通用串行總線(USB)原理及接口設(shè)計(jì)
摘要:以USB1.1為基礎(chǔ)討論了USB的基本原理、工作流程、通信協(xié)議和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù),并介紹了一種USB接口的10M以太網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方案。已經(jīng)發(fā)布的USB2.0支持480Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸,這將使PC可以通過USB接口傳輸更高速更大量的數(shù)據(jù)。還論述了USB2.0的改進(jìn)和優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:通用串行總線(USB) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 WDM
通用串行總線USB (Universal SerialBus)是Intel、Microsoft等大廠商為解決計(jì)算機(jī)外設(shè)種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于1995年提出制定的。它是一種用于將適用USB的外圍設(shè)備連接到主機(jī)的外部總線結(jié)構(gòu),主要用在中速和低速的外設(shè)。USB同時(shí)又是一種通信協(xié)議,支持主機(jī)和USB的外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前較多設(shè)備支持的是USB1.1?1?,最新的USB2.0?3?已于2000年4月正式發(fā)布。
USB設(shè)備具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
USB1.1有全速和低速兩種方式,低速方式的速率為1.5Mbps,支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備,如鼠標(biāo)等;全速模式為12Mbps,可以外接速率更高的外設(shè)。在剛剛發(fā)布的USB2.0中,增加了一種高速方式,數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到480Mbps,可以滿足更加高速的外設(shè)的需要。
安裝USB設(shè)備不必打開主機(jī)箱,它支持即插即用(Plug and Play) 和熱插拔(Hot Plug)。當(dāng)插入USB設(shè)備的時(shí)候,主機(jī)檢測該外設(shè)并且通過自動(dòng)加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來對該設(shè)備進(jìn)行配置,并使其正常工作。
1 USB的結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1物理結(jié)構(gòu)
USB的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在USB2.0中,高速方式下Hub使全速和低速方式的信令環(huán)境獨(dú)立出來,圖2中顯示了高速方式下Hub的作用。
通過使用集線器(Hub)擴(kuò)展可外接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。USB的電纜有四根線,兩根傳送的是5V的電源,另外的兩根是數(shù)據(jù)線。功率不大的外圍設(shè)備可以直接通過USB總線供電,而不必外接電源。USB總線最大可以提供5V 500mA電流,并支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。
1.2 USB設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)
USB的設(shè)備可以分成多個(gè)不同類型,同類型的設(shè)備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議,這樣可以使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫變得簡單一些。USB Forum在USB類規(guī)范?2?中定義了USB的設(shè)備類型,比如音頻、通信、HID、HUB等設(shè)備類。
每一個(gè)USB設(shè)備會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)的邏輯連接點(diǎn)在里面?每個(gè)連接點(diǎn)叫端點(diǎn)。在USB的規(guī)范中用4位地址標(biāo)識端點(diǎn)地址,每個(gè)設(shè)備最多有16個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn)0都被用來傳送配置和控制信息。在NS公司的USB接口芯片USBN9602?4?中有7個(gè)端點(diǎn)。
管道實(shí)現(xiàn)了在主機(jī)的一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)和設(shè)備的端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸,連接端點(diǎn)0的叫做缺省管道。管道是具有多個(gè)特征的信道,如帶寬分配,包大小,管道類別以及數(shù)據(jù)流向。管道有兩種類型分別是流管道(stream pipe)和消息管道(messagepipe)。流管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的內(nèi)容不具有USB要求的結(jié)構(gòu),它是單向傳輸?shù)?;流管道支持批量、等時(shí)和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先,由主機(jī)發(fā)請求給USB設(shè)備,然后在適當(dāng)?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù),最后是到達(dá)一個(gè)狀態(tài)階段。為了保證三個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳輸,消息管道定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使命令可靠地被識別和傳輸。消息管道是雙向的,它只支持控制傳輸方式。
對于同樣性質(zhì)的一組端點(diǎn)的組合叫做接口,如果一個(gè)設(shè)備包含不止一個(gè)接口就可以稱之為復(fù)合設(shè)備(見圖1)。
對于同樣類型接口的組合可以稱之為配置。但是每次只能有一個(gè)配置是可用的,而一旦該配置被激活,里面的接口和端點(diǎn)就都同時(shí)可以使用。主機(jī)從設(shè)備發(fā)過來的描述字中來判斷用的是哪個(gè)配置?哪個(gè)接口等等?而這些描述字通常是在端點(diǎn)0中傳送的。
1.3 USB通信分層模型
一臺(tái)主機(jī)到設(shè)備的連接需要許多層與實(shí)體之間的相互作用。USB總線接口層提供了主機(jī)和設(shè)備之間的物理/信令/包的連接。在系統(tǒng)軟件看來,USB設(shè)備層執(zhí)行的是一般的USB操作。功能接口層提供和應(yīng)用軟件層相對應(yīng)的附加功能。分層模型如圖3所示,雖然邏輯上USB設(shè)備層和功能層各自與主機(jī)上的相應(yīng)層通信,但物理上都是通過USB總線接口層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/P>
1.4 四種傳輸方式
USB提供了四種傳輸方式,以適應(yīng)各種設(shè)備的需要。這四種傳輸方式分別是:
控制傳輸方式:控制傳輸是雙向傳輸,數(shù)據(jù)量通常較小,主要用來進(jìn)行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令??刂苽鬏斨饕迷谥饔?jì)算機(jī)和USB外設(shè)中端點(diǎn)0之間。
等時(shí)傳輸方式:等時(shí)傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間。它被用于時(shí)間嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)性的流數(shù)據(jù)傳輸,或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時(shí)應(yīng)用中。例如進(jìn)行語音業(yè)務(wù)傳輸時(shí),使用等時(shí)傳輸方式是很好的選擇。
中斷傳輸方式:中斷方式傳送是單向的并且對于主機(jī)來說只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時(shí)查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送,該傳輸方式應(yīng)用在少量的、分散的、不可預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤、游戲桿和鼠標(biāo)就屬于這一類型。
大量傳輸方式:主要應(yīng)用在沒有帶寬和間隔時(shí)間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收,它要求保證傳輸。打印機(jī)和掃描儀屬于這種類型。
在開發(fā)USB設(shè)備時(shí)通過設(shè)置接口芯片中相應(yīng)的寄存器使端點(diǎn)處于不同的工作方式。
1.5 USB通信協(xié)議
USB的物理協(xié)議規(guī)定了在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式,一個(gè)全速的數(shù)據(jù)幀有1500字節(jié),而對于低速的幀有187字節(jié)。幀的作用是分配帶寬給不同的數(shù)據(jù)傳送方式。
一個(gè)最小的USB的數(shù)據(jù)塊叫做包,包通常有同步信號,包標(biāo)識,地址、傳送的數(shù)據(jù)和CRC。包的ID由八位組成,其中后四位是糾錯(cuò)位。根據(jù)包功能的不同,在USB1.1中定義了以下四類十種:
token OUT IN SOF SETUP
data DATA0 DATA1
handshake ACK NAK STALL
special PRE
在USB2.0中又增加了幾種類型的包以滿足高速傳輸?shù)男枰?。其中data類型增加了DATA2和MDATA,handshake類型增加了NYET,special類型則增加了ERR,SPLIT,PING,Reserved。
事務(wù)是在主機(jī)和設(shè)備之間不連續(xù)地?cái)?shù)據(jù)交換。一個(gè)事務(wù)通常由主機(jī)開始,一般分三個(gè)階段,第一階段發(fā)送token包,第二階段發(fā)送是data包(可以向上也可以向下),在數(shù)據(jù)包傳送完之后,就會(huì)由設(shè)備返回一個(gè)handshake包。
當(dāng)客戶端程序通過一個(gè)USB管道發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí),它首先會(huì)調(diào)用Win32API,API會(huì)發(fā)送一個(gè)IRP到USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)就是把客戶端的請求通過一個(gè)管道發(fā)送到外設(shè)合適的端點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù),USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)遞交請求給總線驅(qū)動(dòng)程序,總線驅(qū)動(dòng)程序可以把這些請求轉(zhuǎn)變成事務(wù),然后將這些事務(wù)組合成幀在總線上傳輸。
1.6 USB帶寬分析舉例
在USB1.1標(biāo)準(zhǔn)中將其有效的帶寬分成幀,每幀通常是1ms長。但由于USB2.0的傳輸速率可高達(dá)480Mbps,因此在USB2.0增加了一種微幀,它只有原來幀的1/8,這使得在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用更小的緩沖。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后,USB的主機(jī)就會(huì)對不同的端點(diǎn)和傳輸方式做一個(gè)統(tǒng)籌安排,用來適應(yīng)它的帶寬。對全速和低速的端點(diǎn),系統(tǒng)為等時(shí)和中斷方式的傳輸保留整個(gè)帶寬的90%,即占每個(gè)幀時(shí)間的90%,剩下的就安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。在USB2.0中,對于高速的端點(diǎn),則為等時(shí)和中斷方式的傳輸保留每個(gè)微幀的80%。
以等時(shí)傳輸為例,在某個(gè)配置中作為一個(gè)等時(shí)傳輸管道的端點(diǎn),定義了它能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效負(fù)載的長度。USB系統(tǒng)軟件用這個(gè)長度限制去保證足夠的總線時(shí)間使每幀的內(nèi)容能容納最多的數(shù)據(jù)有效負(fù)載。如果有足夠的總線時(shí)間,配置才會(huì)建立。每個(gè)等時(shí)管道的數(shù)據(jù)有效負(fù)載可以是1,2,4,...,512,1023字節(jié)。
例如,當(dāng)數(shù)據(jù)包最大有效負(fù)載為512個(gè)字節(jié)時(shí),一個(gè)全速幀(1500字節(jié))最多可以傳輸2個(gè)這樣的包。除去協(xié)議開銷的18個(gè)字節(jié),剩余458個(gè)字節(jié)可以用于其他事務(wù)的傳輸。因此每幀有效字節(jié)數(shù)為2個(gè)包的字節(jié)即1024字節(jié),因此最大帶寬為1.024Mbyte/s,每個(gè)包的有效字節(jié)占整個(gè)幀的35%。同樣可推算,數(shù)據(jù)有效負(fù)載長度為64、128或256時(shí)其最大帶寬值最大,為1.28Mbyte/s。
在USB2.0高速工作方式下,每個(gè)等時(shí)管道的數(shù)據(jù)有效負(fù)載可以是1,2,4,...,2048,3072字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)有效負(fù)載長度為1024時(shí)其最大帶寬值最大,為5.7344Mbyte/s,每個(gè)包的有效字節(jié)占整個(gè)微幀的14%。
2 Windows USB驅(qū)動(dòng)程序接口
USB的驅(qū)動(dòng)程序和以往的直接跟硬件打交道的Win95的VxD(Virtual DeviceDriver)驅(qū)動(dòng)程序不同,它屬于WDM(Windows DriverModel)類型的,Win98、Win2000等操作系統(tǒng)均支持該類型的驅(qū)動(dòng)程序。WDM首先定義了一個(gè)基本的核心驅(qū)動(dòng)程序模型,處理所有類型的數(shù)據(jù),使驅(qū)動(dòng)程序模型的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)更加的固定。WDM驅(qū)動(dòng)程序還是一種分層的程序結(jié)構(gòu),可以看做是WindowsNT驅(qū)動(dòng)程序的改進(jìn),WDM驅(qū)動(dòng)程序支持即插即用、電源管理和WMI(Windows ManagementInstrumentation)特性。Win98和Win2000提供了一系列的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序,它們具有為許多標(biāo)準(zhǔn)類型設(shè)備服務(wù)所需的所有基本功能。
USB的WDM驅(qū)動(dòng)程序接口框圖如圖4所示。
Windows提供了USB的系統(tǒng)類驅(qū)動(dòng)程序,它處理USB上的所有底層通信,這樣其他驅(qū)動(dòng)程序就有了一個(gè)定義好的接口可以使用。USBHub.sys是USB集線器的驅(qū)動(dòng)程序。USBD.sys是USB類驅(qū)動(dòng)程序,它使用圖4中UHCD.sys或OpenHCI.sys分別驅(qū)動(dòng)兩種類型的控制器?UHCI(USB Host Controller Driver),OHCI(Open Host ControllerInterface)。當(dāng)PCI枚舉器發(fā)現(xiàn)USB主機(jī)控制器后,就會(huì)裝入相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。
通常一些設(shè)備都需要開發(fā)者寫一個(gè)核模式的驅(qū)動(dòng)程序來使硬件正常工作。在核模式下?驅(qū)動(dòng)程序通過IRP(I/O Request Packet)來組織和操作一些由其他部分發(fā)過來的要求和命令。而IRP又是通過URB(USB Request Blocks)來實(shí)現(xiàn)的。但對于一些HID(Human Interface Device)的USB設(shè)備,象鍵盤、鼠標(biāo)和游戲操縱桿之類的設(shè)備可以被操作系統(tǒng)自動(dòng)識別并且支持,開發(fā)者不需要再另寫驅(qū)動(dòng)程序。
3 USB接口10M以太網(wǎng)卡的實(shí)現(xiàn)
3.1 選擇器件
目前市場上USB的接口產(chǎn)品有兩種,一種是集成了USB接口的單片機(jī),另一種是不帶單片機(jī)的USB接口芯片。由于前者需要專用的開發(fā)機(jī)故開發(fā)成本較高,本文將介紹一種使用廉價(jià)USB接口芯片USBN9602(NS公司)加高速的51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)10M以太網(wǎng)卡的方案。
在做設(shè)計(jì)之前一定要計(jì)算好外設(shè)所要求的帶寬和USB的速度是否匹配。一個(gè)USB以太網(wǎng)卡應(yīng)該包括USB通信接口(USBN9602)、8051單片機(jī)以及IEEE802.3的MAC層和物理層。USBN9602在全速工作方式下可以達(dá)到12Mbit/s,采用USBN9602基本可以滿足10M以太網(wǎng)的帶寬需求。為達(dá)到較高的傳輸速率,USBN9602還應(yīng)該用DMA方式與單片機(jī)通信。電路框圖如圖5所示。
3.2 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制程序
對于單片機(jī)控制程序,目前沒有任何廠商提供自動(dòng)生成微碼(firmware)的工具。USB單片機(jī)控制程序通常由三部分組成,第一、初始化單片機(jī)和所有的外圍電路(包括USBN9602);第二、主循環(huán)部分,其任務(wù)是可以中斷;第三、中斷句柄,其任務(wù)是對時(shí)間敏感的,必須馬上執(zhí)行。
3.3 開發(fā)USB網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序
開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常采用WindowsDDK來實(shí)現(xiàn),但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具,象Compuware的Driver Works,BlueWaters的DriverWizard等軟件能夠方便地生成高質(zhì)量的USB的驅(qū)動(dòng)程序。沒有DDK或WDM基礎(chǔ)的開發(fā)人員可使用KRFTech公司的開發(fā)軟件WinDriver,它的最新版本4.32已經(jīng)支持USB驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。最后的驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試工作可以使用Compuware的Softice或Microsoft的Windows Debugger來進(jìn)行。
Windows下的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序需符合NDIS規(guī)范(Network Driver Interface Specification)。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序不直接調(diào)用操作系統(tǒng)的例程,而是通過NDIS進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用,NDIS還根據(jù)需要調(diào)用了驅(qū)動(dòng)程序提供的例程,共同完成網(wǎng)卡的功能。
USB網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序可分為NDIS中間介質(zhì)小端口驅(qū)動(dòng)程序和USB驅(qū)動(dòng)程序兩部分,然后將兩部分驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)連接。如果USB設(shè)備未連接和被禁止,使USB驅(qū)動(dòng)不可用,那么NDIS驅(qū)動(dòng)會(huì)返回一個(gè)NOT_AVAILABLE的狀態(tài)。這種實(shí)現(xiàn)方法可以保證用戶不必重新安裝NDIS或重啟就可以連接或拔掉USB設(shè)備。
4 小結(jié)與展望
目前Win98、Win2000和WinCE均支持USB設(shè)備,USB并且已經(jīng)得到了一個(gè)由450家技術(shù)公司組成的技術(shù)聯(lián)盟的支持,今后新PC都會(huì)裝有USB端口。APPLE公司更是推出了完全采用USB技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外設(shè)連接的新型計(jì)算機(jī)iMAC系列。市場上也已經(jīng)出現(xiàn)了越來越多的支持USB的外設(shè),用戶將從中享受到對外設(shè)選擇范圍更廣和與外設(shè)數(shù)據(jù)交換速度更快的好處。據(jù)Dataquest公司統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,2000年全球?qū)?huì)售出近1億臺(tái)USB設(shè)備。
USB2.0已經(jīng)于2000年4月27日正式發(fā)布。USB2.0將向下兼容,使用與1.1版相同的電纜、連接器、軟件接口、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對普通用戶來說,在使用時(shí)不會(huì)覺得有什么改變,但是USB2.0將可以達(dá)到480Mbps的高速,用戶將從2.0所提供的更高速的外設(shè)中受益。預(yù)計(jì)2000年第四季度USB2.0的外圍設(shè)備將試生產(chǎn),2001年將投入商業(yè)生產(chǎn),USB2.0使USB具有了更好的應(yīng)用前景。
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