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USB系统结构与应用设计
作 者：摩托罗拉（中国）电子有限公司 肖踞雄
摘 要：通用串行总线(USB)是一种简单的计算机外围接口标准。它具有即插即用、扩展方便等优点，已成为计算机必备的一个接口。本文简要介绍USB总线的功能、拓朴结构及其数据传输过程，并举例说明USB接口的实际应用。
关键词：通用串行总线 USB接口 外围接口标准
一、USB接口背景
在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源(如中断，I/O地址，DMA通道等)。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA 或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。
USB总线是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。USB总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上。
二、USB总线优缺点
1.优 点
（1）使用简单
所用USB系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。
（2）应用范围广
USB系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB系统最多可支持127个物理设备。USB设备的带宽可从几Kbps 到几Mbps (在USB2.0版本，最高可达几百Mbps)。一个USB系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的ISDN、语音，高速的磁盘、图像等(仅USB2.0版本支持高速设备)。
（3）较强的纠错能力
USB系统可实时地管理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。
（4）总线供电
USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电，最大可提供500mA的电流。USB设备也可采用自供电方式。
（5）低成本
USB接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB系统接口/电缆也比较简单，成本比串口/并口低。
2.缺 点
USB技术还不是很成熟，特别是高速设备。市场上现有的USB设备价格都比较昂贵，但随着USB技术的日益成熟，设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。
三、USB系统拓扑结构
一个USB系统包含三类硬件设备: USB主机(USB HOST)、 USB设备(USB DEVICE)、USB集线器(USB HUB)，如图1所示。
（1）USB HOST
在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功能:
◇ 管理USB系统；
◇ 每毫秒产生一帧数据；
◇ 发送配置请求对USB设备进行配置操作；
◇ 对总线上的错误进行管理和恢复。
（2）USB DEVICE
在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。
（3）USB HUB
USB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB HOST的数据包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说，USB设备与USB HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOT HUB）。
四、USB总线数据传输
USB总线上数据传输的结构如图2所示。
从物理结构上，USB系统是一个星形结构；但在逻辑结构上，每个USB逻辑设备都是直接与USB HOST相连进行数据传输的。在USB总线上，每ms传输1帧数据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成。USB设备可根据数据包中的地址信息来判断是否响应该数据传输。在USB标准1.1版本中，规定了4种传输方式以适应不同的传输需求：
（1）控制传输（control transfer）
控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大有效负荷可为64个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅为8个字节。
（2）同步传输（isochronous transfer）
同步传输仅适用于全速/高速设备。同步传输每ms进行一次传输，有较大的带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为1023个字节。
（3）中断传输（interrupt transfer）
中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可为1~255ms，而低速设备的中断传输周期为10~255ms。全速设备每次中断传输的最大有效负荷可为64个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为8个字节。
（4）块数据传输（bulk transfer）
块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行块数据传输。块数据传输每次数据传输的最大有效负荷可为64个字节。
五、典型应用
USB系统的典型应用如图3所示。
在图3所示系统中，显示器、Audio、Modem皆为全速设备，键盘、鼠标为低速设备。其数据传输为：
◇ USB HOST通过控制传输更改显示器属性。
◇ USB HOST通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。
◇ USB HOST通过控制传输更改键盘、鼠标属性。
◇ USB HOST通过中断传输要求键盘、鼠标输入读入系统。
◇ USB HOST通过控制传输更改Audio属性。
◇ USB HOST通过同步传输与Audio设备传输数据。
◇ USB HOST通过控制传输更改Modem属性。
◇ USB HOST通过块数据传输与Modem设备传输数据
六、一个USB HOST接口的软硬件设计
市场上现已有很多公司提供的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。
同时也有很多带USB接口的处理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面给出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT实现嵌入式USB HOST的例子。
1.SL11HT特点
◇ 遵从USB1.1标准；
◇ 支持全速/低速传输；
◇ 支持主机/设备端两种模式；
◇ 3.3/5.0V供电；
◇ 片内包含256个字节的SRAM；
◇ 48MHz晶振输入。
当SL11HT被用作USB HOST接口时，对系统有以下要求:
◇ 由系统维护SOF帧数目；
◇ 由系统生成CRC5效验码；
◇ 要求系统中断潜伏期小于1.5μs。
2.SL11HT接口硬件框图
图4简单地给出了使用SL11HT扩展USB接口的框图，更详细的硬件连线图请见参考文献2,3。
3.USB HOST端软件结构
USB HOST端软件结构如图5所示。
（1）USB接口驱动程序
USB接口驱动程序需实现以下功能:
◇ USB接口器件的初始化；
◇ 计算上层数据包的效验和，发送上层的数据包；
◇ 发送SOF帧；
◇ 接收从USB接口传送来的数据，并检查数据的有效性；
◇ 将接收到的数据送往上层。
（2）USB协议栈驱动程序
USB协议栈驱动程序需实现以下功能:
◇ 提供与设备驱动程序的接口；
◇ 读取并解析USB设备描述符，配置描述符；
◇ 为USB设备分配唯一的地址；
◇ 使用默认的配置来配置设备；
◇ 支持基本的USB命令请求；
◇ 连接设备与相应的驱动程序；
◇ 转发设备驱动程序的数据包。
（3）设备驱动程序
设备驱动程序需实现以下功能:
◇ 提供与应用程序的接口；
◇ 读取并解析USB设备特有的描述符，获得设备提供的传输通道；
◇ 发送设备特有的和基本的USB命令请求；
◇ 通过设备提供的传输通道与设备进行数据传输；
◇ 通过USB命令请求重新配置设备。
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作 者：摩托罗拉（中国）电子有限公司 肖踞雄
摘 要：通用串行总线(USB)是一种简单的计算机外围接口标准。它具有即插即用、扩展方便等优点，已成为计算机必备的一个接口。本文简要介绍USB总线的功能、拓朴结构及其数据传输过程，并举例说明USB接口的实际应用。
关键词：通用串行总线 USB接口 外围接口标准
一、USB接口背景
在早期的计算机系统上常用串口或并口连接外围设备。每个接口都需要占用计算机的系统资源(如中断，I/O地址，DMA通道等)。无论是串口还是并口都是点对点的连接，一个接口仅支持一个设备。因此每添加一个新的设备，就需要添加一个ISA/EISA 或PCI卡来支持，同时系统需要重新启动才能驱动新的设备。
USB总线是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外围设备的互联。USB总线具有低成本、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，已被广泛地用在PC机及嵌入式系统上。
二、USB总线优缺点
1.优 点
（1）使用简单
所用USB系统的接口一致，连线简单。系统可对设备进行自动检测和配置，支持热插拔。新添加设备系统不需要重新启动。
（2）应用范围广
USB系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异步传输两种传输方式。一个USB系统最多可支持127个物理设备。USB设备的带宽可从几Kbps 到几Mbps (在USB2.0版本，最高可达几百Mbps)。一个USB系统可同时支持不同速率的设备，如低速的键盘、鼠标，全速的ISDN、语音，高速的磁盘、图像等(仅USB2.0版本支持高速设备)。
（3）较强的纠错能力
USB系统可实时地管理设备插拔。在USB协议中包含了传输错误管理、错误恢复等功能，同时根据不同的传输类型来处理传输错误。
（4）总线供电
USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电，最大可提供500mA的电流。USB设备也可采用自供电方式。
（5）低成本
USB接口电路简单，易于实现，特别是低速设备。USB系统接口/电缆也比较简单，成本比串口/并口低。
2.缺 点
USB技术还不是很成熟，特别是高速设备。市场上现有的USB设备价格都比较昂贵，但随着USB技术的日益成熟，设备的不断增加和广泛应用，其价格将会有所降低。
三、USB系统拓扑结构
一个USB系统包含三类硬件设备: USB主机(USB HOST)、 USB设备(USB DEVICE)、USB集线器(USB HUB)，如图1所示。
（1）USB HOST
在一个USB系统中，当且仅当有一个USB HOST时，USB HOST有以下功能:
◇ 管理USB系统；
◇ 每毫秒产生一帧数据；
◇ 发送配置请求对USB设备进行配置操作；
◇ 对总线上的错误进行管理和恢复。
（2）USB DEVICE
在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个。USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该数据包；若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输。
（3）USB HUB
USB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口上。一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用。同时，USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作，并通过响应USB HOST的数据包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说，USB设备与USB HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级（包括ROOT HUB）。
四、USB总线数据传输
USB总线上数据传输的结构如图2所示。
从物理结构上，USB系统是一个星形结构；但在逻辑结构上，每个USB逻辑设备都是直接与USB HOST相连进行数据传输的。在USB总线上，每ms传输1帧数据。每帧数据可由多个数据包的传输过程组成。USB设备可根据数据包中的地址信息来判断是否响应该数据传输。在USB标准1.1版本中，规定了4种传输方式以适应不同的传输需求：
（1）控制传输（control transfer）
控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息及设备状态、设置设备地址，设置设备属性、发送控制命令等功能。全速设备每次控制传输的最大有效负荷可为64个字节，而低速设备每次控制传输的最大有效负荷仅为8个字节。
（2）同步传输（isochronous transfer）
同步传输仅适用于全速/高速设备。同步传输每ms进行一次传输，有较大的带宽，常用于语音设备。同步传输每次传输的最大有效负荷可为1023个字节。
（3）中断传输（interrupt transfer）
中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。全速设备的中断传输周期可为1~255ms，而低速设备的中断传输周期为10~255ms。全速设备每次中断传输的最大有效负荷可为64个字节，而低速设备每次中断传输的最大有效负荷仅为8个字节。
（4）块数据传输（bulk transfer）
块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行块数据传输。块数据传输每次数据传输的最大有效负荷可为64个字节。
五、典型应用
USB系统的典型应用如图3所示。
在图3所示系统中，显示器、Audio、Modem皆为全速设备，键盘、鼠标为低速设备。其数据传输为：
◇ USB HOST通过控制传输更改显示器属性。
◇ USB HOST通过块数据传输将要显示的数据送给显示器。
◇ USB HOST通过控制传输更改键盘、鼠标属性。
◇ USB HOST通过中断传输要求键盘、鼠标输入读入系统。
◇ USB HOST通过控制传输更改Audio属性。
◇ USB HOST通过同步传输与Audio设备传输数据。
◇ USB HOST通过控制传输更改Modem属性。
◇ USB HOST通过块数据传输与Modem设备传输数据
六、一个USB HOST接口的软硬件设计
市场上现已有很多公司提供的USB接口器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。
同时也有很多带USB接口的处理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面给出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT实现嵌入式USB HOST的例子。
1.SL11HT特点
◇ 遵从USB1.1标准；
◇ 支持全速/低速传输；
◇ 支持主机/设备端两种模式；
◇ 3.3/5.0V供电；
◇ 片内包含256个字节的SRAM；
◇ 48MHz晶振输入。
当SL11HT被用作USB HOST接口时，对系统有以下要求:
◇ 由系统维护SOF帧数目；
◇ 由系统生成CRC5效验码；
◇ 要求系统中断潜伏期小于1.5μs。
2.SL11HT接口硬件框图
图4简单地给出了使用SL11HT扩展USB接口的框图，更详细的硬件连线图请见参考文献2,3。
3.USB HOST端软件结构
USB HOST端软件结构如图5所示。
（1）USB接口驱动程序
USB接口驱动程序需实现以下功能:
◇ USB接口器件的初始化；
◇ 计算上层数据包的效验和，发送上层的数据包；
◇ 发送SOF帧；
◇ 接收从USB接口传送来的数据，并检查数据的有效性；
◇ 将接收到的数据送往上层。
（2）USB协议栈驱动程序
USB协议栈驱动程序需实现以下功能:
◇ 提供与设备驱动程序的接口；
◇ 读取并解析USB设备描述符，配置描述符；
◇ 为USB设备分配唯一的地址；
◇ 使用默认的配置来配置设备；
◇ 支持基本的USB命令请求；
◇ 连接设备与相应的驱动程序；
◇ 转发设备驱动程序的数据包。
（3）设备驱动程序
设备驱动程序需实现以下功能:
◇ 提供与应用程序的接口；
◇ 读取并解析USB设备特有的描述符，获得设备提供的传输通道；
◇ 发送设备特有的和基本的USB命令请求；
◇ 通过设备提供的传输通道与设备进行数据传输；
◇ 通过USB命令请求重新配置设备。