第4章 USB通用串行总线

1、lUSB系统组成系统组成 l USB系统的接口信号和电气特性系统的接口信号和电气特性 l USB数据流类型和传输类型数据流类型和传输类型 l USB交换的包格式交换的包格式 l USB设备状态和总线枚举设备状态和总线枚举 l USB外围芯片及应用外围芯片及应用 l USB接口数据采集系统硬件电路设计接口数据采集系统硬件电路设计 l使用使用USB，用户不需要扩展插卡，无须了解，用户不需要扩展插卡，无须了解DIP开关设开关设置、跳线、中断置、跳线、中断IRQ设置、设置、DMA通道及通道及IO地址等细节，地址等细节，无须开发底层设备驱动程序。无须开发底层设备驱动程序。l连接连接USB外设只需简单地插

2、上插座即可，甚至不需关外设只需简单地插上插座即可，甚至不需关闭电源，真正闭电源，真正“即插即用即插即用”。 l得到得到400多家大公司的支持，开发了多家大公司的支持，开发了USB电信产品、外电信产品、外设及软件。设及软件。 l传输波特率传输波特率(即传输速率即传输速率)为为1.5Mb/s12Mb/s(USB2.0的的速率达到速率达到480Mb/s)，通过，通过Hub最多可连接最多可连接127个外设。个外设。 USB系统系统 组成组成 USB硬件硬件 USB主控制器主控制器/根集线器根集线器 USB集线器集线器 USB设备设备 USB软件软件 USB设备驱动程序设备驱动程序 USB驱动程序驱动程

3、序 USB主控制器驱动程序主控制器驱动程序 USB的物理接口有两种类型：的物理接口有两种类型：A口和口和B口口B口外形图口外形图(公口公口)lUSB总线包括总线包括4根信号线根信号线: GND:地线地线 -黑色黑色 D+: 信号线信号线-绿色绿色 D-: 信号线信号线-白色白色 VCC:电源线电源线-红色红色与机器的连接方法与机器的连接方法 lUSB主机或根主机或根Hub对设备提供的对地电源电压为对设备提供的对地电源电压为475525V，设备吸入的最大电流值为，设备吸入的最大电流值为500mA。当。当USB设备第一次被设备第一次被USB主机检测到时，设备从主机检测到时，设备从USB Hub吸入

4、的电流值应小于吸入的电流值应小于100mA。lUSB设备有两种供电方式，自给方式设备有两种供电方式，自给方式(设备自带电源设备自带电源)和和总线供给方式。总线供给方式。USB Hub采用自给方式。采用自给方式。lUSB主机有一个独立于主机有一个独立于USB的电源管理系统的电源管理系统(APM)。USB系统软件与主机电源管理系统交互来处理诸如挂系统软件与主机电源管理系统交互来处理诸如挂起和唤醒等电源事件。为了节省能源，对于暂时不用起和唤醒等电源事件。为了节省能源，对于暂时不用的的USB设备，电源管理系统将其置为挂起状态，等有设备，电源管理系统将其置为挂起状态，等有数据传输时，再唤醒设备。数据传输

5、时，再唤醒设备。 lUSB串行数据是用串行数据是用NRZI(None Return Zero lnvert，非，非归零反向码归零反向码)进行编码的，编码过程在数据传输之前完进行编码的，编码过程在数据传输之前完成，数据传输采用差分方式传输，传输到目的方的数成，数据传输采用差分方式传输，传输到目的方的数据再被解码。对数据编码和采用差分信号传输有助于据再被解码。对数据编码和采用差分信号传输有助于确保数据的完整性和消除噪声干扰。确保数据的完整性和消除噪声干扰。 lUSB数据由二进制数字串构成，数据由二进制数字串构成，bit序列串构成序列串构成（有七（有七种），域构成种），域构成，包构成，包构成（IN、

6、OUT、SETUP），事），事务最后构成务最后构成（中断传输、并行传输、批量传输和控制（中断传输、并行传输、批量传输和控制传输）。传输）。USB数据最小单位，可分为七个类型：1、同步域同步域（SYNC），8位，固定为0000 0001，用于同步2、标识域标识域（PID），4位标识符+4位标识符反码，表明包的类型和格式。（USB的标识码有16种）3、地址域地址域（ADDR）：7位，代表了设备在主机上的地址。4、端点域端点域（ENDP），4位。5、帧号域帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0 x800，对于同步传输有重要意义。6、数据域数据域（DATA）：长度为0

7、1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个Byte。7、校验域校验域（CRC）：对令牌包和数据包中非PID域进行校验。标识域标识域 = 标识码标识码 + 标识码标识码l 标识码由四位数据组成，可以表示标识码由四位数据组成，可以表示16种标识码。在种标识码。在USB1.1规范规范里，只用了里，只用了10种标识码，种标识码，USB2.0使用了使用了16种：种： 帧开始包格式 接受和发送包的格式 l标准标准USB设备请求命令是用在控制传输中的设备请求命令是用在控制传输中的“初始设置步初始设置步骤骤”里的数据包阶段（即里的数据包阶段（即DATA0，由八个字节构成），共，由八

8、个字节构成），共有有11个，大小都是个，大小都是8字节，具有相同的结构，由字节，具有相同的结构，由5个字段构个字段构成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号中的数字表示字节数，首字母中的数字表示字节数，首字母bm,b,w分别表示位图、字节分别表示位图、字节、双字节）：、双字节）：bmRequestType(1) + bRequest(1) + wvalue(2) + wIndex(2) + wLength(2)D7D6 D5D4 D3 D2 D1 D01011100100其他其他00011000100000100000设设备备到到主主

9、机机主主机机到到设设备备保保留留值值用用户户定定义义的的命命令令类类请请求求命命令令标标准准请请求求命命令令值值保保留留接接收收者者为为其其他他接接收收者者接接收收者者为为端端点点接接收收者者为为设设备备接接收收者者为为设设备备各字段意义：各字段意义：1、请求类型、请求类型bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D02、请求命令代码、请求命令代码bRequest：在标准：在标准USB命令中，每一个命命令中，每一个命令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称如下。命令代码是标准设备请求命令的核心，它们决定了如下。命令代

10、码是标准设备请求命令的核心，它们决定了11个个USB标准请求命令：标准请求命令：0） 0 GET_STATUS：用来返回特定接收者的状态：用来返回特定接收者的状态1） 1 CLEAR_FEATURE：用来清除或禁止接收者的某些特性：用来清除或禁止接收者的某些特性2） 3 SET_FEATURE：用来启用或激活命令接收者的某些特性：用来启用或激活命令接收者的某些特性3） 5 SET_ADDRESS：用来给设备分配地址：用来给设备分配地址4） 6 GET_DEscriptOR：用于主机获取设备的特定描述符：用于主机获取设备的特定描述符5） 7 SET_DEscriptOR：修改设备中有关的描述符，

11、或者增加新的描述符：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符6） 8 GET_CONFIGURATION：用于主机获取设备当前的配置值：用于主机获取设备当前的配置值7） 9 SET_CONFIGURATION：用于主机指示设备采用的要求的配置：用于主机指示设备采用的要求的配置8） 10 GET_INTERFACE：用于获取当前某个接口描述符编号：用于获取当前某个接口描述符编号9） 11 SET_INTERFACE：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口10） 12 SYNCH_FRAME：用于设备设置和报告一个端点的同步帧：用于设备设置和报告一个端点的

12、同步帧OUTOUTOUTINININDATA0DATA0DATA1DATA1DATA0/1DATA0/1批量写批量写批量读批量读SETUPOUTOUTOUTININININOUTSETUPDATA0DATA0DATA0DATA0DATA1DATA1DATA1DATA1DATA0/1DATA0/1SETUPDATA0INDATA1控制写控制写控制读控制读非数据非数据控制控制初始设置初始设置初始设置初始设置控制数据段控制数据段状态信息状态信息状态信息状态信息状态信息段的数据状态信息段的数据包包PID总是为总是为DATA1l数据流类型数据流类型 1）控制信号流：用于当）控制信号流：用于当USB设备加

13、入系统时，设备加入系统时，USB系统软件与系统软件与设备之间建立起控设备之间建立起控 制信号流来发送控制信号。制信号流来发送控制信号。 2）块数据流：用于发送大量数据）块数据流：用于发送大量数据 。 3）中断数据流：用于传输少量随机输入信号）中断数据流：用于传输少量随机输入信号 4）实时数据流：用于传输连续的周定速率的数据）实时数据流：用于传输连续的周定速率的数据 l传输类型传输类型 1控制传输控制传输 2批传输批传输 3中断传输中断传输 4等时传输等时传输 l当当USB设备插上主机时，主机通过一系列的动作来对设备进行识别和配设备插上主机时，主机通过一系列的动作来对设备进行识别和配置，这一过程

14、称为枚举。枚举的过程涉及置，这一过程称为枚举。枚举的过程涉及USB设备的若干状态：设备的若干状态：1、接入态接入态（Attached）：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平）：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；变化来发现设备的接入；2、供电态供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）3、缺省态缺省态（Default）：）：USB在被配置之前，通过缺省地址在被配置之前，通

15、过缺省地址0与主机进行通与主机进行通信；信；4、地址态地址态（Addressed）：经过了配置，）：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；5、配置态配置态（Configured）：通过各种标准的）：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。6、挂起态挂起态（Suspended）：总线供电设备在）：总线供电设备在3ms内没有总线操作，即内没有总线操作，即US

16、B总总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过后，总的电流功耗不超过280uA。USB总线接口总线接口（主控制器）（主控制器）USB系统软件系统软件USB设备软件设备软件（客户端软件）（客户端软件）USB总线接口总线接口USB逻辑设备逻辑设备USB功能模块功能模块HostDevice实通信实通信虚通信虚通信虚通信虚通信USB总线总线接口层接口层USB设备层设备层功能层功能层客户软件客户软件No.z管理接口管理接口y客户软件客户软件No.y管理接口管理接口y主控主控制器制器USB系统软件系统

17、软件管理设备管理设备客户软件客户软件No.x管理接口管理接口x接口接口z接口接口y接口接口x一个功一个功能模块能模块对应一对应一个接口个接口无无USB格式格式端点端点z端点端点y端点端点x管道束管道束缺省管道缺省管道指向端点指向端点0无无USB格式格式缓冲区缓冲区对具有对具有USB帧结构帧结构的数据进行处理的数据进行处理物理物理接口接口物理物理接口接口USB电缆电缆具有具有USB帧结构帧结构接口与端接口与端点对应点对应具有具有USB帧结构帧结构通过接口实现通过接口实现设备功能设备功能lDescriptor描述符是一个完整的数据结构，通过描述符是一个完整的数据结构，通过C语言等编程实现，语言等编

18、程实现，并存储在并存储在USB设备中，用于描述一个设备中，用于描述一个USB设备的所有属性。设备的所有属性。USB主机主机通过一系列命令来要求设备发送这些信息，从而让主机知道设备具通过一系列命令来要求设备发送这些信息，从而让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小。只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正式及数据量的大小。只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作。标准的描述符有开始工作。标准的描述符有5种，种，USB为这些描述符定义了编号：为这些描述符定义了编号：1设备描述符设备描

19、述符2配置描述符配置描述符3字符描述符字符描述符4接口描述符接口描述符5端点描述符端点描述符其中，一个设备只有一个设备描述符，一个设备描述符可以包含多个配其中，一个设备只有一个设备描述符，一个设备描述符可以包含多个配置描述符，一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使置描述符，一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。用了几个端点，就有几个端点描述符。1、设备描述符、设备描述符struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小，为设备描述符的字节数大小，为0 x12BYTE bDes

20、criptorType; /描述符类型编号，为描述符类型编号，为0 x01WORD bcdUSB; /USB版本号版本号BYTE bDeviceClass; /设备类型，设备类型，0 x010 xfe为标准设备类，为标准设备类，0 xff为厂商自定义类型为厂商自定义类型/0 x00不是在设备描述符中定义的，如不是在设备描述符中定义的，如HIDBYTE bDeviceSubClass; /usb分配的子类代码，同上，值由分配的子类代码，同上，值由USB规定和分配规定和分配BYTE bDeviceProtocl; /USB分配的设备协议代码，同上分配的设备协议代码，同上BYTE bMaxPacke

21、tSize0; /端点端点0的最大包的大小的最大包的大小WORD idVendor; /厂商编号厂商编号WORD idProduct; /产品编号产品编号WORD bcdDevice; /设备出厂编号设备出厂编号BYTE iManufacturer; /描述厂商字符串的索引描述厂商字符串的索引BYTE iProduct; /描述产品字符串的索引描述产品字符串的索引BYTE iSerialNumber; /描述设备序列号字符串的索引描述设备序列号字符串的索引BYTE bNumConfiguration; /可能的配置数量可能的配置数量2、配置描述符、配置描述符struct _CONFIGURAT

22、ION_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小，为设备描述符的字节数大小，为0 x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号，为描述符类型编号，为0 x01WORD wTotalLength; /配置所返回的所有数量的大小配置所返回的所有数量的大小BYTE bNumInterface; /此配置所支持的接口数量此配置所支持的接口数量BYTE bConfigurationVale; /Set_Configuration命令需要的参数值命令需要的参数值BYTE iConfiguration; /描述该配置的字符串的索引值描述该配

23、置的字符串的索引值BYTE bmAttribute; /供电模式的选择供电模式的选择BYTE MaxPower; /设备从总线提取的最大电流设备从总线提取的最大电流3、字符描述符、字符描述符struct _STRING_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小，为设备描述符的字节数大小，为0 x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号，为描述符类型编号，为0 x01BYTE SomeDescriptor36; /UNICODE编码的字符串编码的字符串4、接口描述符、接口描述符struct _INTERFACE_DEscrip

24、tOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小，为设备描述符的字节数大小，为0 x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号，为描述符类型编号，为0 x01BYTE bInterfaceNunber; /接口的编号接口的编号BYTE bAlternateSetting; /备用的接口描述符编号备用的接口描述符编号BYTE bNumEndpoints; /该接口使用端点数，不包括端点该接口使用端点数，不包括端点0BYTE bInterfaceClass; /接口类型接口类型BYTE bInterfaceSubClass; /接口子类型接口子类型BY

25、TE bInterfaceProtocol; /接口所遵循的协议接口所遵循的协议BYTE iInterface; /描述该接口的字符串索引值描述该接口的字符串索引值5、端点描述符、端点描述符struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小，为设备描述符的字节数大小，为0 x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号，为描述符类型编号，为0 x01BYTE bEndpointAddress; /端点地址及输入输出属性端点地址及输入输出属性BYTE bmAttribute; /端点的传输类型属性端点的传输类

26、型属性WORD wMaxPacketSize; /端点收、发的最大包的大小端点收、发的最大包的大小BYTE bInterval; /主机查询端点的时间间隔主机查询端点的时间间隔 USB100通用串行总线模块介绍通用串行总线模块介绍 lUSB MP3播放器lUSB 大容量存储器lUSB 无线数据采集系统lUSB 工业PLC控制lUSB 数字虚拟示波器lUSB 逻辑分析仪lUSB 接口门禁系统lUSB 接口遥控谣测系统lUSB 接口工业数据采集系统lUSB 多通道数据采集及I/O控制系统lUSB 无线图象采集系统lUSB 高速无线雷达数据采集系统 名称功能最大最小单位测试条件VCCOPERATIN

27、G SUPPLY VOLTAGE44525V LCC1OPERATING SUPPLY CURRENT 50MANORMAL OPERATIONLCC2OPERATING SUPPLY CURRENT 250UAUSB SUSPENDLOH1DIGITAL IO PINS SOURCE CURRENT 4MAVOH=VCC-0。5VLOH2DIGITAL IO PINS SINK CURRENT 4MAVOL=+0。5VVOH1INPUT VOLTAGE THRESHOLD（LOW） 06V VOL1INPUT VOLTAGE THRESHOLD （HIGH） 27V VDIFUSB DIFF

28、ERENTIAL INUT SENSTIVITY 02V VCOMUSB DIFFERENTIAL COMMON MODE 0825V URXTUSB SINGLE ENDED RX THRESHOLD 03VRI=1。5K TO 3。6VUVHUSB IO PINS STSTIC OUTPUT（LOW）28 VRI=15K TO GND 接收时序接收时序 发送时序 USB接口数据采集系统硬件电路接口数据采集系统硬件电路 l USB100的的WR/RD信号和信号和51单片机的单片机的WR/RD信信号时序不同，不能直接用号时序不同，不能直接用51单片机的单片机的WR/RD引脚引脚来控制来控制US

29、B100的的WR/RD引脚，而应该用单片机引脚，而应该用单片机的的IO口自行编程控制。口自行编程控制。l USB100的读写锁存都是边沿触发而非电平触发。的读写锁存都是边沿触发而非电平触发。l USB100没有单独的片选线，但由于在不进行读没有单独的片选线，但由于在不进行读写操作时，其数据总线是三态中的高阻，因此可写操作时，其数据总线是三态中的高阻，因此可以和其他器件共用数据总线。当然考虑到负载等以和其他器件共用数据总线。当然考虑到负载等因素，也可以用一个锁存器因素，也可以用一个锁存器(如如74HC245)来扩展和来扩展和连接连接USB100的数据总线。的数据总线。一种基于一种基于USB接口数

30、据采集主界面（上位机）接口数据采集主界面（上位机） USB接口芯片很多，大概分为接口芯片很多，大概分为3大类。大类。第一类是独立的第一类是独立的USB接口芯片接口芯片，需要外接微处理器，如朗讯的，需要外接微处理器，如朗讯的USS820/825、松下的、松下的USBN9602/9603/9604及及Philips公司的公司的PDIUSBD11/12等，其优点是价格便宜，便于用户使用熟悉的处理器进行开发，缺点是会等，其优点是价格便宜，便于用户使用熟悉的处理器进行开发，缺点是会受所选控制器的限制且需要开发底层驱动。受所选控制器的限制且需要开发底层驱动。第二类是集成了微处理器的芯片第二类是集成了微处理

31、器的芯片，如，如Cypress公司的基于公司的基于8051的的EZ_USB系列、基于系列、基于PIC的的16C7X5系列等，其优点是开发者熟悉这些通用的系列等，其优点是开发者熟悉这些通用的MCU的结构，且指令集的资料丰富，易于开发；缺点是需要单独开发系统，成的结构，且指令集的资料丰富，易于开发；缺点是需要单独开发系统，成本较高，并且需要编写底层驱动程序。这种本较高，并且需要编写底层驱动程序。这种MCU的价格也比较昂贵，芯的价格也比较昂贵，芯片可选的范围比较小。片可选的范围比较小。第三类是第三类是USB桥接芯片桥接芯片，如南京沁恒公司的，如南京沁恒公司的CH341、Silicon公司的公司的US

32、B转转UART桥接片桥接片CP212系列、系列、FTDI公司的公司的FT245BM、迅通公司的、迅通公司的USB100/1300等。此类芯片价格便宜、开发简单。等。此类芯片价格便宜、开发简单。总之，第一类和第二类芯片通常需要自己开发驱动程序，增加了工作量。总之，第一类和第二类芯片通常需要自己开发驱动程序，增加了工作量。采用第三类桥接芯片的好处在于可以省去驱动程序的开发过程，利用虚拟采用第三类桥接芯片的好处在于可以省去驱动程序的开发过程，利用虚拟串口的驱动程序，串口的驱动程序，USB接口在客户端以标准串口的形式呈现，这样应用程接口在客户端以标准串口的形式呈现，这样应用程序便可以使用串口控件进行序

33、便可以使用串口控件进行USB接口的开发了，这样在物理链路上是接口的开发了，这样在物理链路上是USB接口，在功能层则以串口形式存在，但这种方式较为适合对传输速率要求接口，在功能层则以串口形式存在，但这种方式较为适合对传输速率要求不是很高的场合。不是很高的场合。CH341是一个是一个USB总线的转接芯片，通过总线的转接芯片，通过USB总线提供总线提供串口、打印口或者并口。串口、打印口或者并口。在串口方式下，在串口方式下，CH341提供串口发送使能、串口接收就提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，联络信号，用于将普通的串口

34、设备直接升级到用于将普通的串口设备直接升级到USB总线。总线。在打印口方式下，在打印口方式下，CH341提供了兼容提供了兼容USB相关规范和相关规范和Windows操作系统的标准操作系统的标准USB打印口，用于将普通的并口打打印口，用于将普通的并口打印机直接升级到印机直接升级到USB总线。总线。在并口方式下，在并口方式下，CH341提供了提供了EPP方式或者方式或者MEM方式的方式的8位并行接口，用于在不需要位并行接口，用于在不需要DSP/MCU的环境下，直接输入的环境下，直接输入输出数据。输出数据。 HW9911USB1.1协议兼容，作于协议兼容，作于12Mb/s，内置高频时钟、，内置高频时

35、钟、抗干扰网络和抗干扰网络和USB配置网络，无须外接任何电阻配置网络，无须外接任何电阻和电容，内置和电容，内置128字节的字节的EEPROM，方便用户的，方便用户的开发；己备有开发；己备有Windows驱动程序、驱动程序、Windows开发开发库和各种单片机开发库库和各种单片机开发库 引脚 信号 备注2 CS# 片选信号3 RD# 读信号4 WR# 写信号5 INT# USB中断输出6 ALE 数据锁存。19 SCL EEPROM I2C接口时钟线。18 SDA EEPROM I2C接口数据线。21 D+ USBD+。 20 D- USBD714 AD0AD7 数据地址线。16，17，23，27和28 Vcc 电源。1，15和20 GND 地24，2