USB的通讯协议(通俗易懂)ppt课件

选择，第1、16章USB接口和编程实例，主要内容：USB概述USB设备USB物理特性USB通信协议JB8的USB模块编程方法，选择，2，16.1USB概述，USB协议有两种：USB1.1和USB2.0。USB2.0和USB1.1完全兼容。USB1.1支持12Mbps的数据传输速率和1.5Mbps的数据传输速率(用于较慢的外围设备)，USB2.0支持高达480Mbps的数据传输速率。对于最终用户，USB系统是通过USB电缆和PC连接外围设备。外围设备称为USB设备，连接的PC称为USB主机。USB主机的数据传输方向称为上行链路通信，USB设备的数据传输方向称为下行通信。使用分步星形拓扑的USB网络，选择，3，16.1概述，如图16-1所示。一个USB网络只能有一台主机。在主机内设置根集线器，以提供主机的初始连接点。图16-1USB主机和USB设备连接、选择、4，16.1USB概述，主机定期查询集线器的状态。将新设备连接到集线器后，主机将检测集线器状态更改，并发出命令使端口有效并进行设置。位于此端口的设备响应，主机接收有关设备的信息，主机操作系统确定该设备使用的是该类型的驱动程序，然后设备分配一个范围为0到127的唯一标识的地址。其中0是未分配唯一地址时所有设备使用的默认地址。主机发出内部设置请求。当设备在总线上上移时，主机将从可用资源列表中删除设备。精选的5，16.2USB系统基本概念，16.2.1USB主机USB上的所有数据通信(无论是上行链路通信还是下行链路通信)均源自USB主机，因此USB主机在整个数据传输过程中占据优势。USB系统仅允许有一台主机。从开发人员的角度来看，USB主机可以分为三个功能模块：客户软件、USB系统软件和USB总线接口。(1)客户软件(2)USB系统软件(3)USB总线接口、选择、6，16.2USB系统基本概念、16.2.1USB主机(1)客户软件客户软件为实现特定功能，将与USB设备的功能设备进行通信。通常，开发人员自己开发。客户软件不能直接访问USB设备，与USB设备功能设备的通信只能通过USB系统软件和USB总线接口模块进行。客户软件通常包含两个部分：USB设备驱动程序和接口应用程序。USB设备驱动程序负责与USB系统软件通信。通常，向USB总线驱动程序发布I/O请求包(IRP)以开始传输USB数据。另外，根据数据传输的方向，还必须提供空的或满的数据缓冲区以存储相应的数据。接口应用程序通过与USB设备驱动程序通信来控制USB设备。顶级软件，仅查看发送到USB设备的原始数据和从USB设备接收的最终数据。选择，7，16.2USB系统基本概念，16.2.1USB主机(2)USB系统软件USB系统软件负责与USB逻辑设备的配置通信，管理客户软件启动的数据传输。USB逻辑设备是程序员处理USB设备的部分。USB系统软件通常包含USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。这些软件通常在操作系统中提供，不需要开发人员掌握。可选，8，16.2USB系统基本概念，16.2.1USB主机(3)USB总线接口USB总线接口由主控制器和根集线器组成。root hub为用于为USB系统提供一个或多个连接点(端口)的USB系统提供连接起点。主控制器完成主机和USB设备之间数据的实际传输，例如传输数据的串行编解码器和错误控制。与USB系统软件的接口取决于主控制器的硬件实现，开发人员无需了解。可选、9，16.2USB系统基本概念、16.2.2USB设备USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能设备。USB总线接口表示USB设备的串行接口引擎(sie)。USB逻辑设备被USB系统软件视为端点集合。功能单元被客户软件视为一个接口集合。SIE、endpoint和接口是USB设备的配置单元。为了更好地说明USB设备的特性，USB提出了设备体系结构的概念。从这个角度看，USB设备包括一些配置、接口和端点。这意味着一个USB设备可以包含一个或多个配置，每个配置可以包含一个或多个接口，每个接口可以包含多个端点。其中配置和接口抽象了USB设备功能，实际数据传输是端点进行的。使用USB设备之前，必须指示使用的配置和接口。此步骤通常在设备访问主机时在引导状态下执行，稍后将进一步讨论。USB设备使用各种描述符(包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符)描述其设备体系结构，通常存储在USB设备的固件程序中。选择，10，16.2USB系统基本概念，16.2.2USB设备设备设备是指包含一个或多个配置的USB设备。设备描述符描述设备的总体信息，并指示包含的配置数。USB设备只能有一个设备描述符。 USB设备配置可能包含一个或多个配置。例如，USB设备的低功耗模式和低功耗模式分别对应于一个配置。使用USB设备之前，请确保为该设备选择正确的配置。配置描述符用于描述USB设备的每个配置特性，例如配置中包含的接口数。USB设备的每个配置都必须具有配置描述符。连接器配置可以包含一个或多个接口。例如，一个光驱可以使用大容量存储接口传输文件。播放CD时使用音频界面。接口是一组端点，可以包含一个或多个可替换设置，在配置了USB的情况下，可以更改当前接口中包含的数量和特性。接口描述符用于描述USB设备的各个接口属性，例如接口所属的设备类和子类。USB设备的每个接口都必须有接口描述符。选择，11，16.2USB系统基本概念，16.2.2USB设备端点是主机和USB设备的每个端点之间USB设备的实际物理单位。端点通常由USB接口芯片提供(例如，在Freescale中为MC68HC908JB8)。USB设备的每个端点都有唯一的端点编号，通常还确定每个端点支持的数据传输方向。或者，您可以配置输入(IN)或输出(OUT)或某些芯片提供的端点的数据方向。例如，MC68HC908JB8具有两个用于发送和接收数据的端点：端点1和端点2。其中end1只能用于数据传输。这意味着支持输入(IN)，end2既可用于数据传输，也可用于数据接收。也就是说，支持“输入”(IN)和“输出”(OUT)操作。需要注意的是，在这里，数据的传输方向可以从主机的角度来看。例如，端点1只能发送数据，在主机上，端点1向主机输入数据，即IN运算配置为：端点2接收数据，主机将输出端点2，即OUT作业。这是初学者容易混淆的地方。可以使用设备地址、端点编号和传输方向指定端点并进行通信。0号端点有两个物理设备：数据输入IN和数据输出OUT，仅支持控制传输。选择，12，16.2USB系统基本概念，16.2.2USB设备字符串通常表示特定信息，如制造商的名称(包括USB设备上的字符串描述符)、设备的序列号等。内容以unicode格式提供，可以在客户软件中阅读。对于USB设备，字符串描述符是可选的。管道在USB系统结构中直接在主机软件(USB系统软件或客户软件)和USB设备的各种端点之间进行数据传输，它们之间的连接可以称为管道。管道是在配置USB设备的过程中创建的。管道是主机和USB设备之间通信流的抽象，表示主机的数据缓冲区和USB设备的端点之间存在逻辑数据传输，实际数据传输是由USB总线接口层执行的。管道和USB设备的端点一一对应。USB设备具有与主机通信时可用的端点数量，端点类型决定管道(例如中断端点匹配中断管道)的数据传输类型，此管道只能进行中断传输。传输类型稍后将介绍。无论存在多少管道，在每个管道上执行的数据传输都是相互独立的。可选，13，16.3USB物理特性，16.3.1USB接口USB使用屏蔽4线电缆连接网络中的设备。数据传输分别通过标有D和D的差分对进行，其馀两条线为Vcc和Ground，其中Vcc为USB设备供电。使用USB电源的设备称为总线电源设备，使用自身外部电源的设备称为自身电源设备。为避免混淆，USB电缆的线条都用不同的颜色标记，如表16-1所示。表16-1USB电缆的信号和颜色、选择、14，16.3USB物理属性和16.3.1USB连接器从一个设备连接回主机，称为上行链路。从主机到设备的连接，称为下行链路。上行链路和下行链路端口使用不同的连接器以防止环路情况，因此USB在电缆和设备连接中使用两种类型的连接器：图16-2中所示的a型和b型连接器。每个连接器内的线号与图16-2中的端号匹配。用于上行连接的a型连接器(主机或集线器上有a型插槽，连接到主机或集线器的电缆一端有a型插头)。USB设备具有b型插槽，b型插头位于连接主机或集线器的下游电缆的一端。此连接允许USB设备、主机/集线器和USB电缆始终以正确的方式连接，而不会出现电缆访问错误，或者允许直接连接两个USB设备。部分，15，16.3USB物理特性，16.3.2USB信号差分信号技术特性传统的传输方式使用“正信号”或“负信号”二进制表示机制，大多数使用单线传输。在不同的信号级别范围中，存在分别表示1和0的阈值，并且在数据传输过程中被中低强度干扰的情况下，如果上下级别不超过阈值，则信号传输正常进行。但是，如果发生强碰撞，则上下级别将超过阈值，从而导致数据传输错误。差分信号技术的最大特点是，必须使用2个线路来表示1位，并使用2个线路传输信号的差压作为确定1或0的标准。这种方法的优点是有很强的抗干扰能力。在外部强干扰的情况下，与两条线路相对应的级别也大幅增加或减少，但在两条线路的级别变化几乎相同的情况下，电压差异总是相对稳定的，不会降低干扰噪声引起的数据准确性。选择，16，(2)USB通信格式，图16-3在USB电缆上使用双向零编码和差分信号传输，USB数据包使用反转零代码(NRZI)。图16-3显示了从USB电缆段传输信息的步骤。反向零编码由传递信息的USB代理完成。然后，编码的数据通过差分驱动器传输到USB电缆。接收器随后放大输入的差分信号，并将其发送到解码器。使用这种编码和差分信号传输方法，可以进一步保证数据完整性，减少噪声干扰。选择，17，(2)USB通信格式，图16-4反向非零编码，反向非零编码方案确保了数据传输的完整性，在传输过程中不需要单独的时钟信号。反向零编码不是一种新的编码方式。在很多方面都有应用。图16-4显示了数据流和编码后的结果。反向编码而不是返回到0时，发生“0”转换，保持“1”。反向非返回代码必须保持与输入数据的同步，以确保数据采样正确。必须在数据窗口中采样反向非零数据流，无论是否转换了之前的位时间。解码器在每个位时间对数据进行采样，以确定是否存在转换。选择，18，(2)如果相同的“1”信号继续传入，则长时间内无法转换数据，并逐渐累积，接收器最终失去同步信号，因此读取定时可能发生严重错误。因此，在NRZI编码之间还必须执行称为位填充的操作。如果数据流中有6个连续的“1”，则位填充需要强制转换。接收器将检测反向零码数据流中的跳跃，最多每7位。这将使接收器与输入数据流保持同步。非零发射器将“0”(填充位)插入数据流。接收器必须设计为识别6个连续“1”之后的自动跳跃，立即丢弃6个“1”之后的“0”位。图16-5的第一行是发送到接收器的原始数据。数据流包含8个连续的“1”。第二行表示原始数据按位填充，原始第六个和第七个“1”之间填充“0”。第七个“1”延迟一个位小时以插入填充位。接收器知道6个“1”连续后将出现填充位，因此将忽略该位。如果原始数据的第七位为“0”，则同样插入填充位，并且填充数据流中有两个连续的“0”。选择，19，16.3USB物理特性16.3.3检测USB系统在连接USB设备时自动检测和使用的数据传输速率的设备连接和速度。USB将牵引电阻添加到D或D线，以标识低速和全速设备。USB支持三种类型的传输速率：1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输。图16-6和图16-7所示。当USB设备未连接到主控制器或集线器的下游端口时，D和D线的下拉电阻导致两条数据线的电压均为近(0v)。连接全速/低速设备后，电流通过由集线器下拉电阻和d/d上电阻组成的分压器流动。下拉电阻的电阻为15K，向上抗拉电阻的电阻为1.5k，因此D/D-line上出现大小为(Vcc*15/(15 1.5)的直流高电平电压。如果USB主机接近D /D线电压较高的水平，而另一条线检测到保持接地状态，则表明已连接全速/低速设备。严格，20，16.3USB物理特性16.3.3测试设备连接和速度，低速USB设备电缆和电阻连接，全速USB设备电缆和电阻连接，严格，21，16.4USB通信协议，16.4.1包USB程序包包含五个部分：同步字段(SYNC)、程序包标识符字段(PID)、数据字