第
1
章
1.1
绪论
起因
Intel
公司开发的通用串行总线架构(USB)的目的主要基于以下三方面考虑
(一)计算机与电话之间的连接
显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基
本的应用 机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通½络 然而 由于目
前产业间的相互独立发展,尚未建立统一标准,而
USB
则可以广泛的连接计算机和电话
(二)易用性
众所周知,PC 机的改装是极不灵活的 对用户友½的图½化接口和一些
½硬件机制的结合 加上新一代总线结构½得计算机的冲突大量减少 且易于改装 ½以
终端用户的眼光来看
PC
机的输入/输出 如串行/并行端口 键盘 鼠标 操纵杆接口
等 均还没有达到即插即用的特性
USB
正是在这种情况下问世的
(三)端口扩充
外围设备的添加总是被相½有限的端口数目限制着 缺少一个双向
价廉 与外设连接的中½速的总线 限制了外围设备(诸如电话/电传/调制解调器的适配
器 扫描仪 键盘
PDA)的开发
现有的连接只可对极少设备进行优化 对于
PC
机的新
的功½部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要
USB
就应运而生 它是快速 双
向 同步 动态连接且价格½廉的串行接口 可以满足
PC
机发展的现在和未来的需要
1.2
USB
规范的目标
本书规范了
USB
的工业标准 该规范介绍了
USB
的总线特点 协议内容 事务种类
总线管理 接口编程的设计 以及建立系统 制造外围设备所需的标准
设计
USB
的目标就是½不同厂家所生产的设备可以在一个开放的½系下广泛的½用
该规范改进了便携商务或家用电脑的现有½系结构 进而为系统生产商和外设开发商提供
了足够的空间来创造多功½的产品和开发广阔的市场 并不必½用陈旧的接口 害怕失去
兼容性
1.3
适用对象
该规范主要面向外设开发商和系统生产商 并且提供了许多有价值的信息给操½系
统/BIOS/设备驱动平台
IHVS/ISVS
适配器 以及各种计算机生产厂家½用
该
USB
版本的规范可以用来设计开发新产品 改进一些经典的模型 并开发相应的
½件 所有的产品½应遵循这个规范——USB
1.1
1.4
本书结构
第一章至第四章为读者提供了一个纲要 第五章至第十章则提供了
USB
的所有的具½
技术细节
外设厂家应着眼于第四章至第十章
USB
的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九 十章
USB
设备驱动厂家主要参考第四 七 九章
Universal Serial Bus Device Class Specification
一书可以½为本书的补充
和参考 各种设备的规范是½½色色的 如有疑问 请与
USB Implements Forum
索要更
多细节
读者也可以为向操½系统厂商索取关于
USB
的一些具½特性
第
2
章
背景知识
本章将对
USB
背景知识½简单描述
技术特点
2.1
则
其中主要包括设计目标
总线特性
以及现行
USB
的设计目标
USB
的工业标准是对
PC
机现有的½系结构的扩充
易于扩充多个外围设备
价格½廉 且支持
12M
比特率的数据传输
对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持
协议灵活 综合了同步和异步数据传输
兼容了不同设备的技术
综合了不同
PC
机的结构和½系特点
提供一个标准接口 广泛接纳各种设备
赋予
PC
机新的功½ ½之可以接纳许多新设备
USB
的设计主要遵循以下几个准
½用的分类
表
2-1
按照数据传输率(USB 可以达到)进行了分类 可以看到
12M
比特率可以包括
中速和½速的情况 总的来说 中速的传输是同步的 ½速的数据来自交互的设备
USB
设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的 ½件½系通过对各种主机控
制器提供支持以保证将来对
USB
的扩充
2.2
性½
½速
交互设备
10-20kb/s
中速
电话 音频 压缩视频
500kb/s-10Mb/s
高速
音频 磁盘
25-500Mb/s
2.3
键盘
应用
鼠标
游戏棒
½价格
特性
热插拔
易用性
ISBN
PBX
POTS
½价格 易用性 动态插
拔 限定带½和延迟
高带½
限定延迟
易用性
音频
磁盘
表
2-1
特色
USB
的规范½针对不同的性½价格比要求提供不同的选择
及相应不同的功½ 其主要特色可½结为以下几点
终端用户的易用性
为接缆和连接头提供了单一模型
电气特性与用户无关
自我检测外设 自动地进行设备驱动 设½
动态连接 动态重½的外设
广泛的应用性
适应不同设备 传输速率从几千比特率到几十兆比特率
在同一线上支持同步 异步两种传输模式
支持对多个设备的同时操½
可同时操½
127
个物理设备
在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流
支持多功½的设备
利用½层协议 提高了总线利用率
同步传输带½
确定的带½和½延迟适合电话系统和音频的应用
以满足不同的系统和部件
同步工½可以利用整个总线带½
灵活性
直接一系列大小的数据包 允许对设备缓冲器大小的选择
通过指定数据缓冲区大小和执行时间 支持各种数据传输率
通过协议对数据流进行缓冲处理
健壮性
出错处理/差错恢复机制在协议中½用
对用户感觉而言 热插拔是完全实时的
可以对有缺陷设备进行认定
与
PC
产业的一致性
协议的易实现性和完整性
与
PC
机的即插即用的½系结构的一致
对现存操½系统接口的良½衔接
价廉物美
以½廉的价格提供
1.5
兆比特率的子通道设½
将外设和主机硬件进行了最优化的集成
促进了½价格的外设的发展
廉价的电缆和连接头
运用了商业技术
升级路径
½系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个
USB
主机控制器
第
3
章
½系结构概述
本章主要内容是关于
USB
的概述和一些关键的概念
USB
是一种电缆总线 支持在主
机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输 由主机预定的标准的协议½各种设备
分享
USB
带½ ½其它设备和主机在运行时 总线允许添加 设½ ½用以及拆除外设
后续章节将着重描述
USB
的细节
3.1 USB
系统的描述
一个
USB
系统主要被定义为三个部分
USB
的互连
USB
的设备
USB
的主机
USB
的互连是指
USB
设备与主机之间进行连接和通信的操½ 主要包括以下几方面
总线的拓扑结构
USB
设备与主机之间的各种连接方式
内部层次关系 根据性½叠½
USB
的任务被分配到系统的每一个层次
数据流模式 描述了数据在系统中通过
USB
从产生方到½用方的流动方式
USB
的调度
USB
提供了一个共享的连接 对可以½用的连接进行了调度以支持同
步数据传输 并且避免的优先级判别的开销
USB
的设备及主机的细节将讲述于后
3.1.1
总线布局技术
USB
连接了
USB
设备和
USB
主机
USB
的物理连接是有层次性的星型结构 每个½络
集线器是在星型的中心 每条线段是点点连接 从主机到集线器或其功½部件 或从集线
器到集线器或其功½部件 从图
3-1
中可看出
USB
的拓扑结构
3.1.1.1 USB
的主机
在任½
USB
系统中 只有一个主机
USB
和主机系统的接口称½主机控制器 主机控
图
3
1
总线的拓扑结构
用以提供更多的连
制器可由硬件 固件和½件综合实现 根集线器是由主机系统整合的
接点 关于主机更多的内容可参见
4.9
节和第
9
章
4.1.1.2 USB
的设备
USB
的设备如下所示:
½络集线器 向
USB
提供了更多的连接点;
功½器件 为系统提供具½功½ 如
ISDN
的连接
USB
设备提供的
USB
标准接口的主要依据
对
USB
协议的运用
对标准
USB
操½的反馈 如设½和复½
标准性½的描述性信息
关于
USB
设备的更多信息请参见
3.8
节和第
8
章
数字的游戏杆或扬声器
3.2
物理接口
USB
的物理接口的电气特性在第六章,机械特性在第五章详细介绍
1
电气特性
USB
传送信号和电源是通过一种四线的电缆
存在两种数据传输率
2
3
图
3-2
中的两根线是用于发送信号
图
3-2
USB
的电缆
USB
的高速信号的比特率定为
12Mbps
½速信号传送的模式定为
1.5Mbps
½速模式需要更少的
EMI
保护 两种模式可在用同一
USB
总线传输的情况下自动地动
态切换 因为过多的½速模式的½用将降½总线的利用率 所以该模式只支持有限个½带
½的设备(如鼠标) 时钟被调制后与差分数据一同被传送出去 时钟信号被½换成
NRZI
码 并填充了比特以保证½换的连续性 每一数据包中附有同步信号以½得收方可还原出
原时钟信号
电缆中包括
VBUS
GND
二条线 向设备提供电源
VBUS
½用+5V 电源
USB
对
电缆长度的要求很½ 最长可为几米 通过选择合适的导线长度以匹配指定的
IR drop
和
其它一些特性 如设备½源预算和电缆适应度 为了保证足够的输入电压和终端阻抗 重
要的终端设备应½于电缆的尾部 在每个端口½可检测终端是否连接或分离 并区分出高
速 或½速设备
3.2.2
机械特性
电缆和连接器的机械特性将在第
5
章详述 所有设备½有一个上行的连接 上行连接
器和下行连接器是不可简单的互换 这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接 电
缆中有四根导线 一对互相缠绕的标准规格线 一对符合标准的电源线 连接器有四个方
向 具有屏½层 以避免外界干扰 并有易拆装的特性
3.3
电源
主要包括两方面
电源分配 即
USB
的设备如½通过
USB
分配得到由主计算机提供的½源
电源管理 即通过电源管理系统
USB
的系统½件和设备如½与主机协调工½
3.3.1
电源分配
每个
USB
单元通过电缆只½提供有限的½源 主机对那种直接相连的
USB
设备提供电
源供其½用 并且每个
USB
设备½可½有自己的电源 那些完全依靠电缆提供½源的设备
称½ 总线供½ 设备 相反 那些可选择½源来源的设备称½ 自供电 设备 而且
集线器也可由与之相连的
USB
设备提供电源 受一定布局限制的带有 总线供½ 集线器
的½系结构将在第十章讨论 在图
4-4(½于 3.8)中
键盘 输入笔和鼠标均为 总线供
½ 设备
3.3.2
电源管理
USB
主机与
USB
系统有相互独立的电源管理系统
USB
的系统½件可以与主机的½源
管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起 唤醒 并且有特色的是
USB
设备应用特有
的电源管理特性 可让系统½件和控制其电源管理
USB
的电源分配和电源管理特性½之可以被设计在电源传感系统中 如采用电池的笔
记本电脑
总线协议
USB
总线属一种½讯方式的总线 主机控制端口初始化所有的数据传输
每一总线执行动½最多传送三个数据包 按照传输前制定½的原则 在每次传送开始
时 主机控制器发送一个描述传输运½的种类 方向
USB
设备地址和终端号的
USB
数据
包 这个数据包通常称为标志包(token
packet) USB
设备从解码后的数据包的适½½½
取出属于自己的数据 数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机 在传输开始
时 由标志包来标志数据的传输方向 然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有
数据传送 接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功 发送端和接收端之
间的
USB
数据传输 在主机和设备的端口之间 可视为一个通道 存在两种类型的通道
流和消息 流的数据不像消息的数据 它没有
USB
所定义的结构 而且通道与数据带½
传送服务类型 端口特性 如方向和缓冲区大小 有关 多数通道在
USB
设备设½完成后
即存在
USB
中有一个特殊的通道——缺省控制通道 它属于消息通道 ½设备一启动即
存在 从而为设备的设½ 查询状况和输入控制信息提供一个入口
事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制 从而在硬件级上防止了对缓冲区的高
估或½估 通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度 ½不确认信号发过后
3.4
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