现代微机原理与接口技术 - 东南大学

1、1第第6章章 微机总线标准微机总线标准 2总线知识的回顾总线知识的回顾n什么是总线？什么是总线标准？什么是总线？什么是总线标准？n总线标准的特性有哪些？总线标准的特性有哪些？n总线按信号功能分为哪总线按信号功能分为哪3类？类？n总线按照从总线按照从CPU外设分层次，分为哪几类？外设分层次，分为哪几类？n总线的主要性能指标有哪些？总线的主要性能指标有哪些？n总线操作分为哪总线操作分为哪4步？步？n为什么要总线仲裁？有几种仲裁方式？为什么要总线仲裁？有几种仲裁方式？36.1.1 总线标准的概念与特性总线标准的概念与特性 总线总线 是在模块和模块之间或设备与设备之间的一是在模块和模块之间或设备与设备

2、之间的一组进行互连和传输信息的组进行互连和传输信息的，信息包括指，信息包括指令、数据和地址。令、数据和地址。 6.1 总线概述总线概述 总线标准总线标准 指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。的一些协议与规范。 41物理特性物理特性:2功能特性功能特性:3电器特性电器特性:4时间特性时间特性:总线物理连接方式总线物理连接方式(电缆式、蚀刻式），电缆式、蚀刻式），总线根数、插头和插座形状，引脚排列等总线根数、插头和插座形状，引脚排列等描述一组总线中每一根线的功能。描述一

3、组总线中每一根线的功能。定义每一根线在什么时候有效，这和总定义每一根线在什么时候有效，这和总线操作的时序有关。线操作的时序有关。定义每根线上信号的传递方向以及有效电定义每根线上信号的传递方向以及有效电平范围。一般定义送入平范围。一般定义送入CPU的信号为输的信号为输入信号，从入信号，从CPU中送出的信号是输出信中送出的信号是输出信号。号。56.1.2 总线的分类总线的分类 1) 按总线功能或信号类型划分为：按总线功能或信号类型划分为： ：双向三态逻辑，线宽表示了总线：双向三态逻辑，线宽表示了总线数据传输的能力。数据传输的能力。：单向三态逻辑，线宽决定了系统：单向三态逻辑，线宽决定了系统的寻址能

4、力。的寻址能力。：就某根来说是单向或双向。控制：就某根来说是单向或双向。控制总线最能体现总线特点，决定总线功能的强总线最能体现总线特点，决定总线功能的强弱和适应性。弱和适应性。62) 按总线的分级结构分为：按总线的分级结构分为： ：微机系统中速度最快的总线，主要在：微机系统中速度最快的总线，主要在CPU内部，连接内部，连接CPU内部部件，在内部部件，在CPU周围的小范周围的小范围内也分布该总线，提供系统原始的控制和命令。围内也分布该总线，提供系统原始的控制和命令。：在系统总线和：在系统总线和CPU总线之间的一级总线总线之间的一级总线，提供，提供CPU和主板器件之间以及和主板器件之间以及CPU到

5、高速外设之到高速外设之间的快速信息通道。间的快速信息通道。：也称为：也称为I/O总线，是传统的通过总线扩展总线，是传统的通过总线扩展卡连接外部设备的总线。由于速度慢，其功能已经卡连接外部设备的总线。由于速度慢，其功能已经被局部总线替代。被局部总线替代。：也称为外部总线，是微机与微机，微机：也称为外部总线，是微机与微机，微机与外设之间进行通信的总线。与外设之间进行通信的总线。76.1.3 总线的主要性能参数总线的主要性能参数1总线频率：总线频率：MHz表示的工作频率，是总线速表示的工作频率，是总线速率的一个重要参数。率的一个重要参数。2总线宽度：指数据总线的位数。总线宽度：指数据总线的位数。3总

6、线的数据传输率总线的数据传输率 例：例：PCI总线的总线频率为总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为位的情况下，总线数据传输率为266MB/s 。 86.1.4 总线操作和总线传送控制总线操作和总线传送控制 一、总线操作的一、总线操作的4个阶段个阶段 1： 主模块向总线仲裁机构提出总线使用申请，总线仲裁主模块向总线仲裁机构提出总线使用申请，总线仲裁机构决定使用总线的主模块。机构决定使用总线的主模块。2： 拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模块的拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，该从模块被选中并启动。地址及有关命令

7、，该从模块被选中并启动。3： 主模块和从模块间进行双（单）向数据传送。主模块和从模块间进行双（单）向数据传送。4： 主、从模块均撤出总线。主、从模块均撤出总线。9二、总线传送控制二、总线传送控制1同步方式同步方式 优点：优点：1）电路简单）电路简单 2）适合高速设备的数据传输）适合高速设备的数据传输缺点：高速设备和低速设备间只能用低速设备的缺点：高速设备和低速设备间只能用低速设备的速度来传输数据速度来传输数据主主clk从从2半同步方式半同步方式 主主clk从从wait/readywait/ready信号信号是单向的，不是是单向的，不是互锁的。互锁的。10总线总线分成两个子周期分成两个子周期 寻

8、址子周期寻址子周期 数据传送子周期数据传送子周期在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。在两子周期之间，退出总线，从设备准备数据。4分离方式分离方式clkaddressdata主主从从3异步方式异步方式 REQACK 比同步方式慢比同步方式慢 总线频带窄总线频带窄 总线传输周期长总线传输周期长116.2 PCI总线总线 1) 独立于处理器独立于处理器2) 传输效率相对较高传输效率相对较高3) 多总线共存多总线共存4) 支持突发传输支持突发传输 5) 支持总线主控方式支持总线主控方式6) 采用同步操作采用同步操作 7) 支持两种电压下的扩支持两种电压下的扩展卡展卡 8) 具有即插即用功能具有即

9、插即用功能 9) 合理的管脚安排合理的管脚安排 10) 预留扩展空间预留扩展空间 12 CLK IN：PCI系统总线时钟系统总线时钟 13 FRAME# S/T/S：帧周期信号：帧周期信号 IRDY# S/T/S：主设备准备好信号：主设备准备好信号 TRDY# S/T/S：从设备准备好信号：从设备准备好信号 STOP# S/T/S：从设备发出的要求主设备终止当前的：从设备发出的要求主设备终止当前的数据传送的信号。数据传送的信号。 LOCK# S/T/S：锁定信号：锁定信号 IDSEL IN：初始化设备选择信号，访问配置空间的：初始化设备选择信号，访问配置空间的时候作为片选时候作为片选 DEVS

10、EL# S/T/S：设备选择信号，由常规访问期间：设备选择信号，由常规访问期间被选中的从设备驱动被选中的从设备驱动14 C/BE3:0# T/S：它们是总线命令和字节使能多路复：它们是总线命令和字节使能多路复用信号线用信号线 PAR T/S：针对：针对AD31:00和和C/BE3:0#进行奇偶校进行奇偶校验的校验位验的校验位 AD31:00 T/S：它们是地址、数据多路复用的输：它们是地址、数据多路复用的输入入/输出信号输出信号15 REQ# T/S：总线占用请求信号：总线占用请求信号 GNT# T/S：总线占用允许信号：总线占用允许信号 PERR# S/T/S：数据奇偶校验错误报告信号：数据

11、奇偶校验错误报告信号 SERR# O/D：系统错误报告信号：系统错误报告信号 PCI有有4条中断线，分别是条中断线，分别是INTA#、INTB#、INTC#、INTD# ，电平触发，多功能设备可以任意选择一，电平触发，多功能设备可以任意选择一个或多个中断线，单功能设备只能用个或多个中断线，单功能设备只能用INTA#。16 AD63:32 T/S：扩展的：扩展的32位地址和数据多路复用线位地址和数据多路复用线 C/BE7:4# T/S：总线命令和字节使能多路复用扩展：总线命令和字节使能多路复用扩展信号线信号线 REQ64# S/T/S，64位传输请求信号位传输请求信号 ACK64# S/T/S：

12、64位传输允许信号位传输允许信号 PAR64 T/S：奇偶双字节校验：奇偶双字节校验 171. PCI插槽插槽 5V 32位插槽位插槽5V 64位插槽位插槽3.3V 32位插槽位插槽3.3V 64位插槽位插槽连接连接卡口卡口a. 4种种PCI卡插槽卡插槽A1外内A49A52B1B49B52A62B621.273.8277.48b. 5V32位位PCI插槽插槽182.PCI插卡插卡 ICICIC1.9160.9612.741.680外边里边19PCI总线命令表总线命令表C/BE3:0#命令类型说明命令类型说明C/BE3:0#命令类型说明命令类型说明0000中断响应中断响应1000保留保留0001

13、特殊周期特殊周期1001保留保留0010I/O读读(从从I/O端口地址中读数据端口地址中读数据)1010配置读配置读0011I/O写写(向向I/O端口地址中写数据端口地址中写数据)1011配置写配置写0100保留保留1100存储器多行读存储器多行读0101保留保留1101双地址周期双地址周期0110存储器读存储器读(从内存空间映像中读数从内存空间映像中读数)1110存储器行读存储器行读0111存储器写存储器写(向内存空间映像中写向内存空间映像中写)1111存储器写并无效存储器写并无效20(1) FRAME#和和IRDY#定义了总线的忙定义了总线的忙/闲状态。闲状态。 (2) 一旦一旦FRAME

14、#信号被置为无效，在同一传输期间信号被置为无效，在同一传输期间不能重新设置。不能重新设置。(3) 除非设置除非设置IRDY#信号，一般情况下不能设置信号，一般情况下不能设置FRAME# 信号无效。信号无效。(4) 一旦主设备设置了一旦主设备设置了IRDY#信号，直到当前数据期结信号，直到当前数据期结束为止，主设备一般不能改变束为止，主设备一般不能改变IRDY#信号和信号和FRAME#信号的状态。信号的状态。21表表3.4 AD1:0和和C/BE#3:0对应关系表对应关系表AD1AD0C/BE3#C/BE2#C/BE1# C/BE0#000010110011110111(1) I/O地址空间地址

15、空间 22(2) 内存地址空间内存地址空间 (3) 配置地址空间配置地址空间 3101双字边界对齐的起始地址双字边界对齐的起始地址200地址递增地址递增01Cache行切换行切换1X保留保留701双字边界对齐的起始地址双字边界对齐的起始地址200选择该设备选择该设备01访问该桥路后设备访问该桥路后设备1X保留保留23 PCI总线上不能进行字节的交换。但是，具有总线上不能进行字节的交换。但是，具有64位位通道的主设备可以进行通道的主设备可以进行DWORD（双字）的交换。（双字）的交换。 主设备可以在主设备可以在改变字改变字节使能信号，且在整个数据期中保持不变。节使能信号，且在整个数据期中保持不变

16、。 读缓冲中的数据可以不考虑字节使能信号，而传送读缓冲中的数据可以不考虑字节使能信号，而传送所有的字节。所有的字节。 在每个地址（数据）期中，所有的在每个地址（数据）期中，所有的AD线都必须被驱线都必须被驱动到稳定的状态（数据），包括那些字节使能信号表动到稳定的状态（数据），包括那些字节使能信号表明无效的字节所对应的明无效的字节所对应的AD线。线。 从一个设备驱动总线到另一个设备驱动从一个设备驱动总线到另一个设备驱动PCI总线之间总线之间设置一个设置一个，又称为交换周期，以防止总线访问，又称为交换周期，以防止总线访问冲突。冲突。 24CLKFRAME#IRDY#TRDY#DEVSEL#1234

17、5678FAST MED SLOW设备选择的时序关系设备选择的时序关系注意注意DEVSEL#与与FRAME#、TRDY#的关系，无的关系，无DEVSEL#信信号时的处理。号时的处理。DEVSEL#由从设备共享使用，并由被选中的从设备驱动。由从设备共享使用，并由被选中的从设备驱动。25CLKFRAME#123456789ADC/BE#IRDY#TRDY#DEVSEL#地址期地址期数据期数据期数据期数据期数据期数据期PCI读操作时序读操作时序26CLKFRAME#123456789ADC/BE#IRDY#TRDY#DEVSEL#地址期地址期数据期数据期数据期数据期数据期数据期PCI写操作时序写操作

18、时序27 3传输的终止过程传输的终止过程 (1) 由主设备提出的终止由主设备提出的终止 (2) 由从设备提出的终止由从设备提出的终止 28PCI总线上的所有传输操作中，总线上的所有传输操作中，FRAME#、IRDY#、TRDY#和和STOP#遵循的规则：遵循的规则：29PCI总线采用集中式的同步仲裁方法总线采用集中式的同步仲裁方法中央中央仲裁器仲裁器PCI主主设备设备APCI主主设备设备BREQ#REQ#GNT#GNT#30C LKFRAME#1234567ADGNT#-BIRDY#TRDY#GNT#-AA存取存取B存取存取 两个主设备之间的两个主设备之间的PCI总线仲裁总线仲裁REQ#-BR

19、EQ#-Acabdefg311、PCI设备的配置空间设备的配置空间 定义一个定义一个PCI总线配置空间的目的在于提供一总线配置空间的目的在于提供一套适当的配置措施，使之实现完全的设备再定位套适当的配置措施，使之实现完全的设备再定位而而，并由与设备，并由与设备无关的软件进行系统地址映射。无关的软件进行系统地址映射。 所有所有PCI设备都必须实现设备都必须实现PCI协议规定必需的协议规定必需的配置寄存器，以便系统加电的时候利用这些寄配置寄存器，以便系统加电的时候利用这些寄存器的信息来进行系统配置。对存器的信息来进行系统配置。对PCI的配置访问的配置访问实际上就是访问设备的配置寄存器。实际上就是访问

20、设备的配置寄存器。 在系统启动的时候由在系统启动的时候由BIOS代码执行设备配置。代码执行设备配置。一旦即插即用一旦即插即用OS（如（如Windows2000/XP）启动后）启动后，控制就传递给，控制就传递给OS，OS接管设备管理。接管设备管理。 322、配置空间头区域及功能、配置空间头区域及功能 33(1) 头区域有头区域有7个寄存器（字段）用于设备的识别。个寄存器（字段）用于设备的识别。(2) 表现在命令寄存器为发出和响应表现在命令寄存器为发出和响应PCI总线命令总线命令提供了对设备粗略的控制。提供了对设备粗略的控制。 (3) 状态寄存器用于记录状态寄存器用于记录PCI总线有关操作的状态总

21、线有关操作的状态信息。信息。例例如，为了清位如，为了清位14而不影响其他位，应向该寄存而不影响其他位，应向该寄存器写器写0100 0000 0000 0000B 34(4) PCI设备的配置空间可以在微处理器决定的地设备的配置空间可以在微处理器决定的地址空间中浮动，以便简化设备的配置过程。址空间中浮动，以便简化设备的配置过程。当确定这些信息之后，系统初始化代码当确定这些信息之后，系统初始化代码便可以把便可以把I/O控制器映射到合理的地址空间并引控制器映射到合理的地址空间并引导系统。导系统。 为了使这种映射能够做到与相应的设备无关为了使这种映射能够做到与相应的设备无关，在配置空间的头区域中安排了

22、一组供映射时，在配置空间的头区域中安排了一组供映射时使用的基址寄存器。使用的基址寄存器。 3510I/O空间指针空间指针31 2 1 0基基 地地 址址0预取使能预取使能存储空间指针存储空间指针 32位地址空间任意映射位地址空间任意映射 32位地址空间位地址空间1M字节以内映射（已经不用）字节以内映射（已经不用） 64位地址空间任意映射位地址空间任意映射 保留保留31(63) 3 2 1 0基基 地地 址址保留保留返回返回36具体实现的过程中，除了低四位满足上述要求外，高位具体实现的过程中，除了低四位满足上述要求外，高位部分实际设置位数视映射多大地址空间范围而定，根据部分实际设置位数视映射多大

23、地址空间范围而定，根据地址范围，决定高多少位需要设置，这些位被设置成可地址范围，决定高多少位需要设置，这些位被设置成可写，高位部分的其它位用硬件使其为写，高位部分的其它位用硬件使其为0，并只可读。基，并只可读。基地址设置过程：地址设置过程：系统初始化程序向基地址寄存器写全系统初始化程序向基地址寄存器写全1系统初始化程序读出基地址寄存器的内容系统初始化程序读出基地址寄存器的内容系统初始化程序判断设备需要的地址空间大小系统初始化程序判断设备需要的地址空间大小系统初始化程序分配基地址并写回到该基地址寄存器系统初始化程序分配基地址并写回到该基地址寄存器37举例举例1：系统初始化向基址寄存器写全系统初始

24、化向基址寄存器写全1后读出的值后读出的值=FFE00000h 位位0=0，表示是一个存储器地址空间映射，表示是一个存储器地址空间映射 位位2:1=00b，它是，它是32位存储器映射位存储器映射 位位3=0，表示它不是预取存储器。，表示它不是预取存储器。 位位31:4 第一个为第一个为1的是位的是位21，表示映射的存储空，表示映射的存储空间为间为221=2MB。这意味着存储映射的基地址应该起始于这意味着存储映射的基地址应该起始于2MB、4MB、6MB等的边界上。等的边界上。38举例举例2：基址寄存器的值基址寄存器的值=FFFFFF01h 位位0=1，表示是一个，表示是一个I/O地址空间映射地址空

25、间映射 位位31:2第一个为第一个为1的是位的是位8，表示映射的，表示映射的I/O空间为空间为28=256。这意味着这意味着I/O映射的基地址应该是映射的基地址应该是256的整数的整数倍倍。39最大最大/最小映射地址空间是多少？最小映射地址空间是多少？最小存储映射地址空间最小存储映射地址空间=16字节（字节（24）最大存储映射地址空间最大存储映射地址空间=2GB（231）最小最小I/O映射地址空间映射地址空间=4字节（字节（22）最大存储映射地址空间最大存储映射地址空间=256字节（协议规定）字节（协议规定）转前转前40扩展扩展ROM访问允许访问允许31 11 10 1 0基基 地地 址址保保

26、 留留扩展扩展ROM基地址寄存器基地址寄存器扩展扩展ROM基地址基地址=FFFF0001h 位位0=1，表示扩展，表示扩展ROM访问允许访问允许 位位31:11第一个为第一个为1的是位的是位16，表示映射的存储空间为，表示映射的存储空间为64K。这意味着这意味着ROM映射的基地址应该起始于映射的基地址应该起始于64KB的边界的边界41(5) 8位只读寄存器，指明设备使用了位只读寄存器，指明设备使用了PCI的哪个的哪个中断引脚。中断引脚。1代表代表INTA#，2为为INTB# 8位可读位可读/写寄存器，指明设备的中断引脚和写寄存器，指明设备的中断引脚和PC机的机的 8259A的哪个中断输入线连。

27、的哪个中断输入线连。 Min_Gnt用来指定设备需要多长的突发传输用来指定设备需要多长的突发传输时间。时间。 Max_lat用来表示对用来表示对PCI总线进行访问的频繁总线进行访问的频繁程度。程度。422配置空间的访问配置空间的访问 对于某一对于某一PCI设备，设备， 才能被作为配置访问的目标设备。才能被作为配置访问的目标设备。 43 对（正在运行的）对（正在运行的）PCI总线上的目标设备总线上的目标设备配置寄存器所进行的访问。配置寄存器所进行的访问。 被配置访问的目标设备必须在地址期采样到其被配置访问的目标设备必须在地址期采样到其IDSEL输入信号有效，且输入信号有效，且AD1 0必须为必须

28、为00。， ； AD10 8用于用于选择物理设备的八种功能之一选择物理设备的八种功能之一 ；AD 7 2为为选择该功能设备的配置寄存器号选择该功能设备的配置寄存器号(双字号）。双字号）。AD31:11可用于连接各设备的可用于连接各设备的IDSEL信号信号， AD31 0传送的是配置读传送的是配置读/写数据。写数据。44 对（通过对（通过PCI/PCI桥连接的）桥连接的）PCI总线总线上的目标设备上的目标设备(配置寄存器配置寄存器)所进行的访问。所进行的访问。 ；AD10 8作作为选择物理设备的八种功能之一为选择物理设备的八种功能之一 。AD7 2为选择该功能设备的配置寄存器号；为选择该功能设备

29、的配置寄存器号； AD1511用于存放第二级总线上被选中设用于存放第二级总线上被选中设备的备的IDSEL号号，AD2316 放总线号。放总线号。 桥片中也有桥配置空间寄存器，存放有总线桥片中也有桥配置空间寄存器，存放有总线号和次级总线号等信息。号和次级总线号等信息。 一旦一旦PCI/PCI桥检测到桥检测到1类配置访问，就有三类配置访问，就有三种情况，须分别进行处理。种情况，须分别进行处理。45 如果要访问的总线号既不同于桥如果要访问的总线号既不同于桥的第二级总线号，也不在桥的第的第二级总线号，也不在桥的第二级总线号的下级总线范围内，二级总线号的下级总线范围内，那么桥将忽略本次访问。那么桥将忽略

30、本次访问。 如果总线号不同于桥的第二级总如果总线号不同于桥的第二级总线，但在桥的第二级总线号的下线，但在桥的第二级总线号的下级总线范围内，那么桥将本次访级总线范围内，那么桥将本次访问作为问作为1类配置访问传递给第二类配置访问传递给第二级总线。配置命令从第一级传递级总线。配置命令从第一级传递到第二级到第二级C/BE#总线。总线。 如果总线号与桥的第二级总线号相同，那么桥将本次访如果总线号与桥的第二级总线号相同，那么桥将本次访问作为问作为0类配置访问传递给第二级总线。类配置访问传递给第二级总线。AD10:2直接直接从桥的第一级传递到第二级从桥的第一级传递到第二级AD总线。总线。AD15:11 的设

31、备的设备号用于决定第二级总线上哪个设备的号用于决定第二级总线上哪个设备的IDSEL信号被设置信号被设置有效。配置命令从第一级传递到第二级有效。配置命令从第一级传递到第二级C/BE#总线。总线。46 针对针对x86兼容的系统，兼容的系统，PCI协议定义了将处理器发协议定义了将处理器发出的出的I/O访问识别为配置访问，或将处理器发出的存访问识别为配置访问，或将处理器发出的存储器访问转换为配置访问的转换机构，称为储器访问转换为配置访问的转换机构，称为。(3) 配置访问的访问方法配置访问的访问方法 配置机构是利用两个配置机构是利用两个32位的位的I/O端口寄存器来访问端口寄存器来访问PCI设备的配置空

32、间的。设备的配置空间的。 配置配置端口寄存器（端口寄存器（I/O地址为地址为0CF8H0CFBH） 配置配置端口寄存器（端口寄存器（I/O地址为地址为0CFCH0CFFH）47 初始化程序只能通过初始化程序只能通过PCI BIOS才能访问才能访问PCI配置配置寄存器。寄存器。 PCI BIOS再通过再通过配置地址端口寄存器和配配置地址端口寄存器和配置数据端口寄存器实现其功能。置数据端口寄存器实现其功能。 通过通过INT 1AH实现：实现：AH=B1H，AL为子功能号为子功能号。 确认确认32位位BIOS是否存在；是否存在； 确认确认BIOS是否支持是否支持PCI BIOS，取得，取得PCI B

33、IOS入口入口地址；地址； 通过对通过对PCI BIOS入口地址的远程调用来实现：入口地址的远程调用来实现：AH=B1H，AL为子功能号。为子功能号。486.3 通用串行总线通用串行总线USB1. USB的硬件的硬件 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 Hub) USB设备设备 6.3.1 USB系统组成系统组成49 USB设备驱动程序设备驱动程序 USB驱动程序驱动程序 USB主控制器驱动程序主控制器驱动程序 2. USB的软件的软件 503. USB的拓扑结构的拓扑结构 PCI总线总线宿主机宿主机USB主控制器主控制器/根根Hub高速高速电话电话高速高速显

34、示器显示器高速高速集线器集线器高速高速麦克风麦克风扬声器扬声器高速高速扬声器扬声器高速高速键盘键盘高速高速低速低速麦克风麦克风麦克风麦克风低速低速高速高速=480Mb/s(2.0)全速全速=12Mb/s(1.1)低速低速=1.5Mb/s(1.0) USB的层次拓扑图的层次拓扑图516.3.2 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 1.接口信号线接口信号线 高高/全全/低速低速USB收发器收发器(主机或集线主机或集线器端口器端口)高高/全速全速USB收发器收发器(主机主机端口或高速端口或高速设备设备)+5vdcD+D-地地15K15K+3.03.6vdc1.5KD+D-高高/全

35、全/低速低速USB收发器收发器(主机或集线主机或集线器端口器端口)低速低速USB收收发器发器(低速设低速设备备)+5vdcD+D-地地15K15K+3.03.6vdc1.5KD+D-USB集成器和设备的电阻连接集成器和设备的电阻连接USB数据线数据线USB数据线数据线52总线状态总线状态信信 号号 电电 平平发送端发送端接受器端接受器端差分差分“1”D+2.8V并且并且D-200mV并且并且D+2.0V差分差分“0”D-2.8V并且并且D+200mV并且并且D-2.0V单端点单端点0(SE0) D+和和D-0.3VD+和和D-2.7V并且并且D-0.8V53总总 线线 状状 态态发发 送送 端

36、端接接 收收 端端高速差分高速差分“1”360mVD+440mV; -10mVD-10mV 高速差分高速差分“0”360mVD-440mV; -10mVD+10mV 高速高速J状态状态高速差分高速差分“1”高速差分高速差分“1”高速高速K状态状态高速差分高速差分“0”高速差分高速差分“0”Chirp J状态状态700mVD+D-1100mVChirp K状态状态-900mVD+D-500mV高速闲置高速闲置(Idle)状态状态NA-10mV(D-, D+)10mV高速包开始高速包开始(HSSOP)数据线从高速闲置状态转换到高速数据线从高速闲置状态转换到高速J状态或高速状态或高速K状态状态高速包

37、结束高速包结束(HSEOP)数据线从高速数据线从高速J状态或高速状态或高速K状态转换到高速闲置状态转换到高速闲置状态状态54D+和和D-的电压全部下降到的电压全部下降到0.8V并维并维持持2.5 s保持信号线保持信号线2个位传输时间的个位传输时间的SE0状态状态，之后保持，之后保持1个位传输时间的个位传输时间的J状态。状态。D+或或D-的电压上升的电压上升到到2.5(2.7)V维持维持2.5 s以上以上信号线跳变到其信号线跳变到其反向逻辑电平反向逻辑电平差分数据线按差分数据线按传送数据变换传送数据变换551. D+线电压上升，则首先判断为全速设备。线电压上升，则首先判断为全速设备。2. 主机在

38、识别到一个新设备后要求集线器复位主机在识别到一个新设备后要求集线器复位(Reset)连接端口，此时数据线进入连接端口，此时数据线进入SE0状态至少状态至少10ms。3. 复位期间，高速设备会发出一个复位期间，高速设备会发出一个Chirp K，集线器检，集线器检测到该测到该Chirp K后，会回应一串后，会回应一串Chirp K与与J。4. 得到这个得到这个Chirp KJKJKJ序列后，设备断开序列后，设备断开D+线上线上的上拉电阻，使能高速终端，进入高速缺省状态。的上拉电阻，使能高速终端，进入高速缺省状态。5. 如果在复位期间集线器一直没有检测到如果在复位期间集线器一直没有检测到Chirp

39、K，则，则说明接入的是全速设备。说明接入的是全速设备。6. 如果高速设备发出如果高速设备发出Chirp K后一直得不到集线器回应后一直得不到集线器回应的的Chirp KJKJKJ序列，则说明集线器不支持高速设序列，则说明集线器不支持高速设备，则设备依然回到全速状态。备，则设备依然回到全速状态。 56 2.电气特性电气特性 对地电源对地电源电压为电压为4.755.25V，设备吸入的最，设备吸入的最大电流值为大电流值为500mA 。第一次被主机检测到时，。第一次被主机检测到时，设备吸入的电流设备吸入的电流100mA 自给供电自给供电 总线供给总线供给57 3.NRZI编码编码 原始原始数据数据空闲

40、空闲填充填充数据数据填充位填充位NRZI码码0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1位填充和位填充和NRZI编码编码0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 NRZI的编码方法不需独立的时钟信号和数据一起发送的编码方法不需独立的时钟信号和数据一起发送，。在数。在数据被编码前，在数据流中据被编码前，在数据流中，从而强迫，从而强迫NRZI码发生变化，也顺便让收发双放码发生变化，也顺便让收发双放对准一次时钟，接收端必须去掉这个插入的对准一次时钟，接收端必须去掉这个插入的“0”。 586.3.3 USB数据流类型

41、和传输类型数据流类型和传输类型 控制信号流、块数据流、中控制信号流、块数据流、中断数据流、实时数据流。断数据流、实时数据流。 2：单：单/双向，用于双向，用于传输，要求准确传输，要求准确，出错重传。时间性不强。，出错重传。时间性不强。 1： 双向，双向，发，发生错误需重传。生错误需重传。 当当USB主机检测时，设备必须要用端主机检测时，设备必须要用端点点0完成和主机交换信息的控制传送。完成和主机交换信息的控制传送。 3 ：单向入主机，用于：单向入主机，用于传送。采传送。采用查询中断方式，出错下一查询周期重新传。用查询中断方式，出错下一查询周期重新传。4：单：单/双向，用于双向，用于的数据传输，

42、的数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。596.3.4 USB交换的包格式交换的包格式标志包标志包数据包数据包握手包握手包一次交换（事务处理）一次交换（事务处理）等时传输无握手包等时传输无握手包交换完毕，进入交换完毕，进入发送方把发送方把D+和和D-上的电压降低到上的电压降低到0.8V以下，并保持以下，并保持2个位的传个位的传输时间，然后维持输时间，然后维持1个位传输时间的个位传输时间的J状态表示状态表示包结束，之后进入闲置状态。包结束，之后进入闲置状态。，对中断传输，亦由主，对中断传输，亦由主机发送查询包取得中断信息机发送查询包取得中断信息

43、。帧结束帧结束间隔区间隔区60表表6.7 包的类型包的类型(阴影部分是阴影部分是USB2.0规范规范)PID类型类型PID名称名称PID3:0描述描述标志包标志包OUT0001b具有具有PID、类型检查、设备地址、端点、类型检查、设备地址、端点号和号和CRC域的宿主到功能设备的发送域的宿主到功能设备的发送包包IN1001b功能设备到宿主的接收包，具有和发功能设备到宿主的接收包，具有和发送包一样的域送包一样的域SOF0101b帧开始包帧开始包SETUP1101b主机发给设备的设置包，用于控制传主机发给设备的设置包，用于控制传输的设置。输的设置。数据包数据包DATA00011b数据包数据包0DAT

44、A11011b数据包数据包1DATA20111b为帧中高速、高带宽的等时交换的数为帧中高速、高带宽的等时交换的数据包据包MDATA1111b为分离的高速和高带宽等时交换中的为分离的高速和高带宽等时交换中的数据包数据包61握手包握手包ACK0010b接收设备发的接受数据正确的应答包接收设备发的接受数据正确的应答包NAK1010b接收设备无法接受数据或没有数据返接收设备无法接受数据或没有数据返回个宿主回个宿主STALL1110b设备已经被挂起，需要主机插手解决设备已经被挂起，需要主机插手解决故障故障NYET0110b接收器无应答接收器无应答特殊包特殊包PRE1100b(Token)预告包，预告下面

45、将以低速方预告包，预告下面将以低速方式和低速设备通信式和低速设备通信ERR1100b(Handshake)分离交换错误的握手信号分离交换错误的握手信号SPLIT1000b高速分离交换标志高速分离交换标志PING0100b为批或控制端点传输而设置的高速流为批或控制端点传输而设置的高速流控制探测控制探测Reserved0000b保留保留62包的一般格式包的一般格式SYNCPID 包特定信息包特定信息CRC8位位(32位位)8位位n位位5位或位或16位位同步序列同步序列包标识别，发送从低位到高位包标识别，发送从低位到高位所有数据发发送都时从低位开始向高位发送所有数据发发送都时从低位开始向高位发送数据

46、为数据为10000000B(1.1版本版本)PID0 PID1LSbPID2 PID3 PID0#PID1#PID2# PID3#MSb低低4位放位放PID高高4位放位放PID的反码的反码数据为数据为10000000000000000000000000000000B(2.0版本版本)631. 包的种类及格式包的种类及格式 SYNCPID FRAME NUMBERCRC8/32位位 帧开始包格式帧开始包格式8位位11位位5位位编码编码数据数据0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1LSbMSb64SYCNPIDADDRENDPCRC8/32位位 接受和发送包的格式接受和发送

47、包的格式8位位7位位4位位5位位接受交换包括了全部接受交换包括了全部4种传输类型种传输类型:根根Hub广播接受包广播接受包目标设备返回数据包目标设备返回数据包根根Hub发握发握手包。（手包。（）:根根Hub广播发送包广播发送包根根Hub发数据包发数据包目标设备发握目标设备发握手包（手包（）发送交换包括了除中断传输外的其他发送交换包括了除中断传输外的其他3种传输类型种传输类型652数据包数据包DATACRCSYNCPID8位位USB 1.1数据包格式数据包格式8位位08184位位(1023B)16位位SYNCPIDDATACRC32位位USB 2.0数据包格式数据包格式8位位08192位位(10

48、24B)16位位 控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或控制传输开始由主机发设置包，后面可能由一个或多个多个IN或或OUT交换，或只包含一个从端点传到主机的交换，或只包含一个从端点传到主机的状态状态66SYCNPID8/32位位 握手包的格式握手包的格式8位位3握手包握手包 4 特殊包特殊包数据接受方发向数据发送方数据接受方发向数据发送方 只有只有SYNC和和PID组成组成希望与低速设备进行低速传输的时候发此包希望与低速设备进行低速传输的时候发此包 PID域应该高速（全速）发送。域应该高速（全速）发送。 PID之后，在低速数据包传输之前要延迟之后，在低速数据包传输之前要延迟4个高速个高速

49、字节时间字节时间 低速设备只支持控制传输与中断传输低速设备只支持控制传输与中断传输 与低速设备交换数据只有与低速设备交换数据只有8字节字节67主主 机机HUB设设备备1.1 设备接入设备接入1.2 通知有设备接入通知有设备接入2 检测检测Hub,确认有接入确认有接入3 使能该端口，发使能该端口，发RESET命令命令4 发发RESET信号，供电信号，供电5.1 利用默认端点利用默认端点0读设备描述器读设备描述器6.2 分发地址分发地址7.2 读配置信息读配置信息7.1 按地址读设备配置信息按地址读设备配置信息8.2 写配置信息写配置信息8.1 按地址设设备配置信息按地址设设备配置信息6.1 给设

50、备分发地址给设备分发地址5.2 读设备描述器读设备描述器68 USB On-The-Go(OTG)是对是对USB 2.0规规范的有益的扩充。这类设备既可以作为范的有益的扩充。这类设备既可以作为USB设备与设备与PC机相连，又可以作为机相连，又可以作为USB主机连接其它主机连接其它USB设备。因此，这类设设备。因此，这类设备可以抛弃备可以抛弃PC，直接进行设备与设备之，直接进行设备与设备之间的点对点间的点对点(pear to pear)通信。通信。 USB On-The-Go 在在USB 规范基础上增加了以下几点规范基础上增加了以下几点6.3.6 USB2.0的补充的补充OTG技术技术69USB

51、 On-The-Go 设备定义了一个新的称之为设备定义了一个新的称之为mini-AB 的的袖珍插孔，它能接入袖珍插孔，它能接入mini-A 和和mini-B 插头。连接器的插头。连接器的不同定义设备的不同定义设备的。VBUSD+D-GNDID1: Slave B设备设备0: Master A设备设备mini-B 插头插头mini-A 插头插头VCCVCC70两个两个OTG RTR(主主/从双角色从双角色)设备相连，可以用主机交设备相连，可以用主机交流协议流协议(HNP)随时切换主机角色。步骤如下：随时切换主机角色。步骤如下：1. A设备发出设备发出SET_FEATURE命令后，命令后，B设备可

52、请求总设备可请求总线控制权。线控制权。2. A设备挂起总线，通知设备挂起总线，通知B设备可占用总线。设备可占用总线。3. B设备发送信号，断开设备发送信号，断开A设备连接。设备连接。4. A设备启动设备启动D+线本方的上拉电阻，将线本方的上拉电阻，将D+置高。此时置高。此时A设备成为外设，设备成为外设，B设备成为主机。设备成为主机。5. B设备完成对总线控制后，启动设备完成对总线控制后，启动D+线本方的上拉电阻线本方的上拉电阻，放弃对总线的控制。，放弃对总线的控制。6. 在以上电平变换的同时，通过软件实现真正的对总在以上电平变换的同时，通过软件实现真正的对总线的控制权变化。线的控制权变化。71

53、1.分清开发的设备类型分清开发的设备类型 嵌入式嵌入式USB主机主机 USB Hub 基于基于HID(人机接口设备人机接口设备)的的USB设备设备 USB OTG设备设备2.选择合适的控制芯片选择合适的控制芯片 内嵌内嵌USB模块和嵌入式模块和嵌入式CPU核的核的SOC芯片芯片 内嵌单片机内核的内嵌单片机内核的USB控制芯片控制芯片 可与其它嵌入式可与其它嵌入式CPU相连的单独相连的单独USB控制芯片控制芯片6.3.7 开发具有开发具有USB功能的设备的先期准备功能的设备的先期准备723.一般的开发步骤一般的开发步骤1) 根据选择的器件和要实现的功能，设计相关电路。根据选择的器件和要实现的功能

54、，设计相关电路。2) 编制软件（根据不同应用，设计其中部分或全部软编制软件（根据不同应用，设计其中部分或全部软件）。件）。4.目前常见的控制芯片目前常见的控制芯片 OTG芯片：芯片：ISP1362，OTG243 主机主机/设备芯片：设备芯片： SL811HS，ISP1161 设备芯片：设备芯片：PDIUSBD12，ISP1581 HUB芯片：芯片：GL652USB73 6.4 PCI-Express总线总线 （自学）（自学）PCI Express为互连设备提供高速、高性能、点对点为互连设备提供高速、高性能、点对点、双、双/单工、差动信令链路。数据从一组信号线上发送单工、差动信令链路。数据从一组信号线上发送，而在另一组信号线上接收。采用设备间的点对点串，而在另一组信号线上接收。采用设备间的点对点串行连接。行连接