1第八講USB串行總線一、USB產生的背景二、USB電氣特性三、USB系統的體系結構四、USB數據傳輸類型與原理五、USB即插即用的實現

2一.USB產生的背景傳統的計算機接口:占用系統資源嚴重,每種設備都要占用固定的內存地址,IO,IRG等;不可熱插拔;擴展受限(插槽數有限);硬軟件手動配置,存在潛在沖突;不同設備使用的接口不可共享;連接電纜不可共享;UniversalSerialBus(通用串行總線)主要優點:Host控制器直接與PCI總線相連,提高了系統的性能;2.即插即用,無需手動設置地址,中斷;3.熱插拔,設備不需要重新啟動便可以工作;4.易于擴展,理論上可連接多達127個設備;傳輸率較高;接口標準統一,端口供電,不同設備之間基本可以共享接口電纜;3第八講USB串行總線一、USB產生的背景二、USB電氣特性三、USB系統的體系結構四、USB數據傳輸類型與原理五、USB即插即用的實現

4USB傳輸信號和電源是通過一種四線的電纜,兩根線是用于發送信號.二.USB電氣特性全速設備連接低速設備連接低速設備全速設備高速設備交互設備10~20kbps電話,通信終端500kbps~10mbps視頻,磁盤25~500Mbps鍵盤.鼠標ISBN,PBX音視頻,磁盤5第八講USB串行總線一、USB產生的背景二、USB電氣特性三、USB系統的體系結構四、USB數據傳輸類型與原理五、USB即插即用的實現

6三.USB系統的體系結構Host:USB主控制器Device:USB設備Hub:USBHub1.節點：每個設備內有一個或多個邏輯連接點，稱為節點。2.接口：一個設備對主機表現為一組合適的節點，一組相關的節點稱為一個接口。有多個接口的設備稱為組合設備。3.配置：設備可以有多組接口，每一組稱為一個配置，一次只能有一個配置是活動的。但是，當前配置中的所有接口（和它們的節點）可以同時是活動的。大多數設備只有一個配置和一個接口。當一個設備第一次插入系統時，

Windows提示用戶選擇合適的配置。4.管道：在USB中，傳輸是在USB設備的某一具節點和主機軟件之間進行的，這個相關的結構就稱為管道，即為設備的一個節點與主機之間的數據傳輸的模型。管道有兩種：流管道和消息管道。7第八講USB串行總線一、USB產生的背景二、USB電氣特性三、USB系統的體系結構四、USB數據傳輸類型與原理五、USB即插即用的實現

8三.USB數據傳輸類型占用預先分配的帶寬，實時傳輸。對于同步傳輸管道，帶寬的要求與設備的采樣率有關，時延的要求與每個節點的緩沖大小有關。為保證數據的實時傳輸，在傳輸過程中的一些誤碼是不被糾正的（如不進行重試等），則實際上USB的傳輸錯誤率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成問題。控制傳輸類型用于傳輸控制信息，如：在連接時配置設備，控制其它管道的狀態以及完成一些設備自定的用途。塊數據傳輸類型用于傳輸相對比較大的和突發性強的數據，一般這種傳輸的動態范圍比較寬。數據傳輸的可靠性由硬件層錯誤檢測來保證，對錯誤的數據可進行重復發包送。塊傳輸是連續的，它的帶寬占用依據其它USB設備的使用情況而不同。這種傳輸類型一般用于打印機、掃描儀等。中斷數據傳輸類型數據量小，延遲短，通常用于傳輸設備反饋回計算機的字符和坐標信息，多用于人機交互設備，如鼠標，鍵盤、游戲桿等。同步數據傳輸類型9三.USB數據傳輸原理USB主控制器要保證所有連接到的數量不同,傳輸方式不同的設備能夠同時正常工作,那么主控制器到底如何與這些設備進行通信呢?USB主控制器使用間隔為1ms的幀來實現數據傳輸,產生1ms的混合傳輸幀.10三.USB數據傳輸過程在傳送開始時,主機向設備發送描述符請求,設備向主機提供各種描述符.主USB控制器發送一個描述傳輸動作的種類,方向,USB設備地址和終端號的USB數據包,2.在傳輸開始時,由標志包來標志數據的傳輸方向,然后發送端開始發送包含信息的數據包或表明沒有數據傳送.3.接收端也要相應發送一個握手的數據包表明是否傳送成功.在主機和設備的端口之間,可視為一個通道.存在兩種類型的通道:流和消息.1.消息是建立USB協議中定義好的數據格式,主機和設備都按這些格式來交換信息.2.流的數據不像消息的數據,它沒有USB所定義的結構.3.USB還有一種控制通道.它屬于消息通道,當設備一啟動即存在,從而為設備的設置,查詢狀況和輸入控制信息提供一個入口.11第八講USB串行總線一、USB產生的背景二、USB電氣特性三、USB系統的體系結構四、USB數據傳輸類型與原理五、USB即插即用的實現12五.USB驅動程序的設計

USB設備驅動程序的設計是基于美國微軟公司極力推薦的WDM(WindowsDriverModel，Windows驅動程序模型)。WDM采用分層驅動程序模型，對于USB設備來說，可分為USB總線驅動程序（USB.SYS）和USB功能驅動程序。USB總線驅動程序由操作系統提供，它位于USB功能驅動程序的下面，負責與實際的硬件打交道，實現繁瑣的低層通信。

USB功能驅動程序由設備開發者編寫，通過向USB總線驅動程序發送包含URB（USBRequestBlockusb請求塊）的IRP（I/0RequestPacket,I/O請求包），來實現對USB設備信息的發送或接收。應用軟件設計由兩部分組成：鏈接庫程序和應用程序。鏈接庫負責與USB功能驅動程序通信并接受應用程序的各種操作請求，而應用程序負責對所采集的數據進行的分析處理。13五.USB驅動程序的設計

描述符的概念

USB設備硬件中的數據結構稱為描述符，可以被主機軟件識別。每個描述符開始于一個兩字節的頭，頭中指出描述符的字節長度（包含頭）和描述符類型。描述符的長度對于相同的描述符類型是固定的，即所有給定類型的描述符長度相同。在描述符頭中保存明確的長度便于描述符將來的擴展。設備描述符每個設備都有一個唯一的設備描述符，它向主機軟件標識該設備。主機使用GET_DESCRIPTOR控制事物直接從設備的0號端點讀取該描述符。14五.USB即插即