USB接口与应用解析

1、第四章 USB接口与应用,2,通用串行总线USB,USB（Universal Serial Bus）通用串行总线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司联合开发的一种流行的外设接口标准。,1996年2月公布了USB 1.0版本，传输速率有低速1.5Mbps和高速12Mbps两种模式。USB 2.0已于2000年4月27日由Compaq、HP、Intel、Lucent、Micrsoft、NEC、Philips正式对外发布，作为新一代USB标准，USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备及电缆

2、线等，传输速率达480Mbps。USB 2.0不仅使USB大大提速，而且使更多的设备可以经USB连接到PC,3,一、USB系统概述： USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准协议使各种设备分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。,通用串行总线USB,1、USB系统的组成 一般USB系统被分成USB的连接、USB的设备和USB的主机。 USB的连接是指设备和主机之间进行连接的交互动作。USB的物理连接是有层次性的星型布局，每个集线器在星型的中心，每条线段是点对点连接的。,4,1、USB系统的组成(续) 任

3、何USB系统中，只有一个主机。 USB的设备包括集线器(Hub)和功能器件(Function)。集线器为USB提供更多的连接点，一个USB系统最多可连接127个设备，功能部件是指键盘、打印机、数码相机等为系统提供具体功能的设备。 USB设备和USB主机的接口称为主机控制器(Host controller)，它是硬件和软件综合实现的。根集线器是综合于主机系统内部的，用以提供USB的连接点。,通用串行总线USB,5,连接灵活,一个USB接口理论上可以连接127个USB设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头(Hub)，把多个设备连接在一起，再同PC机的USB口相接。在U

4、SB方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式，即每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上，而其本身又提供一个USB插座供下一个USB外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设。标准USB电缆长度为3m(低速5m)。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m。,USB的性能特点,通用串行总线USB,6,USB的性能特点,使用方便，具有热插拔和即插即用功能。 传输速度快。 支持异步和同步传输 数据传输可靠 连接灵活 独立供电，耗电少。 接口灵活方便 ，易于扩展,通用串行总线US

5、B,7,使用USB接口可以连接多个不同的设备，连接简单快捷，可以进行热插拔。即设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源。 在软件方面，为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。USB设备也不涉及IRQ冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用PC机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。USB设备能真正做到“即插即用”。,使用方便,USB的性能特点,通用串行总线USB,8,传输速度快,USB 1.0 提供了两种速度：USB低速1.5Mbps，低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等；USB全速1

6、2Mbps，USB全速的数据传输速度比RS-232C串口的9600bps快1000多倍，它用于大范围的多媒体设备。而USB 2.0的数据传输速度可以高达480Mbps。 USB3.0接口的传输率可达5Gb/s。,USB的性能特点,通用串行总线USB,9,独立供电,由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供+5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘、USB鼠标、优盘等作电源使用；但需高功耗的USB设备,如扫描仪等仍需自带电源；USB还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗。,USB的性能特点,通用串行总线USB,10,接口灵活

7、方便,USB共有4种传输模式：控制传输(control)、同步传输(Synchronization)、中断传输(interrupt)、批量传输(bulk)，以适应不同设备的需要。USB还能智能识别USB链上外围设备的接入或拆卸。USB接口支持即插即用和热插拔，具有强大的可扩展性，为外围设备提供了低成本的标准数据传输形式。无论是键盘、鼠标、游戏摇杆之类的简单输入设备，还是打印机、扫描仪、存储设备、modem、摄像头之类的高级外部设备,都可以采用USB接口。所有使用PS/2、串行、并行传统接口的外围设备均可采用USB接口形式。,USB的性能特点,通用串行总线USB,11,USB使用一个4芯的标准接

8、口，2芯是数据线，另2芯分别是+5V电源线和地线。接头有两种，扁平的A型和梯形的B型。通常B型供集线器(Hub)的设备使用。,USB接口引脚,接口灵活方便,通用串行总线USB,红,白,绿,黑,12,USB系统的基本框架有三部分组成： USB主机控制器/根集线器、 USB集线器 USB设备。,USB的基本框架,通用串行总线USB,13,USB主机控制器/根集线器,通用串行总线USB,负责激活USB系统删的处理动作；根集线器；为USB设备或集线器提供USB连接端口。,USB集线器,除了根端口以外，USB系统还提供附加的集线器，为连接其它设备提供一个或多个端口。USB集线器可集成到键盘或显示器设备中

9、去，也可以成为一个独立的设备。,14,USB设备,通用串行总线USB,泛指各种类型的USB外围设备，USB设备能够以高速、低俗、全速中的任何一种方式运行。,低速设备：如键盘鼠标，传输速率为1.5Mb/s。 全速设备：如CCD、移动硬盘等，传输速率为12Mb/s. 高速设备：如CCD、移动硬盘等设备，传输速率480Mb/s。,15,USB的物理接口和电气特性,一、接口信号线,3、电气特性,16,3、电气特性,D+、D-线电气特性： 无驱动：高速VD+ 2.7V, VD-0.8V, 低速反之； 有驱动：高速VD+ 2.0V, VD-2.0V, 低速反之,收发器：对地电源电压为4.755.25V，设

10、备吸入的最大电流值为500mA ，D+、 D-上不加电压 USB设备：高速在D+上加3.03.6V电压, 低速反之,17,3、电气特性 在USB总线上的两个端点之间传送数据时，总是采用平衡发送差分接收的方式工作，这样可以极大地提高传输速率，并能减少噪声。驱动器和接收器采用差分电路可抵消噪声的干扰。,18,3、电气特性（续） USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆。 两根双绞线是信号线D+和D-，用于发送信号。 USB为适应不同的设备需要，具有不同的数据传输率。可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的使用低速模式，将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限的个别低带宽的设备(如

11、鼠标)。 Vbus和GND两条线，为设备提供电源，Vbus的电压为5V。 USB设备可从总线和上行集线器上获得电压，也可以自行供电，设备获取的电量也可进行设置。,USB电缆,19,3、电气特性（续） USB具有省电模式，即进入挂起状态，USB支持两种类型的挂起方式：全部挂起和选择挂起，全部挂起是所有的USB设备进入挂起状态；选择挂起是仅被选择的设备进入挂起状态。当3ms内没有检测到总线行为，设备将会进入挂起状态，当设备进入挂起状态时，它消耗的电流不超过500A。当设备被唤醒时(远程唤醒或由唤醒信号唤醒)，必须限制从总线上获取的电流，设备必须有足够大的分流电容，以保证当设备处在恢复过程时，从集线

12、器获取的电流不超过端口的最大电流允许值。,通用串行总线USB,20,USB数据编码和解码 当PC主机对设备各发出控制信号时，所有连接的设备都通过根集线器收到同样的信号，但是经过对比所配置的设备地址后，只能有一个设备作出相对应的动作。因此对一个设备而言，不仅要无误地接收主机端所送来的数据，还要正确地发出响应的信号。因此，在D与D-的差动数据线上就必须采用一种特别的编号方式再加以传送出去，以解决在USB缆线所产生信号延迟以及误差等问题。,4、USB的编码方式,21,USB数据编码和解码（续） USB采用了NRZI（Non Return to Zero Invert，翻转非零码）的编码方式，无须同步

13、的时钟信号也能产生同步的数据存取。 NRZI的编码规则是，当数据位为“1”时不转换，为“0”时再作转换。,4、USB的编码方式,22,USB数据编码和解码（续） NRZI的编码方式会遇到一个很严重的问题：若重复相同的“1”信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐地累积而导致“塞车”的状况，使得读取的时序就会发生严重的错误。因此，在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填充（bit-stuffing）的工作。 若原始的串行数据中含有连续6个“1”位，就在其后填塞一个“0”位，强制在NRZI编码的数据流中加入跳变，执行位填塞的工作。,如果原始数据的第七位是0，填充位还是会被加入的，而且还加在同

14、样的位置，这就导致了在填充后的数据流中会有两个连续的0。,4、USB的编码方式,23,USB数据编码和解码（续） 若原始的串行数据中含有连续6个“1”位，就在其后填塞一个“0”位，强制在NRZI编码的数据流中加入跳变，执行位填塞的工作。,4、USB的编码方式,24,USB数据编码和解码（续） 位填充操作从同步数据段开始，贯穿于整个传送过程，在同步数据段的数据“1”作为真正数据流的第一位。位填充操作毫无例外由传送端强制执行。 在发送端进行数据传输之前，须先执行位填塞和NRZI编码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先执行NRZI译码，识别插入位并去掉它们，然后再做位反填塞（unbit

15、-stuffing）的工作。如果接收端发现数据包中任一处有七个连续的“1”，则将会产生一个位插入错误，该数据包将被忽略。,4、USB的编码方式,25,USB协议将通信逻辑上分为三层： 总线接口层、协议层和数据层。 总线接口层是真正的物理对应关系，也是最底层结构，而其他两层则是逻辑对应关系。总线接口层为主机接口和设备接口的连接，传送的是二进制比特流；协议层逻辑上是USB协议栈和USB逻辑设备之间的对应，其中传送的是包字节流；数据层则是主机端驱动程序或者应用软件和设备端功能单元的对应，传送的是有一定意义的信息。USB协议在区分三层结构中不同的信息流时候使用了不同的称谓来描述：总线接口层的位信息流为

16、信息包；协议层的包信息流为事务处理；数据层的信息流为数据传输。,5、USB通信的逻辑结构,6.1 包 包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下图：,1、SYNC字段由8位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为00000001。 2、PID字段用来表示数据封包的类型。PID字段如下图所示：,6、USB总线的协议,各种封包的类型与规范,6、USB总

17、线的协议,6.1 包,3、数据字段是用来携带主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。并非所有的USB包都必须有数据字段，例如握手包、专用包和SOF令牌包就没有数据字段。在USB包中，数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列号以及数据等内容。在总线传输中，总是首先传输字节的最低位，最后传输字节的最高位。 4、CRC字段由不同数目的位所组成。其中重要的数据封包采用CRC16的数据域（16个位），而其余的封包类型则采用CRC5的数据域（5个位）。 5、包结尾字段即发送方在包的结尾发出包结尾信号。它表现为差分线路的两根数据线保持2比特低位时间和1比特空闲位时间。

18、USB主机根据EOP判断数据包的结束。,6、USB总线的协议,6.2 封包格式,起始（SOF）封包 SOF封包属于令牌封包的一种，但具有独自的PID类型名：SOF。这个封包常用于等时传输，并不应用于低速设备。格式如下：,令牌（token）封包 由于USB的数据交换是由PC主机端所激活的，所以在每一个数据交换中必须以SYNC、PID、ADDR、ENDP与CRC5这5个数据域组合而成的令牌封包为起始。格式如下：,6、USB总线的协议,数据（data）封包,数据封包含有4个域：SYNC、PID、DATA与CRC16。DATA数据域的位值是根据USB设备的传输速度及传输类型而定，且须以8字节为基本单位

19、。也就是，若传输的数据不足8字节，或传输到最后所剩余的也不足8字节，仍须传输8字节的数据域。格式如下：,握手（Handshake）封包 握手封包仅包含SYNC和一个PID数据域，格式如下：,特殊（special）封包 PRE是主机从高速传输变成低速传输时送来的封包。格式如下：,6、USB总线的协议,事务处理（Transaction）：在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程。 （1）输入（IN）事务处理 输入事务处理表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程。 正常的输入事务处理 设备忙时的输入事务处理 设备出错时的输入事务处理,6.3 事务,6、USB总线的协议,正常的输

20、出事务处理,（2）输出（OUT）事务处理,设备忙时的输出事务处理,设备出错时的输入事务处理,6、USB总线的协议,正常的设置事务处理,（3）设置（SETUP）事务处理,设备忙时的设置事务处理,设备出错时的设置事务处理,（4）帧起始（SOF）事务处理 （5）帧结束（EOF）事务处理,6、USB总线的协议,在USB的传输中，制定了4种传输类型：控制传输、中断传输、批量传输以及等时传输。 控制传输是USB传输中最重要的传输。它包含3种类型：控制读取、控制写入以及无数据控制。这3种控制传输类型又分为23个阶段：设置阶段、数据阶段（无数据控制没有此阶段）以及状态阶段。 阶段一：设置阶段 主机从USB设备

21、获取配置信息，并设置设备的配置值。 设置阶段的数据交换包含了SETUP令牌封包、紧随其后的DATA0数据封包以及ACK握手封包。它的作用是执行一个设置（概念含糊）的数据交换，并定义此控制传输的内容。,6.4 USB的数据传输,6、USB总线的协议,数据传输阶段用来传输主机与设备之间的数据。控制读取将数据从设备移到主机上；控制写入将数据从主机传到设备上。,阶段二：数据传输阶段,6、USB总线的协议,状态阶段用来表示整个传输的过程已完全结束。 状态阶段传输的方向必须与数据阶段的方向相反，即原来是IN令牌封包，这个阶段应为OUT令牌封包；反之，原来是OUT令牌封包，这个阶段应为IN令牌封包。对于控制读取而言，主机