USB标准综述性研究(18页)

1、1 前言11.1 编写目的11.2 文档范围11.3 参考文献11.4 资料下载地址21.5 术语与缩写解释22 研究概述23 usb概述33.1 usb的产生背景和产生原因33.2 usb技术的传输方式43.3 usb系统的组成43.3.1 宿主63.3.2 设备63.4 usb系统描述63.4.1 物理接口73.4.2 电源83.4.3 总线协议83.4.4 健壮性83.4.5 数据传输83.5 usb技术特点94 标准层次和描述范围104 系统层次104.2设备类标准114.2.1 usb common class specification12422universal serial b

2、us device class definition for audio class134.2.3 usb definitions for communication devices134.2.4 usb pc legacy compatibility specification134.2.5 usb device class definition for human interface devices13426 universalserialbus still image capture device definition13427 universalserialbus still imag

3、e capture device definition144.2.8 universalserialbus irda bridge device definition144.2.9 universalserialbus mass storage specification144.2.1()usb monitor control class specification144.2.11universal serial bus device class definition for physical interface devices144212 universal serial bus speci

4、fication for hid power devices144213 universal serial bus smart card144.2 14universal serial bus test and measurement class specification144215universal serial bus device class definition for video devices154.2.16universal serial bus cable & connector class specification154.27universal serial bu

5、s device class specification for devicefirmware upgrade. 154.2.18 安全标准154.2.19 设备类标准小结154.3 驱动开发标准154.4 物理层标准154.4.1 从 usb 1.1 至lj usb2.0164.4.2 从 usb2.0 至lj usb.otg164.4.3 wire-less-usb164.4.4高速usb和低功耗usb165 小结和启发171刖s1.1编写目的编写本文的目的是为移动存储项目组对usb标准协议族有一个总体的层次 认识，为制定移动存储卡标准提供相关信息参考。1. 2文档范围本报告的主要内容包括

6、usb标准族的总体层次和各个标准的描述范围。1. 3参考文献1- universal serial bus specification version 1.12. universal serial bus specification version 2.03. otg supplement to the usb2.0 specification4 wire-less universal serial bus specification5. universal serial bus specification version 1.16. universal serial bus device c

7、lass specification for device firmware upgrade7. universal serial bus content security method 4 elliptic curve content content protection protocols8. universal serial bus device class definition for content security devices9. universal serial bus content security method 2 usb digital transmission co

8、ntent protection implementation10. universal serial bus common class specification11 universal serial bus cable & connector class specification12. universal serial bus device class definition for video devices13. universal serial bus device class definition for video devices14. universal serial

9、bus : smart card15- universal serial bus specification for hid power devices16. universal serial bus specification for hid power devices17. usb monitor control class specification18. usb monitor control class specification19. universal serial bus irda bridge device definition20. universal serial bus

10、 still image capture device definition21 universal serial bus still image capture device definition22. usb pc legacy compatibility specification23. universal serial bus class definitions for communication devices24. universal serial bus class definitions for communication devices1. 4资料下载地址标准卜载地址:htt

11、p://developers/devclass_docs/hup:wwwusborg/developers/docs/1. 5术语与缩写解释usb： universal serial bus,通用串行总线。hid： human interface device,人机接ii设备。irda： infrared ratio digital access 红外线接口。2研究概述木文档是一篇综述性的文档，是一篇对usb传输标准规范的总体介绍，通 过对各个协议描述层次的说明，揭示usb传输标准的标准结构，使开发人员能 从总体层次上掌握开发设备的标准需要，文档分为六个部分。第一部分说明

12、了 usb这个标准产生的背景条件，用来解决的问题。和usb传输模式，传输特点, 旨在说明这种总线标准的优势和产生的意义以及一些基木概念；第二部分用于描 述系统标准的标准层次，从功能层，系统层，物理层，三个层次说明每部分应该 遵循的标准规范。后三个部分分别详细列举说明了 usb各个层次标准的使用设 备，及每个协议的特点。最后一部分总结做为一个设备开发人员在开发设备软件。 硬件和固件时应该如何根据需要来选择参考标准。3 usb概述3. 1usb的产生背景和产生原因usb标准universal serial bus即通用串行总线标准，是计算机和通信两个领 域发展交叉的产物，最初目的是为pc与外设连接

13、提供接口。当今pc机普遍采用的体系结构和硬件技术是1984年ibm推出的pc/at基 础上逐步发展起来的。随着计算机技术的不断进步，pc机相继做了许多革新技 术。针对传统pc机外部总线结构存在的问题，usb总线模型被创造出來。传统 的pc机结构屮，主机与外部通信设备的主要通道是串/并接口，这种外设接口已 经不能满足数据通信的需耍，该外设接口存在的主耍问题是：外设通信端口数量 不足；外设连接繁琐，配置困难；传输速率低（见图一）。图一在大多数情况下，许多关键的系统资源问题都涉及到屮断请求分配，因为 pc上所用到的很多设备都要求使用中断。这一点对于那些通过tsa总线和pc相 连的外围设备來说尤其是这

14、样，因为isa总线不能可靠地支持共享式中断。下表 列出了每个irq以及使用每个irq的典型设备。从这个表屮我们可以看到，很多 irq指定给特定的设备，这种做法完全是出于传统的考虑。但是还有一些irq可 以被很多种外围设备使用。基于pci总线的系统也包括isa或eisa两种总线。在pc的环境中，i/o地址冲突是十分常见的。注意外围设备通常需要大块 的i / 0地址单元，这样他们才能够报告设备的状态信息并且给设备发送命令。 尽管x86处理器有能力访问64kb的1 / 0地址单元，但是传统的扩展卡通常只能 对16条地址线中的10个进行解码。这就导致了最多只能有1kb的地址空间块可 以被isa的扩展卡

15、所使用。标准pc的外围设备接口支持单个设备的连接。由于在一个给定的时刻只有 一个外围设备可以连接，这样，连接的灵活性就被最小化。由于这个限制，所以 通常是做一块专用的扩展卡插到扩展总线上，通过它來为新的外围设备建立一个 连接点，但是这种做法相对來说成本比较昂贵。usb技术止是为了解决传统微机外部总线结构的上述缺陷而设计产生的，它 对微机外部设备的连接和使用方式做了新的规定，发起研发公司有：compaqdecintelmicrosoftnecnortherntelecom3. 2usb技术的传输方式usb技术主要用于外设与主机连接，针对不同外设的特点和对传输速率的 要求提供了四种数据流传输方式。

16、1）批量传输方式：一般用于需要发送大量数据的外设（例如打印机，扫描 仪或数字照相机等）传输块数据流。2）同步传输方式：通常用于调制解调器等外设连续的，速率恒定的实时数 据流（如语音信号等），此类传输要求实时性强，低误码率，和低延时。3）中断传输方式：通常用于不允许迟滞的设备随机的传送少量中断数据流。4）控制传输方式：usb加入系统时，用于usb系统软件和usb设备间传 输配置，命令，状态信息等控制数据流，此类传输对可靠性要求较高。3. 3 usb系统的组成usb系统主要出两部分组成，即usb宿主（host）和usb设备（如图二）。 在usb系统中，usb宿主主要用于产生并管理控制信号流和数据流

17、，检测并处 理总线上的各种活动状态，并为总线上的usb设备捉供电源；usb设备用于完 成特定的功能，它具有极强的扩展性，是一种星形+链型的级联方式，usb宿主 可根据usb设备的动态增减，对其进行动态配置。simple usb host/device view图二通信模型：usb通信是半双工通信方式，双向通信，实现数据交换的载体 就是d+, d两条数据线通信数据通过占用不同的吋隙实现总线上的吋分复用， 通信协议是不对称的，是基于device端对host端发出命令的响应实现数据的通 信，host端是主动端，device端是被动端。不同速度设备的识别：速率的概念是根据总线上的数据提取出时间频率的概

18、 念而不是收发速率，不通速率的识别是在上屯吋通过物理层的上拉屯阻实现的。 在主机设备的两条数据线上都接冇15k的下拉电阻把电位置成0,从端通过上拉 电阻接在d或d+上来区别低速设备和全速设备高速设备（高速设备与全速设备 在配置吋的吋钟速率都是12mbps）o图三我们通常所用的鼠标和调制解调器都是连接在串口上的。但usb并不完全是 一个串口，它实际上是一种串行总线。这意味着你的机箱后盖上的usb端口可以 连接许多设备，这些设备可以相互连接在一起。而冃不同类型的设备组成可以通 过一种称为usb集线器的硕件分离开来，这些都是与传统的串口上只能链接一个 设备有着木质区别的。usb用来把串口、并口等不同

19、的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式（星型结构）可以把 所冇的外设连接起来，并但不会损失带宽。今后usb将取代当前pc上的串口和并口。当我们提到usb时，与其将它想 象成一个串口，还不如将它想象成一个连接有不同设备的网络，就像我们所熟悉 的以太网一样。给出了一个典型的usb设备网络配置的示意图三。3.3.1 宿主usb宿主存在于主机系统中，它包括硕件，软件部分。其屮，硬件部分指 的是usb宿主控制器，一般集成在主板上，受usb系统软件控制：软件部分乂 分为两大模块，即usb系统软件和usb客户软件。usb宿主控制器是usb宿主的物理部件，它负责向usb

20、设备发送或接收数 据信息和控制信息述具有管理能源和检测错谋的功能。usb系统软件通常由主板供应商提供，它负责对usb宿主控制器的控制， 同时还起到联系usb客户软件和usb设备的纽带作用，具体的说，它为usb 客户软件提供了一个标准的服务接口，把来自于宿主控制器的信息传送到客户软 件，又把客户软件需要发送的数据传送到usb设备。usb客户软件主要用于实现与具体的usb设备进行数据交流，它解释收到 的数据类型，并向usb设备发出相关的数据或命令。需要明确的是，usb客户 软件并不直接与usb设备硬件进行通信，它是通过usb系统软件接口实现通信 的，因此不必了解数据的传输方式。3.3.2设备usb

21、设备分成两种，一种是功能块，它是实现某种具体功能的破件设备， 如键盘，扫描仪；另一种是集线器，它负责为其他usb设备提供扩展接口。功能块能够从总线上接收发送数据和控制信息，每个功能块中都存储着描述 其功能和资源需求的配置信息，使用前由宿主完成对它的配置。功能块通常由总 线接口，总线控制器和功能部件三部分组成，在某些情况下几个功能块也可集成 在一个设备中，它们共用一个总线接口。集线器是一利|特殊的usb设备，它主要用于为usb设备提供扩展接口，还 具有能源管理和端口连接状态检测等功能。3. 4usb系统描述一个usb系统由三部分来描述：usb主机、usb设备和usb互连（图四）。usb设备：us

22、b设备分为hub（集线器）和function（功能）两人类。usb主机：在任一 usb系统小只有一个主机。到主计算机系统的usb接口被称作 主机（主控制器）。usb互连：usb互连指的是usb设备与主机的连接和通信方式，它包括总线拓扑 结构、内层关系、数据流模型和usb调度表。图四373.4.1物理接口usb总线的电缆有4根导线：（图五）vbusd+d-gnd图五一对标准尺寸的双绞信号线和一对标准尺寸的电源线: usb总线支持的数据传输率冇三种：高速信令位传输率为480mb / s；全速信令位传输率为12mb / s；低速信令位传输率为1. 5mb / sousb2. 0支持在主控制器与hub

23、之间用高速传输全速和低速数据，而hub与 设备之间以全速或低速传输数据。3.4.2电源usb的电源规范包括两个方面：电源分配： 用来处理usb设备如何使用主机通过usb总线提供的电源。电源管理：用来处理usb系统软件和设备如何适应主机上的电源管理系统。3.4.3总线协议usb是一种查询(polling)总线，由主控制器启动所有的数据传输。usb上所 挂连的外设通过由主机调度的(host-scheduled)、基于令牌的(token-based)协 议來共享usb带宽。主机与设备端点z间的usb数据传输模型被称作管道，管道有两种类型：流 和消息。消息数据具冇usb定义的结构，而流数据没冇。管道与

24、数据带宽、传输服务类型、端点特性(如方向性和缓冲区大小)有关。 当usb设备被配置时，大多数管道就形成了。一旦设备加电，总是形成一个被称作缺省控制管道的消息管道，以便提供对 设备配置、状态和控制信息的访问。3.4.4健壮性usb釆取以下措施提高它的健壮性：1) 采用数据管道和控制管道结构，以保证功能之间的独立性。2) 使用斧分驱动器和接收器以及屏蔽保护，以保证信号的完整性。3) 控制域和数据域的crc保护校验。4) 连接和断开检测及系统级资源配置。5) 协议的自我修复，对丢失包或毁坏包执行超时(timeouts)处理。6) 对流数据进行流量控制，以保证对等步和硬件缓冲器维持正常的管理。3.4.

25、5数据传输usb数据传输发生在主机软件和usb设备的一特定端点之间，也就是说，主 机软件发起的usb数据传输是面向端点的。主机软件与usb设备端点之间的这种联系被称作管道。usb支持usb主机和usb设备z间通过一组单向管道或一组双向管道来交换 功能数据和控制信息。通常情况下，各个管道中的数据传送是相互独立的。一个给定的usb设备可有多个管道，例如，可以分别用两个端点来支持形成 两个管道，一个管道用來传输主机到usb设备的数据，另一个管道用來传输usb 设备到主机的数据。客户软件usb主竝制器宪际通信流逻辑通信流usb系统软件功能层usb设备层usb总线 接口层usb主机和设备通信模型中心执行

26、区域图六3. 5 usb技术特点usb技术的设计同时照顾了用户和硬件生产厂商双方的利益，它具有很多优 点概括起来冇下而几点1) usb具有极强的外设连接能力。它能以菊花链的形式与多个外设相连， 并连接在同一个系统上，允许最多可扩展到127个设备，且各种外设钧 采用标准统一的usb接口和连接器，这极大的简化了安装过程。2) usb支持带电动态插拔。这意味着外设可以在不关电源的情况下口由的 安装和拆卸。3) usb可以自动对usb设备进行动态配置。usb系统通过总线枚举技术 动态检测并处理总线设备的变化情况，当外设与主机相连时，usb控制 器可以h动识别所有usb设备，并从主机获得指挥器正常运作的

27、智能信 息(高层驱动程序和配置参数)。这意味着不必重新启动计算机，即可动 态完成对添加外设的配置，因此use设备具有即插即用的特性。4) usb系统支持多种速率的传输要求，它允许同一电缆上同时传输实时数据和非实时数据，但允许多个外设同时进行操作，并支持复合设备。5) usb支持错误检测和恢复处理，具有自动检测并隔离出错设备的能力。 在中高速数据传输中数据容易受到外接的干扰而产生课码，usb总线规 定在每个数据包后加crc校验。并通过校验算法检测传输中的错误，并 尽可能恢复数据。usb作为新一代通用总线标准，它的确消除传统pc机体系结构中的缺陷提 供了切实可行的解决策略，并11已经展示出广阔的应

28、用前景。4标准层次和描述范围4. 1系统层次从逻辑上划分usb连接可以划分为三个逻辑层：功能层,usb设备层和usb 总线接口层，每一层由主机和设备的不同功能模块组成，这种分层简化了 usb 通信机制，如图七所示。图七对应每个逻辑层次，定义逻辑规范产生了三类标准其从功能到传输的排列关 系如图八所示。设备类标准：以设备功能划分。驭动开发标准：对设备硕件的配置操作。 物理层标准：对传输数据打包格式进行规定。设备类协议驱动程丿f丿发协议物理层传输协议图八4. 2 设备类标准usb标准族对一些具冇相似特点并提供类似功能的usb设备进行抽象，定义 了他们所特有的屈性和使用方法，根据功能分类并做出使用方法

29、的规定，这类标 准被称为设备类标准。在硬件中的反映：设备硬件rom屮的设备描述符和接口描述符两个字段屮的类代码，子类代 码，及协议代码，负责指定usb设备或具接口所属的设备类和相关信息，并定位 了合适的设备类驱动程序。/ =device descriptor=7*h00:dout <= #1 8'dl8;/ this descriptor lengththm: dout <= #1 8'hff; device class 7'h05:dout <= #1 8*h00;/ device sub class 7'h06: dout <= #1

30、 8*hff;/ device protocol7'h 11: dout <= # 1 8*h01;/ number of possible config./= / = interface descriptor =7'h20:dout <=#18'hff;/ interface class7'h21:dout <=# 18'ho 1;/ interface sub class7'h22:dout <=#18'hff;/ interface protocol设备类的定义与usb设备的接口有关，不同的接口可以使用不同的

31、设备类， 并完成不通的功能，如cd.rom可以同时属于海量存储设备类和音频设备类。所有设备类都必须支曲标准usb描述符，和标准usb设备请求，设备类可以 自行定义其专用的描述符和设备请求，这分别称为设备类描述符和设备类定义请 求。(正是设备类协议的主要内容)，一个完整的设备类还应指明其接口和端点的 使用方法。一些常用的设备类操作系统会自带驱动程序，不同的操作系统对设备类的支 持也不一样，必须要支持的的设备类有集线器设备类和hid设备类，这是保证 pc与外设级联及键鼠通信的基础。设备类定义描述符设备类定义描述符既町以是设备类自行定义的描述符，也可以是标准usb描 述符的扩展。应该尽量与标准描述符

32、一致。接口和端点的使用设备类定义中指明了其各个接口和端点的使用方法，如接口包含的端点数， 端点的最大数据包长度。这是开发时必须遵守的设备类定义请求这是设备自行定义的专用usb设备请求，以完成该类设备所特冇的功能，这称为 设备类定义请求。包含的主要协议：1) usb common class specification2) usb class definition for audio class3 ) usb definitions for communication devicesvusb pc legacy compatibility specification4) usb device c

33、lass definition for human interface devices5) universal serial bus still image capture device defnitionvuniversal serial bus irda bridge device definition6) universal serial bus mass storage specification7) usb monitor control class specification8) universal serial bus device class definition for ph

34、ysical interface devices9) universal serial bus specification for hid power devices10) universal serial bus : smart card11) universal serial bus test and measurement class specification12) universal serial bus device class definition for video devices13) universal serial bus cable & connector cl

35、ass specification14) usb content security method 2 usb digital transmission content protection implementation15) universal serial bus device class definition for content security devices16) usb content security method 4 elliptic curve content content protection protocols17) universal serial bus devi

36、ce class specification for device firmware upgrade4.2.1 usb common class specificationusb common class specification是一个对设备类标准的总体说明：什么是 设备类，设备类协议的通用格式，和设备类协议协议的描述范围(见图九)。图九4.2.2 universal serial bus device class definition for audio classuniversal serial bus device class definition for audio class 咅频

37、设备类标准：定 义了各个音频处理单元的特点和对应的子类编码及设备描述符。4.2.3 usb deflnitions for communication devicesusb definitions for communication devices通信设备类标准：定义了各种通信 设备的接口标准，及采用usb通信时应满足的约束，定义了齐种类别通信设备的 设备类编码，和用于通信场景的设备请求。4.2.4 usb pc legacy compatibility specificationusb pc legacy compatibility specification：与 pc 兼容的一些器件，需要

38、在加 载驱动程序2而就进行配置，并正常工作，这个标准描述了这种设备的通用特点, 和配置工作规则这种设备必须通过硬件进行初始化配置，标准描述这种设备的工 作模式，控制机制，和硬件通信规则。4.2.5 usb device class deflnition for human interface devicesusb device class definition for human interface devices :这个标准的描述范围 是需要直接和人进行信息交换的usb设备，典型的是键盘鼠标和游戏操纵杆等。 标准定义了这类设备的设备类请求，和设备描述符的意义，以及这类设备所用的 类协议和子类

39、协议。4.2.6 universal serial bus still image capture device definitionuniversal serial bus still image capture device definition :静止图像捕获类设 备，这类设备主要指的是数码相机，打印机，扫描仪，等支持静止图像传送的设 备类，说明这类设备的工作特点，设备类请求和描述符号定义。4.2.7 universal serial bus still image capture device definitionuniversal serial bus still image cap

40、ture device definition :静止图像捕获类设 备，这类设备主要指的是数码相机，打印机，扫描仪，等支持静止图像传送的设 备类，说明这类设备的工作特点，设备类请求和描述符号定义。4.2.8 universal serial bus irda bridge device deflnitionuniversal serial bus irda bridge device definition :带有红外发射口的 usb 设 备，这个标准定义了红外传输标准与usb传输标准一起工作时，每个标准的描述 范围层次。4.2.9 universal serial bus mass storag

41、e specificationuniversal serial bus mass storage specification :大容量存储设备类，定义存 储设备在usb总线上如何工作，闪存硬盘等。4.2.10 usb monitor control class specificationusb monitor control class specification :描述显示器终端女ii何和主机通信把 显示的相关控制命令通过usb发给主机。4.2.11 universal serial bus device class definition for physicalinterface devi

42、cesuniversal serial bus device class definition for physical interface devices : 这个 标准原始是作为人机交互类设备的扩展定义的，它描述的原型是具有实时反馈系 统的控制模型（通常是负反馈），机器人手臂与控制主机的通信。4.2.12 universal serial bus specification for hid power devicesuniversal serial bus specification for hid power devices :描述 了通过 usb 电 缆与人进行信息交互的电源设备，主要

43、是为了反馈电源现在的状态，也可以用于 设备功耗与人的实时交流用于功率控制，比如（usb接口的ups）o4.2.13 universal serial bus smart carduniversal serial bus smart card :描述了智能卡如何通过usb通信标准，与智 能卡设备完成信令交换，控制读取等操作。4.2.14 universal serial bus test and measurement class specificationuniversal serial bus test and measurement class specification : 总线实时探测

44、彳义 器和工具如何与主机通信，也就是usb开发仪器与监控pc间连接通信模型，设 备请求规范。4.2.15 universal serial bus device class definition for video devicesuniversal serial bus device class definition for video devices :视频 usb 传输标 准包括常见视频编码对应的视频流控制等操作，不同的格式有不同的子类协议。4.2.16 universal serial bus cable & connector class specificationuniver

45、sal serial bus cable & connector class specification : 转接头，适酉己器， 集线器等设备，其中集线器设备是usb总线拓扑的核心结构，必须具备把总线 事务进行事务翻译，对不同的下行接口进行路由选择，把不同的上行支路信号屮 继打包，还要完成协调总线速度的函数功能，冇自己的标准描述符和设备类请求。4.2.17 universal serial bus device class specification for devicefirmware upgradeuniversal serial bus device class specific

46、ation for device firmware upgrade : 这 是可以通过use接口进行固件升级的一类设备，在固件升级模式下设备相当于 一个prom这时设备将切换到固件升级描述符下工作，执行固件升级设备类请 求。4.2.18安全标准安全标准:这个标准族描述了在数据进行传输而对数据进行加密保护，同 时对接收数据解码前认证解密的系列标准，捉供了加密认证工作流程的设备描述 符意义和设备类请求。4. 2. 19设备类标准小结设备类标准小结：设备类标准主耍是针对use传输支持的不同设备功能， 通过专冇的设备描述符，反映当前设备的工作状态，和当前传输数据流的意义， 通过专有的设备类请求完成工作状态的跳转，新型功能的产品，要针对自己设备 的功能自行开发设备类标准，符和已有设备类标准的设备，参照标准开发设备的 驱动程序，一个设备可能耍多个标准支持。4.3驱动开发标准驱动开发标准：open universal serial bus dri