第7章 USB通用串行总线 7.1 概述 7.1.1 USB发展过程 通用串行总线USB（Universal Serial Bus）由Compaq、IBM 、Intel、Microsoft、NEC等公司于1994年联合提出。 1996年发布USB1.0标准 1998年发布USB1.1标准 两种传输速度：1.5Mdbs（低速）、12Mdbs（全速） 热拔插和即插即用 最多可同时连接127台设备 1999年发布USB2.0标准 1）最高传输速度达480Mdbs（高速），是USB1.1的40倍 2）向下兼容USU1.1
7.1.2 USB的设计目标及特点 设计准则： 1）易于扩充 2）协议灵活 3）支持音频/视频等实时数据的传输 4）提供价格低廉的标准接口 USB的特点： 1）速度快 2）设备安装和配置容易 3）易于扩展 4）使用灵活 5）可总线供电 6）成本低
7.1.3 USB的接口特性
1.USB的输出 . 差分驱动，支持半双工方式 . 电缆阻抗范围： 76.5 – 103.5Ω . 驱动器输出阻抗匹配电阻：28 – 44Ω . 所有USB设备的上游端口，按设备的最高速定义。 2.USB的接收 . 差分接收 7.1.4 USB信号的定义
包开始 数据线从闲置状态跳变到K态 包结束 SE0态保持2位的传输时间后之后， SE0态保持2位的传输时间后之后， 保持1位传输时间保持1位传输时间的J态。 的J态。 断开 SE0 保持SE0态持续2.5us以上 SE0 保持SE0态持续2.5us以上 连接 闲置状态持续时间≥2ms 闲置状态持续时间≥2.5us 复位 D+和D-＜2.8v的持续时间 ≥ 10ms D+和D-＜0.3v的持续时间 ≥ 2.5us
7.1.5 数据的编码与解码 NRZI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”。
位填充和NRZI编码 如果接收端连续接收到7个逻辑“1”，则认为发生了位填充错误。 7.2 USB系统结构 7.2.1 USB总线的拓扑结构
. 阶梯式星型拓扑结构
USB的物理连接 USB的逻辑连接
D D
HOST 层1 层2
层3 层4 . 管道：HOST软件与USB设备端口间的数据传输通道。 . 一个USB设备可有多个管道；设备的一个端口可建立一个输入管道和一个输出管道。 . 各管道之间相互独立。
7.2.2 USB主机 一个USB系统只有一个主机，主机的USB接口称为USB控制器。 USB控制器无论对主机还是USB设备，都必须具备如下的主要功能： 1. 帧产生 USB系统采用帧同步传输。 . 控制器将总线时间化分为帧，每帧持续时间：1ms . 每1ms都以SOF（Start –Of-Frame）令牌开始，标识新的一帧开始。在SOF之后，总 线处于工作状态，主机与USB设备开始传输数据，传输完成，进入帧结束间隔区（EOF）， 总线处于空闲状态。等待下一帧的开始。 . SOF以广播的方式，发到所有的全速设备，每隔1ms发送一次。 . 在帧结束间隔区（EOF）间内，所有的传输都被禁止或暂停。 . 高速微帧的持续时间为125us，每1ms内可产生8个微帧SOF令牌。 EOF间隔 SOF SOF SOF
帧N-1 帧 N 帧 N+1
1ms 1ms
„ 125us 2. 传输差错控制 . 超时错。目标端口没有反应。 . 协议错。位插入错（出现连续7个“1”），无效握手包，错误的包标志等。 . 数据丢失错或无效传输错。传输时间超过EOF（1ms）、CRC校验等 对于批传输、命令传输和中断传输，上述各类型的错误出现3次后，终止传输。同步传输则不受此限制。 3. 状态处理 控制器负责管理和报告USB系统的各种状态，状态处理器负责对状态信息做处理，使主机控制器与设备之间的状态保持一致。 4. 串行化与反串行化 . 输出数据。主机控制器将协议信息与原始数据信息转换为串行数据流。 . 输入数据。主机控制器将串行数据流还原为协议信息与原始数据信息。 . 串行接口引擎（STE）负责传输过程中的串行化与反串行化工作。 5. 数据处理 . 主机控制器负责处理主机输入/输出数据的请求。 . 数据传输的格式取决于系统的具体实现，并符合USB协议的要求。
站在用户的角度，主机控制器具有的功能： . 检测USB设备的插入和拔出。 . 管理主机与设备的数据流。 . 对设备进行必要的控制。 . 收集/处理各种状态信息。 . 给设备供电。
7.2.3 USB设备 USB设备分为两类：USB集线器（HUB）、USB设备 1. USB集线器 . 上游端口 . 下游端口 . USB 集线器由控制器和中继器组成。 . 控制器负责与主机接口，接收主机发来的命令和数据。 . 中继器负责上游端口与下游端口之间的联接状态。可由硬件产 生复位、休眠和恢复信号。 2. USB功能设备 . 具备某一特定应用功能的设备，通过USB接口连接USB主机并收/ 发数据和控制信息。 . 每一设备都必须由自己的配置信息（对设备功能的描述、设备的 属性、资源要求等），主机根据设备提供的配置信息对设备进行 配置和定位驱动软件。 . 端点。USB主机与USB设备的逻辑连接点。 . 接口。一组相关的端点组成一个接口。 . 配置。一种配置，可以包含多个接口。而一个功能设备可以有多 种配置。 . 设备插入时，USB主机通过默认端口读取设备的描述符，选取一种 配置（枚举）。
7.2.4 USB的通信模型 USB设备 . USB 总线接口层 底层物理接口，通过电缆与USB主机相连，是USB设备收/发数据的接 口。 . USB 设备层 是USB协议栈的主体。它处理总线接口与不同端点之间的数据。实现 USB的各种基本行为。 . 功能层 实现USB设备的特定功能。 USB主机 . USB主控制器与根集线器 集成在PC机的主板上，是USB主机与USB设备之间的物理连接点，实现USB主机与USB设备之间的数据收/发。主控制器负责数据的转换、存储和传输。根HUB提供USB的接口，其下游端口可直接与USB设备相连。根集线器控制USB端口的电源，激活和禁止端口，识别与端口相连的设备，设置和报告与每个端口相连的状态事件 . USB系统软件 主要由USB核心驱动程序（USBD）与USB主控制器驱动程序（HCD）组成。USBD被捆绑在操作系统之中，负责解释来自用户软件（USB设备类驱动程序）的命令，并将其分解为一系列的USB事务后。发送给与USB主控制器。 HCD负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件，负责将核心驱动程序 传送来的USB事务传给主控制器芯片。 . 客户软件与USB设备类驱动程序 USB设备类驱动程序（USB用户驱动软件），将用户的USB命令发送 给USB系统软件，同时初始化内存缓冲 区，用于存储所有USB通信中 的数据。 客户软件是用户与USB系统之间的一个界面，主要完成用户对USB的 控制，以及实时地进行一些数据交换。 对于USB系统而言，客户软件不是必需的。
7.3 USB的数据模型 7.3.1 端点（EndPoint） . 端点在USB设备中唯一可寻址的部分。在USB系统中，每个端点都 有唯一的地址（由设备地址和端点号确定）。 . 在硬件上，端点是一个有一定深度的FIFO数据缓冲区。 . 一个USB设备有一组相互独立的端点，主机通过端点与USB设备进 行通信。 . 端点的基本特性：端点号、通信方向、带宽和端点支持的包的大 小等。 . 端点0用于控制传输（系统默认），其他端点必须经系统配置后， 才能使用。 7.3.2 管道（Pipe） . 系统配置后，主机与端点之间的数据传输通道成为称为管道。 . 管道体现了主机与设备端点之间的数据传输能力。 数据流管道 . 通过流管道的数据USB没有定义格式。按先进先出的原则单向流经 管道。 . 流管道支持同步传输、中断传输和批传输。 消息管道 . 消息管道要求通过它的信息具有规定的格式。 . 消息管道可以是单向的，业可以是双向的（控制管道）。
7.3.3 USB的通信数据流
IRP 帧格式 USB格式 拆帧