USB接口设计.docx

1、 清华大学毕业设计论文 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 USB Universal 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 然后 HCD将 USB传输分解为总线操作 (transaction) 由主控

2、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 第 7 页 清华大学毕业设计论文 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

3、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 8 16 32 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

4、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 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 鼠标等 2 数据没有 USB 定义的结构 数据流管道 3 只有输入这一种传输方式 即外设到主机 4 对于高速设备 允许

5、数据包最大容量为小于或等于 64 字节 对于 第 8 页 清华大学毕业设计论文 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 8 16 32 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

6、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 Data Flow Ty pes IRP Transaction Transaction Transaction Control Transf er IRP Setup Data Status Additional Transaction Transaction Transaction Control Transfer s All transfers are composed o

7、f one or more transactions. And an IRP corresponds to one or more transfers. A control transfer is anOUT Setup transaction followed by multiple IN or OUT Data transactions followed by one “opposite of data direction” Status Transaction. Interrupt Transf er One or more IN IRP Data Transactions. IN Tr

8、ansa c ti on IN Transa c ti on Isochronous Transf er One or more IN / OUT IRP Data Transactions. Transaction Transa c ti on Transaction Bulk Transf er IRP Transaction Transaction Transac ti on 图 2.7 USB 数据传输 One or more IN / OUT Data Transactions. 第 9 页 清华大学毕业设计论文 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

9、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

10、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

11、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 0 1023 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 第 10 页