通用串行總線(USB)原理及接口設(shè)計(jì)

    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(kāi)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(cè)該外設(shè)并且通過(guò)自動(dòng)加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)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(lái)，圖２中顯示了高速方式下Ｈｕｂ的作用。

     通過(guò)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(guò)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(xiě)變得簡(jiǎn)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(shí)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(lái)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(qǐng)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(shí)別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。

     對(duì)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(jiàn)圖１)。

     對(duì)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(guò)來(lái)的描述字中來(lái)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(lái)，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(duì)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(guò)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(lái)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(yǔ)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(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時(shí)查詢?cè)O(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(cè)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(méi)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(kāi)發(fā)ＵＳＢ設(shè)備時(shí)通過(guò)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(duì)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(hào)，包標(biāo)識(shí)，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(kāi)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(guò)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(qǐng)求通過(guò)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(qǐng)求給總線驅(qū)動(dòng)程序，總線驅(qū)動(dòng)程序可以把這些請(qǐng)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(zhǎng)。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(lái)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(duì)不同的端點(diǎn)和傳輸方式做一個(gè)統(tǒng)籌安排，用來(lái)適應(yīng)它的帶寬。對(duì)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(duì)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(zhǎng)度。ＵＳＢ系統(tǒng)軟件用這個(gè)長(zhǎng)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(kāi)銷的１８?jìng)€(gè)字節(jié)，剩余４５８?jìng)€(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(zhǎng)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(zhǎng)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。