计算机外设与接口技术-24891讲稿

1、USB总线的性能特点 USB总线是通用设备总线。它能够将各种外设，统一在一个线缆标准下，并只有唯一的主控制器位于系统内，作为与外界联系的接口。 USB的优点1.即插即用 ：设备可以带电插拔，不需要重新开机和启动，便可以直接使用。 2.接口方便：USB最大允许连接的设备数：127个不同类别的设备 。3.传输速度快：USB支持三种速度模式：低速（Low speed）1.5Mbps、全速（Full speed）12Mbps和高速（High speed）480Mbps。低速适合交互设备：键盘、鼠标、游戏机。全速适合音频设备：麦克风、唱机、POST。高速适合影像设备：数码相机、摄像机、图像压缩卡和图形存

2、储卡。 4.传输稳定抗干扰：数据线采用差动式信号，对于干扰信号有天然的抑制作用。5.低功耗：USB控制器芯片本身采用低功耗器件，电源的最高功耗：500mA。 6.总线共享：USB作为外部设备总线，在端口技术上，可与现有的设备总线实现传输模式互连。USB的缺点 1.设备之间不能直接通信 。2.由于旧的计算机没有USB接口，使得USB设备无法与主机相连。需要通过一个转换器。 3.新开发USB设备较难 。USB的线缆信号和电平规范USB线缆是连接USB控制器与USB设备的信号线。线缆规范了4条信号线： 电源线+5V（红色） 数据线D+（绿色） 数据线D-（白色） 地线GND（黑色） 数据线是一对正付

3、极差动信号。USB没有时钟线。时钟由控制电路提供。信号电平范围：全速/低速“J”电平D+ 2.7V D- 0.4V“K”电平D+ 2.7V高速“J”电平D+ 360mVD- 10mV“K”电平D+ 360mVUSB控制器组成USB控制器是超大规模集成电路。芯片中包含有CPU、程序存储器、数据存储器、数据缓冲器和SIE（Serial Interface Engine）。 SIE接口 SIE引擎负责检测进入USB控制器的信息包：包括起始包、结束包，发出回答信号和重发信号，负责对总线上的数据传输格式进行编码、译码，进行CRC纠错，对信息包标识PID（Packet Identification）解密。

4、 USB总线术语 信道 信道指传输频道，是共享一个频带的数据传输途径。频带宽度 是数据传输的频率范围（最高频率fh最低频率fl）。集线器（Hub） 一个只有USB端口Port的设备称为集线器。其中，位于PC机的内部，称为根集线器（Root Hub）。I/O设备（Function） 与PC机进行数据交流的终端设备。区别于集线器。上游与下游 集线器上的端口Port分为两种：上游为A型插口、下游为B型插口，如图。级连深度 指USB线缆从上游插口到下游连接的最多集线器个数。主机外部的USB集线器最多为5级，USB设备最大数为126个。加上根集线器是127个。 总线数据包结构与定义 USB总线传输的最小

5、数据单位，称为包Packet。下面以12MHz的传输速率描述一个包结构。一个数据包，由起始序列、信息序列和终止序列组成，如图11-9所示。从起始到终止所用时间叫1“帧”。 总线数据包1.起始序列 包的起始标志，是从一个“J”状态跳变为“K”状态。即D+和D-两条线上的电平，同时切换到相反的极性。起始的时间为0.0833 s（1/12MHz）。我们将这种传输的最小元素称为“码元”（bit）。8位码元组成为一个“字节”BYTE。2.信息序列 包的信息序列的长度，是可变的。最少一字节，最多1024字节。信息序列由三项组成：同步、标识和选项。（如图11-9）。 同步SYNC由8位码元组成。紧接起始之后

6、是6个跳变，最后是两个“K”状态。同步序列为8个状态：“KJKJKJKK”。 标识也由8位码元组成。前4位是标识符PID，后4位组成PID的补码CRC。包的标识符象征信息包的类型。（见表11-2）补码用于检查信息的错误。USB信息类型主要分为四大类：令牌、数据、握手和特殊类型。使用的种类分为16种。 选项的长度可选，用来表示数据本身，内容分属上述四大类共16种。3.终止序列 包的终止序列标志一个数据包的结束。由信号线D+和D-同时变为低电平，如图11-9所示。终止序列在USB总线上出现，唯一不是差动信号，这样很容易识别。终止序列也称单一的“零”信号，或称EOP序列。 数据包类型表11-2 PI

7、D 数据包类型 类型说明 0101 SOF 令牌 1101 SETUP 令牌 1001 IN 令牌 0001 OUT 令牌 0011 DATA0 数据 1011 DATA1 数据 0010 ACK 握手 1010 NAK 握手 1110 STALL 握手 1100 PRE 特殊的 其它 保留 保留令牌包令牌包（Token Packet） 令牌包是数据的一种，用于使USB设备领受命令。令牌包信息类型的优先级别较高，即可以终止低一级的命令帧或数据帧。令牌包主要有以下4种：1.SOF（Start Of Frame）起始帧 起始帧使得USB组成强大的查错能力，SOF包出现在任何信息包之中。起到传输确认

8、的作用。也可以认为是有规则的传输节拍。一个SOF结构包括三部分：SOF标识符8位PID、Frame11位和CRC 5位。如图11-10所示。2.SETUP 该令牌包比OUT令牌包的优先级高，由4部分组成。SETUP标识符8位PID、设备地址7位、端点地址4位和CRC5位。如图11-10所示。3.IN IN令牌包用来建立数据传输，方向由USB设备传送到根集线器。由IN标识符8位PID、设备地址7位、端点地址4位和CRC5位组成。如图11-10所示。4.OUT OUT令牌包用来建立数据传输，方向由根集线器传送到USB设备。由OUT标识符8位PID、设备地址7位、端点地址4位和CRC5位组成。如图1

9、1-10所示。 数据包、握手包数据包（Data Packet） 数据包是SETUP、IN、OUT令牌之后的实际内容。从表11-2中可以看出，共有DATA0和DATA1两种，实际指的是同一个数据。利用两个包，一个是另一个的补码，互为印证、保证纠错。数据包的长度可变：11024字节，外加16位CRC校验位。当数据DATA0和DATA1被发送到接收器时，如果出错，纠错的方式是重发；如果时间到了却没有收到一个完整帧，则发出超时警告。数据包由3部分组成：DATA0或DATA1标识符8位PID、传送包（Payload data）11024字节不等和16位CRC。如图11-10所示。握手包（Hold Packet） 握手包用来表明接收设备的环境、接收数据的状态。用于由接收器对发送器返回的回答信号。共3种握手包类型：ACK、NAK和STALL。1. ACK ACK握手信息，