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USB接口设计.pdf

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USB接口设计.pdf

清华大学毕业设计论文第一章前言当今的计算机外部设备都在追求高速度和高通用性为了满足用户的需求以Intel为首的七家公司于1994年推出了USBUniversalSerialBus通用串行总线总线协议专用于低中速的计算机外设目前USB端口已成为了微机主板的标准端口而在不久的将来所有的微机外设包括键盘鼠标显示器打印机数字相机扫描仪和游戏柄等等都将通过USB与主机相连这种连接较以往普通并口和串口的连接而言主要的优点是速度高功耗低支持即插即用PlugPlay和使用维护方便作为一个硬件厂商或是开发者最关心的便是如何去开发USB外设一般的USB设备都使用一片微控制器作为其核心部件通过微控制器强大的控制和运算功能开发者可以很容易地实现USB设备的智能化MOTOROLA公司是目前世界上最大的微控制器供应商其8位微控制器的全球市场份额达到了30左右MOTOROLA公司将其8位微控制器归类为用户定制的集成电路CSIC为客户提供了MPURAMEPROMSPISCI定时器和USB等多种模块用量大的客户可以根据自己的需要选择不同的模块来构筑自己的微控制器MOTOROLA公司从1996年开始陆续推出了一系列含有USB模块的8位微控制器用于支持USB总线协议的设备如最早的用于显示器的68HC05BD9A用于鼠标的68HC05JB2以及用于键盘的68HC08KL8和68HC08KH12等等通过微控制器内含的USB模块用户可以很方便地实现USB总线上的数据通讯68HC05JB4最初是用于开发USB游戏柄的后来也常被用于其他一些USB外设的开发国外在近两年已出现了不少的USB外设但目前在国内市场上我们仅发现了台湾生产的摄像头等少数几类高速USB外设低速USB设备还是一个空白同时国外开发的USB设备多集中在鼠标键盘等少数几类设备上诸如USB手写板等设备就是在国外也很少见国内近年来计算机非键盘输入技术发展很快在汉字英文和数字的手写识别方面已有相当基础本项目之目的就是吸收USB总线和MOTOROLA微控制器的先进技术与中科院自动化所汉王公司的手写识别技术相结合在汉王笔的基础上设计生产出自己的新一代USB手写输入系统此USB手写系统采用汉王公司的传感器获得笔画信息传给68HC05JB4经过整理后通过USB总线发送到PC再由自行编写的驱动程序接收最终转给汉王公司的文字识别软件识别第1页清华大学毕业设计论文第二章USB总线协议USBUniversalSerialBus总线协议是以Intel为主并有CompaqMicrosoftIBMDECNorthernTelecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口标准1994年11月制定了第一个草案1996年2月公布了USB规范版本1.0USB可把多达127个外设同时联到你的系统上所有的外设通过协议来共享USB的带宽其12Mbps的带宽对于键盘鼠标等低中速外设是完全足够的注在1999年2月发布的USB规范版本2.0草案中已建议将12Mbps的带宽提升到120240MbpsUSB允许外设在主机和其它外设工作时进行连接配置使用及移除即所谓的即插即用PlugPlay同时USB总线的应用可以清除PC上过多的I/O端口而以一个串行通道取代使PC与外设之间的连接更容易以下简单介绍USB总线的结构原理以使读者对USB有大致的了解如果需要了解其协议细节请查阅USB总线规范这可以从www.usb.org下载2.1总线拓扑结构USB总线的物理连接是一种分层的菊花链结构集线器hub是每个星形结构的中心PC机就是主机和根Hub用户可以将外设或附加的Hub与之相连这些附加的Hub可以连接另外的外设以及下层HubUSB支持最多5个Hub层以及127个外设图2.1描述了USB的物理拓扑结构从中可以看出每一段的连接都是点对点的HostRootTierTier1Tier2Tier3Tier4Hub1Hub2NodeHostRootHubNodeHub3Hub4NodeNodeNodeNodeNode图2.1USB总线拓扑第2页清华大学毕业设计论文2.2USB的物理层USB的物理接口包括电气特性和机械特性USB通过一个四线电缆来传输信号与电源如图2.2所示......5metersmaxVBusGNDDDVBusGNDDDi0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0i0图2.2USB电缆定义其中D和D是一对差模的信号线而VBus和GND则提供了5V的电源它可以给一些设备包括Hub供电当然要有一定的条件限制USB提供了两种数据传输率一种是12Mb的高速fullspeed模式另一种是1.5Mb的低速模式这两种模式可以同时存在于一个USB系统中而引入低速模式主要是为了降低要求不高的设备的成本比如鼠标键盘等等USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过5m而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线但最长不能超过3m这主要是由于信号衰减的限制为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离并且可以区分高速与低速设备所有的设备都有上行的接口上行和下行的接头是不能互换的这保证了不会有非法的连接出现插头与插座有两个系列分别为A和B系列A用于基本固定的外围设备而系列B用于经常拔插的设备这两个系列是不能互换的2.3USB设备USB设备包括Hub和功能设备而功能设备又可以细分为定位设备字符设备等等为了进一步叙述我们给出端点endpoint和管道pipe的概念第3页清华大学毕业设计论文端点每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合主机只能通过端点与设备进行通讯以使用设备的功能每个端点实际上就是一个一定大小的数据缓冲区这些端点在设备出厂时就已定义好在USB系统中每一个端点都有唯一的地址这是由设备地址和端点号给出的每个端点都有一定的特性其中包括传输方式总线访问频率带宽端点号数据包的最大容量等等端点必须在设备配置后才能生效端点0除外端点0通常为控制端点用于设备初始化参数等端点12等一般用作数据端点存放主机与设备间往来的数据管道一个USB管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接它代表了一种在两者之间移动数据的能力一旦设备被配置管道就存在了管道有两种类型数据流管道其中的数据没有USB定义的结构与消息管道其中的数据必须有USB定义的结构管道只是一个逻辑上的概念所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道通过控制管道可以获取完全描述USB设备的信息包括设备类型电源管理配置端点描述等等只要设备连接到USB上并且上电端点0就可以被访问与之对应的控制管道就存在了一个USB设备可以分为三个层图2.3最底层是总线接口用来发送与接收包中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通一个端点是数据最终的使用者或提供者它可以看作数据的源或接收端最上层就是USB设备所提供的功能比如鼠标或键盘等USBLogicalDeviceFunctionPhysicalDeviceUSBBusInterfaceActualcommunicationsflow实际数据流Logicalcommunicationsflow逻辑数据流图2.3USB设备结构层次第4页

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