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USB系統結構應用范文

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USB系統結構應用

摘要摘要:通用串行總線(usb)是一種簡單的計算機外圍接口標準。它具有即插即用、擴展方便等優點,已成為計算機必備的一個接口。本文簡要介紹USB總線的功能、拓樸結構及其數據傳輸過程,并舉例說明USB接口的實際應用。

摘要:通用串行總線USB接口外圍接口標準

一、USB接口背景

在早期的計算機系統上常用串口或并口連接外圍設備。每個接口都需要占用計算機的系統資源(如中斷,I/O地址,DMA通道等)。無論是串口還是并口都是點對點的連接,一個接口僅支持一個設備。因此每添加一個新的設備,就需要添加一個ISA/EISA或PCI卡來支持,同時系統需要重新啟動才能驅動新的設備。

USB總線是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯合提出的一種新的串行總線標準,主要用于PC機和外圍設備的互聯。USB總線具有低成本、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特征,已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統上。

二、USB總線優缺點

1.優點

(1)使用簡單

所用USB系統的接口一致,連線簡單。系統可對設備進行自動檢測和配置,支持熱插拔。新添加設備系統不需要重新啟動。

(2)應用范圍廣

USB系統數據報文附加信息少,帶寬利用率高,可同時支持同步傳輸和異步傳輸兩種傳輸方式。一個USB系統最多可支持127個物理設備。USB設備的帶寬可從幾Kbps到幾Mbps(在USB2.0版本,最高可達幾百Mbps)。一個USB系統可同時支持不同速率的設備,如低速的鍵盤、鼠標,全速的ISDN、語音,高速的磁盤、圖像等(僅USB2.0版本支持高速設備)。

(3)較強的糾錯能力

USB系統可實時地管理設備插拔。在USB協議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能,同時根據不同的傳輸類型來處理傳輸錯誤。

(4)總線供電

USB總線可為連接在其上的設備提供5V電壓/100mA電流的供電,最大可提供500mA的電流。USB設備也可采用自供電方式。

(5)低成本

USB接口電路簡單,易于實現,非凡是低速設備。USB系統接口/電纜也比較簡單,成本比串口/并口低。

2.缺點

USB技術還不是很成熟,非凡是高速設備。市場上現有的USB設備價格都比較昂貴,但隨著USB技術的日益成熟,設備的不斷增加和廣泛應用,其價格將會有所降低。

三、USB系統拓撲結構

一個USB系統包含三類硬件設備摘要:USB主機(USBHOST)、USB設備(USBDEVICE)、USB集線器(USBHUB),如圖1所示。

(1)USBHOST

在一個USB系統中,當且僅當有一個USBHOST時,USBHOST有以下功能摘要:

管理USB系統;

每毫秒產生一幀數據;

發送配置請求對USB設備進行配置操作;

對總線上的錯誤進行管理和恢復。

(2)USBDEVICE

在一個USB系統中,USBDEVICE和USBHUB總數不能超過127個。USBDEVICE接收USB總線上的所有數據包,通過數據包的地址域來判定是不是發給自己的數據包摘要:若地址不符,則簡單地丟棄該數據包;若地址相符,則通過響應USBHOST的數據包和USBHOST進行數據傳輸。

(3)USBHUB

USBHUB用于設備擴展連接,所有USBDEVICE都連接在USBHUB的端口上。一個USBHOST總和一個根HUB(USBROOTHUB)相連。USBHUB為其每個端口提供100mA電流供設備使用。同時,USBHUB可以通過端口的電氣變化診斷出設備的插拔操作,并通過響應USBHOST的數據包把端口狀態匯報給USBHOST。一般來說,USB設備和USBHUB間的連線長度不超過5m,USB系統的級聯不能超過5級(包括ROOTHUB)。

四、USB總線數據傳輸

USB總線上數據傳輸的結構如圖2所示。

從物理結構上,USB系統是一個星形結構;但在邏輯結構上,每個USB邏輯設備都是直接和USBHOST相連進行數據傳輸的。在USB總線上,每ms傳輸1幀數據。每幀數據可由多個數據包的傳輸過程組成。USB設備可根據數據包中的地址信息來判定是否響應該數據傳輸。在USB標準1.1版本中,規定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求摘要:

(1)控制傳輸(controltransfer)

控制傳輸發送設備請求信息,主要用于讀取設備配置信息及設備狀態、設置設備地址,設置設備屬性、發送控制命令等功能。全速設備每次控制傳輸的最大有效負荷可為64個字節,而低速設備每次控制傳輸的最大有效負荷僅為8個字節。

(2)同步傳輸(isochronoustransfer)

同步傳輸僅適用于全速/高速設備。同步傳輸每ms進行一次傳輸,有較大的帶寬,常用于語音設備。同步傳輸每次傳輸的最大有效負荷可為1023個字節。

(3)中斷傳輸(interrupttransfer)

中斷傳輸用于支持數據量少的周期性傳輸需求。全速設備的中斷傳輸周期可為1~255ms,而低速設備的中斷傳輸周期為10~255ms。全速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷可為64個字節,而低速設備每次中斷傳輸的最大有效負荷僅為8個字節。

(4)塊數據傳輸(bulktransfer)

塊數據傳輸是非周期性的數據傳輸,僅全速/高速設備支持塊數據傳輸,同時,當且僅當總線帶寬有效時才進行塊數據傳輸。塊數據傳輸每次數據傳輸的最大有效負荷可為64個字節。

五、典型應用

USB系統的典型應用如圖3所示。

在圖3所示系統中,顯示器、Audio、Modem皆為全速設備,鍵盤、鼠標為低速設備。其數據傳輸為摘要:

USBHOST通過控制傳輸更改顯示器屬性。

USBHOST通過塊數據傳輸將要顯示的數據送給顯示器。

USBHOST通過控制傳輸更改鍵盤、鼠標屬性。

USBHOST通過中斷傳輸要求鍵盤、鼠標輸入讀入系統。

USBHOST通過控制傳輸更改Audio屬性。

USBHOST通過同步傳輸和Audio設備傳輸數據。

USBHOST通過控制傳輸更改Modem屬性。

USBHOST通過塊數據傳輸和Modem設備傳輸數據

六、一個USBHOST接口的軟硬件設計

市場上現已有很多公司提供的USB接口器件,如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12,OKI的MSM60581,NATIONAL的USBN9602,LUCENT的USS-820/USS-620,SCANLOGIC的SL11,等等。

同時也有很多帶USB接口的處理器,如CYPRESS的EZ-USB,AMD的AM186CC,ATMEL的AT43320,MOTOROLA的PPC823/PPC850,等等。下面給出用SCANLOGIC的USB接口器件SL11HT實現嵌入式USBHOST的例子。

1.SL11HT特征

遵從USB1.1標準;

支持全速/低速傳輸;

支持主機/設備端兩種模式;

3.3/5.0V供電;

片內包含256個字節的SRAM;

48MHz晶振輸入。

當SL11HT被用作USBHOST接口時,對系統有以下要求摘要:

由系統維護SOF幀數目;

由系統生成CRC5效驗碼;

要求系統中斷潛伏期小于1.5μs。

2.SL11HT接口硬件框圖

圖4簡單地給出了使用SL11HT擴展USB接口的框圖,更具體的硬件連線圖請見參考文獻2,3。

3.USBHOST端軟件結構

USBHOST端軟件結構如圖5所示。

(1)USB接口驅動程序

USB接口驅動程序需實現以下功能摘要:

USB接口器件的初始化;

計算上層數據包的效驗和,發送上層的數據包;

發送SOF幀;

接收從USB接口傳送來的數據,并檢查數據的有效性;

將接收到的數據送往上層。

(2)USB協議棧驅動程序

USB協議棧驅動程序需實現以下功能摘要:

提供和設備驅動程序的接口;

讀取并解析USB設備描述符,配置描述符;

為USB設備分配唯一的地址;

使用默認的配置來配置設備;

支持基本的USB命令請求;

連接設備和相應的驅動程序;

轉發設備驅動程序的數據包。

(3)設備驅動程序

設備驅動程序需實現以下功能摘要:

提供和應用程序的接口;

讀取并解析USB設備特有的描述符,獲得設備提供的傳輸通道;

發送設備特有的和基本的USB命令請求;

通過設備提供的傳輸通道和設備進行數據傳輸;

通過USB命令請求重新配置設備。

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