USB系统描述.doc

USB系统描述1 USB的体系结构1.1 USB系统的描述1.2 USB总线结构1.3 USB的电气及机械特性2 USB数据流模型2.1 USB总线拓扑结构3 USB数据传输3.1 USB数据传输类型3.2 USB数据传输要素4 USB设备的描述符1 USB的体系结构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使各种设备分享USB带宽，当其他设备的主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。1.1 USB系统的描述 一个USB系统主要被定义为三个部分:(1) USB的互连；(2) USB的设备；(3) USB的主机。USB的互连指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，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：根据性能叠置，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从产生方到使用方的流动方式；USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免优先级判别的开销。1.2 USB总线结构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。每个网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能部件，或从集线器到集线器或其功能部件，从图2.1中可看出USB的拓扑结构。在任何USB系统中，只有一个主机。USB和主机系统的接口称作主机控制器，主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连接点。由图1可知，USB的拓扑结构体系由3种元素组成：主机、集线器和设备。在PC平台上的USB中，PC就是主机和根集线器,用户可以将设备和下级集线器与之连接。而这些附加的集线器又可以连接更下一级的集线器和设备，从而构成了星形结构。在USB协议1.1中，一个USB的拓扑网络最多可以支持4个集线器层（包括最后一级设备的话就是共5层）共127个外设。1.3 USB的电气及机械特性USB传送信号和电源是通过一种四线电缆,图2中的两根线是用于发送信号。存在三种数据传输率：（1） USB的高速信号的比特率定为480Mbps；（2） USB的全速信号的比特率定为12Mbps；（3） 低速信号传送的模式定为1.5Mbps。 图1 总线的拓扑结构 图2 USB的电缆USB2.0主机控制器和集线器提供了使全速和低速数据可以在它们之间以高速传送的能力，而在集线器和设备之间数据仍以全速或低速传输。这种能力使全速和低速设备对高速设备可用带宽的影响最小。 因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限个低带宽的设备（如鼠标）。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去，时钟信号被转换成NRZI（非归零反相编码）码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附有同步信号以使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使用+5V电源。USB对电缆长度的要求很宽，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和其他一些特性，如设备能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。重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速、全速或低速设备。2 USB数据流模型 图3 简单的USB主机/设备USB系统提供了主机和USB设备之间的通信功能，从终端用户的角度看到的USB系统，可简单地用图3表示。但在实际的实现上，具体的系统要比这复杂。由于不同层次的实现者对USB有不同的要求，必须从不同的层次观察USB系统。主机分客户软件层，USB系统软件层和USB主机控制器。设备分USB总线接口层，USB设备层和功能层。 客户软件（client software)：为一个特定的USB设备而在主机上运行的软件。这种软件由USB设备的提供者提供，或由操作系统提供。 USB系统软件（USB system software)：此软件用于在特定的操作系统中支持USB，它由操作系统提供。与具体的USB设备无关，也独立于客户软件。 USB主机控制器（USB Host Controller)：总线在主机方面的接口，是软件和硬件的总和。用于支持USB设备通过USB连到主机上。如图4，一台主机与一个USB设备间的连接是由许多层上的连接组成。USB总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接、发送连接、数据包连接。USB设备层对USB系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层来完成对设备的一般USB操作。功能层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。USB设备层和功能层的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由USB总线接口层来完成。 图4 USB接口模块结构图2.1 USB总线拓扑结构总线拓扑结构包括三个重要的组成部分： 主机和设备：USB系统的基础组成部分； 物理拓扑结构：描述USB系统中的各组成部分是如何连接起来的； 逻辑拓扑结构：描述USB系统中各种组成部分的地位和作用，以及描述从主机和设备的角度观察到的USB系统。USB主机：主机由3部分组成： USB主机控制器（USB Host Controller)； USB系统软件集合：USB驱动程序、主机控制器的驱动程序、主机软件； 客户软件。USB主机在USB系统中是一个起协调作用的实体，它不仅占有特殊的物理位置，而且对于USB以及连到USB上的设备来说，还负有特殊责任。主机控制所有对USB的访问。一个USB设备想要访问总线必须由主机给予它使用权。主机还负责监督USB的拓扑结构。USB设备：一个USB设备由USB总线接口、USB逻辑设备、功能模块构成。USB设备用于向主机提供一些额外的功能，这些功能是多种多样的，但它们面向主机的接口却是一致辞的，所以对于所有USB设备，主机可以用同样的方式来管理USB设备中与USB有关的部分。USB总线的物理拓扑结构：USB系统中设备与主机的连接方式采用的是星型连接，如图5所示。 根HUB 主机设备设备 复合设备HUB HUB 设备设备设备设备 图5 USB物理总线的拓扑USB总线的逻辑拓扑结构：在物理结构上，设备通过集线器连到主机上。但在逻辑上，主机是直接与各个逻辑设备通信的，就好像它们是直接被连到主机上一样。这个逻辑关系如图6所示。虽然USB系统中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理结构有个了解。例如，在处理Hub被移去的情况时，当一个Hub被移出，通过它与主机相连的设备也应一起被移去，这是由其物理结构决定的。 图6 USB逻辑总线的拓扑3 USB数据传输3.1 USB数据传输类型USB数据传输类型包括批量传输、中断传输、同步传输和控制传输。 批量传输：非周期的，大数据包的，可靠的传送。典型地应用于传送那些可以利用任何带宽传输的数据，而且这些数据传输在没有可用的带宽时，可以容忍等待。 中断传输：主要用于向主机通知设备的服务请求，它是由设备发起的通信，具有数据量小，非周期，低频率，延时等特点。 同步传输：主要用于主机和设备之间，与时间有关的信息传输，具有周期12性，连续性的特点。这种传输类型保留了数据中时间压缩的概念，但是，它并不意味着这一数据传送都是实时的。在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。 控制传输：主要用于命令/状态操作，由主机软件发起的请求/响应通信过程，具有突发性，非周期性的特点。3.2 USB数据传输要素端点：端点实际上就是设备硬件上具有一定大小的数据缓冲区。USB系统中，每一个商战都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。而设备的大小、属性等在设备出厂时由厂家定义。所以，每一个USB设备在主机看来就是一系列端点的集合，主机通过端点与设备进行通信。端点的特性，主要有数据传输方式(用于IN事务的端点、OUT事务的端点和SETUP事务的端点等)、总线访问频率、带宽、端点号和数据包最大容量等。除了端点0(用作控制传输端点，默认)外，端点必须在设备被主机配置后才能使用。管道：管道并不像端点那样具有实在的意义。它只是一种逻辑上的概念。端点是数据缓冲区；管道是主机和设备端点之间的连接。用于数据传输的管道，代表了主机的数据缓冲区与设备端点之间交换数据的能力。设备被配置后，端点就不可以使用了，此时管道也就存在了。管道包括数据流管道和消息管道两种。USB没有定义通过数据流管道移动的数据的格式。而消息管道中的数据有USB定义好的格式。此外，还有一种特殊的管道-控制管道。其实，它可以归结到消息管道中去。只是为了与端点0的特殊性相配合，因而这里单独提一下。所以设备必须支持端点0以构筑设备的控制通道。通过控制通道，主机可以获取USB设备的完整信息，包括设备类型、电源管理、配置及端点描述等。作为USB即插即用特点的体现，只要设备连接到主机上，端点就可以被访问，即与之相应的管道也就存在了。帧和微帧：USB2.0和USB1.1规范最大的不同之处就是数据帧。在USB1.1规范中，USB数据采用每毫秒一个数据帧的方式进行数据传输，在毫秒数据帧的开始，USB主机首先产生帧开始数据包，并传输当前数据帧号，后面是传输数据。对于USB2.0规范，为了支持480Mbps高速传输速度，USB2.0提出了微帧的概念，每毫秒数据帧又包括8个微帧。在USB每个数据帧中包括控制、中断、同步和批量传输数据，每个传输类型分配一定的带宽，中断传输和同步传输有时间要求，所以每个数据帧中均要分配一定带宽。4 USB设备的描述符USB设备的描述符掌握了关于设备的所有信息,设备的实现是通过建立描述符来体现其特征和行为的。描述符的层次结构体现为一个描述符树,如图7所示。 图7 USB设备描述符树 最上层的树根是设备描述符。每个设备描述符包含一个或多个下一层的子树，配置描述符。而后依序下一层子树是接口描述符。其后一层的是端点描述符。因此，从设备描述符中，可以设定含有多少个配置描述符。而从配置描述符中，则可设定其包含多少个接口描述符，当然从接口描述符中，又可庙宇所含端点的数目。USB设备通过这些描述符向USB主机汇报设备的各种属性，主机通过对这些描述符的访问对设备进行类型识别、配置并为其提供相应的客户端驱动程序，运行于USB协议上层的客户端驱动程序通过这些信息访问设备并与其通信。(1) 设备描述符：设备描述符描述了设备的通用信息，一个设备只有一个设备描述符。比较特殊的是，默认控制管道数据包的长度是在设备描述符中定义的，而不像其他端点是在端点描述符中定义的。设备描述符是由14个字段共18字节组成的。(2) 配置描述符：配置描述符用于描述一个USB设备的属性和能力等配置信息。配置描述符由8个字段共9字节组成。(3) 接口描述符：接口描述符用于描述一个特定接口的属性。接口一般是由一系列端点所组成的集合体，用于实现某种特定USB的数据传输功能。一般一个USB设备只需具有一个接口。接口描述符还可以在配置后加以改变。一个接口描述符的端点个数不把端点0计算在内。接口描