USB的開(kāi)發(fā)之標(biāo)準(zhǔn)篇

USB的優(yōu)點(diǎn)有以下幾條：

USB為所有的USB外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型。這樣一來(lái)就簡(jiǎn)化了USB外設(shè)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了用戶在判斷哪個(gè)插頭對(duì)應(yīng)哪個(gè)插槽時(shí)的任務(wù),實(shí)現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。

USB排除了對(duì)各個(gè)鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤(pán)和打印機(jī)接口的需求，因而減少了硬件的復(fù)雜性和對(duì)端口的占用，節(jié)省了系統(tǒng)資源。

USB支持熱插拔(hot plug)，也就是說(shuō)在不關(guān)PC的情況下可以安全的插上和斷開(kāi)USB設(shè)備。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下才能增加或移走外圍設(shè)備。

USB支持PNP。當(dāng)插入U(xiǎn)SB設(shè)備的時(shí)候，主計(jì)算機(jī)設(shè)備檢測(cè)該外設(shè)并且通過(guò)自動(dòng)的加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行配置，并使其正常工作。

USB在設(shè)備供電方面提供了靈活性。USB直接連接的設(shè)備可以通過(guò)USB電纜供電，也可以通過(guò)電池或者其它的電力設(shè)備來(lái)供電，或使用兩種供電方式的組合.并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。

USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率來(lái)適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)。

針對(duì)不能處理突然發(fā)生的非連續(xù)傳送的設(shè)備，如音頻和視頻設(shè)備，USB可以保證其固定帶寬。

為了適應(yīng)各種不同類型外圍設(shè)備的要求，USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳送類型。

USB使得多個(gè)外圍設(shè)備可以跟主機(jī)通信。

USB的目的:1,使用方便 2,可以提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)給PC 3,端口的靈活擴(kuò)展性

USB標(biāo)準(zhǔn)可以在www.usb.org/developer/中 找到,并且你還可以在該站點(diǎn)找到另外的一個(gè)USB的測(cè)試工具:usbcomp.exe,它包含一個(gè)usbcheck的工具可以檢測(cè)到設(shè)備是否一些USB的 高層次的要求。同時(shí)它還有一個(gè)usbcheck的工具可以檢測(cè)HID(human interface device)的設(shè)備。而W98還有一個(gè)"Ignore hubs"(Memphis only)的檢測(cè)窗口。在W2K DDK中包含的一個(gè)USBView的工具可以看出系統(tǒng)中所有的USB總線以及USB總線上的所有的設(shè)備。

USB論壇(USB forum)的成員每年只需要支付$2500就可以獲得一個(gè)Vendor ID,其實(shí),每個(gè)Vendor ID的零售價(jià)格只是$200,不過(guò)每個(gè)USB論壇的成員可以在關(guān)于USB的支持方面可以得到許多的好處。(對(duì)于俺們中國(guó)人來(lái)說(shuō),去弄一個(gè)什么USB成員是 很浪費(fèi)錢(qián)的)

USB的設(shè)備類型(device class)

雖然USB設(shè)備都會(huì)表現(xiàn)USB的一些基本的特征。但是,USB的設(shè)備還是可以分成多個(gè)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,從而使設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的書(shū)寫(xiě)變得簡(jiǎn)單一些。下表中就給出一些基本的USB的設(shè)備類型分類。

設(shè)備類型(device class) 設(shè)備舉例 類型常量(Class constant)
音頻(audio) 揚(yáng)聲器 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO
通信 MODEM USB_DECICE_CLASS_COMMUNICATIONS
HID 鍵盤(pán) 鼠標(biāo) USB_DEVICE_CLASS_HUMAN INTERFACE
顯示 監(jiān)視器 USB_DEVICE_CLASS_MONITOR
物理回應(yīng)設(shè)備 動(dòng)力回饋式游戲操縱桿 USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE
電源 不間斷電源供應(yīng) USB_DEVICE_CLASS_POWER
打印機(jī) USB_DEVICE_CLASS_PRINTER
大量的存儲(chǔ)器 硬盤(pán) USB_DEVICE_CLASS_STORAGE
HUB USB_DEVICE_CLASS_HUB

USB的基本特性
每一個(gè)設(shè)備(device)會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)的邏輯連接點(diǎn)在里面,每個(gè)連接點(diǎn)叫endpoint.每個(gè)endpoint有四種數(shù)據(jù)傳送方式:控制 (Control)方式傳送;同步(isochronous)方式傳送;中斷(interrupt)方式傳送;大量(bulk)傳送.但是所有的 endpoint0都被用來(lái)傳送配置和控制信息。
在host和設(shè)備的endpoint之間的連接叫作管道"pipe",endpoint0叫做缺省(default pipe)。
對(duì)于同樣性質(zhì)的一組的endpoint的組合叫做接口(interface),如果一個(gè)設(shè)備包含不止一個(gè)的接口就可以稱之為復(fù)合設(shè)備(composite device)。
同樣的道理,對(duì)于同樣的類型的接口的組合可以稱之為"配置"(configuration)。但是每次只能有一個(gè)配置是可用的,而一旦該配置激活,里面的接口和endpoint就都同時(shí)可以使用。
host從設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的描述字(des criptors)中來(lái)判斷用的是哪個(gè)配置,哪個(gè)接口等等,而這些的描述字通常是在endpoint0中傳送。

Windows USB 驅(qū)動(dòng)程序接口
系統(tǒng)中的USB的驅(qū)動(dòng)程序完成許多的工作。
實(shí)際上對(duì)于一些HID的USB設(shè)備,象鍵盤(pán),鼠標(biāo)和游戲操縱桿之類的設(shè)備可以自動(dòng)的被系統(tǒng)識(shí)別并且支持.而除此之外的設(shè)備就需要自己寫(xiě)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成 硬件和軟件之間的聯(lián)系。在核心模式(kernel mode)下,驅(qū)動(dòng)程序用IOCTL來(lái)組織和操作一些由其他部分發(fā)過(guò)來(lái)的要求和命令。而IOCTL又是通過(guò)URB(USB request blocks)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在正式的介紹USB的驅(qū)動(dòng)程序之前,先還是來(lái)看看USB的物理和邏輯結(jié)構(gòu)。

傳輸方式
在USB的數(shù)據(jù)傳送的方式下,有四種的傳輸方式:控制(Control)同步(isochronous)中斷(interrupt)大量(bulk)。如 果你是從硬件開(kāi)始來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)的系統(tǒng),你還要正確選擇傳送的方式,而作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的書(shū)寫(xiě)者,就只需要弄清楚他是采用的什么工作方式就行了。
通常所有的傳送方式下的主動(dòng)權(quán)都在PC邊,也就是host邊。

控制(Control)方式傳送：控制傳送是雙向傳送，數(shù)據(jù)量通常較小。USB系統(tǒng)軟件用來(lái)主要進(jìn)行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令?？刂苽魉头?式可以包括8、16、32和64字節(jié)的數(shù)據(jù)，這依賴于設(shè)備和傳輸速度?？刂苽鬏?shù)湫偷赜迷谥饔?jì)算機(jī)和USB外設(shè)之間的端點(diǎn)(Endpoint)0之間的傳 輸，但是指定供應(yīng)商的控制傳輸可能用到其它的端點(diǎn)。

同步(isochronous)方式傳送：同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間（latency)。它被用于時(shí)間嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)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(shí)應(yīng)用中。例如執(zhí)行即時(shí)通話的網(wǎng)絡(luò)電話應(yīng)用時(shí)，使用同步傳輸模式是很好的選擇。同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳送次 數(shù)。對(duì)于同步傳送來(lái)說(shuō)，即時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞比完美的精度和數(shù)據(jù)的完整性更重要一些。

中斷(interrupt)方式傳送：中斷方式傳輸主要用于定時(shí)查詢?cè)O(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送。設(shè)備的端點(diǎn)模式器的結(jié)構(gòu)決定了它的 查詢頻率，從1到255ms之間。這種傳輸方式典型的應(yīng)用在少量的分散的、不可預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。鍵盤(pán)、操縱桿和鼠標(biāo)就屬于這一類型。中斷方式傳送是單向的 并且對(duì)于host來(lái)說(shuō)只有輸入的方式。

大量(bulk)傳送：主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)大量傳送傳送和接受數(shù)據(jù)上，同時(shí)又沒(méi)有帶寬和間隔時(shí)間要求的情況下，要求保證傳輸。打印機(jī)和掃描儀屬于這種類型。這 種類型的設(shè)備適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸，可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)的傳送完成之后再傳送和接收數(shù)據(jù)。

USB將其有效的帶寬分成各個(gè)不同的楨(frame),每楨通常是1ms時(shí)間長(zhǎng)。每個(gè)設(shè)備每楨只能傳送一個(gè)同步的傳送包。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之 后,USB的host就會(huì)對(duì)不同的傳送點(diǎn)和傳送方式做一個(gè)統(tǒng)籌安排,用來(lái)適應(yīng)整個(gè)的USB的帶寬。通常情況下,同步方式和中斷方式的傳送會(huì)占據(jù)整個(gè)帶寬的 90%,剩下的就安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。

USB的低層結(jié)構(gòu)
USB設(shè)備
USB的設(shè)備可以接在PC上的任意的USB接口上。而使用HUB還可以擴(kuò)展使更多的USB設(shè)備連接到系統(tǒng)中,USB的HUB有一個(gè)上行的端口(到 host),有多個(gè)的下行端口(連接其它的設(shè)備),從而可以使整個(gè)的系統(tǒng)可以擴(kuò)展的連接127個(gè)外設(shè),其中HUB也酸外設(shè)。對(duì)于USB系統(tǒng)來(lái)說(shuō),USB的 host永遠(yuǎn)是PC邊,所有的其他連接到host都稱為設(shè)備,在設(shè)備與設(shè)備之間是無(wú)法實(shí)現(xiàn)直線通信的,只有通過(guò)host的管理與調(diào)節(jié)才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的互相 傳送.在系統(tǒng)中,通常會(huì)有一個(gè)根HUB,這個(gè)HUB一般有兩個(gè)下行的端口。
一個(gè)PC可以擁有一個(gè)或多個(gè)的USB host控制器。一般有兩種類型的控制器:UHCI(USB host控制器接口),OHCI(開(kāi)放的host控制器接口)。Windows的USB類驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ诿恳环N的控制器類型都有一種miniclass驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持。

USB的物理信號(hào)
USB的電纜有四根線,兩根傳送的是5V的電源,有一些直接和電源HUB相連的設(shè)備可以直接利用它來(lái)供電。另外的兩根是數(shù)據(jù)線,數(shù)據(jù)線是單工的,在整個(gè)的 一個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率是一定的,要么是高速,要么是低速,沒(méi)有一個(gè)可以中間變速的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)碼流的變速.在這一點(diǎn)上,USB和1394有明顯的差別。
USB的總線可以在不使用的時(shí)候被掛起,這樣一來(lái)就可以節(jié)約能源。
在有些時(shí)候的總線還有可能擋機(jī)(stall),比如說(shuō)象數(shù)據(jù)傳送的時(shí)候突然被打斷，這個(gè)時(shí)候通過(guò)host的重新配置可以實(shí)現(xiàn)總線的重新工作。

低層協(xié)議
USB的物理協(xié)議規(guī)定了大多數(shù)的在總線上的數(shù)據(jù)格式，通常一個(gè)全速的數(shù)據(jù)楨可以最多有的1500bytes,而對(duì)于低速的楨最多有187bytes。
楨通常是用來(lái)分配帶寬給不同的數(shù)據(jù)傳送方式。同時(shí)由于楨結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，楨的這種特性也可以用來(lái)做同步信號(hào)來(lái)使用。
一個(gè)最小的USB的數(shù)據(jù)塊叫做包(packet)，包包括同步信號(hào)，包標(biāo)識(shí)（packet ID)，CRC和傳送的數(shù)據(jù)。Packet ID共有以下十種：

token OUT IN SOF SETUP
data DATA0 DATA1
handshake ACK NAK STALL
special PRE

Transactions（數(shù)據(jù)交換）
一個(gè)transaction是在host和設(shè)備（device)之間的不連續(xù)相互數(shù)據(jù)交換，通常由host開(kāi)始交換，交換的開(kāi)始是由Token的包開(kāi)始 的，接下來(lái)是雙方向上的數(shù)據(jù)包，在數(shù)據(jù)包傳送完之后，就會(huì)由設(shè)備（device）返回一個(gè)握手（handshake)包。USB系統(tǒng)通過(guò)IN,OUT,和 SETUP的包來(lái)指定USB地址和endpoint（最多是128個(gè)，0通常被用來(lái)用做缺省的傳送配置信息的）,并且這些被指定的設(shè)備必須通過(guò)上面形式的 包來(lái)回應(yīng)這種形式的指定。每個(gè)SETUP的包包含8個(gè)byte的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用來(lái)指示傳送的數(shù)據(jù)類型。對(duì)于DATA數(shù)據(jù)包來(lái)說(shuō)，設(shè)置兩種類型的數(shù)據(jù)包是為了 能夠在傳送數(shù)據(jù)的時(shí)候做到更加的精確。ACK handshake的包用來(lái)指示數(shù)據(jù)傳送的正確性，而STALL handshake則表示數(shù)據(jù)包在傳送的過(guò)程中出了故障，并且請(qǐng)示host重新發(fā)數(shù)據(jù)或者清除這次傳送。PRE格式的包主要是用在在一個(gè)USB的系統(tǒng)中如 果存在不同速率的設(shè)備的時(shí)候，將不同于總線速度的設(shè)備中就會(huì)回應(yīng)一個(gè)PRE的包從而會(huì)忽略該設(shè)備。
各種不同類型的包的大小是不同的，DATA的數(shù)據(jù)包最大是1023bytes.

Start of Frame(SOF)
SOF是host用來(lái)指示frame的開(kāi)頭的。SOF的包包括11個(gè)bit的楨序號(hào)，從0到0X7FF(i.e. USBD_ISO_START_FRAME_RANGE-1)，SOF對(duì)于所有的高速設(shè)備來(lái)說(shuō)是有效的。

Power
每個(gè)設(shè)備可以從總線上獲得100mA的電流，如果特殊的向系統(tǒng)申請(qǐng)，最多可以獲得500mA的電流，在掛機(jī)的狀態(tài)下，電流只有500uA.

驅(qū)動(dòng)程序的安裝步驟
Windows用設(shè)備描述字或者接口描述字來(lái)了解到底是什么樣的設(shè)備被接入到系統(tǒng)。Windows初始化的Hardware ID中有設(shè)備提供商的ID域（idVendor,idProduct,和bcdDevice）。如果你沒(méi)有向系統(tǒng)提供一個(gè)INF文件的話，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)選 擇提供一個(gè)兼容ID（可能不是工作得很好，就像你買(mǎi)了一個(gè)Rockswell的Modem，而你使用標(biāo)準(zhǔn)Modem的驅(qū)動(dòng)程序，你的Modem可能會(huì)工作 的有很多的毛病，也可能跑得飛快，電腦的事情，什么都可能發(fā)生，就像中國(guó)足球........我在九四年就發(fā)誓不再為中國(guó)足球惱火，可是俺前不久還是罵了 一下那個(gè)叫章魚(yú)鱗的小伙子.......好歹還是一孩子，就原諒一回把，哎）

USB的新特性
共享性 一個(gè)物理設(shè)備可以使用許多不同的pipe
實(shí)時(shí)性 可以實(shí)現(xiàn)和一個(gè)設(shè)備之間有效的實(shí)時(shí)通信
動(dòng)態(tài)性 可以實(shí)現(xiàn)接口間的動(dòng)態(tài)切換
聯(lián)合性 不同的而又有相近的特性的接口可以聯(lián)合起來(lái)，
多能性 各個(gè)不同的接口可以使用不同的供電模式
自動(dòng)性 缺省的pipe的使用使基系統(tǒng)的建立和配置變得自動(dòng)并且快速

以上幾個(gè)方面只是簡(jiǎn)要的介紹了一下USB的標(biāo)準(zhǔn)的一些情況，介紹得非常之淺，還有象USB的host在系統(tǒng)中的唯一性和device的帶寬分布，以及 hub，和USB的電氣特性等等，以及網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)等方面我就不贅述了，在標(biāo)準(zhǔn)里面有詳細(xì)的敘述。鄙人僅致力于用中文給大家一個(gè)比較淺顯的介紹，希望不會(huì) 給大家不正確的引導(dǎo)。（諸位大蝦倘要做USB設(shè)備，當(dāng)閱讀美利堅(jiān)合眾國(guó)之原版文章。切記，切記！不瞞大家，朕亦十分反感大不列顛國(guó)之文字，一日，吾弟問(wèn) 朕，國(guó)人何以皆學(xué)洋文，朕曰寡人如何得知，料想倘念好洋文，就有機(jī)會(huì)去誑洋人錢(qián)財(cái)。）