USB的開發(fā)之標(biāo)準(zhǔn)篇

USB的優(yōu)點有以下幾條：

USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來就簡化了USB外設(shè)的設(shè)計，同時也簡化了用戶在判斷哪個插頭對應(yīng)哪個插槽時的任務(wù),實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。

USB排除了對各個鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤和打印機接口的需求，因而減少了硬件的復(fù)雜性和對端口的占用，節(jié)省了系統(tǒng)資源。

USB支持熱插拔(hot plug)，也就是說在不關(guān)PC的情況下可以安全的插上和斷開USB設(shè)備。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機的情況下才能增加或移走外圍設(shè)備。

USB支持PNP。當(dāng)插入USB設(shè)備的時候，主計算機設(shè)備檢測該外設(shè)并且通過自動的加載相關(guān)的驅(qū)動程序來對該設(shè)備進(jìn)行配置，并使其正常工作。

USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性。USB直接連接的設(shè)備可以通過USB電纜供電，也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電，或使用兩種供電方式的組合.并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。

USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率來適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。

針對不能處理突然發(fā)生的非連續(xù)傳送的設(shè)備，如音頻和視頻設(shè)備，USB可以保證其固定帶寬。

為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求，USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳送類型。

USB使得多個外圍設(shè)備可以跟主機通信。

USB的目的:1,使用方便 2,可以提供實時的數(shù)據(jù)給PC 3,端口的靈活擴展性

USB標(biāo)準(zhǔn)可以在www.usb.org/developer/中 找到,并且你還可以在該站點找到另外的一個USB的測試工具:usbcomp.exe,它包含一個usbcheck的工具可以檢測到設(shè)備是否一些USB的 高層次的要求。同時它還有一個usbcheck的工具可以檢測HID(human interface device)的設(shè)備。而W98還有一個"Ignore hubs"(Memphis only)的檢測窗口。在W2K DDK中包含的一個USBView的工具可以看出系統(tǒng)中所有的USB總線以及USB總線上的所有的設(shè)備。

USB論壇(USB forum)的成員每年只需要支付$2500就可以獲得一個Vendor ID,其實,每個Vendor ID的零售價格只是$200,不過每個USB論壇的成員可以在關(guān)于USB的支持方面可以得到許多的好處。(對于俺們中國人來說,去弄一個什么USB成員是 很浪費錢的)

USB的設(shè)備類型(device class)

雖然USB設(shè)備都會表現(xiàn)USB的一些基本的特征。但是,USB的設(shè)備還是可以分成多個不同類型,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,從而使設(shè)備的驅(qū)動程序的書寫變得簡單一些。下表中就給出一些基本的USB的設(shè)備類型分類。

設(shè)備類型(device class) 設(shè)備舉例 類型常量(Class constant)
音頻(audio) 揚聲器 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO
通信 MODEM USB_DECICE_CLASS_COMMUNICATIONS
HID 鍵盤 鼠標(biāo) USB_DEVICE_CLASS_HUMAN INTERFACE
顯示 監(jiān)視器 USB_DEVICE_CLASS_MONITOR
物理回應(yīng)設(shè)備 動力回饋式游戲操縱桿 USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE
電源 不間斷電源供應(yīng) USB_DEVICE_CLASS_POWER
打印機 USB_DEVICE_CLASS_PRINTER
大量的存儲器 硬盤 USB_DEVICE_CLASS_STORAGE
HUB USB_DEVICE_CLASS_HUB

USB的基本特性
每一個設(shè)備(device)會有一個或者多個的邏輯連接點在里面,每個連接點叫endpoint.每個endpoint有四種數(shù)據(jù)傳送方式:控制 (Control)方式傳送;同步(isochronous)方式傳送;中斷(interrupt)方式傳送;大量(bulk)傳送.但是所有的 endpoint0都被用來傳送配置和控制信息。
在host和設(shè)備的endpoint之間的連接叫作管道"pipe",endpoint0叫做缺省(default pipe)。
對于同樣性質(zhì)的一組的endpoint的組合叫做接口(interface),如果一個設(shè)備包含不止一個的接口就可以稱之為復(fù)合設(shè)備(composite device)。
同樣的道理,對于同樣的類型的接口的組合可以稱之為"配置"(configuration)。但是每次只能有一個配置是可用的,而一旦該配置激活,里面的接口和endpoint就都同時可以使用。
host從設(shè)備發(fā)過來的描述字(des criptors)中來判斷用的是哪個配置,哪個接口等等,而這些的描述字通常是在endpoint0中傳送。

Windows USB 驅(qū)動程序接口
系統(tǒng)中的USB的驅(qū)動程序完成許多的工作。
實際上對于一些HID的USB設(shè)備,象鍵盤,鼠標(biāo)和游戲操縱桿之類的設(shè)備可以自動的被系統(tǒng)識別并且支持.而除此之外的設(shè)備就需要自己寫一個驅(qū)動程序來完成 硬件和軟件之間的聯(lián)系。在核心模式(kernel mode)下,驅(qū)動程序用IOCTL來組織和操作一些由其他部分發(fā)過來的要求和命令。而IOCTL又是通過URB(USB request blocks)來實現(xiàn)的。
在正式的介紹USB的驅(qū)動程序之前,先還是來看看USB的物理和邏輯結(jié)構(gòu)。

傳輸方式
在USB的數(shù)據(jù)傳送的方式下,有四種的傳輸方式:控制(Control)同步(isochronous)中斷(interrupt)大量(bulk)。如 果你是從硬件開始來設(shè)計整個的系統(tǒng),你還要正確選擇傳送的方式,而作為一個驅(qū)動程序的書寫者,就只需要弄清楚他是采用的什么工作方式就行了。
通常所有的傳送方式下的主動權(quán)都在PC邊,也就是host邊。

控制(Control)方式傳送：控制傳送是雙向傳送，數(shù)據(jù)量通常較小。USB系統(tǒng)軟件用來主要進(jìn)行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令?？刂苽魉头?式可以包括8、16、32和64字節(jié)的數(shù)據(jù)，這依賴于設(shè)備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)湫偷赜迷谥饔嬎銠C和USB外設(shè)之間的端點(Endpoint)0之間的傳 輸，但是指定供應(yīng)商的控制傳輸可能用到其它的端點。

同步(isochronous)方式傳送：同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間（latency)。它被用于時間嚴(yán)格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者 用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時應(yīng)用中。例如執(zhí)行即時通話的網(wǎng)絡(luò)電話應(yīng)用時，使用同步傳輸模式是很好的選擇。同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳送次 數(shù)。對于同步傳送來說，即時的數(shù)據(jù)傳遞比完美的精度和數(shù)據(jù)的完整性更重要一些。

中斷(interrupt)方式傳送：中斷方式傳輸主要用于定時查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送。設(shè)備的端點模式器的結(jié)構(gòu)決定了它的 查詢頻率，從1到255ms之間。這種傳輸方式典型的應(yīng)用在少量的分散的、不可預(yù)測數(shù)據(jù)的傳輸。鍵盤、操縱桿和鼠標(biāo)就屬于這一類型。中斷方式傳送是單向的 并且對于host來說只有輸入的方式。

大量(bulk)傳送：主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)大量傳送傳送和接受數(shù)據(jù)上，同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下，要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。這 種類型的設(shè)備適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸，可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)的傳送完成之后再傳送和接收數(shù)據(jù)。

USB將其有效的帶寬分成各個不同的楨(frame),每楨通常是1ms時間長。每個設(shè)備每楨只能傳送一個同步的傳送包。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之 后,USB的host就會對不同的傳送點和傳送方式做一個統(tǒng)籌安排,用來適應(yīng)整個的USB的帶寬。通常情況下,同步方式和中斷方式的傳送會占據(jù)整個帶寬的 90%,剩下的就安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。

USB的低層結(jié)構(gòu)
USB設(shè)備
USB的設(shè)備可以接在PC上的任意的USB接口上。而使用HUB還可以擴展使更多的USB設(shè)備連接到系統(tǒng)中,USB的HUB有一個上行的端口(到 host),有多個的下行端口(連接其它的設(shè)備),從而可以使整個的系統(tǒng)可以擴展的連接127個外設(shè),其中HUB也酸外設(shè)。對于USB系統(tǒng)來說,USB的 host永遠(yuǎn)是PC邊,所有的其他連接到host都稱為設(shè)備,在設(shè)備與設(shè)備之間是無法實現(xiàn)直線通信的,只有通過host的管理與調(diào)節(jié)才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的互相 傳送.在系統(tǒng)中,通常會有一個根HUB,這個HUB一般有兩個下行的端口。
一個PC可以擁有一個或多個的USB host控制器。一般有兩種類型的控制器:UHCI(USB host控制器接口),OHCI(開放的host控制器接口)。Windows的USB類驅(qū)動程序?qū)τ诿恳环N的控制器類型都有一種miniclass驅(qū)動程序來支持。

USB的物理信號
USB的電纜有四根線,兩根傳送的是5V的電源,有一些直接和電源HUB相連的設(shè)備可以直接利用它來供電。另外的兩根是數(shù)據(jù)線,數(shù)據(jù)線是單工的,在整個的 一個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率是一定的,要么是高速,要么是低速,沒有一個可以中間變速的設(shè)備來實現(xiàn)數(shù)據(jù)碼流的變速.在這一點上,USB和1394有明顯的差別。
USB的總線可以在不使用的時候被掛起,這樣一來就可以節(jié)約能源。
在有些時候的總線還有可能擋機(stall),比如說象數(shù)據(jù)傳送的時候突然被打斷，這個時候通過host的重新配置可以實現(xiàn)總線的重新工作。

低層協(xié)議
USB的物理協(xié)議規(guī)定了大多數(shù)的在總線上的數(shù)據(jù)格式，通常一個全速的數(shù)據(jù)楨可以最多有的1500bytes,而對于低速的楨最多有187bytes。
楨通常是用來分配帶寬給不同的數(shù)據(jù)傳送方式。同時由于楨結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，楨的這種特性也可以用來做同步信號來使用。
一個最小的USB的數(shù)據(jù)塊叫做包(packet)，包包括同步信號，包標(biāo)識（packet ID)，CRC和傳送的數(shù)據(jù)。Packet ID共有以下十種：

token OUT IN SOF SETUP
data DATA0 DATA1
handshake ACK NAK STALL
special PRE

Transactions（數(shù)據(jù)交換）
一個transaction是在host和設(shè)備（device)之間的不連續(xù)相互數(shù)據(jù)交換，通常由host開始交換，交換的開始是由Token的包開始 的，接下來是雙方向上的數(shù)據(jù)包，在數(shù)據(jù)包傳送完之后，就會由設(shè)備（device）返回一個握手（handshake)包。USB系統(tǒng)通過IN,OUT,和 SETUP的包來指定USB地址和endpoint（最多是128個，0通常被用來用做缺省的傳送配置信息的）,并且這些被指定的設(shè)備必須通過上面形式的 包來回應(yīng)這種形式的指定。每個SETUP的包包含8個byte的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用來指示傳送的數(shù)據(jù)類型。對于DATA數(shù)據(jù)包來說，設(shè)置兩種類型的數(shù)據(jù)包是為了 能夠在傳送數(shù)據(jù)的時候做到更加的精確。ACK handshake的包用來指示數(shù)據(jù)傳送的正確性，而STALL handshake則表示數(shù)據(jù)包在傳送的過程中出了故障，并且請示host重新發(fā)數(shù)據(jù)或者清除這次傳送。PRE格式的包主要是用在在一個USB的系統(tǒng)中如 果存在不同速率的設(shè)備的時候，將不同于總線速度的設(shè)備中就會回應(yīng)一個PRE的包從而會忽略該設(shè)備。
各種不同類型的包的大小是不同的，DATA的數(shù)據(jù)包最大是1023bytes.

Start of Frame(SOF)
SOF是host用來指示frame的開頭的。SOF的包包括11個bit的楨序號，從0到0X7FF(i.e. USBD_ISO_START_FRAME_RANGE-1)，SOF對于所有的高速設(shè)備來說是有效的。

Power
每個設(shè)備可以從總線上獲得100mA的電流，如果特殊的向系統(tǒng)申請，最多可以獲得500mA的電流，在掛機的狀態(tài)下，電流只有500uA.

驅(qū)動程序的安裝步驟
Windows用設(shè)備描述字或者接口描述字來了解到底是什么樣的設(shè)備被接入到系統(tǒng)。Windows初始化的Hardware ID中有設(shè)備提供商的ID域（idVendor,idProduct,和bcdDevice）。如果你沒有向系統(tǒng)提供一個INF文件的話，系統(tǒng)就會自動選 擇提供一個兼容ID（可能不是工作得很好，就像你買了一個Rockswell的Modem，而你使用標(biāo)準(zhǔn)Modem的驅(qū)動程序，你的Modem可能會工作 的有很多的毛病，也可能跑得飛快，電腦的事情，什么都可能發(fā)生，就像中國足球........我在九四年就發(fā)誓不再為中國足球惱火，可是俺前不久還是罵了 一下那個叫章魚鱗的小伙子.......好歹還是一孩子，就原諒一回把，哎）

USB的新特性
共享性 一個物理設(shè)備可以使用許多不同的pipe
實時性 可以實現(xiàn)和一個設(shè)備之間有效的實時通信
動態(tài)性 可以實現(xiàn)接口間的動態(tài)切換
聯(lián)合性 不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來，
多能性 各個不同的接口可以使用不同的供電模式
自動性 缺省的pipe的使用使基系統(tǒng)的建立和配置變得自動并且快速

以上幾個方面只是簡要的介紹了一下USB的標(biāo)準(zhǔn)的一些情況，介紹得非常之淺，還有象USB的host在系統(tǒng)中的唯一性和device的帶寬分布，以及 hub，和USB的電氣特性等等，以及網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)等方面我就不贅述了，在標(biāo)準(zhǔn)里面有詳細(xì)的敘述。鄙人僅致力于用中文給大家一個比較淺顯的介紹，希望不會 給大家不正確的引導(dǎo)。（諸位大蝦倘要做USB設(shè)備，當(dāng)閱讀美利堅合眾國之原版文章。切記，切記！不瞞大家，朕亦十分反感大不列顛國之文字，一日，吾弟問 朕，國人何以皆學(xué)洋文，朕曰寡人如何得知，料想倘念好洋文，就有機會去誑洋人錢財。）