usb系统结构与应用设计(1)

USBUSB 系统结构与应用设计系统结构与应用设计(1)(1) 摘要：通用串行总线是一种简单的计算机外围接口标准。 它具有即插即用、扩展方便等优点，已成为计算机必备的 一个接口。本文简要介绍 USB 总线的功能、拓朴结构及其 数据传输过程，并举例说明 USB 接口的实际应用。 关键词：通用串行总线 USB 接口外围接口标准 一、USB 接口背景 在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。 每个接口都需要占用计算机的系统资源。无论是串口还是 并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此 每添加一个新的设备，就需要添加一个 ISA/EISA 或 PCI 卡 来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。 USB 总线是 INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM 等公司联合 提出的一种新的串行总线标准，主要用于 PC 机与外围设备 的互联。USB 总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、 易于扩展等特点，已被广泛地用在 PC 机及嵌入式系统上。 二、USB 总线优缺点 1.优点 （1）使用简单 所用 USB 系统的接口一致，连线简单。系统可对设备 进行自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需 要重新启动。 （2）应用范围广 USB 系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时 支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个 USB 系统最 多可支持 127 个物理设备。USB 设备的带宽可从几 Kbps 到 几 Mbps。一个 USB 系统可同时支持不同速率的设备，如低 速的键盘、鼠标，全速的 ISDN、语音，高速的磁盘、图像 等。 （3）较强的纠错能力 USB 系统可实时地管理设备插拔。在 USB 协议中包含了 传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类 型来处理传输错误。 （4）总线供电 USB 总线可为连接在其上的设备提供 5V 电压/100mA 电 流的供电，最大可提供 500mA 的电流。USB 设备也可采用自 供电方式。 （5）低成本 USB 接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB 系统接口/电缆也比较简单，成本比串口/并口低。 2.缺点 USB 技术还不是很成熟，特别是高速设备。市场上现有 的 USB 设备价格都比较昂贵，但随着 USB 技术的日益成熟， 设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。 三、USB 系统拓扑结构 一个 USB 系统包含三类硬件设备:USB 主机、USB 设备、 USB 集线器，如图 1 所示。 （1）USBHOST 在一个 USB 系统中，当且仅当有一个 USBHOST 时， USBHOST 有以下功能: 管理 USB 系统； 每毫秒产生一帧数据； 发送配置请求对 USB 设备进行配置操作； 对总线上的错误进行管理和恢复。 （2）USBDEVICE 在一个 USB 系统中，USBDEVICE 和 USBHUB 总数不能超 过 127 个。USBDEVICE 接收 USB 总线上的所有数据包，通过 数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址 不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应 USBHOST 的数据包与 USBHOST 进行数据传输。 （3）USBHUB USBHUB 用于设备扩展连接，所有 USBDEVICE 都连接在 USBHUB 的端口上。一个 USBHOST 总与一个根 HUB 相连。 USBHUB 为其每个端口提供 100mA 电流供设备使用。同时， USBHUB 可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作， 并通过响应 USBHOST 的数据包把端口状态汇报给 USBHOST。 一般来说，USB 设备与 USBHUB 间的连线长度不超过 5m，USB 系统的级联不能超过 5 级（包括 ROOTHUB） 。 四、USB 总线数据传输 USB 总线上数据传输的结构如图 2 所示。 从物理结构上，USB 系统是一个星形结构；但在逻辑结 构上，每个 USB 逻辑设备都是直接与 USBHOST 相连进行数 据传输的。在 USB 总线上，每 ms 传输 1 帧数据。每帧数据 可由多个数据包的传输过程组成。USB 设备可根据数据包中 的地址信息来判断是否响应该数据传输。在 USB 标准版本 中，规定了 4 种传输方式以适应不同的传输需求： （1）控制传输（controltransfer） 控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置 信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送控 制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大有效负荷可 为 64 个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅 为 8 个字节。 （2）同步传输（isochronoustransfer） 同步传输仅适用于全速/高速设备。同步传输每 ms 进 行一次传输，有较大的带宽，常用于语音设备。同步传输 每次传输的最大有效负荷可为 1023 个字节。 （3）中断传输（interrupttransfer） 中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速 设备的中断传输周期可为 1255ms，而低速设备的中断传输 周期为 10255ms。全速设备每次中断传输的最大有效负荷 可为 64 个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷 仅为 8 个字节。 （4）块数据传输（bulktransfer） 块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备 支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行 块数据传输。块数据传输每次数据传输的最大有效负荷可 为 64 个字节。 五、典型应用 USB 系统的典型应用如图 3 所示。 在图 3 所示系统中，显示器、Audio、Modem 皆为全速设备， 键盘、鼠标为低速设备。其数据传输为： USBHOST 通过控制传输更改显示器属性。 USBHOST 通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。 USBHOST 通过控制传输更改键盘、鼠标属性。 USBHOST 通过中断传输要求键盘、鼠标输入读入系统。 USBHOST 通过控制传输更改 Audio 属性。 USBHOST 通过同步传输与 Audio 设备传输数据。 USBHOST 通过控制传输更改 Modem 属性。 USBHOST 通过块数据传输与 Modem 设备传输数据 六、一个 USBHOST 接口的软硬件设计 市场上现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。 同时也有很多带 USB 接口的处理器，如 CYPRESS 的 EZ- USB，AMD 的 AM186