USB的开发之标准篇.doc

1、USB 的开发之标准篇通用串行总线（Universal Serial Bus）是用于将适用 USB 的外围设备连接到主机的外部总线结构,其主要是用在中速和低速的外设。USB 是通过 PCI 总线和 PC 的 CPU 连接，实现数据的传送。USB 同时又是一种通信协议，他支持主系统(host) 和 USB 的外围设备(device)之间的数据传送。 USB 的优点有以下几条：USB 为所有的 USB 外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。这样一来就简化了 USB 外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务,实现了单一的数据通用接口。USB 排除了对各个鼠标、调制解调器、

2、键盘和打印机接口的需求，因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用，节省了系统资源。USB 支持热插拔 (hot plug)，也就是说在不关 PC 的情况下可以安全的插上和断开 USB 设备。其他普通的外围连接标准，如 SCSI 设备等必须在关掉主机的情况下才能增加或移走外围设备。USB 支持 PNP。当插入 USB 设备的时候，主计算机设备检测该外设并且通过自动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作。USB 在设备供电方面提供了灵活性。USB 直接连接的设备可以通过 USB 电缆供电，也可以通过电池或者其它的电力设备来供电，或使用两种供电方式的组合.并且支持节约能源的挂机和唤醒模式

3、。USB 提供全速 12Mbps 的速率和低速 1.5Mbps 的速率来适应各种不同类型的外设。针对不能处理突然发生的非连续传送的设备，如音频和视频设备，USB 可以保证其固定带宽。为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB 提供了四种不同的数据传送类型。USB 使得多个外围设备可以跟主机通信。USB 的目的:1,使用方便 2,可以提供实时的数据给 PC 3,端口的灵活扩展性USB 标准可以在 www.usb.org/developer/中找到,并且你还可以在该站点找到另外的一个 USB 的测试工具 :usbcomp.exe,它包含一个 usbcheck 的工具可以检测到设备是否一些 USB

4、的高层次的要求。同时它还有一个 usbcheck 的工具可以检测HID(human interface device)的设备。而 W98 还有一个 “Ignore hubs“(Memphis only)的检测窗口。在 W2K DDK 中包含的一个 USBView 的工具可以看出系统中所有的USB 总线以及 USB 总线上的所有的设备。USB 论坛(USB forum)的成员每年只需要支付$2500 就可以获得一个 Vendor ID,其实 ,每个 Vendor ID 的零售价格只是$200,不过每个 USB 论坛的成员可以在关于USB 的支持方面可以得到许多的好处。( 对于俺们中国人来说 ,去

5、弄一个什么 USB 成员是很浪费钱的)USB 的设备类型 (device class)虽然 USB 设备都会表现 USB 的一些基本的特征。但是,USB 的设备还是可以分成多个不同类型,同类型的设备可以拥有一些共同的行为特征和工作协议,从而使设备的驱动程序的书写变得简单一些。下表中就给出一些基本的 USB 的设备类型分类。设备类型(device class) 设备举例 类型常量(Class constant) 音频(audio) 扬声器 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO 通信 MODEM USB_DECICE_CLASS_COMMUNICATIONS HID 键盘 鼠标 USB_D

6、EVICE_CLASS_HUMAN INTERFACE 显示 监视器 USB_DEVICE_CLASS_MONITOR 物理回应设备 动力回馈式游戏操纵杆 USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE 电源 不间断电源供应 USB_DEVICE_CLASS_POWER 打印机 USB_DEVICE_CLASS_PRINTER 大量的存储器 硬盘 USB_DEVICE_CLASS_STORAGE HUB USB_DEVICE_CLASS_HUB USB 的基本特性每一个设备(device) 会有一个或者多个的逻辑连接点在里面,每个连接点叫endpoint.每个 endp

7、oint 有四种数据传送方式 :控制 (Control)方式传送;同步(isochronous)方式传送;中断(interrupt) 方式传送;大量(bulk)传送.但是所有的 endpoint0 都被用来传送配置和控制信息。在 host 和设备的 endpoint 之间的连接叫作管道“pipe“,endpoint0 叫做缺省(default pipe)。对于同样性质的一组的 endpoint 的组合叫做接口(interface), 如果一个设备包含不止一个的接口就可以称之为复合设备(composite device)。同样的道理,对于同样的类型的接口的组合可以称之为“配置“(configur

8、ation)。但是每次只能有一个配置是可用的,而一旦该配置激活, 里面的接口和 endpoint 就都同时可以使用。host 从设备发过来的描述字(des criptors)中来判断用的是哪个配置 ,哪个接口等等,而这些的描述字通常是在 endpoint0 中传送。Windows USB 驱动程序接口系统中的 USB 的驱动程序完成许多的工作。实际上对于一些 HID 的 USB 设备,象键盘, 鼠标和游戏操纵杆之类的设备可以自动的被系统识别并且支持.而除此之外的设备就需要自己写一个驱动程序来完成硬件和软件之间的联系。在核心模式(kernel mode)下, 驱动程序用 IOCTL 来组织和操作

9、一些由其他部分发过来的要求和命令。而 IOCTL 又是通过 URB(USB request blocks)来实现的。在正式的介绍 USB 的驱动程序之前, 先还是来看看 USB 的物理和逻辑结构。传输方式在 USB 的数据传送的方式下 ,有四种的传输方式: 控制(Control)同步(isochronous)中断(interrupt) 大量(bulk)。如果你是从硬件开始来设计整个的系统 ,你还要正确选择传送的方式,而作为一个驱动程序的书写者, 就只需要弄清楚他是采用的什么工作方式就行了。通常所有的传送方式下的主动权都在 PC 边,也就是 host 边。控制 (Control)方式传送：控制传

10、送是双向传送，数据量通常较小。USB 系统软件用来主要进行查询、配置和给 USB 设备发送通用的命令。控制传送方式可以包括8、16、 32 和 64 字节的数据，这依赖于设备和传输速度。控制传输典型地用在主计算机和 USB 外设之间的端点 (Endpoint)0 之间的传输，但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。同步(isochronous)方式传送：同步传输提供了确定的带宽和间隔时间（latency)。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。例如执行即时通话的网络电话应用时，使用同步传输模式是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和确定的最

11、大传送次数。对于同步传送来说，即时的数据传递比完美的精度和数据的完整性更重要一些。中断(interrupt) 方式传送：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从 1 到 255ms 之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传送是单向的并且对于 host 来说只有输入的方式。大量 (bulk)传送：主要应用在数据大量传送传送和接受数据上，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输，可以等到

12、所有其它类型的数据的传送完成之后再传送和接收数据。USB 将其有效的带宽分成各个不同的桢(frame),每桢通常是 1ms 时间长。每个设备每桢只能传送一个同步的传送包。在完成了系统的配置信息和连接之后,USB 的host 就会对不同的传送点和传送方式做一个统筹安排,用来适应整个的 USB 的带宽。通常情况下,同步方式和中断方式的传送会占据整个带宽的 90%,剩下的就安排给控制方式传送数据。USB 的低层结构USB 设备USB 的设备可以接在 PC 上的任意的 USB 接口上。而使用 HUB 还可以扩展使更多的 USB 设备连接到系统中,USB 的 HUB 有一个上行的端口(到 host),有

13、多个的下行端口(连接其它的设备), 从而可以使整个的系统可以扩展的连接 127 个外设,其中 HUB 也酸外设。对于 USB 系统来说,USB 的 host 永远是 PC 边, 所有的其他连接到 host 都称为设备,在设备与设备之间是无法实现直线通信的, 只有通过 host 的管理与调节才能够实现数据的互相传送.在系统中,通常会有一个根 HUB,这个 HUB 一般有两个下行的端口。一个 PC 可以拥有一个或多个的 USB host 控制器。一般有两种类型的控制器 :UHCI(USB host 控制器接口),OHCI(开放的 host 控制器接口)。Windows 的 USB 类驱动程序对于每

14、一种的控制器类型都有一种 miniclass 驱动程序来支持。USB 的物理信号USB 的电缆有四根线, 两根传送的是 5V 的电源, 有一些直接和电源 HUB 相连的设备可以直接利用它来供电。另外的两根是数据线,数据线是单工的,在整个的一个系统中的数据速率是一定的,要么是高速 ,要么是低速,没有一个可以中间变速的设备来实现数据码流的变速.在这一点上,USB 和 1394 有明显的差别。USB 的总线可以在不使用的时候被挂起, 这样一来就可以节约能源。 在有些时候的总线还有可能挡机(stall),比如说象数据传送的时候突然被打断，这个时候通过 host 的重新配置可以实现总线的重新工作。低层协

15、议USB 的物理协议规定了大多数的在总线上的数据格式，通常一个全速的数据桢可以最多有的 1500bytes,而对于低速的桢最多有 187bytes。桢通常是用来分配带宽给不同的数据传送方式。同时由于桢结构的规律性，桢的这种特性也可以用来做同步信号来使用。一个最小的 USB 的数据块叫做包(packet)，包包括同步信号，包标识（packet ID)，CRC 和传送的数据。 Packet ID 共有以下十种：token OUT IN SOF SETUP data DATA0 DATA1 handshake ACK NAK STALL special PRE Transactions（数据交换）一

16、个 transaction 是在 host 和设备（device)之间的不连续相互数据交换，通常由 host 开始交换，交换的开始是由 Token 的包开始的，接下来是双方向上的数据包，在数据包传送完之后，就会由设备（device）返回一个握手（handshake)包。USB 系统通过 IN,OUT,和 SETUP 的包来指定 USB 地址和 endpoint（最多是 128 个，0 通常被用来用做缺省的传送配置信息的）, 并且这些被指定的设备必须通过上面形式的包来回应这种形式的指定。每个 SETUP 的包包含 8 个 byte 的数据，数据用来指示传送的数据类型。对于 DATA 数据包来说，

17、设置两种类型的数据包是为了能够在传送数据的时候做到更加的精确。ACK handshake 的包用来指示数据传送的正确性，而 STALL handshake 则表示数据包在传送的过程中出了故障，并且请示 host 重新发数据或者清除这次传送。PRE 格式的包主要是用在在一个 USB 的系统中如果存在不同速率的设备的时候，将不同于总线速度的设备中就会回应一个 PRE 的包从而会忽略该设备。各种不同类型的包的大小是不同的，DATA 的数据包最大是 1023bytes.Start of Frame(SOF)SOF 是 host 用来指示 frame 的开头的。SOF 的包包括 11 个 bit 的桢序

18、号，从0 到 0X7FF(i.e. USBD_ISO_START_FRAME_RANGE-1)，SOF 对于所有的高速设备来说是有效的。Power每个设备可以从总线上获得 100mA 的电流，如果特殊的向系统申请，最多可以获得500mA 的电流，在挂机的状态下，电流只有 500uA. 驱动程序的安装步骤Windows 用设备描述字或者接口描述字来了解到底是什么样的设备被接入到系统。Windows 初始化的 Hardware ID 中有设备提供商的 ID 域（idVendor,idProduct, 和bcdDevice）。如果你没有向系统提供一个 INF 文件的话，系统就会自动选择提供一个兼容

19、ID（可能不是工作得很好，就像你买了一个 Rockswell 的 Modem，而你使用标准Modem 的驱动程序，你的 Modem 可能会工作的有很多的毛病，也可能跑得飞快，电脑的事情，什么都可能发生，就像中国足球.我在九四年就发誓不再为中国足球恼火，可是俺前不久还是骂了一下那个叫章鱼鳞的小伙子.好歹还是一孩子，就原谅一回把，哎）USB 的新特性共享性 一个物理设备可以使用许多不同的 pipe 实时性 可以实现和一个设备之间有效的实时通信 动态性 可以实现接口间的动态切换 联合性 不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来， 多能性 各个不同的接口可以使用不同的供电模式 自动性 缺省的 pipe 的使用使基系统的建立和配置变得自动并且快速 以上几个方面只是简要的介绍了一下 USB 的标准的一些情况，介绍得非常之浅，还有象 USB 的 host 在系统中的唯一性和 device 的带宽分布，以及 hub，和 USB的电气特性等等，以及网络分层结构等方面我就不赘述了，在标准里面有详细的叙述。鄙人仅致力于用中文给大家一个比较浅显的介绍，希望不会给大家不正确的引导。（诸位大虾倘要做 USB 设备，当阅读美利坚合众国之原版文章。切记，切记！不瞒大家，朕亦十分反感大不列颠国之文字，一日，吾弟问朕，国人何以皆学洋文，朕曰寡人如何得知，料想倘念好洋文，就有机会去诳洋人钱财。）