通用串行總線(USB)原理及接口設(shè)計

    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(dāng)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(dāng)?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(fù)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(yù)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Ｆ渲校洌幔簦犷愋驮黾恿耍模粒裕粒埠停停模粒裕?，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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。