USB系統(tǒng)結構與應用設計
摘 要:通用串行總線(USB)是一種簡單的計算機外圍接口標準。它具有即插即用、擴展方便等優(yōu)點,已成為計算機必備的一個接口。本文簡要介紹USB總線的功能、拓樸結構及其數(shù)據(jù)傳輸過程,并舉例說明USB接口的實際應用。
關鍵詞:通用串行總線 USB接口 外圍接口標準
一、USB接口背景
在早期的計算機系統(tǒng)上常用串口或并口連接外圍設備。每個接口都需要占用計算機的系統(tǒng)資源(如中斷,I/O地址,DMA通道等)。無論是串口還是并口都是點對點的連接,一個接口僅支持一個設備。因此每添加一個新的設備,就需要添加一個ISA/EISA 或PCI卡來支持,同時系統(tǒng)需要重新啟動才能驅(qū)動新的設備。
USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯(lián)合提出的一種新的串行總線標準,主要用于PC機與外圍設備的互聯(lián)。USB總線具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點,已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統(tǒng)上。
二、USB總線優(yōu)缺點
1.優(yōu) 點
(1)使用簡單
所用USB系統(tǒng)的接口一致,連線簡單。系統(tǒng)可對設備進行自動檢測和配置,支持熱插拔。新添加設備系統(tǒng)不需要重新啟動。
(2)應用范圍廣
USB系統(tǒng)數(shù)據(jù)報文附加信息少,帶寬利用率高,可同時支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個USB系統(tǒng)最多可支持127個物理設備。USB設備的帶寬可從幾Kbps 到幾Mbps (在USB2.0版本,最高可達幾百Mbps)。一個USB系統(tǒng)可同時支持不同速率的設備,如低速的鍵盤、鼠標,全速的ISDN、語音,高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設備)。
(3)較強的糾錯能力
USB系統(tǒng)可實時地管理設備插拔。在USB協(xié)議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能,同時根據(jù)不同的傳輸類型來處理傳輸錯誤。
(4)總線供電
USB總線可為連接在其上的設備提供5V電壓/100mA電流的供電,最大可提供500mA的電流。USB設備也可采用自供電方式。
?。?)低成本
USB接口電路簡單,易于實現(xiàn),特別是低速設備。USB系統(tǒng)接口/電纜也比較簡單,成本比串口/并口低。
2.缺 點
USB技術還不是很成熟,特別是高速設備。市場上現(xiàn)有的USB設備價格都比較昂貴,但隨著USB技術的日益成熟,設備的不斷增加和廣泛應用,其價格將會有所降低。
三、USB系統(tǒng)拓撲結構
一個USB系統(tǒng)包含三類硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)、USB集線器(USB HUB),如圖1所示。
(1)USB HOST
在一個USB系統(tǒng)中,當且僅當有一個USB HOST時,USB HOST有以下功能:
◇ 管理USB系統(tǒng);
◇ 每毫秒產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù);
◇ 發(fā)送配置請求對USB設備進行配置操作;
◇ 對總線上的錯誤進行管理和恢復。
?。?)USB DEVICE
在一個USB系統(tǒng)中,USB DEVICE和USB HUB總數(shù)不能超過127個。USB DEVICE接收USB總線上的所有數(shù)據(jù)包,通過數(shù)據(jù)包的地址域來判斷是不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包:若地址不符,則簡單地丟棄該數(shù)據(jù)包;若地址相符,則通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包與USB HOST進行數(shù)據(jù)傳輸。
?。?)USB HUB
USB HUB用于設備擴展連接,所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時,USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作,并通過響應USB HOST的數(shù)據(jù)包把端口狀態(tài)匯報給USB HOST。一般來說,USB設備與USB HUB間的連線長度不超過5m,USB系統(tǒng)的級聯(lián)不能超過5級(包括ROOT HUB)。
四、USB總線數(shù)據(jù)傳輸
USB總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y構如圖2所示。
從物理結構上,USB系統(tǒng)是一個星形結構;但在邏輯結構上,每個USB邏輯設備都是直接與USB HOST相連進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在USB總線上,每ms傳輸1幀數(shù)據(jù)。每幀數(shù)據(jù)可由多個數(shù)據(jù)包的傳輸過程組成。USB設備可根據(jù)數(shù)據(jù)包中的地址信息來判斷是否響應該數(shù)據(jù)傳輸。在USB標準1.1版本中,規(guī)定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求:
?。?)控制傳輸(control transfer)
控制傳輸發(fā)送設備請求信息,主要用于讀取設備配置信息及設備狀態(tài)、設置設備地址,設置設備屬性、發(fā)送控制命令等功能。全速設備每次控制傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?4個字節(jié),而低速設備每次控制傳輸?shù)淖畲笥行ж摵蓛H為8個字節(jié)。
(2)同步傳輸(isochronous transfer)
同步傳輸僅適用于全速/高速設備。同步傳輸每ms進行一次傳輸,有較大的帶寬,常用于語音設備。同步傳輸每次傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?023個字節(jié)。
(3)中斷傳輸(interrupt transfer)
中斷傳輸用于支持數(shù)據(jù)量少的周期性傳輸需求。全速設備的中斷傳輸周期可為1~255ms,而低速設備的中斷傳輸周期為10~255ms。全速設備每次中斷傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?4個字節(jié),而低速設備每次中斷傳輸?shù)淖畲笥行ж摵蓛H為8個字節(jié)。
?。?)塊數(shù)據(jù)傳輸(bulk transfer)
塊數(shù)據(jù)傳輸是非周期性的數(shù)據(jù)傳輸,僅全速/高速設備支持塊數(shù)據(jù)傳輸,同時,當且僅當總線帶寬有效時才進行塊數(shù)據(jù)傳輸。塊數(shù)據(jù)傳輸每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笥行ж摵煽蔀?4個字節(jié)。
五、典型應用
USB系統(tǒng)的典型應用如圖3所示。
在圖3所示系統(tǒng)中,顯示器、Audio、Modem皆為全速設備,鍵盤、鼠標為低速設備。其數(shù)據(jù)傳輸為:
◇ USB HOST通過控制傳輸更改顯示器屬性。
◇ USB HOST通過塊數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)送給顯示器。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。
◇ USB HOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統(tǒng)。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改Audio屬性。
◇ USB HOST通過同步傳輸與Audio設備傳輸數(shù)據(jù)。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改Modem屬性。
◇ USB HOST通過塊數(shù)據(jù)傳輸與Modem設備傳輸數(shù)據(jù)。
六、一個USB HOST接口的軟硬件設計
市場上現(xiàn)已有很多公司提供的USB接口器件,如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12,OKI的MSM60581,NATIONAL的USBN9602,LUCENT的USS-820/USS-620,SCANLOGIC的SL11,等等。
同時也有很多帶USB接口的處理器,如CYPRESS的EZ-USB,AMD的AM186CC,ATMEL的AT43320,MOTOROLA的PPC823/PPC850,等等。下面給出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT實現(xiàn)嵌入式USB HOST的例子。
1.SL11HT特點
◇ 遵從USB1.1標準;
◇ 支持全速/低速傳輸;
◇ 支持主機/設備端兩種模式;
◇ 3.3/5.0V供電;
◇ 片內(nèi)包含256個字節(jié)的SRAM;
◇ 48MHz晶振輸入。
當SL11HT被用作USB HOST接口時,對系統(tǒng)有以下要求:
◇ 由系統(tǒng)維護SOF幀數(shù)目;
◇ 由系統(tǒng)生成CRC5效驗碼;
◇ 要求系統(tǒng)中斷潛伏期小于1.5μs。
2.SL11HT接口硬件框圖
圖4簡單地給出了使用SL11HT擴展USB接口的框圖,更詳細的硬件連線圖請見參考文獻2,3。
3.USB HOST端軟件結構
USB HOST端軟件結構如圖5所示。
?。?)USB接口驅(qū)動程序
USB接口驅(qū)動程序需實現(xiàn)以下功能:
◇ USB接口器件的初始化;
◇ 計算上層數(shù)據(jù)包的效驗和,發(fā)送上層的數(shù)據(jù)包;
◇ 發(fā)送SOF幀;
◇ 接收從USB接口傳送來的數(shù)據(jù),并檢查數(shù)據(jù)的有效性;
◇ 將接收到的數(shù)據(jù)送往上層。
(2)USB協(xié)議棧驅(qū)動程序
USB協(xié)議棧驅(qū)動程序需實現(xiàn)以下功能:
◇ 提供與設備驅(qū)動程序的接口;
◇ 讀取并解析USB設備描述符,配置描述符;
◇ 為USB設備分配唯一的地址;
◇ 使用默認的配置來配置設備;
◇ 支持基本的USB命令請求;
◇ 連接設備與相應的驅(qū)動程序;
◇ 轉(zhuǎn)發(fā)設備驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)包。
?。?)設備驅(qū)動程序
設備驅(qū)動程序需實現(xiàn)以下功能:
◇ 提供與應用程序的接口;
◇ 讀取并解析USB設備特有的描述符,獲得設備提供的傳輸通道;
◇ 發(fā)送設備特有的和基本的USB命令請求;
◇ 通過設備提供的傳輸通道與設備進行數(shù)據(jù)傳輸;
◇ 通過USB命令請求重新配置設備。
參考文獻
1 Universal Serial Bus Specification Revision 1.1 http://www.usb.org
2 SL11H/T USB Host/Slave Controllers Technical Reference. http://www.scanlogic.com
3 SL11H Application Notes. http://www.scanlogic.com
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