1、USB 总线协议一、 USB 总线的简介USB（通用串行总线） ，由 Intel 公司提出，带宽为 12Mbps，与传统接口总线相比，主要优点有三个，1.可接入多达 127 个设备，目前计算机外设越来越多，PC 机内有限的插槽和接口已经不能满足要求，USB 缓解了这一矛盾。2.可以热插拔，在电脑通电的情况下可以随时热插拔所连接的设备。3.可即插即用。设计 USB 的设备就必须深入了解 USB 的体系结构。USB 通用串行总线同其他串行并行接口不同，它是一个软硬件相结合的系统体系，对于刚刚进入 USB 设计的工程师来说，这个结构是复杂的。为此，下面论述了 USB 的一些体系结构和基本概念。二、
2、USB 总线的总体结构整个 USB 总线可以分为 3 个部分进行描述：USB 连接、USB 设备、USB 主机（如图 1） 。2.1 USB 连接USB 连接是指 USB 主机和 USB 设备的通信方式与方法，包括：总线拓扑（USB 主机和设备之间的连接方式） ；层内关系（USB 总线每一层中的任务） ；数据流模式（数据在USB 总线上的流动方式） ；USB 调度（USB 提供一个共享的服从调度的互连） 。USB 设备是通过 USB 总线连接到 USB 主机上的。USB 总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑。处于每个星形拓扑中央的是 hub(USB 集线器) 。在主机和一个 hub 或者一个应
3、用之间以及在 hub 和其它 hub 或应用之间都是一个点对点的连接。图 1 表示了 USB 的拓扑类型。2.2 USB 主机在 USB 总线中只有一个主机。USB 总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器，它可被看做一个硬件、固件和软件的结合体。主机系统中集成了一个根 hub 来提供一个或多个连接点。2.3 USB 设备首先 USB 设备可被分为两大类：hub 类（提供附加 USB 接入点的设备）和功能 设备类（为系统实现某些功能的设备，如 ISDN 适配器、数字游戏杆等） 。按照功能，USB 设备又可分为很多类，如：音频、人机交互、显示、通信、电源、打印机、海量存储、物理反馈等设备。每
4、个 USB 设备都必须提供自鉴定信息和通用的设置。USB 设备都有一个标准的 USB 接口，它的作用为：解释 USB 协议；对标准 USB 操作的响应，如挂起和设置等；提供设备的一些描述信息。在实际的设计应用中，USB 设备的接口有自已的特点。USB 接口的正确设计与设备的性能紧密相关，在 USB 接口设计之前必须要对设备的功能、指标进行详细的分析。连接在 USB 接口上的设备通过基于令牌和主机控制的协议来共同享用整个 USB 带宽。在其它设备正常工作的前提下，USB 允许某设备连接、设置、运行和断开连接。2.4 USB 数据传逻辑结构USB 设备在逻辑上分成了几个层次，分别是设备层、配置层、
5、接口层和节点层。USB 设备中各层的逻辑关系如图 2 所示：1.节点：每个设备内有一个或多个逻辑连接点，称为节点。2.接口：一个设备对主机表现为一组合适的节点，一组相关的节点称为一个接口。有多个接口的设备称为组合设备。3.配置：设备可以有多组接口，每一组称为一个配置，一次只能有一个配置是活动的。但是，当前配置中的所有接口（和它们的节点）可以同时是活动的。大多数设备只有一个配置和一个接口。当一个设备第一次插入系统时，Windows 提示用户选择合适的配置。4.管道：在 USB 中，传输是在 USB 设备的某一具节点和主机软件之间进行的，这个相关的结构就称为管道，即为设备的一个节点与主机之间的数据
6、传输的模型。管道有两种：流管道和消息管道。其中消息管道的数据结构是 USB 定义好的，而流管道没有固定的结构。另外，数据传输带宽、传输类型、节点的特性（如方向和缓冲大小）都影响着它的管道特性。大多数的管道在 USB 设备配置好之后就产生了。其中有一个最重要的消息管理是“缺省控制管道”，这个管道在设备一加电的时候就存在了，它提供设备的配置和状态等信息的控制。5.传输类型：USB 总线包括 4 种传输类型（传输管道）：控制传输类型：用于传输控制信息，如：在连接时配置设备，控制其它管道的状态以及完成一些设备自定的用途。块数据传输类型：用于传输相对比较大的和突发性强的数据，一般这种传输的动态范围比较宽
7、。数据传输的可靠性由硬件层错误检测来保证，对错误的数据可进行重复发送。块传输 是连续的，它的带宽占用依据其它 USB 设备的使用情况而不同。这种传输类型一般用于打印机、扫描仪等。中断数据传输类型：数据量小，延迟短，通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息，多用于人机交互设备，如鼠标，键盘、游戏杆等。同步数据传输类型：占用预先分配的带宽，实时传输。对于同步传输管道，带宽的要求与设备的采样率有关，时延的要求与每个节点的缓冲大小有关。为保证数据的实时传输，在传输过程中的一些误码是不被纠正的（如不进行重试等） ，则实际上 USB 的心位错误率是十分小的，它完全可以被忽略掉，不足以形成问题。USB 数据传输的逻辑模型如图 3 所示：2.5
