通用串行總線(USB)原理及接口設(shè)計

摘要：以ＵＳＢ１．１為基礎(chǔ)討論了ＵＳＢ的基本原理、工作流程、通信協(xié)議和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了一種ＵＳＢ接口的１０Ｍ以太網(wǎng)卡的設(shè)計方案。已經(jīng)發(fā)布的ＵＳＢ２．０支持４８０Ｍｂｐｓ的高速數(shù)據(jù)傳輸，這將使ＰＣ可以通過ＵＳＢ接口傳輸更高速更大量的數(shù)據(jù)。還論述了ＵＳＢ２．０的改進和優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：通用串行總線(ＵＳＢ) 設(shè)備驅(qū)動程序 ＷＤＭ

通用串行總線ＵＳＢ (Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ＳｅｒｉａｌＢｕｓ)是Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ等大廠商為解決計算機外設(shè)種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于１９９５年提出制定的。它是一種用于將適用ＵＳＢ的外圍設(shè)備連接到主機的外部總線結(jié)構(gòu)，主要用在中速和低速的外設(shè)。ＵＳＢ同時又是一種通信協(xié)議，支持主機和ＵＳＢ的外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前較多設(shè)備支持的是ＵＳＢ１．１?１?，最新的ＵＳＢ２．０?３?已于２０００年４月正式發(fā)布。

ＵＳＢ設(shè)備具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴展等優(yōu)點。

ＵＳＢ１．１有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為１．５Ｍｂｐｓ，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標等；全速模式為１２Ｍｂｐｓ，可以外接速率更高的外設(shè)。在剛剛發(fā)布的ＵＳＢ２．０中，增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達到４８０Ｍｂｐｓ，可以滿足更加高速的外設(shè)的需要。

安裝ＵＳＢ設(shè)備不必打開主機箱，它支持即插即用(Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ) 和熱插拔(Ｈｏｔ Ｐｌｕｇ)。當插入ＵＳＢ設(shè)備的時候，主機檢測該外設(shè)并且通過自動加載相關(guān)的驅(qū)動程序來對該設(shè)備進行配置，并使其正常工作。

１ ＵＳＢ的結(jié)構(gòu)與工作原理

１．１物理結(jié)構(gòu)

ＵＳＢ的物理拓撲結(jié)構(gòu)如圖１所示。在ＵＳＢ２．０中，高速方式下Ｈｕｂ使全速和低速方式的信令環(huán)境獨立出來，圖２中顯示了高速方式下Ｈｕｂ的作用。

通過使用集線器(Ｈｕｂ)擴展可外接多達１２７個外設(shè)。ＵＳＢ的電纜有四根線，兩根傳送的是５Ｖ的電源，另外的兩根是數(shù)據(jù)線。功率不大的外圍設(shè)備可以直接通過ＵＳＢ總線供電，而不必外接電源。ＵＳＢ總線最大可以提供５Ｖ ５００ｍＡ電流，并支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。

１．２ ＵＳＢ設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)

ＵＳＢ的設(shè)備可以分成多個不同類型，同類型的設(shè)備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議，這樣可以使設(shè)備驅(qū)動程序的編寫變得簡單一些。ＵＳＢ Ｆｏｒｕｍ在ＵＳＢ類規(guī)范?２?中定義了ＵＳＢ的設(shè)備類型，比如音頻、通信、ＨＩＤ、ＨＵＢ等設(shè)備類。

每一個ＵＳＢ設(shè)備會有一個或者多個的邏輯連接點在里面?每個連接點叫端點。在ＵＳＢ的規(guī)范中用４位地址標識端點地址，每個設(shè)備最多有１６個端點。端點０都被用來傳送配置和控制信息。在ＮＳ公司的ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２?４?中有７個端點。

管道實現(xiàn)了在主機的一個內(nèi)存緩沖區(qū)和設(shè)備的端點之間的數(shù)據(jù)傳輸，連接端點０的叫做缺省管道。管道是具有多個特征的信道，如帶寬分配，包大小，管道類別以及數(shù)據(jù)流向。管道有兩種類型分別是流管道(ｓｔｒｅａｍ ｐｉｐｅ)和消息管道(ｍｅｓｓａｇｅｐｉｐｅ)。流管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的內(nèi)容不具有ＵＳＢ要求的結(jié)構(gòu)，它是單向傳輸?shù)?；流管道支持批量、等時和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先，由主機發(fā)請求給ＵＳＢ設(shè)備，然后在適當?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù)，最后是到達一個狀態(tài)階段。為了保證三個階段的數(shù)據(jù)傳輸，消息管道定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使命令可靠地被識別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。

對于同樣性質(zhì)的一組端點的組合叫做接口，如果一個設(shè)備包含不止一個接口就可以稱之為復合設(shè)備(見圖１)。

對于同樣類型接口的組合可以稱之為配置。但是每次只能有一個配置是可用的，而一旦該配置被激活，里面的接口和端點就都同時可以使用。主機從設(shè)備發(fā)過來的描述字中來判斷用的是哪個配置?哪個接口等等?而這些描述字通常是在端點０中傳送的。

１．３ ＵＳＢ通信分層模型

一臺主機到設(shè)備的連接需要許多層與實體之間的相互作用。ＵＳＢ總線接口層提供了主機和設(shè)備之間的物理／信令／包的連接。在系統(tǒng)軟件看來，ＵＳＢ設(shè)備層執(zhí)行的是一般的ＵＳＢ操作。功能接口層提供和應(yīng)用軟件層相對應(yīng)的附加功能。分層模型如圖３所示，雖然邏輯上ＵＳＢ設(shè)備層和功能層各自與主機上的相應(yīng)層通信，但物理上都是通過ＵＳＢ總線接口層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/P>

１．４ 四種傳輸方式

ＵＳＢ提供了四種傳輸方式，以適應(yīng)各種設(shè)備的需要。這四種傳輸方式分別是：

控制傳輸方式：控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，主要用來進行查詢、配置和給ＵＳＢ設(shè)備發(fā)送通用的命令?？刂苽鬏斨饕迷谥饔嬎銠C和ＵＳＢ外設(shè)中端點０之間。

等時傳輸方式：等時傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時應(yīng)用中。例如進行語音業(yè)務(wù)傳輸時，使用等時傳輸方式是很好的選擇。

中斷傳輸方式：中斷方式傳送是單向的并且對于主機來說只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送，該傳輸方式應(yīng)用在少量的、分散的、不可預測的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤、游戲桿和鼠標就屬于這一類型。

大量傳輸方式：主要應(yīng)用在沒有帶寬和間隔時間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收，它要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。

在開發(fā)ＵＳＢ設(shè)備時通過設(shè)置接口芯片中相應(yīng)的寄存器使端點處于不同的工作方式。

１．５ ＵＳＢ通信協(xié)議

ＵＳＢ的物理協(xié)議規(guī)定了在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，一個全速的數(shù)據(jù)幀有１５００字節(jié)，而對于低速的幀有１８７字節(jié)。幀的作用是分配帶寬給不同的數(shù)據(jù)傳送方式。

一個最小的ＵＳＢ的數(shù)據(jù)塊叫做包，包通常有同步信號，包標識，地址、傳送的數(shù)據(jù)和ＣＲＣ。包的ＩＤ由八位組成，其中后四位是糾錯位。根據(jù)包功能的不同，在ＵＳＢ１．１中定義了以下四類十種：

ｔｏｋｅｎ ＯＵＴ ＩＮ ＳＯＦ ＳＥＴＵＰ

ｄａｔａ ＤＡＴＡ０ ＤＡＴＡ１

ｈａｎｄｓｈａｋｅ ＡＣＫ ＮＡＫ ＳＴＡＬＬ

ｓｐｅｃｉａｌ ＰＲＥ

在ＵＳＢ２．０中又增加了幾種類型的包以滿足高速傳輸?shù)男枰?。其中ｄａｔａ類型增加了ＤＡＴＡ２和ＭＤＡＴＡ，ｈａｎｄｓｈａｋｅ類型增加了ＮＹＥＴ，ｓｐｅｃｉａｌ類型則增加了ＥＲＲ，ＳＰＬＩＴ，ＰＩＮＧ，Ｒｅｓｅｒｖｅｄ。

事務(wù)是在主機和設(shè)備之間不連續(xù)地數(shù)據(jù)交換。一個事務(wù)通常由主機開始，一般分三個階段，第一階段發(fā)送ｔｏｋｅｎ包，第二階段發(fā)送是ｄａｔａ包(可以向上也可以向下)，在數(shù)據(jù)包傳送完之后，就會由設(shè)備返回一個ｈａｎｄｓｈａｋｅ包。

當客戶端程序通過一個ＵＳＢ管道發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，它首先會調(diào)用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ，ＡＰＩ會發(fā)送一個ＩＲＰ到ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序。ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)就是把客戶端的請求通過一個管道發(fā)送到外設(shè)合適的端點。為了實現(xiàn)這個任務(wù)，ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序會遞交請求給總線驅(qū)動程序，總線驅(qū)動程序可以把這些請求轉(zhuǎn)變成事務(wù)，然后將這些事務(wù)組合成幀在總線上傳輸。

１．６ ＵＳＢ帶寬分析舉例

在ＵＳＢ１．１標準中將其有效的帶寬分成幀，每幀通常是１ｍｓ長。但由于ＵＳＢ２．０的傳輸速率可高達４８０Ｍｂｐｓ，因此在ＵＳＢ２．０增加了一種微幀，它只有原來幀的１／８，這使得在傳輸數(shù)據(jù)時使用更小的緩沖。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后，ＵＳＢ的主機就會對不同的端點和傳輸方式做一個統(tǒng)籌安排，用來適應(yīng)它的帶寬。對全速和低速的端點，系統(tǒng)為等時和中斷方式的傳輸保留整個帶寬的９０％，即占每個幀時間的９０％，剩下的就安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。在ＵＳＢ２．０中，對于高速的端點，則為等時和中斷方式的傳輸保留每個微幀的８０％。

以等時傳輸為例，在某個配置中作為一個等時傳輸管道的端點，定義了它能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效負載的長度。ＵＳＢ系統(tǒng)軟件用這個長度限制去保證足夠的總線時間使每幀的內(nèi)容能容納最多的數(shù)據(jù)有效負載。如果有足夠的總線時間，配置才會建立。每個等時管道的數(shù)據(jù)有效負載可以是１，２，４，．．．，５１２，１０２３字節(jié)。

例如，當數(shù)據(jù)包最大有效負載為５１２個字節(jié)時，一個全速幀(１５００字節(jié))最多可以傳輸２個這樣的包。除去協(xié)議開銷的１８個字節(jié)，剩余４５８個字節(jié)可以用于其他事務(wù)的傳輸。因此每幀有效字節(jié)數(shù)為２個包的字節(jié)即１０２４字節(jié)，因此最大帶寬為１．０２４Ｍｂｙｔｅ／ｓ，每個包的有效字節(jié)占整個幀的３５％。同樣可推算，數(shù)據(jù)有效負載長度為６４、１２８或２５６時其最大帶寬值最大，為１．２８Ｍｂｙｔｅ／ｓ。

在ＵＳＢ２．０高速工作方式下，每個等時管道的數(shù)據(jù)有效負載可以是１，２，４，．．．，２０４８，３０７２字節(jié)。當數(shù)據(jù)有效負載長度為１０２４時其最大帶寬值最大，為５．７３４４Ｍｂｙｔｅ／ｓ，每個包的有效字節(jié)占整個微幀的１４％。

２ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＵＳＢ驅(qū)動程序接口

ＵＳＢ的驅(qū)動程序和以往的直接跟硬件打交道的Ｗｉｎ９５的ＶｘＤ(Ｖｉｒｔｕａｌ ＤｅｖｉｃｅＤｒｉｖｅｒ)驅(qū)動程序不同，它屬于ＷＤＭ(Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ)類型的，Ｗｉｎ９８、Ｗｉｎ２０００等操作系統(tǒng)均支持該類型的驅(qū)動程序。ＷＤＭ首先定義了一個基本的核心驅(qū)動程序模型，處理所有類型的數(shù)據(jù)，使驅(qū)動程序模型的內(nèi)核實現(xiàn)更加的固定。ＷＤＭ驅(qū)動程序還是一種分層的程序結(jié)構(gòu)，可以看做是ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ驅(qū)動程序的改進，ＷＤＭ驅(qū)動程序支持即插即用、電源管理和ＷＭＩ(Ｗｉｎｄｏｗｓ ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ)特性。Ｗｉｎ９８和Ｗｉｎ２０００提供了一系列的系統(tǒng)驅(qū)動程序，它們具有為許多標準類型設(shè)備服務(wù)所需的所有基本功能。

ＵＳＢ的ＷＤＭ驅(qū)動程序接口框圖如圖４所示。

Ｗｉｎｄｏｗｓ提供了ＵＳＢ的系統(tǒng)類驅(qū)動程序，它處理ＵＳＢ上的所有底層通信，這樣其他驅(qū)動程序就有了一個定義好的接口可以使用。ＵＳＢＨｕｂ．ｓｙｓ是ＵＳＢ集線器的驅(qū)動程序。ＵＳＢＤ．ｓｙｓ是ＵＳＢ類驅(qū)動程序，它使用圖４中ＵＨＣＤ．ｓｙｓ或ＯｐｅｎＨＣＩ．ｓｙｓ分別驅(qū)動兩種類型的控制器?ＵＨＣＩ(ＵＳＢ Ｈｏｓｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｄｒｉｖｅｒ)，ＯＨＣＩ(Ｏｐｅｎ Ｈｏｓｔ ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ)。當ＰＣＩ枚舉器發(fā)現(xiàn)ＵＳＢ主機控制器后，就會裝入相關(guān)的驅(qū)動程序。

通常一些設(shè)備都需要開發(fā)者寫一個核模式的驅(qū)動程序來使硬件正常工作。在核模式下?驅(qū)動程序通過ＩＲＰ(Ｉ／Ｏ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｐａｃｋｅｔ)來組織和操作一些由其他部分發(fā)過來的要求和命令。而ＩＲＰ又是通過ＵＲＢ(ＵＳＢ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｂｌｏｃｋｓ)來實現(xiàn)的。但對于一些ＨＩＤ(Ｈｕｍａｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ)的ＵＳＢ設(shè)備，象鍵盤、鼠標和游戲操縱桿之類的設(shè)備可以被操作系統(tǒng)自動識別并且支持，開發(fā)者不需要再另寫驅(qū)動程序。

３ ＵＳＢ接口１０Ｍ以太網(wǎng)卡的實現(xiàn)

３．１ 選擇器件

目前市場上ＵＳＢ的接口產(chǎn)品有兩種，一種是集成了ＵＳＢ接口的單片機，另一種是不帶單片機的ＵＳＢ接口芯片。由于前者需要專用的開發(fā)機故開發(fā)成本較高，本文將介紹一種使用廉價ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２(ＮＳ公司)加高速的５１單片機實現(xiàn)１０Ｍ以太網(wǎng)卡的方案。

在做設(shè)計之前一定要計算好外設(shè)所要求的帶寬和ＵＳＢ的速度是否匹配。一個ＵＳＢ以太網(wǎng)卡應(yīng)該包括ＵＳＢ通信接口(ＵＳＢＮ９６０２)、８０５１單片機以及ＩＥＥＥ８０２．３的ＭＡＣ層和物理層。ＵＳＢＮ９６０２在全速工作方式下可以達到１２Ｍｂｉｔ／ｓ，采用ＵＳＢＮ９６０２基本可以滿足１０Ｍ以太網(wǎng)的帶寬需求。為達到較高的傳輸速率，ＵＳＢＮ９６０２還應(yīng)該用ＤＭＡ方式與單片機通信。電路框圖如圖５所示。

３．２ 設(shè)計單片機控制程序

對于單片機控制程序，目前沒有任何廠商提供自動生成微碼(ｆｉｒｍｗａｒｅ)的工具。ＵＳＢ單片機控制程序通常由三部分組成，第一、初始化單片機和所有的外圍電路(包括ＵＳＢＮ９６０２)；第二、主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷；第三、中斷句柄，其任務(wù)是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。

３．３ 開發(fā)ＵＳＢ網(wǎng)卡驅(qū)動程序

開發(fā)ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序通常采用ＷｉｎｄｏｗｓＤＤＫ來實現(xiàn)，但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Ｃｏｍｐｕｗａｒｅ的Ｄｒｉｖｅｒ Ｗｏｒｋｓ，ＢｌｕｅＷａｔｅｒｓ的ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ等軟件能夠方便地生成高質(zhì)量的ＵＳＢ的驅(qū)動程序。沒有ＤＤＫ或ＷＤＭ基礎(chǔ)的開發(fā)人員可使用ＫＲＦＴｅｃｈ公司的開發(fā)軟件ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ，它的最新版本４．３２已經(jīng)支持ＵＳＢ驅(qū)動程序的開發(fā)。最后的驅(qū)動程序調(diào)試工作可以使用Ｃｏｍｐｕｗａｒｅ的Ｓｏｆｔｉｃｅ或Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｄｅｂｕｇｇｅｒ來進行。

Ｗｉｎｄｏｗｓ下的網(wǎng)卡驅(qū)動程序需符合ＮＤＩＳ規(guī)范(Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｄｒｉｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ)。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序不直接調(diào)用操作系統(tǒng)的例程，而是通過ＮＤＩＳ進行系統(tǒng)調(diào)用，ＮＤＩＳ還根據(jù)需要調(diào)用了驅(qū)動程序提供的例程，共同完成網(wǎng)卡的功能。

ＵＳＢ網(wǎng)卡驅(qū)動程序可分為ＮＤＩＳ中間介質(zhì)小端口驅(qū)動程序和ＵＳＢ驅(qū)動程序兩部分，然后將兩部分驅(qū)動程序動態(tài)連接。如果ＵＳＢ設(shè)備未連接和被禁止，使ＵＳＢ驅(qū)動不可用，那么ＮＤＩＳ驅(qū)動會返回一個ＮＯＴ＿ＡＶＡＩＬＡＢＬＥ的狀態(tài)。這種實現(xiàn)方法可以保證用戶不必重新安裝ＮＤＩＳ或重啟就可以連接或拔掉ＵＳＢ設(shè)備。

４ 小結(jié)與展望

目前Ｗｉｎ９８、Ｗｉｎ２０００和ＷｉｎＣＥ均支持ＵＳＢ設(shè)備，ＵＳＢ并且已經(jīng)得到了一個由４５０家技術(shù)公司組成的技術(shù)聯(lián)盟的支持，今后新ＰＣ都會裝有ＵＳＢ端口。ＡＰＰＬＥ公司更是推出了完全采用ＵＳＢ技術(shù)實現(xiàn)計算機與外設(shè)連接的新型計算機ｉＭＡＣ系列。市場上也已經(jīng)出現(xiàn)了越來越多的支持ＵＳＢ的外設(shè)，用戶將從中享受到對外設(shè)選擇范圍更廣和與外設(shè)數(shù)據(jù)交換速度更快的好處。據(jù)Ｄａｔａｑｕｅｓｔ公司統(tǒng)計結(jié)果顯示，２０００年全球?qū)鄢鼋眱|臺ＵＳＢ設(shè)備。

ＵＳＢ２．０已經(jīng)于２０００年４月２７日正式發(fā)布。ＵＳＢ２．０將向下兼容，使用與１．１版相同的電纜、連接器、軟件接口、拓撲結(jié)構(gòu)。對普通用戶來說，在使用時不會覺得有什么改變，但是ＵＳＢ２．０將可以達到４８０Ｍｂｐｓ的高速，用戶將從２．０所提供的更高速的外設(shè)中受益。預計２０００年第四季度ＵＳＢ２．０的外圍設(shè)備將試生產(chǎn)，２００１年將投入商業(yè)生產(chǎn)，ＵＳＢ２．０使ＵＳＢ具有了更好的應(yīng)用前景。