USB总线协议

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第一章 前 言

当今的计算机外部设备都在追求高速度和高通用性为了满足用户的需求以Intel为首的七家公司于1994年推出了USBUniversal Serial Bus通用串行总线总线协议专用于低中速的计算机外设目前USB端口已成为了微机主

板的标准端口

而在不久的将来

所有的微机外设

包括键盘

鼠标

显示器打印机数字相机扫描仪和游戏柄等等都将通过USB与主机相连这种连接

较以往普通并口和串口的连接而言

主要的优点是速度高

功耗低支持即插即用Plug & Play和使用维护方便 作为一个硬件厂商或是开发者最关心的便是如何去开发USB外设一般的USB设备都使用一片微控制器作为其核心部件通过微控制器强大的控制和运算功能开发者可以很容易地实现USB

设备的智能化

MOTOROLA公司是目前世界上最大的微控制器供应商其8位微控制器的全球市场份额达到了30%左右MOTOROLA公司将其8位微控制器归类为用户定制的集成电路CSIC为客户提供了MPURAMEPROMSPISCI定时器和USB等多种模块用量大的客户可以根据自己的需要选择不同的模块来构筑自己的微控制器MOTOROLA公司从1996年开始陆续推出了一系列含有USB模块的8

位微控制器用于支持USB

总线协议的设备如最早的用于显示器的

68HC05BD9A用于鼠标的

68HC05JB2以及用于键盘的68HC08KL8和68HC08KH12等等通过微控制器内含的USB模块用户可以很方便地实现USB总线上的数据通讯68HC05JB4最初是用于开发USB游戏柄的后来也常被用于其他一些USB

外设的开发

国外在近两年已出现了不少的USB外设但目前在国内市场上我们仅发现了台湾生产的摄像头等少数几类高速USB外设低速USB设备还是一个空白同时国外开发的USB设备多集中在鼠标键盘等少数几类设备上诸如USB手写板等设备就是在国外也很少见国内近年来计算机非键盘输入技术发展很快在汉字英文和数字的手写识别方面已有相当基础本项目之目的就是吸收USB总线和MOTOROLA微控制器的先进技术与中科院自动化所汉王公司的手写识别技术相结合在汉王笔的基础上设计生产出自己的新一代USB手写输入系统 此USB

手写系统采用汉王公司的传感器获得笔画信息传给

68HC05JB4经过整理后通过USB总线发送到PC再由自行编写的驱动程序接收最终转给汉王公司的文字识别软件识别

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清华大学毕业设计论文 第二章 USB总线协议

USBUniversal Serial Bus总线协议是以Intel为主并有CompaqMicrosoft

IBM

DECNorthern Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口标准1994年11月制定了第一个草案1996年2月公布了USB规范版本1.0USB可把多达127个外设同时联到你的系统上所有的外设通过协议来共享USB的带宽其12Mbps

的带宽对于键盘

鼠标等低中速外设是完全足够的

注在1999年2月发布的USB规范版本2.0草案中已建议将12Mbps的带宽提升到

120-240MbpsUSB

允许外设在主机和其它外设工作时进行连接

配置

使用及移除即所谓的即插即用Plug & Play同时USB总线的应用可以清除PC上过多的I/O端口而以一个串行通道取代使PC与外设之间的连接更容易

以下简单介绍USB总线的结构原理以使读者对USB有大致的了解如果需要了解其协议细节请查阅USB总线规范这可以从http://www.77cn.com.cn下载

2.1 总线拓扑结构

USB

总线的物理连接是一种分层的菊花链结构集线器(hub)是每个星形结构的中心PC机就是主机和根Hub用户可以将外设或附加的Hub与之相连这些附加的Hub可以连接另外的外设以及下层

HubUSB支持最多5个Hub层以及127个外设图2.1描述了USB的物理拓扑结构从中可以看出每一段的连接都是点对点的

图2.1 USB总线拓扑

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2.2 USB的物理层

USB的物理接口包括电气特性和机械特性USB通过一个四线电缆来传输信号与电源

如图2.2所示

5 meters max

图

2.2 USB电缆定义

其中D+

和D-是一对差模的信号线而VBus和GND则提供了5V的电源它可以给一些设备(包括Hub)供电当然要有一定的条件限制

USB

提供了两种数据传输率一种是12Mb的高速(full speed)

模式

另一种是1.5Mb

的低速模式这两种模式可以同时存在于一个

USB系统中而引入低速模式主要是为了降低要求不高的设备的成本比如鼠标键盘等等

USB

信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线而且最长不能超过

5m而在低速模式时中可以使用不带屏蔽或不是双绞的线但最长不能超过

3m这主要是由于信号衰减的限制为了提供信号电压保证以及与终端负载相匹配在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载这种终端负载也保证了能够检测外设与端口的连接或分离并且可以区分高速与低速设备

所有的设备都有上行的接口上行和下行的接头是不能互换的这保证了不会有非法的连接出现插头与插座有两个系列分别为A和B系列A用于基本固定的外围设备而系列B用于经常拔插的设备这两个系列是不能互换的

2.3 USB设备

USB设备包括Hub和功能设备而功能设备又可以细分为定位设备字符设备等等为了进一步叙述我们给出端点(endpoint)和管道(pipe)的概念

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端点 每一个USB

设备在主机看来就是一个端点的集合主机只能通过端点

与设备进行通讯

以使用设备的功能每个端点实际上就是一个一定大小的数据

缓冲区

这些端点在设备出厂时就已定义好在USB

系统中每一个端点都有唯

一的地址

这是由设备地址和端点号给出的

每个端点都有一定的特性其中包

括

传输方式

总线访问频率

带宽

端点号

数据包的最大容量等等端点必须在设备配置后才能生效(端点0除外

)

端点0

通常为控制端点

用于设备初始化参数等端点

12等一般用作数据端点存放主机与设备间往来的数据

管道 一个USB

管道是驱动程序的一个数据缓冲区与一个外设端点的连接

它代表了一种在两者之间移动数据的能力

一旦设备被配置

管道就存在了管

道有两种类型

数据流管道其中的数据没有USB

定义的结构

与消息管道其中的数据必须有USB定义的结构

管道只是一个逻辑上的概念

所有的设备必须支持端点0以作为设备的控制管道通过控制管道可以获取完全描述USB

设备的信息

包括

设备类型

电源管理

配置

端点描述等等只要设备连接到USB上并且上电端点0就可以被访问与之对应的控制管道就存在了

一个USB设备可以分为三个层图2.3最底层是总线接口用来发送与接收

包

中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据流通一个端点是数据最终的

使用者或提供者

它可以看作数据的源或接收端最上层就是USB设备所提供的功能比如鼠标或键盘等

Physical Device

Actual communications flow实际数据流Logical communications flow逻辑数据流

图2.3 USB设备结构层次

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2.3.1 Hub

Hub在USB结构中是一个关键它提供了附加的USB节点这些节点被称为端口Hub可以检测出每一个下行端口的状态并且可以给下端的设备提供电源图2.4是一个典型的

Hub

图2.4 典型的USB集线器Hub

2.3.2 即插即用

USB设备可以即插即用但在可以使用之前必须对设备进行配置一旦设备连接到某一个USB的节点上USB就会产生一系列的操作来完成对设备的配置

这种操作被称为总线枚举过程

1.设备所连接的Hub

检测出端口上有设备连接通过状态变化管道向主机报告 2.主机通过询问Hub以获取确切的信息

3.主机这时知道设备连接到哪个端口上于是向这个端口发出复位命令

4.Hub

发出的复位信号结束后端口被打开

Hub向设备提供100mA的电源

这时设备上电所有的寄存器复位并且以缺省地址0以及端点0响应命令

5.主机通过缺省地址与端点0进行通讯赋予设备一个独一的地址并且读取设备的配置信息

6.最后主机对设备进行配置,该设备就可以使用了

当该设备被移走时Hub依然要报告主机并且关闭端口一旦主机接到设备移走的报告就会改写当前结构信息

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2.3.3 设备的电源

USB设备的电源可以由USB总线供给也可以自备电源一个USB设备可以具

有这两种供电方式

但同一时刻只能由一种方式供电这两种供电方式是可以切

换的

2.3.4 设备的挂起

为了节电当设备在指定的时间内没有总线传输USB

设备自动进入挂起状态如果设备所接的Hub的端口被禁止了设备也将进入挂起状态(称之为选择挂起

)当然主机也可以进入挂起状态

USB设备当总线活动时就会离开挂起状态一个设备也可以通过电信号来远

程唤醒进入挂起状态的主机

这个能力是可选的

如果一个设备具有这个能力主机有能力禁止或允许使用这种能力

2.4 USB主机

USB主机在USB系统中处于中心地位并且对USB及其连接的设备有着特殊的责任主机控制着所有对USB的访问一个外设只有主机允许才有权力访问总线主机同时也监测着USB的结构

USB主机包括三层如图2.5设备驱动程序USB系统软件USB主控制器(主机的总线接口

)

另外

还有两个软件接口USB

驱动

USBD

接口主机控制驱动(HCD)

接口

Host

实际数据流

Logical communications flow逻辑数据流

图2.5 USB主机结构层次

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2.5 USB数据流

图2.6描述了USB数据传输的过程

Host

Interconnect

Physical Device

USB Host

Pipe, represents connection abstraction between two horizontal entitiesData transport mechanism(

USB-relevant format of transported data

Mechanical,Electrical,Protocol

图2.6 USB数据流

从逻辑上讲USB数据的传输是通过管道进行的USB系统软件通过缺省管道(与端点0相对应)管理设备设备驱动程序通过其它的管道来管理设备的功能接口实际的数据传输过程是这样的设备驱动程序通过对USBD接口(USB driver interface)的调用发出输入输出请求(IRPI/O Request Packet)USB驱动程序接到请求后调用HCD接口(host controller driver interface)将IRP转化为USB的传输(transfer)一个IRP可以包含一个或多个USB传输; 然后HCD将USB传输分解为总线操作(transaction)由主控制器以包(packet)的形式发出需要注意的是所有的数据传输都是由主机开始的任何外设都无权开始一个传输

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IRP

是由操作系统定义的而USB传输与总线操作是USB规范定义的为了进一步说明USB传输我们引出帧

frame的概念

帧USB总线将1ms

定义为一帧每帧以一个SOF

包为起始在这1ms里USB进行一系列的总线操作引入帧的概念主要是为了支持与时间有关的总线操作

为了满足不同外设和用户的要求USB

提供了四种传输方式

控制传输同

步传输

中断传输

批传输

它们在数据格式

传输方向

数据包容量限制总线访问限制等方面有着各自不同的特征: 控制传输(Control Transfer

1 通常用于配置/命令/状态等情形

2 其中的设置操作setup和状态操作status的数据包具有USB定义的结构因此控制传输只能通过消息管道进行

3

支持双向传输

4 对于高速设备允许数据包最大容量为81632或64字节对于低速设备只有8字节一种选择

5

端点不能指定总线访问的频率和占用总线的时间USB系统软件会做出限制

6 具有数据传输保证在必要时可以重试 同步传输(Isochronous Transfer)

1

是一种周期的

连续的传输方式通常用于与时间有密切关系的信息的传输

2 数据没有USB定义的结构

数据流管道

3 单向传输如果一个外设需要双向传输则必须使用另一个端点 4 只能用于高速设备数据包的最大容量可以从0到1023个字节 5

具有带宽保证

并且保持数据传输的速率恒定每个同步管道每

帧传输一个数据包

6 没有数据重发机制要求具有一定的容错性

7 与中断方式一起占用总线的时间不得超过一帧的

90% 中断传输(Interrupt Transfer)

1鼠标等

234

数据没有USB定义的结构

数据流管道 只有输入这一种传输方式

即外设到主机

对于高速设备允许数据包最大容量为小于或等于64字节对于用于非周期的自然发生的数据量很小的信息的传输如键盘

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低速设备只能小于或等于8字节

5 具有最大服务周期保证即在规定时间内保证有一次数据传输6 与同步方式一起占用总线的时间不得超过一帧的

90% 7 具有数据传输保证在必要时可以重试 批传输(Bulk Transfer)

1 用于大量的对时间没有要求的数据传输 2 数据没有USB定义的结构

数据流管道

3 单向传输如果一个外设需要双向传输则必须使用另一个端点 4 只能用于高速设备允许数据包最大容量为81632或64字节 5

没有带宽的保证

只要有总线空闲

就允许传输数据优先级小

于控制传输

6 具有数据传输保证在必要时可以重试,以保证数据的准确性 图2.7描述了输入输出请求IRP传输

transfer与操作transaction之间的关系数据传输的具体格式详见2.6.3

图2.7 USB数据传输

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2.6 USB总线协议

所有总线操作都可以归结为三种包的传输任何操作都是从主机开始的主机以预先排好的时序发出一个描述操作类型

方向外设地址以及端点号(这将在以下部分给予解释)的包我们称之为令牌包(Token Packet)然后在令牌中指定的

数据发送者发出一个数据包或者指出它没有数据可以传输而数据的目的地一般要以一个确认包(Handshake Packet)作出响应以表明传输是否成功

2.6.1

域的类型

同步域(SYNC field)所有的包都起始于SYNC域它被用于本地时钟与输入信号的同步并且在长度上定义为8位SYNC的最后两位作为一个记号表明PID域(标识域)的开始在以后的叙述中SYNC域将被省去

标识域(Packet Identifier Field)对于每个包PID都是紧跟着SYNC的PID指明了包的类型及其格式主机和所有的外设都必须对接收到的PID域进行解码

如果出现错误或者解码为未定义的值

那么这个包就会被接收者忽略如果外设接收到一个PID它所指明的操作类型或者方向不被支持外设将不作出响应

地址域

(Address Field)外设端点都是由地址域指明的

它包括两个子域

外设地址和外设端点

外设必须解读这两个域

其中有任何一个不匹配这个令

牌就会被忽略

外设地址域(ADDR)

指定了外设它根据PID

所说明的令牌的类型指明了外设是数据包的发送者或接收者ADDR共6位因此最多可以有127个地址一旦外设被复位或上电外设的地址被缺省为0这时必须在主机枚举过程中被赋予一个独一的地址而0地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址

端点域(ENDP)有4位它使设备可以拥有几个子通道所有的设备必须支持一个控制端点

0(endpoint 0)低速的设备最多支持2个端点0和一个附加端点高速设备可以支持最多16个端点

帧号域(Frame Number Field)这是一个11位的域指明了目前帧的排号每过一帧(1ms)这个域的值加

1到达最大值XFF后返回

0这个域只存在于每帧开始时的SOF令牌中SOF令牌在下面将详细介绍

数据域(Data Field):范围是01023字节而且必须是整数个字节 CRC

校验包括令牌校验和数据校验

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2.6.2

包的类型

令牌包(Token Packed)

其中包括IN(输入)OUT(输出

)SETUP(设置)和SOF(Start of Frame帧起始)四种类型其中INOUTSETUP的格式如图2.8所示

图2.8 IN

OUTSETUP数据格式

对于OUT和SETUP来说ADDR和ENDP中所指明的端点将接收到主机发出的数据包而对IN来说所指定的端点将输出一个数据包

Token和

SOF在三个字节的时间内以一个EOP(End of Packet)

结束如果一个包被解码为

Token包但是并没有在3个字节时间内以EOP结束它就会被看作非法或被忽略

对于SOF包它的格式如图2.9所示主机以一定的速率(1ms0.05一次)发送SOF包SOF不引起任何操作

图2.9 SOF数据格式

数据包包括Data0和Data1两种类型这两种包的定义是为了支持数据触发

同步数据包包含了PIDDATA和CRC三个域图2.10

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Handshake用来报

应答包

(Handshake Packet)仅包含一个PID

域图

2.11

告数据传输的状态

只有支持流控制的传输类型

控制

中断和批传输才能返回

Handshake

8 bitsPID

图2.11 PID数据格式

Handshake

包有三种类型

(1)确认包ACK表明数据接收成功

(2)无效包

NAK

指出设备暂时不能传送或接收数据

但无需主机介入可以

解释成设备忙

(3)出错包STALL指出设备不能传送或接收数据

但需要主机介入才能恢复 NAK和STALL不能由主机发出

特殊包Special:PID名称为PREpreamble,用于低速操作的情形详见

6.5

2.6.3 总线操作的格式

批操作

bulk transaction

:

批操作包括令牌数据应答三个阶段如图2.12所示对于输入操作如果设备不能返回数据那么必须发出NAK或STALL包对于输出如果设备不能接收数据也要返回NAK或STALL

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图2.12 批操作流程

图2.13描述了批操作的读写过程以及序列位(sequence bit)和数据包PID的使用详见2.6.3

BulkWriteBulkRead

OUT (0)

DATA0

OUT (1)

DATA1

......

OUT (0/1)

DATA0/1

IN (0)

DATA0

IN (1)

DATA1

IN (0/1)

DATA0/1

图2.13 批操作读写过程

控制操作(control transaction):

控制操作control transfer主要包括两个操作阶段transaction stage:设置和状态图2.14给出了设置操作的细节如果数据没有正确接收那么设备就会忽略它而且不返回应答包

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图2.14 控制操作流程

下面是控制操作的详细描述图2.15其中我们要注意数据包PID的使用

Setup

Stage

DataStage

StatusStage

ControlWriteControlRead

SETUP (0)

DATA0

OUT (1)

DATA1

OUT (0)

DATA0

......

OUT (0/1)

DATA0/1

IN (1)

DATA1

SETUP (0)

DATA0

IN (1)

DATA1

IN (0)

DATA0

IN (0/1)

DATA0/1

OUT (1)

DATA1

SetupStage

StatusStage

No-dataControl

SETUP (0)

DATA0

IN (1)

DATA1

图2.15 控制操作读写过程

中断操作(interrupt transaction):

中断操作只有输入这一个方向具体格式与批操作的输入情形类似图2.16

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同步操作(isochronous transaction):

同步操作不同于其他类型只包含两个阶段令牌和数据图2.17因为同步传输不支持重发的能力

所以没有应答阶段另外它也不支持数据的触发同步与重试

图2.17 同步操作流程

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2.6.4 数据触发同步与重试

USB提供了保证数据序列同步的机制这一机制确保了数据传输的准确性这一同步过程是通过Data0和Data1的PID

以及发送者与接收者上的数据触发序列位data toggle sequence bit来实现的接收者的序列位只有当接收到一个正确的数据包时(包括正确的PID)才能被触发而发送者的序列位只有当接收到确认包ACK

时才能被触发

在总线传输的开始

发送者与接收者的序列位必须一致这是由控制命令来实现的同步传输方式不支持数据触发同步

图2.182.192.20说明了数据触发同步的基本原理

Transfer iTransfer i + 1

图2.18

数据触发与同步

一

Transfer i

RetryTransfer i

二

图2.19

数据触发与同步

Transfer i

Transfer i(retried)

Transfer i + 1

图2.20 数据触发与同步三

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每次总线操作接收者将发送者的序列位(被译码成数据包PID的一位即Data0或Data1)与本身的相比较如果数据不能接收则必须发送NAK如果数据可以被

接收

并且两者的序列位匹配则该数据被接收并且发送

ACK

同时接收者的

序列位被触发

如果数据可以被接收

但两者的序列位不匹配则接收者只发出ACK

而不进行其它操作

对于发送者来说在接收到NAK时或在规定时间内没有接收到ACK则将上一次的数据重发

2.6.5

低速操作

Hub具有禁止高速信号进入低速设备的能力这既防止了电磁干扰的发生又保护了低速设备图2.21是一次低速的输入操作主机发送令牌与应答包并且接收了一个数据包

图2.21 低速方式的输入操作

所有下行的低速传输的包必须先发送一个PRE包Hub必须解释PRE包而所有其它的USB设备必须忽略这个包主机在发送完PRE包后必须等待至少

4位的时间而在这个期间Hub完成必要的设置使之能接收低速的信号在接收到EOP信号之后Hub关闭低速设备的端口

上行的操作则没有上述的行为低速与高速是一样的 低速操作还有其它的限制

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(1)数据包最大限制为8个字节 (2)只支持中断和控制传输方式

2.6.6 错误检验与恢复:

USB具有检查错误的能力并且可以根据传输类型的要求进行相应的处理例

如

控制传输的需要很高的数据准确度因此支持所有错误检验与重试来实现端对端的数据完整传输而同步传输不允许重试因此必须具有一定的容错性

USB

这种检查错误的能力包括PID

检验CRC

检验总线时间溢出以及EOP

错误检验等等

2.7 结束语

以上我们介绍了USB的基本结构和原理只涉及了USB规范1.0版的一些章节如果想深入的了解USB必须仔细阅读USB规范这一规范从总体上描述了USB的结构和原理除此之外USB将设备分为不同的类型每个设备类型都定义了类似功能设备的共同行为和协议例如HIDHuman Interface Device人机接口设备主要指用于人控制计算机系统操作的器件而电源设备Power Device则被定位为HID的子系统之一

对设备进行分类是为了抹除不同硬件厂商之间的差异以便于主机(PC)对设备进行方便统一的管理相同类型的设备都由一组标准定义的功能模块组成这样主机与USB设备之间的通信就可以通过一些标准格式的数据包来完成对于每一类设备还相应制定了描述这类设备的USB规范如果想开发USB设备还必须对这种描述设备的规范有所了解本项目设计的手写板属于HID设备在软件设计方面有许多HID设备特有的要求和实现方法在本文后面的章节中还会详细叙述

USB是1996年出现的推出USB主要有三个目的一是使安装使用设备

更加容易使用

USB几乎所有的中低速设备都可以用相同的电缆和接头与PC相连即使是不懂得硬件知识的人也可以安全的安装和使用USB设备USB所具有的即插即用特性更是体现了它的便捷二是扩展USB的I/O 能力从理论上讲USB最多可以支持127个外设总带宽达12Mbs可以满足几乎所有的中低速设备的要求如果用户想增加一个外设只需将它插到某个Hub的一个端口即

可

三是支持声音和压缩影象等实时数据的传输

这为集成语音电话等功能提供了一个简单的途径这也是USB将得以发展的一个重要因素可以支持USB的外设十分广泛比如鼠标键盘游戏杆显示器扫描仪打印机麦克风

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数字相机等等另

外还有一种高速的串行接口

IEEE1394传输率可达100Mb,200Mb乃至

400Mb主要用于高速设备的数据传输如硬盘

光驱等

USB从推出到现在已经快两年了

到目前虽然还没有得到广泛的应用但已经有许多软硬件产品支持USB了自从厂家把USB所需的控制芯片加入到外围设备的ASIC专用IC中PC对USB的支持只需要增加成本不到1美元的插座这大大刺激了USB的发展Microsoft推出的PC98和PC99系统已宣布将USB和HID作为其支持的工业标准之一可以预见USB

将在今后的几年里得以发展它将成为标准的设备接口

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