第5章 USB接口技术new

1第五章USB通用串行总线目录5.1USB系统组成5.2USB系统的接口信号和电器特性5.3USB数据流类型和传输类型5.4USB交换的包格式5.5USB设备状态和总线枚举5.6USB外围芯片及应用西安电子科技大学计算机学院司栋森第五章串行接口术第2页5.1USB系统组成“USB”的英文全称为“UniversalSerialBus”，中文名通常称之为“通用串行总线”接口。它是一种串行I/O总线，带有5V电压，支持即插即用功能，支持热拔插功能，最多能同时连入127个USB设备，由各个设备均分带宽。USB技术诞生于1994年，当时是由PC界的几位巨头，如康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在统一外设如打印机、外置Modem、扫描仪、鼠标等的接口，以便于安装使用，取代以往的串口、并口和PS/2接口。USB发展到今天，总共有三种标准：.1996年发布的USB1.0.1998年发布的USB1.1.以及发布不久的最新标准USB2.0此三种标准最大的差别就在于数据传输率方面，在其它方面也有不同程度的改进。总体来说，目前的USB2.0而言，技术性能已经十分完善了，速度也上了一个新台阶。第五章串行接口术第3页1、USB硬件概述包括：USB主机、USB设备（HUB和功能设备）和连接电缆。5m5m5m5m5mHostHubDeviceHub第五章串行接口术第4页各部分说明(1)USB主机（PC机内）带有USB主控制器（和根HUB）的PC机以及相应的软件。USB主机是整个总线上的主控者，掌握所有的控制权，负责对各个外围设备发出各种设定命令与配置。主机提供的主要功能：●检测USB设备的接入和拆除操作；●管理主机和USB设备之间传输的数据流，并进行流量控制；●搜集状态和性能统计信息；●控制主控制器和USB设备之间的电气接口，提供有限的电源。第五章串行接口术第5页USB功能设备(2)集线器（HUB)分成两类：集线器（HUB)、功能设备。集线器是用来向主机提供2个以上的USB设备接入点的设备。一般一个主机只提供2个或4个USB接口（即：主机带有一个根HUB）。因此，只有利用HUB，才可能使一个主机带127个USB设备。利用HUB整个USB系统可构成一个树形拓扑结构。HUB的主要功能●连接主机和USB设备或USB设备与USB设备的互接。●识别USB设备的添加和拆除。●电源管理。●总线故障检测和恢复。●支持全速和低速率USB设备。第五章串行接口术第6页USB功能设备（外设）带有USB接口的计算机外围设备就叫USB功能设备。一般USB功能设备与计算机相连接时不需要驱动卡（实际上该设备中的USB接口就带有驱动卡的功能）。因此，USB功能设备与计算机连接变得非常简单。第五章串行接口术第7页USB设备驱动程序实现对设备的初始化。采用分层的概念，降低驱动程序的复杂性。USB总线驱动程序在设备设置时读取描述器以获取USB设备的特征，并根据这些特征，在请求发生时组织数据传输。USB驱动程序可以是捆绑在操作系统中，也可以是以可装载的设备驱动程序形式加入到操作系统中。USB主控制器驱动程序完成对USB交换的调度，是访问硬件的接口，并通过根Hub或其他的Hub完成对交换的初始化。2.USB的软件第五章串行接口术第8页3USB总线的拓扑结构1、总线拓扑USB系统拓扑结构呈星状的层层向上的结构。如图，允许最多连接127个USB设备。主机(Host)一个系统只能有一个主机集线器(Hub)提供连接点,电源,终端自供电或总线供电设备(Device),接口(Interfaces)和端点(Endpoints)设备是一个接口的集合接口是一个端点的集合可寻址127个设备和16个端点第五章串行接口术第9页5.2USB系统的接口信号和电气特性1、接口信号线USB总线包含4条信号线。其中D+和D-是信号线，VBUS和GND是电源线。第五章串行接口术第10页第五章串行接口术第11页USB主机或根HUB对外设可以提供5V的电源。最大输出电流500mA。USB主机有一个独立于USB系统的电源管理系统（APM)。主机具有电源挂起和唤醒操作。暂时不用的USB设备，USB系统和APM将其置于电源挂起状态。USB设备第一次被主机检测到时，设备吸入的电流100mA。USB设备的供电一般采用总线供给，当设备耗电量大时，要采用外接电源的自供电方式。2、电气特性第五章串行接口术第12页VCCGND高速设备第五章串行接口术第13页总线状态信号电平发送端接受器端差分“1”D+2.8V并且D-0.3V(D+)-(D-)200mV并且D+2.0V差分“0”D-2.8V并且D+0.3V(D-)-(D+)200mV并且D-2.0V单端点0(SE0)D+和D-0.3VD+和D-0.8V数据J状态差分“1”（结束标志==2SE0+J）差分“1”数据K状态差分“0”（包开始=空闲+K）差分“0”恢复状态数据K状态（挂起到正常）数据K状态闲置状态N.A.D+2.7V并且D-0.8VUSB常用信号电平（高速设备）第五章串行接口术第14页USB设备接入检测及设备类型的区分在USB设备未连接至PC机时，由于D+、D-两条信号线因下拉电阻的关系，几乎视为接地（0V)。当某一个USB设备连接至PC机时，提升电阻（1.5kΩ）与下拉电阻（15kΩ）就会形成一个分压器，其中有一条信号线（D+或D-）的电位就会提升到VCC的90%，而另一条信号线电压维持在0V状态。根集线器测得此电压即可确定有一台设备已经连接上了。根集线器通过测得D+和D-上的电压即可确定有一台设备的类型（低速、全速/高速）。显然，当HUB测得两信号线电压小于0.8V，时间大于2.5μs时，即可断定该设备已脱离了。PC机会不断地轮询根HUB，检查D+、D-的电位变化，以了解设备的连接情况。第五章串行接口术第15页高/低速USB收发器(主机或集线器端口)高速USB收发器(高速设备)+5vdcD+D-地15KΩ15KΩ+3.0~3.6vdc1.5KΩD+D-高/低速USB收发器(主机或集线器端口)低速USB收发器(低速设备)+5vdcD+D-地15KΩ15KΩ+3.0~3.6vdc1.5KΩD+D-USB数据线USB数据线全速设备低速设备第五章串行接口术第16页D+和D-的电压全部下降到0.8V并维持2.5s连接状态断开状态D+或D-的电压上升到2.5(2.7)V断开状态闲置状态维持2.5s以上连接状态设备接入到端口上的过程设备从端口上断开过程第五章串行接口术第17页保持信号线2个位的传输时间的SE0状态，之后保持1个位传输时间的J状态。传送状态闲置状态信号线跳变到其反向逻辑电平数据K状态闲置状态差分数据线按传送数据变换传送状态数据包传送开始过程数据包传送结束过程差分“0”/起始位第五章串行接口术第18页原始数据空闲填充数据填充位NRZI码000111111011011000111111011011位填充和NRZI编码00011111111011NRZI的编码方法不需独立的时钟信号和数据一起发送，电平跳变代表“0”，没有电平跳变代表“1”。在数据被编码前，在数据流中每6个连续的“1”后插入1个“0”，从而强迫NRZI码发生变化，接收端必须去掉这个插入的“0”。3、NRZI编码（无回零反向码）第五章串行接口术第19页5.3USB数据流类型和传输类型USB数据流类型有4种：控制信号流:当USB设备加入时,USB系统软件与设备之间建立起控制信号流,发送控制信号。块数据流：用于发送大量的数据。中断数据流：用于传输少量随机输入信号。实时数据流：用于传输固定速率的信号。第五章串行接口术第20页USB有4种基本的传输类型：2．批传输：单/双向，用于大批数据传输，要求准确，出错重传。时间性不强。（打印机）1．控制传输：双向，用于配置设备或特殊用途，发生错误需重传。每个设备必须要用端点0完成USB主机检测时和主机交换信息的控制传送。（初始化）3．中断传输：单向入主机，用于随机少量传送。采用查询中断方式，出错时下一查询周期重新传。（键盘）4．等时传输：单/双向，用于连续实时的数据传输，时间性强，但出错无需重传。传输速率固定。（音响）第五章串行接口术第21页1、传输类型的特性对于慢速设备仅支持控制型传输和中断型传输。每一种传输类型都具有自己的特性：•规定的数据结构•通信方向•分组大小•带宽限制•所要求的数据顺序第五章串行接口术第22页2、控制型传输属于双向型传输。用于传输主机发往设备的命令（设备请求）、主机发往HUB的集线器请求、设备传向主机的设备描述符配置及状态等信息。这些信息叫控制型数据，组成的包叫控制包。控制型传输分三个阶段：设定（Setup）阶段、数据（Data）阶段和状态（Status）阶段。（1）“设定阶段”交换的有三个包。它们是：●主机发往设备的SETUP令牌包（包含请求的设备地址、端口号等）；●主机发往设备的，包含有“设备请求”的数据包；●设备给主机的握手包。第五章串行接口术第23页（2）“数据阶段”交换的也有三个包。它们是（读：）●主机发往设备的IN令牌包；●设备发给主机的DATA1数据包；●主机给设备的ACK握手包。（3）“状态阶段”交换的也有三个包。它们是：●主机发往设备的OUT令牌包；●主机给设备的DATA0数据包；●设备传向主机的ACK应答（握手）信号。第五章串行接口术第24页USB协议规定：控制型传输只能用端点0进行传输。每当USB设备第一次连接到USB主机时，就用控制型传输，设定USB设备的地址和读取设备的描述符。第五章串行接口术第25页3、中断型传输它属于单向传输，且只能从设备传到主机。由于USB不支持硬件中断（不占用系统的中断类型等资源），主机实际是采用“轮询”的方式。使用该种传输的有USB键盘、USB鼠标和USB摇杆等人机接口设备（HID)。在中断传输类型中进行数据交换一般有三个或两个步骤：请求包、数据包（可有可无）和握手包。即：主机往设备发送IN令牌包；设备往主机发送数据包；主机往设备发送握手包。第五章串行接口术第26页如果主机往设备发送IN令牌包后，设备无数据发往主机，则发送NAK作应答：主机往设备发送IN令牌包；主机往设备发送NAK握手包。第五章串行接口术第27页4、批传输批传输用于大量数据的，准确的，但无速度限制（不考虑带宽）的传输。其特点是出现错误后，可以重传。应用这类传输的有USB打印机、USB扫描仪等。在批传输类型中进行数据交换一般有三个或两个步骤：请求包、数据包（可有可无）和握手包。即：主机往设备发送IN令牌包；设备往主机发送数据包；主机往设备发送握手包。第五章串行接口术第28页第五章串行接口术第29页5、等时传输用于传输连续、实时的数据。其特点是：要求稳定的带宽，实时性强，但可忽略错误。应用这类传输的有视频设备、数字声音设备、数字相机等全速设备。在实时传输类型中进行数据交换一般有两个步骤：请求包、数据包（可有可无）。即：主机往设备发送IN令牌包；设备往主机发送数据包；第五章串行接口术第30页第五章串行接口术第31页5.5USB数据交换的包格式1、帧USB中信息传输以“帧”为单位，一帧中可以包含多种“包”，每一个包又包含多种类型的“域”。USB系统在数据交换中常见的有五种包：令牌包、数据包、握手包、帧开始包和特殊包。“包”中的“域”有7种类型：同步域、标识域、地址域、端点域、数据域、帧标识域和校检域等。各类包中所包含的域的种类和数量依包而定。1桢=令牌包、数据包、握手包、等1包=同步域、标识域、地址域、端点域、数据域、帧标识域和校检域第五章串行接口术第32页标志包数据包握手包一次交换（事务处理）等时传输无握手包交换完毕，进入帧结束间隔区发送方把D+和D-上的电压降低到0.8V以下，并保持2个位的传输时间，然后维持1个位传输时间的J状态表示包结束，之后进入闲置状态。每次交换均由主机发起，对中断传输，亦由主机发送查询包取得中断信息。帧结束间隔区2、信息传递的过程第五章串