通用串行總線(USB)原理及接口設計

通用串行總線ＵＳＢ (Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ＳｅｒｉａｌＢｕｓ)是Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ等大廠商為解決計算機外設種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于１９９５年提出制定的。它是一種用于將適用ＵＳＢ的外圍設備連接到主機的外部總線結構，主要用在中速和低速的外設。ＵＳＢ同時又是一種通信協議，支持主機和ＵＳＢ的外圍設備之間的數據傳輸。目前較多設備支持的是ＵＳＢ１．１ １ ，最新的ＵＳＢ２．０ ３ 已于２０００年４月正式發布。

???? ＵＳＢ設備具有較高的數據傳輸率、使用靈活、易擴展等優點。

???? ＵＳＢ１．１有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為１．５Ｍｂｐｓ，支持一些不需要很大數據吞吐量和很高實時性的設備，如鼠標等；全速模式為１２Ｍｂｐｓ，可以外接速率更高的外設。在剛剛發布的ＵＳＢ２．０中，增加了一種高速方式，數據傳輸率達到４８０Ｍｂｐｓ，可以滿足更加高速的外設的需要。

???? 安裝ＵＳＢ設備不必打開主機箱，它支持即插即用(Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ) 和熱插拔(Ｈｏｔ Ｐｌｕｇ)。當插入ＵＳＢ設備的時候，主機檢測該外設并且通過自動加載相關的驅動程序來對該設備進行配置，并使其正常工作。

１ ＵＳＢ的結構與工作原理

１．１物理結構

???? ＵＳＢ的物理拓撲結構如圖１所示。在ＵＳＢ２．０中，高速方式下Ｈｕｂ使全速和低速方式的信令環境獨立出來，圖２中顯示了高速方式下Ｈｕｂ的作用。

???? 通過使用集線器(Ｈｕｂ)擴展可外接多達１２７個外設。ＵＳＢ的電纜有四根線，兩根傳送的是５Ｖ的電源，另外的兩根是數據線。功率不大的外圍設備可以直接通過ＵＳＢ總線供電，而不必外接電源。ＵＳＢ總線最大可以提供５Ｖ ５００ｍＡ電流，并支持節約能源的掛機和喚醒模式。

１．２ ＵＳＢ設備邏輯結構

???? ＵＳＢ的設備可以分成多個不同類型，同類型的設備可以擁有一些共同的行為特征和工作協議，這樣可以使設備驅動程序的編寫變得簡單一些。ＵＳＢ Ｆｏｒｕｍ在ＵＳＢ類規范 ２ 中定義了ＵＳＢ的設備類型，比如音頻、通信、ＨＩＤ、ＨＵＢ等設備類。

???? 每一個ＵＳＢ設備會有一個或者多個的邏輯連接點在里面 每個連接點叫端點。在ＵＳＢ的規范中用４位地址標識端點地址，每個設備最多有１６個端點。端點０都被用來傳送配置和控制信息。在ＮＳ公司的ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２ ４ 中有７個端點。

???? 管道實現了在主機的一個內存緩沖區和設備的端點之間的數據傳輸，連接端點０的叫做缺省管道。管道是具有多個特征的信道，如帶寬分配，包大小，管道類別以及數據流向。管道有兩種類型分別是流管道(ｓｔｒｅａｍ ｐｉｐｅ)和消息管道(ｍｅｓｓａｇｅｐｉｐｅ)。流管道傳輸的數據包的內容不具有ＵＳＢ要求的結構，它是單向傳輸的；流管道支持批量、等時和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先，由主機發請求給ＵＳＢ設備，然后在適當的方向上傳輸數據，最后是到達一個狀態階段。為了保證三個階段的數據傳輸，消息管道定義了一個數據結構使命令可靠地被識別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。

???? 對于同樣性質的一組端點的組合叫做接口，如果一個設備包含不止一個接口就可以稱之為復合設備(見圖１)。

???? 對于同樣類型接口的組合可以稱之為配置。但是每次只能有一個配置是可用的，而一旦該配置被激活，里面的接口和端點就都同時可以使用。主機從設備發過來的描述字中來判斷用的是哪個配置 哪個接口等等 而這些描述字通常是在端點０中傳送的。

１．３ ＵＳＢ通信分層模型

???? 一臺主機到設備的連接需要許多層與實體之間的相互作用。ＵＳＢ總線接口層提供了主機和設備之間的物理／信令／包的連接。在系統軟件看來，ＵＳＢ設備層執行的是一般的ＵＳＢ操作。功能接口層提供和應用軟件層相對應的附加功能。分層模型如圖３所示，雖然邏輯上ＵＳＢ設備層和功能層各自與主機上的相應層通信，但物理上都是通過ＵＳＢ總線接口層實現數據傳輸的。

１．４ 四種傳輸方式

???? ＵＳＢ提供了四種傳輸方式，以適應各種設備的需要。這四種傳輸方式分別是：

???? 控制傳輸方式：控制傳輸是雙向傳輸，數據量通常較小，主要用來進行查詢、配置和給ＵＳＢ設備發送通用的命令。控制傳輸主要用在主計算機和ＵＳＢ外設中端點０之間。

???? 等時傳輸方式：等時傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數據傳輸，或者用于要求恒定的數據傳送率的即時應用中。例如進行語音業務傳輸時，使用等時傳輸方式是很好的選擇。

???? 中斷傳輸方式：中斷方式傳送是單向的并且對于主機來說只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時查詢設備是否有中斷數據要傳送，該傳輸方式應用在少量的、分散的、不可預測的數據傳輸。鍵盤、游戲桿和鼠標就屬于這一類型。

???? 大量傳輸方式：主要應用在沒有帶寬和間隔時間要求的大量數據的傳送和接收，它要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。

???? 在開發ＵＳＢ設備時通過設置接口芯片中相應的寄存器使端點處于不同的工作方式。

１．５ ＵＳＢ通信協議

???? ＵＳＢ的物理協議規定了在總線上傳輸的數據格式，一個全速的數據幀有１５００字節，而對于低速的幀有１８７字節。幀的作用是分配帶寬給不同的數據傳送方式。

???? 一個最小的ＵＳＢ的數據塊叫做包，包通常有同步信號，包標識，地址、傳送的數據和ＣＲＣ。包的ＩＤ由八位組成，其中后四位是糾錯位。根據包功能的不同，在ＵＳＢ１．１中定義了以下四類十種：

???? ｔｏｋｅｎ ＯＵＴ ＩＮ ＳＯＦ ＳＥＴＵＰ

???? ｄａｔａ ＤＡＴＡ０ ＤＡＴＡ１

???? ｈａｎｄｓｈａｋｅ ＡＣＫ ＮＡＫ ＳＴＡＬＬ

???? ｓｐｅｃｉａｌ ＰＲＥ

???? 在ＵＳＢ２．０中又增加了幾種類型的包以滿足高速傳輸的需要。其中ｄａｔａ類型增加了ＤＡＴＡ２和ＭＤＡＴＡ，ｈａｎｄｓｈａｋｅ類型增加了ＮＹＥＴ，ｓｐｅｃｉａｌ類型則增加了ＥＲＲ，ＳＰＬＩＴ，ＰＩＮＧ，Ｒｅｓｅｒｖｅｄ。

???? 事務是在主機和設備之間不連續地數據交換。一個事務通常由主機開始，一般分三個階段，第一階段發送ｔｏｋｅｎ包，第二階段發送是ｄａｔａ包(可以向上也可以向下)，在數據包傳送完之后，就會由設備返回一個ｈａｎｄｓｈａｋｅ包。

???? 當客戶端程序通過一個ＵＳＢ管道發送或接收數據時，它首先會調用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ，ＡＰＩ會發送一個ＩＲＰ到ＵＳＢ設備驅動程序。ＵＳＢ設備驅動程序的任務就是把客戶端的請求通過一個管道發送到外設合適的端點。為了實現這個任務，ＵＳＢ設備驅動程序會遞交請求給總線驅動程序，總線驅動程序可以把這些請求轉變成事務，然后將這些事務組合成幀在總線上傳輸。

１．６ ＵＳＢ帶寬分析舉例

???? 在ＵＳＢ１．１標準中將其有效的帶寬分成幀，每幀通常是１ｍｓ長。但由于ＵＳＢ２．０的傳輸速率可高達４８０Ｍｂｐｓ，因此在ＵＳＢ２．０增加了一種微幀，它只有原來幀的１／８，這使得在傳輸數據時使用更小的緩沖。在完成了系統的配置信息和連接之后，ＵＳＢ的主機就會對不同的端點和傳輸方式做一個統籌安排，用來適應它的帶寬。對全速和低速的端點，系統為等時和中斷方式的傳輸保留整個帶寬的９０％，即占每個幀時間的９０％，剩下的就安排給控制方式傳送數據。在ＵＳＢ２．０中，對于高速的端點，則為等時和中斷方式的傳輸保留每個微幀的８０％。

???? 以等時傳輸為例，在某個配置中作為一個等時傳輸管道的端點，定義了它能傳輸的數據有效負載的長度。ＵＳＢ系統軟件用這個長度限制去保證足夠的總線時間使每幀的內容能容納最多的數據有效負載。如果有足夠的總線時間，配置才會建立。每個等時管道的數據有效負載可以是１，２，４，．．．，５１２，１０２３字節。

???? 例如，當數據包最大有效負載為５１２個字節時，一個全速幀(１５００字節)最多可以傳輸２個這樣的包。除去協議開銷的１８個字節，剩余４５８個字節可以用于其他事務的傳輸。因此每幀有效字節數為２個包的字節即１０２４字節，因此最大帶寬為１．０２４Ｍｂｙｔｅ／ｓ，每個包的有效字節占整個幀的３５％。同樣可推算，數據有效負載長度為６４、１２８或２５６時其最大帶寬值最大，為１．２８Ｍｂｙｔｅ／ｓ。

???? 在ＵＳＢ２．０高速工作方式下，每個等時管道的數據有效負載可以是１，２，４，．．．，２０４８，３０７２字節。當數據有效負載長度為１０２４時其最大帶寬值最大，為５．７３４４Ｍｂｙｔｅ／ｓ，每個包的有效字節占整個微幀的１４％。

２ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＵＳＢ驅動程序接口

???? ＵＳＢ的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的Ｗｉｎ９５的ＶｘＤ(Ｖｉｒｔｕａｌ ＤｅｖｉｃｅＤｒｉｖｅｒ)驅動程序不同，它屬于ＷＤＭ(Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ)類型的，Ｗｉｎ９８、Ｗｉｎ２０００等操作系統均支持該類型的驅動程序。ＷＤＭ首先定義了一個基本的核心驅動程序模型，處理所有類型的數據，使驅動程序模型的內核實現更加的固定。ＷＤＭ驅動程序還是一種分層的程序結構，可以看做是ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ驅動程序的改進，ＷＤＭ驅動程序支持即插即用、電源管理和ＷＭＩ(Ｗｉｎｄｏｗｓ ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ)特性。Ｗｉｎ９８和Ｗｉｎ２０００提供了一系列的系統驅動程序，它們具有為許多標準類型設備服務所需的所有基本功能。

???? ＵＳＢ的ＷＤＭ驅動程序接口框圖如圖４所示。

???? Ｗｉｎｄｏｗｓ提供了ＵＳＢ的系統類驅動程序，它處理ＵＳＢ上的所有底層通信，這樣其他驅動程序就有了一個定義好的接口可以使用。ＵＳＢＨｕｂ．ｓｙｓ是ＵＳＢ集線器的驅動程序。ＵＳＢＤ．ｓｙｓ是ＵＳＢ類驅動程序，它使用圖４中ＵＨＣＤ．ｓｙｓ或ＯｐｅｎＨＣＩ．ｓｙｓ分別驅動兩種類型的控制器 ＵＨＣＩ(ＵＳＢ Ｈｏｓｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｄｒｉｖｅｒ)，ＯＨＣＩ(Ｏｐｅｎ Ｈｏｓｔ ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ)。當ＰＣＩ枚舉器發現ＵＳＢ主機控制器后，就會裝入相關的驅動程序。