1、第 1 页 共 49 页USB2.0 数据传输技术研究摘要：USB（通用串行总线）是应用在 PC 领域的一种接口技术。USB 技术其目的在于解决日益增加的计算机外设与有限的 PC 插槽和端口之间的矛盾，使所有的 PC 外设都可以连接在统一的标准接口上。支持高速，传输具有向下兼容性，逐渐取代了传统计算机接口，满足了计算机的进一步发展和应用。论文在深入研究通用串行USB2.0总线技术体系结构的前提下，选用高性价比的USB2.0总线控制芯片，设计实现USB2.0接口的高速传输模块。重点讨论了USB数据传输相关单片机固件程序，提出了一种基于通用串行总线的高速数据传输方案。USB 作为一种总线接口，具有
2、速度快、设备安装配置容易、易于扩展、支持即插即用使用灵活、支持多媒体、能够采用总线供电等优点。关键词：通用串行总线，数据传输，固件程序The technique research on USB2.0 datas transmissionAbstract: The USB(Universal Serial Bus) is an application in the PC realm of a kind of connecting technique.The USB technique its purpose lies in the calculator that solves to increa
3、se increasingly to establish outside with the antinomy of the limited PC slot and the port, making all PCs establish outside can link in unify of standard connecting.Support high speed, deliver to have to get down and permit sex, replaced a traditional calculator to connect gradually, satisfy the fu
4、rther development of the calculator and apply.The thesis is going deep in to study an in general use string to go USB2.0 premise of the total line technique system structure bottom, choose to use the USB2.0 that the high price compare. The 0 total lines control chip, designing to carry out USB2.0 co
5、nnect ocular high speed to deliver a mold piece.The point discussed the USB data to deliver a related and single slice the machine firmware procedure, put forward a kind of go total line according to the in general use string of the high-speed data deliver a project.The USB conduct and actions a kin
6、d of total line connect, having high speed , the equipments gearing install easily and be easy to expand and support a plug-and-play an usage vivid, support multimedia, can adopt total line power supply etc. advantage.Keyword: Universal Serial Bus, the data transmission, firmware procedure第 2 页 共 49
7、 页1 绪论1.1 USB背景及研究的目的和意义USB（通用串行总线）是应用在PC 领域的一种接口技术 4。USB技术其目的在于解决日益增加的计算机外设与有限的PC插槽和端口之间的矛盾，使所有的 PC外设都可以连接在统一的标准接口上。USB具有即插即用（PnP）的特性，支持带电动态插拔，安装配置设备不需要打开机箱，USB集线器提供5V 的电源，最小 100mA 、最大500mA电流，用户可以直接使用。USB1.1 标准提供1.5Mbps、12Mbps两种传输速度，主要应用于中低速外设。USB2.0 规范将传输速率提高到480Mbps，且拥有更高带宽，主要适用于高保真的图像视频传输、大容量的数据
8、采集系统等 1。USB协议从USB1.0、USB1.1发展到USB2.0和USB O-T-G版本，这些协议都具有向下兼容性。逐渐取代了传统计算机接口，满足了计算机的进一步发展和应用。1.2 总线接口技术的概念所谓接口是计算机 CPU 与外设的连接电路，是计算机与外界交换信息的转接部分 5，通用串行总线技术出现之前，外设与计算机之间的通信主要使用 PC 机主板提供的各种接口实现的，计算机一般是通过系统总线与外总线与外界实现连接，接口也可以分为外总线与系统总线两种。系统总线都做成多个插槽的形式，各插槽相同的引脚通过总线连在一起 6。总线接口的引脚定义、传输速率设定、驱动能力限制、信号电平、时序安排
9、以及信息格式的规定等都有统一的标准。常见的系统总线 ISA、PCI 、AGP 等。外总线用来实现计算机机系统与其它系统或设备通信 6。它们之间的通信可用并行方式和串行方式来实现，但数据传输速率相对较低，外总线都是使用的标准接口的结构和标准的通信协议。常用的外总线有 RS-485、RS-232C、USB 、IEEE1394 等。各总线接口的比较见下表 4：表 1.1 总线接口比较接口类型 数据格式 传输速率/bps 最大设备数/个 电缆长度/m 是否支持热插拔第 3 页 共 49 页USB 串行 1.5M、1.2M 、 480M127 3、5 是RS232 串行 20K 2 15-30 否RS4
10、85 串行 10M 32 1200 否IEEE-1394 串行 400M、3.2G 63 4.5 是以太网 串行 10M、100M 、1G 1024 500 否并行端口 并行 8M 2 或 8 3-9 否PCI 并行 1056M、2112M 否ISA 并行 128M 否EISA 并行 266M 否从表中可以看出 PC 机主板所提供的各种接口，技术成熟，使用广泛，也存在着很多缺陷，如非共享、体积大、规格不一以及采用传统的 I/0 模式等。USB 是一种新兴的快速、双向、同步、廉价，并支持热插拔功能的串行接口，克服了老式接口的上述缺陷，为外设的连接提供了一个很好的解决方案。1.3 本课题的主要研究
11、目的本课题的目的是为了实现PC的高速数据传输与存储。为实现高速数据传输与存储，使用传统的串、并口来进行，其数据的实时处理和传输速率远远不能满足要求。为解决这个问题，以前所用的方法是开发专用的板卡（基于EISA 或PCI）来实现传输与存储等数据处理，这样做就会占用额外的计算机资源，并且增加开发的费用和难度。而使用USB 总线来传送数据，则会克服以上所述的不足。而且USB有即插即用、易于扩展和高速传输的特点。第 4 页 共 49 页第 5 页 共 49 页2 串行通用总线及系统介绍2.1 USB 简介及特点USB是一种新的总线标准，它取代当前PC 上的串口和并口，把这些不同的接口统一起来，使用一个
12、4针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。设计USB的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛地使用。该规范改进了便携商务或家用计算机的现有体系结构，进而为系统生产商和外设开发商提供了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场，并不必使用陈旧的接口，害怕失去兼容性。USB的工业标准是对PC机现有的体系结构的扩充 2。USB的设计主要遵循以下几个准则：(1).易于扩充多个外围设备；（2）.价格低廉，且支持12Mbps的数据传输；（3）.对声音音频和压缩视频等实时数据
13、的充分支持；（4）.协议灵活，综合了同步和异步数据传输；（5）.可以兼容不同设备；（6）.综合了不同PC机的结构和体系特点；（7）.提供一个标准接口，广泛接纳各种设备：（8）.赋予PC机新的功能，使之可以接纳许多新设备。USB主要有以下优点：1）速度快。USB有高速、全速和低速三种方式，主模式为高速模式，速率为480Mbps，USB2.0 版规范允许 480Mbps的速率传输数据。另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，USB还提供低速方式，速率为1.5Mbps。相比之下，串口数据传输率是115kbps-230kbps，标准并口的数据传输率为1Mbps，这些都远低于USB
14、的传输速率。2）设备安装和配置容易。USB设备支持即插即用，安装USB设备不必再打开机箱，加减己安装过的设备完全不用关闭计算机。所有USB设备支持热插拔，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者DMA资源，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。USB为接缆和连接头提供了单一模型，解决了外设越来越多所造成的插槽紧张问题。3）易于扩展。通过使用Hub扩展，可接多达127个外设。标准 USB电缆长度为第 6 页 共 49 页3m（5m低速），通过Hub或中继器可以使外设距离达到 30m。4）使用灵活。USB共有4种传输模式：控制传输（control ）、同步传输（Synchronization）、中
15、断传输（interrupt）、批量传输（bulk ），以适应不同设备的需要。5）能够采用总线供电。USB总线提供最大达5V，500mA电流，对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。2.2 USB 的电气特性及电源USB的信号和电源是通过如图2.2所示的一种四线电缆传送的 5。图2.1 USB 电缆USB存在三种数据传输率：USB高速信号的比特率定为480Mbps；USB全速信号的比特率定为12Mbps；低速信号传送的模式定为1.5Mbps；三种模式可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限个低带宽的设备（如鼠标）。时钟被调制后
16、与差分数据一同被传送出去，时钟信号被转换成NRZI码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出原时钟信号。电缆中包括V BUS、GND二条线，向设备提供电源。V BUS使用+5V电源。USB对电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择合适的导线长度一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个埠都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速，或低速设备。电源主要包括两方面：电源分配：即USB 的设备如何通过USB 分配得到由主计算机提供的能源。每个USB单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连
17、的USB设备提第 7 页 共 49 页供电源供其使用。每个USB设备都可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反，那些可选择能源来源的设备称作“自供电”设备。而且，集线器也可由与之相连的USB设备提供电源。电源管理：即通过电源管理系统、USB的系统软件和设备，如何与主机协调工作。USB主机与USB系统有相互独立的电源管理系统。USB 的系统软件可以与主机的能源管理系统结合，共同处理各种电源问题，如挂起、唤醒。有特色的是，USB设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件控制其电源管理。USB的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中，如采用电池的笔记本计
18、算机。2.3 USB传输体系结构2.3.1 USB主机、设备及互连 一个 USB 系统的通信模型 6构成以及相互关系可以用层间通信模型表示如图 2.4 所示，主机和设备被分成独立的层，垂直的箭头表示主机上的实际通信。客户软件USB 系统USB 总线接口 USB 总线接口USB 设备功能设备主机 互连 设备实际通信流 逻辑通信流图 2.2 层间通信模型USB 主机：在 USB 系统中只允许一个主机，从开发人员的角度看，它可以被分为三个不同的功能模块：客户软件、USB 系统软件和 USB 总线接口。客户软件：负责和 USB 设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。它一般由开发人员自主开发。客户软
19、件不能直接访问 USB 设备。它一般包括 USB 设备驱动程序和界面应用程序两部分。USB 设备驱动程序负责和 USB 系统软件实现接口，通常向USB 总线驱动程序发出 I/O 请求包以启动一次 USB 数据传输。界面应用程序负责和USB 设备驱动程序实现接口，以操控 USB 设备，并向用户提供可视化的操作，能够通第 8 页 共 49 页过界面应用程序看到向 USB 设备发送的原始数据和从设备接收的最终数据。USB 系统软件：负责和 USB 逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传输。它一般包括 USB 总线驱动程序、USB 主控制器驱动程序和非 USB 主机软件三部分。该软件通常由操
20、作系统提供。USB 总线接口：包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为 USB 系统提供连接起点，主控制器负责完成主机和 USB 设备之间数据的实际传输。该模块与 USB 系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现，开发人员不需要掌握。USB 设备： 在终端用户看来，USB 设备为主机提供了多种多样的附加功能，但对USB 主机来说，所有 USB 设备的接口都是一致的。一个 USB 设备由三个功能模块组成：USB 总线接口、USB 逻辑设备和功能单元。 USB 总线接口是 USB 设备中串行接口引擎（SIE） ； USB 逻辑设备被 USB 系统软件看作是一个端点（ENDPOINT）的集合；功能单元
21、被客户软件看作是一个接口的集合。依照目前 USB 协议可以将 USB 设备分为以下三种类型：低速设备（low-speed devices ）：传输速率最高为 1.5Mbps；全速设备（full-speed devices）：传输速率最高为 12Mbps；高速设备（high-speed devices）：USB2.0 提出的规范，传输率最高为 480Mbps。2.3.2 USB设备的管道和端点主机与设备的端点之间的连接称为管道 7，是设备端点与主机软件之间的联系。USB 系统软件与端点 0 之间的连接称为缺省控制管道（Default Control Pipe ） ，用于配置和控制设备；客户软件则
22、使用一组管道与接口通信。管道代表通过内存缓冲区在客户软件与设备端点之间移动数据的能力，具有如下两种模式。流（Stream）管道：流管道中传输的数据不具有 USB 定义的结构，它可以用作批量传输、同步传输和中断传输，且通常是单向的。因而，如果客户软件要完成同设备的 IN 传输和 OUT 传输，则必须使用两条管道分别进行 IN 传输和 OUT 传输，数据按照顺序方式流过管道。消息（Message）管道：在消息管道中传输的数据具有 USB 定义的结构，它一般只用作控制传输的管道，且是双向的，既支持 IN 传输又支持 OUT 传输。USB 设备中的 0 号端点所实现的缺省控制传输管道就是消息管道。US
23、B 系统软件确保不会有多个请求同时发送到消息管道。设备的每个消息管道在同一时刻只能相应一第 9 页 共 49 页个请求。主机上多个客户软件可以通过缺省控制管道提出请求，但是这些请求是按照先进先出的顺序发送到设备。端点：是 USB 设备中的实际物理单元，由 USB 接口芯片和主机提供的数据缓冲区，它是 USB 设备唯一可识别的部分，是主机与设备之间通信流的终点。端点支持一个方向的数据流输入或者输出，数据传输就是主机和 USB 设备各个端点之间进行的。一般是用以下的特性来描述 4：带宽要求；端点号；端点发送或接收的最大数据包的大小；端点的传输类型以及与主机之间的数据传输方向。2.4 USB通信协议
24、2.4.1 包的格式（1）令牌包（Token Packet）USB 设备是一种主从式的结构方式，USB 的事务是由 PC 主机启动的，所以在每一个事务中必须以下列的 8 个数据域所组成的令牌包为开始，执行通信协议的前导工作。场 PID ADDR ENDP CRC5位 8 7 4 5图 2 .3 令牌包格式另外，所有令牌包的 PID 数据域中 PID1, PID0 两位均相同（PID1=0，PID0=1 ）而PDI3，PID2 取不同值以区分不同的令牌含义（OUT 、IN、SETUP 等）具体的对应关系。假设主机要通过默认的地址取得设备描述符（Get Descriptor） ，那么就必须先执行下
25、面的 SETUP 令牌包，作为每一次控制传输的开始。其中 PID 数据域需要设定为SETUP，查询前面的 PID 类型表可知其取值为 0xB4。此外，ADDR 域应为默认地址，因此设定为 0x00：ENDP 域由于是执行控制传输，使用零号端点，所以取值为 0x00。（2）数据包（Data Packet）数据包由 PID 域、0-1023 字节长度的数据域和 16 比特的 CRC 检查域组成，8bits 0-1023bytes 16bits第 10 页 共 49 页PID DATA CRC16图 2. 4 数据包格式其中数据封包的 PID 数据域包含两种类型：DATA0 和 DATA1，支持数据
26、触发同步。根据 USB 协议议规定，最初的数据封包都是以 DATA0 位开始，其后才是DATA1，然后以此交替切换，这个动作称为 Data Toggle。如此就可以保持整个传输过程中主机能与设备维持同步。主机针对特别寻址的设备端点发出了取得设备描述符的命令。特别注意的是，对于控制传输，所以 DATA 数据域中仅有 8 个字节。（3）握手包（Handshake Packet ）握手包用于表示一次事务的完成状态。报告数据处理得状态，还可以返回成功接收数据、命令被接收或拒绝，它的格式最简单，只有一个 8 个比特的 PID 域。8bits图2. 5 握手包格式握手信号封包的 PID 数据域包含 ACK
27、、NAK、STALL 三种类型名称。（4）帧开始包（Start-of-Frame Packet）帧开始（SOF）包也是令牌包的一种，具有独立的 PID 类型名称。由主机每隔lms（全速设备）和 125us（高速设备）发出，它由 PID 域、帧号域和 5 个比特的 CRC字段组成，长度为 3 字节，SOF 封包的帧号码范围是 0-0x7FF 之间。2.4.2 标准USB描述符的定义（1）设备描述符一个 USB 设备可以含有一个或多个配置。设备描述符用于指出 USB 设备的总体信息，其内容对该设备中同一传输模式下的所有配置都有效。一个 USB 设备只能有一个设备描述符。（2）设备限定描述符如果高速 USB 设备既需采用高速传输又需采用全速传输，则它必须支持设备限定描述符，以指出另一传输速率下该设备的总体信息，如高速 USB 设备当前工作于全速模式下时，设备限定描述符将指出其工作于高速模式下的总体信息设备限定描述符只适用于高速 USB 设备。PID
