USB系統結構與應用設計

　　摘 要：通用串行總線(USB)是一種簡單的計算機外圍接口標準。它具有即插即用、擴展方便等優點，已成為計算機必備的一個接口。本文簡要介紹USB總線的功能、拓樸結構及其數據傳輸過程，并舉例說明USB接口的實際應用。

　　關鍵詞：通用串行總線 USB接口 外圍接口標準

一、USB接口背景

　　在早期的計算機系統上常用串口或并口連接外圍設備。每個接口都需要占用計算機的系統資源(如中斷，I/O地址，DMA通道等)。無論是串口還是并口都是點對點的連接，一個接口僅支持一個設備。因此每添加一個新的設備，就需要添加一個ISA/EISA 或PCI卡來支持，同時系統需要重新啟動才能驅動新的設備。

　　USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯合提出的一種新的串行總線標準，主要用于PC機與外圍設備的互聯。USB總線具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統上。

二、USB總線優缺點

1.優 點

　　（1）使用簡單

　　所用USB系統的接口一致，連線簡單。系統可對設備進行自動檢測和配置，支持熱插拔。新添加設備系統不需要重新啟動。

　　（2）應用范圍廣

　　USB系統數據報文附加信息少，帶寬利用率高，可同時支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個USB系統最多可支持127個物理設備。USB設備的帶寬可從幾Kbps 到幾Mbps (在USB2.0版本，最高可達幾百Mbps)。一個USB系統可同時支持不同速率的設備，如低速的鍵盤、鼠標，全速的ISDN、語音，高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設備)。

　　（3）較強的糾錯能力

　　USB系統可實時地管理設備插拔。在USB協議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能，同時根據不同的傳輸類型來處理傳輸錯誤。

　　（4）總線供電

　　USB總線可為連接在其上的設備提供5V電壓/100mA電流的供電，最大可提供500mA的電流。USB設備也可采用自供電方式。

　　（5）低成本

　　USB接口電路簡單，易于實現，特別是低速設備。USB系統接口/電纜也比較簡單，成本比串口/并口低。

2.缺 點

　　USB技術還不是很成熟，特別是高速設備。市場上現有的USB設備價格都比較昂貴，但隨著USB技術的日益成熟，設備的不斷增加和廣泛應用，其價格將會有所降低。

三、USB系統拓撲結構

　　一個USB系統包含三類硬件設備: USB主機(USB HOST)、 USB設備(USB DEVICE)、USB集線器(USB HUB)，如圖1所示。

　　（1）USB HOST

　　在一個USB系統中，當且僅當有一個USB HOST時，USB HOST有以下功能:

　　◇ 管理USB系統；
　　◇ 每毫秒產生一幀數據；
　　◇ 發送配置請求對USB設備進行配置操作；
　　◇ 對總線上的錯誤進行管理和恢復。

　　（2）USB DEVICE

　　在一個USB系統中，USB DEVICE和USB HUB總數不能超過127個。USB DEVICE接收USB總線上的所有數據包，通過數據包的地址域來判斷是不是發給自己的數據包：若地址不符，則簡單地丟棄該數據包；若地址相符，則通過響應USB HOST的數據包與USB HOST進行數據傳輸。

　　（3）USB HUB

　　USB HUB用于設備擴展連接，所有USB DEVICE都連接在USB HUB的端口上。一個USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時，USB HUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作，并通過響應USB HOST的數據包把端口狀態匯報給USB HOST。一般來說，USB設備與USB HUB間的連線長度不超過5m，USB系統的級聯不能超過5級（包括ROOT HUB）。

四、USB總線數據傳輸

　　USB總線上數據傳輸的結構如圖2所示。

　　從物理結構上，USB系統是一個星形結構；但在邏輯結構上，每個USB邏輯設備都是直接與USB HOST相連進行數據傳輸的。在USB總線上，每ms傳輸1幀數據。每幀數據可由多個數據包的傳輸過程組成。USB設備可根據數據包中的地址信息來判斷是否響應該數據傳輸。在USB標準1.1版本中，規定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求：

　　（1）控制傳輸（control transfer）

　　控制傳輸發送設備請求信息，主要用于讀取設備配置信息及設備狀態、設置設備地址，設置設備屬性、發送控制命令等功能。全速設備每次控制傳輸的最大有效負荷可為64個字節，而低速設備每次控制傳輸的最大有效負荷僅為8個字節。

　　（2）同步傳輸（isochronous transfer）

　　同步傳輸僅適用于全速/高速設備。同步傳輸每ms進行一次傳輸，有較大的帶寬，常用于語音設備。同步傳輸每次傳輸的最大有效負荷可為1023個字節。

　　（3）中斷傳輸（interrupt transfer）

　　中斷傳輸用于支持數據量少的周期性傳輸需求。全速設備的中斷傳輸周期可為1~255ms，而低速設備的中斷傳輸周期為10~255ms。全速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷可為64個字節，而低速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷僅為8個字節。

　　（4）塊數據傳輸（bulk transfer）

　　塊數據傳輸是非周期性的數據傳輸，僅全速/高速設備支持塊數據傳輸，同時，當且僅當總線帶寬有效時才進行塊數據傳輸。塊數據傳輸每次數據傳輸的最大有效負荷可為64個字節。

五、典型應用

　　USB系統的典型應用如圖3所示。

在圖3所示系統中，顯示器、Audio、Modem皆為全速設備，鍵盤、鼠標為低速設備。其數據傳輸為：

◇ USB HOST通過控制傳輸更改顯示器屬性。
◇ USB HOST通過塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。
◇ USB HOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改Audio屬性。
◇ USB HOST通過同步傳輸與Audio設備傳輸數據。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改Modem屬性。
◇ USB HOST通過塊數據傳輸與Modem設備傳輸數據。
　

六、一個USB HOST接口的軟硬件設計

　　市場上現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。

　　同時也有很多帶USB接口的處理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面給出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT實現嵌入式USB HOST的例子。

1.SL11HT特點

　　◇ 遵從USB1.1標準；
　　◇ 支持全速/低速傳輸；
　　◇ 支持主機/設備端兩種模式；
　　◇ 3.3/5.0V供電；
　　◇ 片內包含256個字節的SRAM；
　　◇ 48MHz晶振輸入。

　　當SL11HT被用作USB HOST接口時，對系統有以下要求:

　　◇ 由系統維護SOF幀數目；
　　◇ 由系統生成CRC5效驗碼；
　　◇ 要求系統中斷潛伏期小于1.5μs。

2.SL11HT接口硬件框圖

　　圖4簡單地給出了使用SL11HT擴展USB接口的框圖，更詳細的硬件連線圖請見參考文獻2,3。

3.USB HOST端軟件結構

　　USB HOST端軟件結構如圖5所示。

　　（1）USB接口驅動程序

　　USB接口驅動程序需實現以下功能:

　　◇ USB接口器件的初始化；
　　◇ 計算上層數據包的效驗和，發送上層的數據包；
　　◇ 發送SOF幀；
　　◇ 接收從USB接口傳送來的數據，并檢查數據的有效性；
　　◇ 將接收到的數據送往上層。

　　（2）USB協議棧驅動程序

　　USB協議棧驅動程序需實現以下功能:

　　◇ 提供與設備驅動程序的接口；
　　◇ 讀取并解析USB設備描述符，配置描述符；
　　◇ 為USB設備分配唯一的地址；
　　◇ 使用默認的配置來配置設備；
　　◇ 支持基本的USB命令請求；
　　◇ 連接設備與相應的驅動程序；
　　◇ 轉發設備驅動程序的數據包。

　　（3）設備驅動程序

　　設備驅動程序需實現以下功能:

　　◇ 提供與應用程序的接口；
　　◇ 讀取并解析USB設備特有的描述符，獲得設備提供的傳輸通道；
　　◇ 發送設備特有的和基本的USB命令請求；
　　◇ 通過設備提供的傳輸通道與設備進行數據傳輸；
　　◇ 通過USB命令請求重新配置設備。

參考文獻

1 Universal Serial Bus Specification Revision 1.1 http://www.usb.org
2 SL11H/T USB Host/Slave Controllers Technical Reference. http://www.scanlogic.com
3 SL11H Application Notes. http://www.scanlogic.com