之后保持1个位传输时间的个位传输时间的J状态。状态。传送传送状态状态闲置闲置状态状态D+或或D-的电压上升的电压上升到到2.5(2.7)V断开断开状态状态闲置闲置状态状态维持维持2.5 s以上以上连接连接状态状态信号线跳变到其信号线跳变到其反向逻辑电平反向逻辑电平数据数据K状态状态闲置闲置状态状态数据包传送开始过程数据包传送开始过程差分数据线按差分数据线按传送数据变

41、换传送数据变换传送传送状态状态71 2.电气特性电气特性 对地电源对地电源电压为电压为4.755.25V，设备吸入的最大，设备吸入的最大电流值为电流值为500mA 。第一次被主机检测到时，设备吸。第一次被主机检测到时，设备吸入的电流入的电流100mA 自给供电自给供电 总线供给总线供给72 3.NRZI编码编码 原始原始数据数据空闲空闲填充填充数据数据填充位填充位NRZI码码0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1位填充和位填充和NRZI编码编码0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 NRZI的编码方法

42、不需独立的时钟信号和数据一起发的编码方法不需独立的时钟信号和数据一起发送，送，电平跳变代表电平跳变代表“0”，没有电平跳变代表没有电平跳变代表“1”。在。在数据被编码前，在数据流中数据被编码前，在数据流中每每6个连续的个连续的“1”后插入后插入1个个“0”，从而强迫，从而强迫NRZI码发生变化，也顺便让收发双发码发生变化，也顺便让收发双发对准一次时钟，接收端必须去掉这个插入的对准一次时钟，接收端必须去掉这个插入的“0”。 739.7.3 USB数据流类型和传输类型 USB数据流类型有四种：数据流类型有四种：控制信号流、块数据流、控制信号流、块数据流、中断数据流、实时数据流。中断数据流、实时数据

43、流。 USB有有4种基本的传输类型种基本的传输类型 2批传输批传输：单：单/双向，用于双向，用于大批数据大批数据传输，要求准确，传输，要求准确，出错重传。时间性不强。出错重传。时间性不强。 1控制传输控制传输： 双向，双向，用于配置设备或特殊用途用于配置设备或特殊用途，发，发 生错误需重传。生错误需重传。 当当USB主机检测时，设备必须要主机检测时，设备必须要用端点用端点0完成和主机交换信息的控制传送。完成和主机交换信息的控制传送。 3中断传输中断传输 ：单向入主机，用于：单向入主机，用于随机少量随机少量传送。采传送。采用查询中断方式，出错下一查询周期重新传。用查询中断方式，出错下一查询周期重

44、新传。4等时传输等时传输：单：单/双向，用于双向，用于连续实时连续实时的数据传输，的数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。749.7.4 USB交换的包格式标志包标志包数据包数据包握手包握手包一次交换（事务处理）一次交换（事务处理） 等时传输无握手包等时传输无握手包交换完毕，进入帧结束间隔区交换完毕，进入帧结束间隔区发送方把发送方把D+和和D-上的电压降低到上的电压降低到0.8V以下，并保持以下，并保持2个位的传输时个位的传输时间，然后维持间，然后维持1个位传输时间的个位传输时间的J状态表示包结束，状态表示包结束，之后进入闲置状态。之后进入闲

45、置状态。每次交换均由主机发起，对中断传输，亦由主机每次交换均由主机发起，对中断传输，亦由主机发送查询包取得中断信息发送查询包取得中断信息。帧结束帧结束间隔区间隔区75表包的类型表包的类型(阴影部分是阴影部分是USB2.0规范规范)PID类型类型PID名称名称PID3:0描述描述标志包标志包OUT0001b具有具有PID、类型检查、设备地址、端点、类型检查、设备地址、端点号和号和CRC域的宿主到功能设备的发送域的宿主到功能设备的发送包包IN1001b功能设备到宿主的接收包，具有和发功能设备到宿主的接收包，具有和发送包一样的域送包一样的域SOF0101b帧开始包帧开始包SETUP1101b主机发给

46、设备的设置包，用于控制传主机发给设备的设置包，用于控制传输的设置。输的设置。数据包数据包DATA00011b数据包数据包0DATA11011b数据包数据包1DATA20111b为帧中高速、高带宽的等时交换的数为帧中高速、高带宽的等时交换的数据包据包MDATA1111b为分离的高速和高带宽等时交换中的为分离的高速和高带宽等时交换中的数据包数据包76握手包握手包ACK0010b接收设备发的接受数据正确的应答包接收设备发的接受数据正确的应答包NAK1010b接收设备无法接受数据或没有数据返接收设备无法接受数据或没有数据返回个宿主回个宿主STALL1110b设备已经被挂起，需要主机插手解决设备已经被挂

47、起，需要主机插手解决故障故障NYET0110b接收器无应答接收器无应答特殊包特殊包PRE1100b(Token)预告包，预告下面将以低速方预告包，预告下面将以低速方式和低速设备通信式和低速设备通信ERR1100b(Handshake)分离交换错误的握手信号分离交换错误的握手信号SPLIT1000b高速分离交换标志高速分离交换标志PING0100b为批或控制端点传输而设置的高速流为批或控制端点传输而设置的高速流控制探测控制探测Reserved0000b保留保留77包的一般格式包的一般格式SYNCPID 包特定信息包特定信息CRC8位位8位位n位位5位或位或16位位SYNC：同步序列同步序列PID

48、：包标识别，发送从低位到高位包标识别，发送从低位到高位所有数据发发送都时从低位开始向高位发送所有数据发发送都时从低位开始向高位发送数据为数据为10000000bPID0 PID1LSbPID2 PID3 PID0#PID1#PID2# PID3#MSb低低4位放位放PID高高4位放位放PID的反码的反码781. 包的种类及格式包的种类及格式 (1) 帧开始包（帧开始包（SOF）（一帧持续时间为）（一帧持续时间为1ms）SYNCPID FRAME NUMBERCRC8位位 帧开始包格式帧开始包格式8位位11位位5位位编码编码数据数据0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1L

49、SbMSb79SYCNPIDADDRENDPCRC8位位 接受和发送包的格式接受和发送包的格式8位位7位位4位位5位位 (2) 接受包（接受包（IN） (3)发送包（发送包（OUT）接受交换包括了全部接受交换包括了全部4种传输类型种传输类型接受交换接受交换:根根Hub广播接受包广播接受包目标设备返回数据包目标设备返回数据包根根Hub发握发握手包。（手包。（等时传输无握手包等时传输无握手包）发送交换发送交换:根根Hub广播发送包广播发送包根根Hub发数据包发数据包目标设备发握目标设备发握手包（手包（批传输才有握手包批传输才有握手包）发送交换包括了除中断传输外的其他发送交换包括了除中断传输外的其他

50、3种传输类型种传输类型802数据包数据包DATACRCSYNCPID8位位USB 1.1数据包格式数据包格式8位位01023位位16位位SYNCPIDDATACRC8位位USB 2.0数据包格式数据包格式8位位08192位位16位位(4)设置包（设置包（SETUP） 控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个多个IN或或OUT交换，或只包含一个从端点传到主机的交换，或只包含一个从端点传到主机的状态状态81SYCNPID8位位 握手包的格式握手包的格式8位位3握手包握手包 4 特殊包特殊包数据接受方发向数据发送方数据接受方发向数据发送方只有只有S

51、YNC和和PID组成组成主机主机希望与低速设备进行低速传输的时候发此包希望与低速设备进行低速传输的时候发此包PID域应该高速（全速）发送。域应该高速（全速）发送。PID之后，在低速数据包传输之前要延迟之后，在低速数据包传输之前要延迟4个高速个高速字节时间字节时间低速设备只支持控制传输与中断传输低速设备只支持控制传输与中断传输与低速设备交换数据只有与低速设备交换数据只有8字节字节829.7.5 USB设备状态和总线枚举 主主 机机HUB设设备备1.1 设备接入设备接入连接状态连接状态1.2 通知有设备接入通知有设备接入2 检测检测Hub,确认有接入确认有接入3 使能该端口，发使能该端口，发RES

52、ET命令命令4 发发RESET信号，供电信号，供电上电状态上电状态5.1 利用默认端点利用默认端点0读设备描述器读设备描述器6.2 分发地址分发地址地址状态地址状态7.2 读配置信息读配置信息7.1 按地址读设备配置信息按地址读设备配置信息8.2 写配置信息写配置信息配置状态配置状态8.1 按地址设设备配置信息按地址设设备配置信息6.1 给设备分发地址给设备分发地址5.2 读设备描述器读设备描述器地址默认状态地址默认状态839.7.6 USB2.0的补充 OTG技术 USB On-The-Go(OTG)是对是对USB 2.0规规范的有益的扩充。这类设备既可以作为范的有益的扩充。这类设备既可以作

53、为USB设备与设备与PC机相连，又可以作为机相连，又可以作为USB主机连接其它主机连接其它USB设备。因此，这类设设备。因此，这类设备可以抛弃备可以抛弃PC，直接进行设备与设备之，直接进行设备与设备之间的点对点间的点对点(pear to pear)通信。通信。 USB On-The-Go 在在USB 规范基础上增加了以下几点：规范基础上增加了以下几点：双重功能。设备既可用作主机也可用作外设双重功能。设备既可用作主机也可用作外设主机交流协议主机交流协议HNP 用于转换用于转换USB 主机和外设功能主机和外设功能对话请求协议对话请求协议除小和大功率之外增加了微功率选择除小和大功率之外增加了微功率选

54、择超小连接器超小连接器84USB On-The-Go 设备定义了一个新的称之为设备定义了一个新的称之为mini-AB 的的袖珍插孔，它能接入袖珍插孔，它能接入mini-A 和和mini-B 插头。连接器的插头。连接器的不同定义设备的不同定义设备的初始功能初始功能。VBUSD+D-GNDID1: Slave B设备设备0: Master A设备设备mini-B 插头插头mini-A 插头插头VCCVCC85 两个两个OTG RTR(主主/从双角色从双角色)设备相连，可以用设备相连，可以用主机交流协议主机交流协议(HNP)随时切换主机角色。步骤如下：随时切换主机角色。步骤如下：1. A设备发出设备

55、发出SET_FEATURE命令后，命令后，B设备可请求设备可请求总线控制权。总线控制权。2. A设备挂起总线，通知设备挂起总线，通知B设备可占用总线。设备可占用总线。3. B设备发送信号，断开设备发送信号，断开A设备连接。设备连接。4. A设备启动设备启动D+线本方的上拉电阻，将线本方的上拉电阻，将D+置高。此置高。此时时A设备成为外设，设备成为外设，B设备成为主机。设备成为主机。5. B设备完成对总线控制后，启动设备完成对总线控制后，启动D+线本方的上拉线本方的上拉电阻，放弃对总线的控制。电阻，放弃对总线的控制。6. 在以上电平变换的同时，通过软件实现真正的对在以上电平变换的同时，通过软件实现真正的对总线的控制权变化。总线的控制权变化。869.7.7 开发具有USB功能的设备的先期准备 1.分清开发的设备类型分清开发的设备类型嵌入式嵌入式USB主机主机USB Hub基于基于HID(人机接口设备人机接口设备)的的USB设备设备USB OTG设备设备2.选择合适的控制芯片选择合适的控制芯片内嵌内嵌USB模块和嵌入式模块和嵌入