第四章USB串行總線及其應(yīng)用USB系統(tǒng)組成USB系統(tǒng)接口信號(hào)與電氣特性USB流類型與傳輸類型USB包格式USB外圍芯片及應(yīng)用4.1USB串行總線概述通用串行總線(UniversalSerialBus,USB〕：連接外部設(shè)備的一個(gè)串口總線標(biāo)準(zhǔn)，用于在便攜設(shè)備之間直接交換數(shù)據(jù)，廣泛使用與計(jì)算機(jī)、機(jī)頂盒和游戲機(jī)。開發(fā)目的：計(jì)算機(jī)與之間的連接；易用性；端口擴(kuò)充。特點(diǎn)：支持熱插拔(Hotplug)和即插即用(Plug&Play)。USB不完全是一個(gè)串口，實(shí)際上是一種串行總線。通過USB端口可以連接許多設(shè)備，這些設(shè)備可以相互連接在一起。而且不同類型的設(shè)備組成可以通過USB集線器別離開來，與傳統(tǒng)的串口只能鏈接一個(gè)設(shè)備有本質(zhì)區(qū)別。USB用來把串口、并口等不同的接口統(tǒng)一起來，使用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭。通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式(星型結(jié)構(gòu))可以把所有的外設(shè)連接起來，并且不會(huì)損失帶寬。USB設(shè)備類型設(shè)備類型(deviceclass)設(shè)備舉例類型常量(Classconstant)音頻(audio)揚(yáng)聲器USB_DEVICE_CLASS_AUDIO通信MODEMUSB_DECICE_CLASS_COMMUNICATIONSHID鍵盤、鼠標(biāo)USB_DEVICE_CLASS_HUMAN_INTERFACE圖像攝相機(jī)、掃描儀USB_DEVICE_CLASS_IMAGE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_PRINTERBulk存儲(chǔ)器硬盤USB_DEVICE_CLASS_STORAGEHUBUSB_DEVICE_CLASS_HUBUSB總線主要性能特點(diǎn)每個(gè)USB系統(tǒng)中有一個(gè)主機(jī)，通過“級(jí)聯(lián)”方式，USB總線可連接多個(gè)外部設(shè)備。每個(gè)USB設(shè)備用一個(gè)USB插頭連接到上一個(gè)USB設(shè)備的USB插座上，而其本身又提供一或多個(gè)USB插座供下一個(gè)或多個(gè)USB設(shè)備連接使用。這種多重連接通過集線器Hub實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)USB網(wǎng)絡(luò)中最多可連接127個(gè)設(shè)備，支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)操作。USB提供機(jī)箱外的熱即插即用功能，能自動(dòng)配置和重新配置外設(shè)。USB總線適用帶寬范圍在幾千位/秒(Kb/s)——幾百兆位/秒(Mb/s)的設(shè)備，可連接鍵盤、鼠標(biāo)、攝像頭、游戲設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)等低速設(shè)備，也可連接、聲頻、麥克風(fēng)、壓縮視頻等全速設(shè)備，還可連接視頻、存儲(chǔ)器、圖像采集等高速設(shè)備，同時(shí)允許復(fù)合設(shè)備(具有多種功能的外設(shè))連接到PC機(jī)。低本錢的電纜和連接器。USB通過一根四芯的電纜傳送信號(hào)和電源，電纜長(zhǎng)度可變，最達(dá)5m。USB具有錯(cuò)誤檢測(cè)和處理機(jī)制，可識(shí)別設(shè)備的錯(cuò)誤。較低的協(xié)議開銷提高了總線性能，適于低本錢外設(shè)開發(fā)。支持主機(jī)與設(shè)備之間的多數(shù)據(jù)流和多消息流傳輸，支持同步和異步傳輸類型。以往接口方案存在的缺點(diǎn)大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備基于接口實(shí)現(xiàn)，這些接口的設(shè)計(jì)有很多缺陷，不僅給設(shè)計(jì)者帶來了許多麻煩，而且也給用戶帶來諸多不便。傳統(tǒng)的I/O模式，外圍設(shè)備通常被映射為CPU的I/O地址空間，并且被分配一個(gè)指定的IRQ(中斷請(qǐng)求)，或者是一個(gè)DMA通道。系統(tǒng)資源被分配給指定的外圍設(shè)備，地址分配通常由IBM公司和其他設(shè)備制造商指定。這種地址分配方法已成為一種標(biāo)準(zhǔn)。軟件開發(fā)者要利用這些關(guān)于中斷請(qǐng)求和DMA通道的信息對(duì)指定的設(shè)備進(jìn)行訪問。因?yàn)镻C上的很多設(shè)備要求使用中斷，許多關(guān)鍵的系統(tǒng)資源問題都涉及到中斷請(qǐng)求分配。ISA總線不能可靠地支持共享式中斷，所以這點(diǎn)對(duì)于通過ISA總線和PC相連的外設(shè)尤其重要?；赑CI總線的系統(tǒng)也包括ISA或EISA兩種總線。典型的設(shè)備占用中斷情況表以往接口方案存在的缺點(diǎn)PC環(huán)境中，I/O地址沖突十分常見。外圍設(shè)備通常需要大塊的I/O地址單元，才能報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)信息并給設(shè)備發(fā)送命令。盡管x86處理器有能力訪問64KB的I/O地址單元，但是傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡通常只能對(duì)16條地址線中的10個(gè)進(jìn)行解碼,導(dǎo)致最多只能有1KB的地址空間塊可以被ISA的擴(kuò)展卡所使用。標(biāo)準(zhǔn)PC外設(shè)接口支持單個(gè)設(shè)備連接。一個(gè)給定時(shí)刻只有一個(gè)外設(shè)可以連接，，所以新的外設(shè)連到電腦上需要通過專用的擴(kuò)展卡插到擴(kuò)展總線上，這種擴(kuò)展外設(shè)的方法本錢比較昂貴。終端用戶遇到的問題：種類繁多的數(shù)據(jù)線；擴(kuò)展卡的安裝和配置；外圍設(shè)備不能熱插拔；本錢。USB優(yōu)點(diǎn)為所有USB外設(shè)提供單一的、易于使用的、標(biāo)準(zhǔn)的連接類型，簡(jiǎn)化USB外設(shè)設(shè)計(jì)和用戶使用,實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)通用接口；整個(gè)USB系統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷，節(jié)省系統(tǒng)資源。USB支持熱插拔(hotplug)和PNP(Plug-and-Play)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)地檢測(cè)外設(shè)的插拔，以及動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序USB在設(shè)備提供靈活的供電，USB直接連接到Hub，或是連接到Host的設(shè)備可通過USB電纜、電池或其它電力設(shè)備供電，或使用兩種供電方式組合。支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。USB提供全速(12Mbps)、低速(1.5Mbps)、高速(480Mbps)的速率來適應(yīng)各種不同類型的外設(shè)傳輸速率。USB提供四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型：控制傳輸、Bulk數(shù)據(jù)傳輸、中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸。USB端口有靈活的擴(kuò)展性，一個(gè)USB端口串接上一個(gè)USBHub就可以擴(kuò)展為多個(gè)USB端口傳輸。4.1USB串行總線概述4.1.1USB系統(tǒng)組成USB的互連；USB的設(shè)備；USB的主機(jī)。USB互聯(lián)USB的互連指USB設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作?？偩€的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式；內(nèi)部層次關(guān)系：根據(jù)性能疊置，USB任務(wù)分配到系統(tǒng)每一層次；數(shù)據(jù)流模式：數(shù)據(jù)通過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動(dòng)方式；USB的調(diào)度：提供一個(gè)共享連接，對(duì)可使用的物理連接進(jìn)行調(diào)度以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，防止優(yōu)先級(jí)別判斷的開銷。USB物理連接：有層次性的星型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)集線器在星型中心，每條線段點(diǎn)點(diǎn)連接。從主機(jī)到集線器或其功能部件，或從集線器到集線器或其功能部件。USB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)USB互聯(lián)每個(gè)USB系統(tǒng)有且只有一個(gè)主機(jī)(host)，負(fù)責(zé)管理整個(gè)USB系統(tǒng)包括USBDevice的連接與刪除，Host與USBDevice的通信總路線的控制等等。Host端有一個(gè)RootHub可提供一個(gè)或多個(gè)USB下行端口，每個(gè)端口可以連接一個(gè)USBHub或一個(gè)USBDevice，USBHub用于USB端口擴(kuò)展，

可將USB端口擴(kuò)展為多個(gè)端口，一個(gè)USB系統(tǒng)最多可連接127個(gè)功能(Function)。USB的系統(tǒng)有且只有一個(gè)host，

PC端的USB都是Host，兩臺(tái)PC

的USB口通過A-AUSB電纜連接起來不能實(shí)現(xiàn)通信。有USB

到USB的設(shè)備控制器可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)USBHost的相連。USB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.1USB串行總線概述4.1.1USB系統(tǒng)組成2.USB設(shè)備USB設(shè)備：集線器、分配器或文本設(shè)備等。USB可以按高速設(shè)備或低速設(shè)備設(shè)計(jì)：High-speed：25Mbps～400Mbps(最大480Mbps[57M])Full-speed：500Kbps～10Mbps(最大12Mbps[1.4M]〕Low-speed：10Kbps～100Kbps(最大1.5Mbps[183k]〕集線器：提供USB連接點(diǎn)。USB功能器件(FunctionDevice)：和USB協(xié)議完全兼容，可響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的USB操作。用于說明USB外設(shè)身份的“BIOS”被稱為協(xié)議層。USBHUB特性

USBHUB特征:1)為自己和其它外設(shè)的連接提供可擴(kuò)展的下行(Downstream)和上行(Upstream)埠。2)支持USB總線的電源管理機(jī)制。3)支持總線傳輸失敗的檢測(cè)和恢復(fù)。4)可自動(dòng)檢測(cè)下行埠外設(shè)的連接和摘除，并向主機(jī)報(bào)告。5)支持低速外設(shè)和高速外設(shè)的同時(shí)連接。HUB應(yīng)答器(HUBRepeater)：響應(yīng)主機(jī)對(duì)USB外設(shè)的設(shè)置，對(duì)連接到它下行端口的USB功能部件的連接(Attached)和摘除(Detached)的檢測(cè)、分類，并將其端口信息傳送給主機(jī)，也負(fù)責(zé)如“總線傳輸失敗檢測(cè)”這樣的錯(cuò)誤處理。是上游端口和下游端口之間的協(xié)議控制開關(guān)。支持復(fù)位、掛起、喚醒信號(hào)；HUB控制器(HUBController)：提供主機(jī)到HUB數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制。USBHUB的ROM有用來向主機(jī)說明身份的“BIOS”系統(tǒng)，通過USB特征字使主機(jī)可以配置USBHUB，并監(jiān)控它的每一個(gè)埠。USB功能器件(FunctionDevice)USB功能器件：為主機(jī)系統(tǒng)提供某種功能的USB器件，如USBISDN的調(diào)制解調(diào)器、或是USB接口的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、USB鍵盤或鼠標(biāo)等。保持和USB協(xié)議的完全兼容，并可以響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的USB操作。必有用于說明身份的“BIOS”系統(tǒng)(協(xié)議層)。在物理機(jī)制上，USB外設(shè)由四局部構(gòu)成：1)用于實(shí)現(xiàn)和USB協(xié)議兼容的SIE局部。2)用于內(nèi)存件特征字、存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)外設(shè)特殊功能程序及廠家信息的協(xié)議層(ROM)。3)用于實(shí)現(xiàn)外設(shè)功能的傳感器及對(duì)資料進(jìn)行簡(jiǎn)單處理的DSP局部。4)將外設(shè)連接到主機(jī)或USBHUB的接口局部。USB主機(jī)USB主機(jī)通過主機(jī)控制器與USB設(shè)備進(jìn)行交互，功能如下：檢測(cè)USB設(shè)備的安裝和拆卸；管理在主機(jī)和USB設(shè)備之間的控制流；管理在主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流；收集狀態(tài)和動(dòng)作信息；提供能量給連接的USB設(shè)備。USB主機(jī)的系統(tǒng)軟件管理USB設(shè)備和主機(jī)上該設(shè)備軟件間的相互交互，相互作用方式如下：設(shè)備編號(hào)和設(shè)置；同步數(shù)據(jù)傳輸；異步數(shù)據(jù)傳輸；電源管理；設(shè)備和總線管理信息。USB的連接插口分A型、B型端口和相應(yīng)的連接器。其中A型用于連接下游方向〔以主機(jī)為基準(zhǔn)〕的集線器或應(yīng)用型設(shè)備，B型用于連接上游集線器等設(shè)備。USB的B型端口和連接器USB的A型端口和連接器引腳編號(hào)信號(hào)名稱纜線顏色1Vcc紅2Data-(D-)白3Data+(D+)綠4Ground黑USB集線器(Hub)每個(gè)USB集線器有一個(gè)B型端口或連線，集線器通過它連接到其上游(主機(jī)的根集線器，或另一個(gè)集線器)方向；每個(gè)USB集線器有一個(gè)或多個(gè)A型端口，用于連接其下游USB設(shè)備。4.1.2USB系統(tǒng)的接口信號(hào)與電氣特性1.USB外部電氣特性USB總線的物理傳輸介質(zhì)由一根４線的電纜組成，其中兩條(VBus、GND)用于提供設(shè)備工作所需電源。VBus在源端的標(biāo)稱電壓值為+5V，GND為其對(duì)應(yīng)地線。另兩條(V＋、V－)為絞線形式的信號(hào)傳輸線，阻抗90Ω。12Mb/S傳輸時(shí)，電纜為屏蔽線，最大長(zhǎng)度為5米；1.5Mb/S傳輸時(shí)，電纜的信號(hào)線允許是廉價(jià)的非屏蔽非雙絞線，電纜最大長(zhǎng)度為3米。信號(hào)以差模方式送入信號(hào)線，接收端靈敏度可到達(dá)200mv以上。4.1.2USB系統(tǒng)的接口信號(hào)與電氣特性1.USB外部電氣特性USB總線的物理傳輸介質(zhì)由一根４線的電纜組成，其中兩條(VBus、GND)用于提供設(shè)備工作所需電源。VBus在源端的標(biāo)稱電壓值為+5V，GND為其對(duì)應(yīng)地線。另兩條(V＋、V－)為絞線形式的信號(hào)傳輸線，阻抗90Ω。12Mb/S傳輸時(shí)，電纜為屏蔽線，最大長(zhǎng)度為5米；1.5Mb/S傳輸時(shí)，電纜的信號(hào)線允許是廉價(jià)的非屏蔽非雙絞線，電纜最大長(zhǎng)度為3米。信號(hào)以差模方式送入信號(hào)線，接收端靈敏度可到達(dá)200mv以上。低速數(shù)據(jù)發(fā)送率為1.50Mb/S，低速功能設(shè)備所允許的誤差為±1.5%(15000ppm)。誤差，主要由下面的幾種情況所引起:負(fù)載電容量的影響；振蕩器上電壓供給的穩(wěn)定性影響；溫度的影響；器件的老化。USB1.0(1996年)速度只有1.5Mbps；USB1.1(1998年)，速度提升到12Mbps；USB2.0(2000年4月)速度480Mbps，USB3.0最大傳輸帶寬高達(dá)5.0Gbps，也就是625MB/s，同時(shí)在使用A型的接口時(shí)向下兼容。4.1.2USB系統(tǒng)的接口信號(hào)與電氣特性2.信號(hào)發(fā)送USB總線的物理傳輸介質(zhì)由一根４線的電纜組成，其中兩條(VBus、GND)用于提供設(shè)備工作所需電源。VBus在源端的標(biāo)稱電壓值為+5V，GND為其對(duì)應(yīng)地線。另兩條(V＋、V－)為絞線形式的信號(hào)傳輸線，阻抗90Ω。12Mb/S傳輸時(shí)，電纜為屏蔽線，最大長(zhǎng)度為5米；1.5Mb/S傳輸時(shí)，電纜的信號(hào)線允許是廉價(jià)的非屏蔽非雙絞線，電纜最大長(zhǎng)度為3米。信號(hào)以差模方式送入信號(hào)線，接收端靈敏度可到達(dá)200mv以上。USB驅(qū)動(dòng)整體結(jié)構(gòu)

USB設(shè)備根底構(gòu)成USB設(shè)備在操作系統(tǒng)中被視為一個(gè)文件，一個(gè)設(shè)備擁有一個(gè)或多個(gè)配置，不同的配置適應(yīng)不同的任務(wù)，一個(gè)配置擁有一個(gè)或多個(gè)接口，不同的接口實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能，而每個(gè)接口又有0個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)。

USB設(shè)備根底構(gòu)成1.設(shè)備端點(diǎn)(Endpoint)USB通信最根本的形式是通過端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，端點(diǎn)是硬件設(shè)備上具有一定大小的緩沖區(qū)。每個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)可識(shí)別的USB設(shè)備，USB端點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)只能往一個(gè)方向傳送，從主機(jī)到設(shè)備的端點(diǎn)叫輸出端點(diǎn)，從設(shè)備到主機(jī)的端點(diǎn)叫輸入端點(diǎn)。幾個(gè)具有相同屬性的端點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)USB邏輯設(shè)備，主機(jī)系統(tǒng)為每個(gè)邏輯設(shè)備分配一個(gè)唯一的地址，而設(shè)備中的每個(gè)端點(diǎn)在設(shè)備內(nèi)部有唯一的端點(diǎn)號(hào)。USB設(shè)備在剛接入系統(tǒng)的時(shí)候是沒有設(shè)備地址的，配置工作通過端點(diǎn)0完成，這個(gè)特殊端點(diǎn)既作為輸入端點(diǎn)又作為輸出端點(diǎn)。USB系統(tǒng)通過它端點(diǎn)初始化設(shè)備，并在通信中設(shè)置控制設(shè)備。一個(gè)設(shè)備依照它的實(shí)現(xiàn)，可以擁有除端點(diǎn)0外其他假設(shè)干個(gè)端點(diǎn)。低速設(shè)備可擁有2個(gè)可選端點(diǎn)，高速設(shè)備最多可具有15個(gè)輸入端點(diǎn)和15個(gè)輸出端點(diǎn)。除端點(diǎn)0之外的端點(diǎn)只有在設(shè)備被系統(tǒng)配置好之后才可以進(jìn)行訪問。USB設(shè)備根底構(gòu)成2.接口(Interface)具有相同屬性的USB端點(diǎn)集合在一起被稱為一個(gè)接口，即一個(gè)邏輯設(shè)備。每個(gè)USB接口只處理一種邏輯連接。有些物理設(shè)備具有多個(gè)接口，例如一個(gè)USB揚(yáng)聲器可包括兩個(gè)接口：一個(gè)USB鍵盤用于按鍵，以及一個(gè)USB音頻流。每個(gè)接口代表了設(shè)備的一個(gè)根本功能，在系統(tǒng)中每個(gè)USB驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)控制相應(yīng)的一個(gè)接口。有多個(gè)接口的物理設(shè)備需幾個(gè)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序管理。一個(gè)接口可以有多種設(shè)置，由接口的參數(shù)決定。接口的初始狀態(tài)是編號(hào)為O的設(shè)置。通過選擇不同的設(shè)置可以以不同的方式來控制端點(diǎn)。例如為設(shè)備保存大小不同的帶寬，當(dāng)高速設(shè)備接入到一個(gè)低速的USB系統(tǒng)中時(shí)，設(shè)備就必須通過使用低速環(huán)境時(shí)的設(shè)置來進(jìn)行通信。3.配置(Config)在接口的根底上，USB接口本身被捆綁成配置。在一個(gè)配置下，一個(gè)端點(diǎn)不會(huì)在接口之間共享，除非端點(diǎn)被同一個(gè)接口的不同設(shè)置使用。在不同配置的端點(diǎn)，可無此限制。一個(gè)配置好后，設(shè)備可支持對(duì)配置的有限調(diào)整，如果一個(gè)接口有備選設(shè)置，在配置好后可選擇不同設(shè)置。USB中的描述符USB設(shè)備通過描述符反映他們的屬性。描述符是定義好格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)描述符以一個(gè)說明本描述符長(zhǎng)度字節(jié)開始，緊跟其后是一個(gè)字節(jié)的描述符類信息。使用描述符使得單個(gè)配置的特性存儲(chǔ)變得簡(jiǎn)明，因?yàn)槊總€(gè)配置可能會(huì)重復(fù)使用其它有相同特性的配置描述符的局部或全部，用這種方法，描述符用一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫來表繪一個(gè)個(gè)的單獨(dú)數(shù)據(jù)記錄。在適當(dāng)?shù)牡胤?，描述符包括了指向字串描述符的引用。字串描述符提供了人能讀懂的信息。字串描述符可有可無，但描述符中的字串指引域是不可少的。如果一個(gè)設(shè)備不支持字串描述符，該域就為0。如果描述符值中的長(zhǎng)度域值少于定義值，此描述符非法，不能被主機(jī)接受。如果返回的描述符中的長(zhǎng)度域值大于定義值，那么過長(zhǎng)局部當(dāng)被忽略，但下一個(gè)描述符的位置由返回長(zhǎng)度而不是實(shí)際長(zhǎng)度來決定。USB中的描述符有端點(diǎn)描述符、接口描述符、配置描述符、設(shè)備描述符、字符串描述符。USB設(shè)備描述符層次結(jié)構(gòu)

USB中的描述符1.端點(diǎn)描述符：每個(gè)接口使用的端點(diǎn)都有自己的描述符，被主機(jī)用來決定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬需求。每個(gè)結(jié)點(diǎn)的描述符總是作為配置描述的一局部返回的，端點(diǎn)0無描述符。偏移量域大小值描述0bLength1數(shù)字此描述表的字節(jié)數(shù)1bDescriptorType1常量配置描述表類型2wTotalLength2數(shù)字此配置信息的總長(zhǎng)(包括配置，接口，端點(diǎn)和設(shè)備類及廠商定義的描述表)4bNumInterfaces1數(shù)字此配置所支持的接口個(gè)數(shù)5bCongfigurationValue1數(shù)字在SetConfiguration請(qǐng)求中用作參數(shù)來選定此配置6iConfiguration1索引描述此配置的字串描述表索引7bmAttributes1位圖配置特性：D7：保留(設(shè)為1)D6：自給電源D5：遠(yuǎn)程喚醒D4…0：保留(設(shè)為1)一個(gè)既用總線電源又有自給電源的設(shè)備會(huì)在MaxPower域指出需要從總線取的電量。并設(shè)置D6為l。運(yùn)行時(shí)期的實(shí)際電源模式可由GetStatus(DEVICE)請(qǐng)求得到8MaxPower1mA在此配置下的總線電源消耗量。以2mA為一個(gè)單位USB中的描述符2.接口描述符：在一個(gè)配置內(nèi)給出一個(gè)接口的信息。如果一個(gè)配置支持不止一個(gè)接口，端點(diǎn)的描述符會(huì)跟在接口描述符后被返回，接口描述符總是作為配置描述符一局部被返回。偏移量域大小值描述0bLengthl數(shù)字此表的字節(jié)數(shù)1bDescriptorTypel常量接口描述表類2bInterfaceNumber1數(shù)字接口號(hào)，當(dāng)前配置支持的接口數(shù)組索引(從零開始)3bAlternateSetting1數(shù)字可選設(shè)置的索引值4bNumEndpointsl數(shù)字此接口的端點(diǎn)數(shù)量，為零則說明此接口只用缺省控制管道。5bInterfaceClass1類類值：零值為將來的標(biāo)準(zhǔn)保留。如果此域的值設(shè)為FFH，則此接口類由廠商說明。所有其它的值由USB說明保留6bInterfaceSubClassl子類子類碼：這些值的定義視bInterfaceClass域而定。如果bInterfaceClass域的值為零則此域的值必須為零。bInterfaceClass域不為FFH則所有值由USB所保留7bInterfaceProtocoll協(xié)議協(xié)議碼：如果一個(gè)接口支持設(shè)備類相關(guān)的請(qǐng)求此域的值指出了設(shè)備類說明中所定義的協(xié)議8iInterface1索引描述此接口的字符串描述表的索引值USB中的描述符3.配置描述符：給出了一設(shè)備配置的信息，一個(gè)USB設(shè)備有一個(gè)或多個(gè)配置。每個(gè)配置有一個(gè)或多個(gè)接口。而每個(gè)接口又有0個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)。在一個(gè)配置下，一個(gè)端點(diǎn)不會(huì)在接口之間共享，除非端點(diǎn)被同一個(gè)接口的不同配置使用。在不同配置端點(diǎn)，可無此限制。一個(gè)配置好后，設(shè)備可支持對(duì)配置的有限調(diào)整，如果一個(gè)接口有備選設(shè)置，在配置好后可選擇不同設(shè)置。

偏移量域大小值描述0bLengthl數(shù)字此描述表的字節(jié)數(shù)1bDescriptorTypel常量配置描述表類型2wTotalLength2數(shù)字此配置信息的總長(zhǎng)(包括配置，接口，端點(diǎn)和設(shè)備類及廠商定義的描述表)4bNumInterfacesl數(shù)字此配置所支持的接口個(gè)數(shù)5bCongfigurationValue1數(shù)字在SetConfiguration()請(qǐng)求中用作參數(shù)來選定配置6iConfigurationl索引描述此配置的字串描述表索引7bmAttributes1位圖配置特性：D7：保留(設(shè)為一)D6：自給電源D5：遠(yuǎn)程喚醒D4...0：保留(設(shè)為一)一個(gè)既用總線電源又有自給電源的設(shè)備會(huì)在MaxPower域指出需要從總線取的電量。并設(shè)置D6為一。運(yùn)行時(shí)期的實(shí)際電源模式可由GetStatus(DEVICE)請(qǐng)求得到8MaxPower1mA在此配置下的總線電源耗費(fèi)量。以2mA為一個(gè)單位USB中的描述符4.設(shè)備描述符：給出USB設(shè)備的一般信息，包括對(duì)設(shè)備及所有設(shè)備配置起全程作用的信息。偏移量域大小值描述0bLength1數(shù)字此描述表的字節(jié)數(shù)lbDecriptorType1常量描述表種類為設(shè)備2bcdUSB2BCD碼此設(shè)備與描述表兼容的USB設(shè)備說明版本號(hào)(BCD碼)4bDeviceClass1類設(shè)備類碼：如果此域的值為0則一個(gè)設(shè)置下每個(gè)接口指出它自己的類，并且每個(gè)接口各自獨(dú)立工作。如果此域的值處于1到FEH之間，設(shè)備在不同的接口上支持不同的類。此值指出了，這些接口集體的類定義。此域設(shè)為FFH，則此設(shè)備的類由廠商定義5bDeviceSubClassl子類子類碼值的具體含義根據(jù)bDeviceClass域來看。如bDeviceClass域?yàn)榱悖擞蛞岔殲榱?。如bDeviceClass域?yàn)镕FH，此域的所有值保留6bDevicePortocol1協(xié)議協(xié)議碼的值視bDeviceClass和bDeviceSubClass的值而定。設(shè)備支持設(shè)備基礎(chǔ)上的類相關(guān)的協(xié)議，此碼標(biāo)志了設(shè)備類說明上的值。此域?yàn)榱悖O(shè)備不在設(shè)備基礎(chǔ)上支持設(shè)備類相關(guān)的協(xié)議。它可能在接口基礎(chǔ)上支持設(shè)備類相關(guān)的協(xié)議。此域的值為FFH，此設(shè)備使用廠商定義的協(xié)議7bMaxPacketSize01數(shù)字端點(diǎn)0的最大包大小(僅8，16，32，64為合法值)8idVendor2ID廠商標(biāo)志(由USB標(biāo)準(zhǔn)賦值)10idProduct2ID產(chǎn)品標(biāo)志(由廠商賦值)12bcdDevice2BCD碼設(shè)備發(fā)行號(hào)(BCD碼)14iManufacturer1索引描述廠商信息的字串的索引。15iProductl索引描述產(chǎn)品信息的字串的索引。16iSerialNumber1索引描述設(shè)備序列號(hào)信息的字串的索引。17bNumConfigurationsl數(shù)字可能的設(shè)置數(shù)USB中的描述符5.字符串描述符：可有可無的。如前所述，設(shè)備無字串描述符，其它描述表中有關(guān)字串描述符的索引都為0。偏移量域大小值描述0bLengthlN+2此描述表的字節(jié)數(shù)lbDescriptorTypel常量字串描述表類型2wLANGID[0]2數(shù)字語言標(biāo)識(shí)(LANGID)碼0……………NwLANGID[x]2數(shù)字語言標(biāo)識(shí)(LANGID)碼X2.信號(hào)發(fā)送USB信號(hào)發(fā)送的最大輸入波形由于USB設(shè)備上的輸入保護(hù)設(shè)備可能互相排斥，因此當(dāng)觀察數(shù)據(jù)的輸入端口時(shí)，可能發(fā)現(xiàn)由電壓生成器產(chǎn)生的信號(hào)波形可能會(huì)變形?？拷O(shè)備的USB連接器上的D+或D_插口2.信號(hào)發(fā)送任何驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，USB設(shè)備必須能接收上圖所示波形。波形從一個(gè)輸出阻抗為39Ω的電壓源直接進(jìn)入每個(gè)USB數(shù)據(jù)口。高速USB設(shè)備的連接是通過阻抗為90Ω±15%，最大單路時(shí)延為26ns的屏蔽雙絞線電纜進(jìn)行，其最大速率為12Mb/s，并且每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻抗必須在28Ω～44Ω之間。低速USB設(shè)備在插口端必須要有一個(gè)帶有串行A口連接器的可控制電纜，速率為1.5Mb/s。當(dāng)電纜與設(shè)備相連時(shí)，在D+/D-線上必須要有一個(gè)200～450PF的單終端電容器。低速電纜的傳播時(shí)延必須小于18ns，從而保證信號(hào)響在其上升沿或下降沿的第一個(gè)中點(diǎn)處產(chǎn)生，以允許電纜與一塊電容器相連。低速USB設(shè)備時(shí)序低速USB設(shè)備時(shí)序低速驅(qū)動(dòng)器信號(hào)波形驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端口經(jīng)過信號(hào)端的標(biāo)準(zhǔn)輸出電平，并有最小映象和阻尼高速USB設(shè)備的連接時(shí)序高速USB設(shè)備的連接時(shí)序驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端口

接收器信號(hào)端口

單路長(zhǎng)電纜時(shí)延單電纜時(shí)延后經(jīng)過信號(hào)端口的標(biāo)準(zhǔn)輸入電平高速信號(hào)波形

高、低速USB設(shè)備在集線器的終端位置及其所連的功能設(shè)備高、低速USB設(shè)備在集線器的終端位置及其所連的功能設(shè)備差分信號(hào)技術(shù)傳統(tǒng)的傳輸方式大多使用“正信號(hào)”或者“負(fù)信號(hào)”二進(jìn)制表達(dá)機(jī)制，信號(hào)利用單線傳輸，用不同的信號(hào)電平范圍來分別表示1和0，它們之間有一個(gè)臨界值，在數(shù)據(jù)傳輸過程中受到中低強(qiáng)度的干擾，上下電平不會(huì)突破臨界值，信號(hào)傳輸可以正常進(jìn)行。但如果遇到強(qiáng)干擾，上下電平突破臨界值，由此造成數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。一般說來，總線頻率越高，線路間的電磁干擾就越厲害，數(shù)據(jù)傳輸失敗的發(fā)生機(jī)率也就越高。差分信號(hào)技術(shù)必須使用兩條線路才能表達(dá)一個(gè)比特位，用兩條線路傳輸信號(hào)的壓差作為判斷1還是0的依據(jù)，具有極強(qiáng)的抗干擾性。倘假設(shè)遭受外界強(qiáng)烈干擾，兩條線路對(duì)應(yīng)的電平同樣會(huì)出現(xiàn)大幅度提升或降低，但二者的電平改變方向和幅度幾乎相同，電壓差值可始終保持相對(duì)穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并不會(huì)因干擾噪聲而降低。USB系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)到USB設(shè)備連接，并識(shí)別出其采用的數(shù)據(jù)傳輸速率。USB采用在D+或D-線上增加上拉電阻的方法來識(shí)別低速和全速設(shè)備。當(dāng)主控制器或集線器的下行端口上沒有USB設(shè)備連接時(shí)，其D+和D-線上的下拉電阻使得這兩條數(shù)據(jù)線的電壓都是近地的(0V)；當(dāng)?shù)退?全速設(shè)備連接以后，電流流過由集線器的下拉電阻和設(shè)備在D+/D-的上拉電阻構(gòu)成的分壓器。由于下拉電阻阻值15KΩ，上拉電阻阻值1.5KΩ，在D+/D-線上會(huì)出現(xiàn)大小為(Vcc*15/(15+1.5))的直流高電平電壓。USB主機(jī)探測(cè)到D+/D-線的電壓接近高電平，而其它的線保持接地時(shí)，就知道全速/低速設(shè)備已經(jīng)連接。高速設(shè)備在連接起始時(shí)需要以全速速率與主機(jī)進(jìn)行通信，以完成其配置操作，這時(shí)需要在D+線上連接1.5KΩ的上拉電阻。當(dāng)高速設(shè)備正常工作時(shí)，如采用高速傳輸?shù)脑?，D+線不可上拉；但如果仍采用全速傳輸，那么在D+線上必須使用上拉電阻。所以，為識(shí)別出高速設(shè)備，需在上拉電阻和D+線間連接一個(gè)由軟件控制的開關(guān)，它通常被集成在USB設(shè)備接口芯片的內(nèi)部。USB信號(hào)傳送USB數(shù)據(jù)收發(fā)器包含發(fā)送數(shù)據(jù)所需的差模輸出驅(qū)動(dòng)器和接收數(shù)據(jù)用的差模輸入接收器。輸出信號(hào)時(shí)，差模輸出驅(qū)動(dòng)器向USB電纜傳送信號(hào)。信號(hào)的低輸出狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)態(tài)輸出值必須小于0.3V，且要承擔(dān)1.5KΩ的負(fù)載加到3.6V電源的灌電流。信號(hào)的高輸出狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)態(tài)輸出值必須大于2.8V，且要承擔(dān)15KΩ的負(fù)載到地的拉電流。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出是兩個(gè)相差180度的信號(hào)。即一個(gè)輸出高電平，另一個(gè)為低電平。接收器檢測(cè)到兩條線之間的電壓差，當(dāng)D+比D-高時(shí)，信號(hào)被定義為差?！?”；當(dāng)D-比D+高時(shí)，信號(hào)被定義為差模“0”。驅(qū)動(dòng)器輸出還支持三態(tài)輸出，以保證可以進(jìn)行雙向半雙工通信。同時(shí)還需高阻抗來將那些正在進(jìn)行熱插入操作，或已經(jīng)連接了但電源卻沒有接通的下游設(shè)備同端口隔離開來。當(dāng)兩個(gè)差模數(shù)據(jù)輸入，以地電位為參考，D+和D-至少在0.8V到2.5V〔此為允許的共模電壓范圍〕之間時(shí)，接收器具有的靈敏度大于200mV。在沒有損壞，并以本地地電位為參考的條件下，接收器所能承受的穩(wěn)態(tài)輸入電壓是-0.5V到3.8V之間。每一條信號(hào)線都必須有一個(gè)單端接收器，這些接收器必須有一個(gè)位于0.8V到2.0V之間〔TTL電平〕的開關(guān)閥值電壓(稱為接收器閥值電壓VSE)。USB信號(hào)傳送數(shù)據(jù)傳輸是由差模信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。在接收器看來，如果數(shù)據(jù)線的D+至少比D-高200mV就代表一個(gè)差?！?”，而一個(gè)差模“0”那么由D-至少比D+高200mV來表示。信號(hào)的交叉點(diǎn)必須位于1.3V和2.0V之間。數(shù)據(jù)的J和K狀態(tài)是系統(tǒng)中用于差模數(shù)據(jù)通信的兩個(gè)邏輯電平。差模信號(hào)是在數(shù)據(jù)線的信號(hào)交叉點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量的。只要信號(hào)的交叉電平位于共模范圍之內(nèi)，差模數(shù)據(jù)信號(hào)就與信號(hào)的交叉電平無關(guān)。當(dāng)總線不處在差模信號(hào)方式時(shí)，數(shù)據(jù)線必須處在單端接收器開關(guān)閥值〔VSE〕范圍〔0.8V到2.0V之間〕之外才有效，如“空閑”和“重新開始”狀態(tài)。注意，空閑和重新開始狀態(tài)在邏輯上分別等同于J和K狀態(tài)。而全速率的J和K狀態(tài)正好與低速率的狀態(tài)相反。USB信號(hào)電平規(guī)定如下表所示:〔2〕數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)包開始信號(hào)發(fā)送波形數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送通過控制D+和D-線從空閑態(tài)到相反的邏輯電平(K態(tài))，就可以實(shí)現(xiàn)源端口的包發(fā)送(SOP：StandardOperationProcedure

[標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序])。同步字中的第一位代表了這種在電平上的轉(zhuǎn)換。當(dāng)它的重新發(fā)送時(shí)間低于±5ns時(shí)，集線器必須對(duì)SOP中第一位的寬度變化有所限制?？梢酝ㄟ^使用具有延遲輸出使能的集線器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匹配，這樣可以使數(shù)據(jù)失真減小到最小。SE0態(tài)表示包發(fā)送結(jié)束(EOP[ENDOFPRODUCTION])，可以通過控制D+和D-兩位時(shí)到達(dá)SE0態(tài)，然后控制D+和D-線一位時(shí)后到達(dá)J態(tài)，就可實(shí)現(xiàn)EOP信號(hào)的發(fā)送。從SE0態(tài)到J態(tài)的變化表示接收端包發(fā)送的結(jié)束。J態(tài)持續(xù)一個(gè)位時(shí)，然后D+和D-上的輸出驅(qū)動(dòng)器均處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，總線尾端的電阻此時(shí)控制總線處于空閑態(tài)。數(shù)據(jù)包結(jié)束信號(hào)發(fā)送波形總線空閑包的第一位包的最后一位

EOP的SE0部分EOP端總線驅(qū)動(dòng)到J態(tài)總線流動(dòng)總線空閑總線狀態(tài)信號(hào)電平開始端的源連接器（一位時(shí)端）終端的目標(biāo)連接器需要條件接受條件差分的“1”D+>Voh(min)D-<Vol(max)(D+)-(D-)>200mv(D+)>Vih(min)(D+)-(D-)>200mv差分的“0”D->Voh(min)D+<Vol(max)(D+)-(D+)>200mvD->Vih(min)(D-)-(D+)>200mv單終端“0”（SE0）D+和D-<Vol(max)D+和D-<Vil(max)D+和D-<Vih(min)數(shù)據(jù)J態(tài)：高速低速差分的“0”差分的“1”差分的“0”差分的“1”數(shù)據(jù)K態(tài)：高速低速差分的“1”差分的“0”差分的“1”差分的“0空閑狀態(tài)：高速低速N.A.D->Vihz(min)D+>Vil(max)D+>Vihz(min)D-<Vil(max)D->Vihz(min)D+<Vih(min)D+>Vihz(min)D-<Vih(min)喚醒狀態(tài)數(shù)據(jù)K狀態(tài)數(shù)據(jù)K狀態(tài)包開始（SOP）數(shù)據(jù)線從空閑態(tài)轉(zhuǎn)到K態(tài)包結(jié)束（EOP）SE0近似地為2位時(shí)其后僅接著1位時(shí)的JSE0≥1位時(shí)，其后僅接著一位時(shí)的J態(tài)SE0≥1位時(shí)，其后僅接著J態(tài)段開連接（在下行端口處）N.A.SE0持續(xù)時(shí)間大于等于2.5微秒連接（在上行端口處）N.A.空閑態(tài)持續(xù)時(shí)間大于等于2毫秒空閑態(tài)持續(xù)時(shí)間大于等于2.5微秒復(fù)位D+和D-小于Vol(max)的持續(xù)時(shí)間大于等于10毫秒D+和D-小于Vil(max)的持續(xù)時(shí)間大于等于10毫秒D+和D-小于Vil(max)的持續(xù)時(shí)間大于等于2.5微秒

USB信號(hào)電平

〔2〕復(fù)位信號(hào)復(fù)位：將一個(gè)信號(hào)從掛起態(tài)喚醒。集線器信號(hào)通過控制端口上的持久的SE0態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)下形端口的復(fù)位。復(fù)位信號(hào)去除后，設(shè)備都將處于缺省狀態(tài)。根據(jù)USB系統(tǒng)軟件的需求，復(fù)位信號(hào)可在任一個(gè)集線器或主機(jī)的控制端口產(chǎn)生，復(fù)位信號(hào)最小持續(xù)時(shí)間為10ms。復(fù)位后，集線器端口將處于能動(dòng)狀態(tài)。USB系統(tǒng)軟件和主機(jī)控制器必須確保發(fā)送到根端口的復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，以便通知當(dāng)前正試圖進(jìn)行喚醒操作的各下行設(shè)備。根端口產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為50ms，但并不要求它一直是延續(xù)的。如果復(fù)位信號(hào)不是連續(xù)的，那么各間斷的復(fù)位信號(hào)間的時(shí)間間隔應(yīng)小于3ms。如果設(shè)備上行端口SE0態(tài)持續(xù)時(shí)間超過2.5us，那么把該信號(hào)作為復(fù)位信號(hào)處理。在復(fù)位信號(hào)發(fā)送結(jié)束前，它必須已產(chǎn)生作用。端口處于使能狀態(tài)后，集線器傳播一個(gè)活動(dòng)信號(hào)到新復(fù)位端口。連在該端口的設(shè)備必須能識(shí)別總線活動(dòng)性，并能防止被掛起。在復(fù)位信號(hào)去除后的10ms的復(fù)位恢復(fù)時(shí)間后，集線器必須能接收所有集線器請(qǐng)求，設(shè)備也必須能接收一個(gè)SetAddress()請(qǐng)求。如果接收這些請(qǐng)求失敗，那么設(shè)備將不能被USB系統(tǒng)軟件所識(shí)別?！?〕掛起信號(hào)所有的設(shè)備都必須能支持掛起狀態(tài)，并可從任一電平狀態(tài)進(jìn)入掛起態(tài)。當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)其上行總線上的空閑態(tài)持續(xù)時(shí)間超3.0ms時(shí)，便進(jìn)入掛起態(tài)。當(dāng)設(shè)備的所有端口上的總線不活動(dòng)時(shí)間不超過10ms后，設(shè)備必須被真正的掛起，此時(shí)它僅從總線上獲得掛起電流。如果任一其它總線交通缺乏時(shí)，SOF令牌將在每幀中出現(xiàn)一次，以防止高速設(shè)備被掛起。當(dāng)任一低速設(shè)備交通缺乏時(shí)，在SOF令牌出現(xiàn)的每一幀中至少有一個(gè)低速設(shè)備處于活動(dòng)態(tài)，以防止它們不被掛起。處在掛起狀態(tài)的設(shè)備必須繼續(xù)為它的D+(高速)或D-(低速)上的Rpu電阻提供電壓，維持一個(gè)空閑態(tài)，這樣上形集線器才能為設(shè)備維持正確的連結(jié)狀態(tài)。全局掛起：總線上沒有通信需要時(shí)，用到全局掛起，所有總線都處在掛起狀態(tài)。主機(jī)通過中止它所有的傳送(包括SOF令牌)來發(fā)送開始全局掛起信號(hào)。當(dāng)總上的每個(gè)設(shè)備識(shí)別總線的空閑態(tài)持續(xù)適當(dāng)時(shí)間時(shí)，它將進(jìn)入掛起狀態(tài)。局部掛起：向集線器端口發(fā)送SetPortFeature(PORT-SUSPEND)，使與其相連的總線局部被掛起，此時(shí)設(shè)備適當(dāng)時(shí)延后進(jìn)入掛起狀態(tài)。(4)喚醒信號(hào)處在掛起狀態(tài)的設(shè)備，當(dāng)它的上行端口接收到任一非空閑信號(hào)時(shí)，它的操作將被喚醒。如果設(shè)備的遠(yuǎn)程喚醒功能被USB系統(tǒng)軟件開啟時(shí)，它將自動(dòng)發(fā)信號(hào)給系統(tǒng)來喚醒操作。喚醒信號(hào)由主機(jī)或設(shè)備使用，以使一個(gè)掛起的總線段回到活動(dòng)態(tài)。集線器在喚醒信號(hào)的生成和傳播中起了十分重要的作用。USB系統(tǒng)軟件必須提供10ms的喚醒恢復(fù)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，它將不對(duì)與被喚醒的局部總線相連的任一設(shè)備進(jìn)行操作。端口的中斷與連接也可以使集線器發(fā)送一個(gè)復(fù)位信號(hào)，從而喚醒系統(tǒng)，但僅當(dāng)集線器具有遠(yuǎn)程喚醒使能時(shí)，這些事件才能引起集線器發(fā)送喚醒信號(hào)。3.數(shù)據(jù)的編碼與解碼在包傳送時(shí)，USB數(shù)據(jù)編碼格式稱為Non-ReturntoZeroInvertedwhitbitstuffing〔ZRZI無回零反向碼〕。它可以確保收發(fā)數(shù)據(jù)不需要每個(gè)字節(jié)發(fā)送一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，或以StartandStop位來保持與發(fā)送器的同步通信。在NRZI編碼的數(shù)據(jù)格式中，USB定義邏輯0為電壓改變，邏輯1為電壓保持不變，傳送的數(shù)據(jù)低位先送出。NRZI數(shù)據(jù)編碼位插入：在數(shù)據(jù)流中每六個(gè)連續(xù)的‘1’后插入一個(gè)‘0’，從而強(qiáng)迫NRZI碼發(fā)生變化。EOP特別說明：4.1.3USB流類型與傳輸類型USB層次結(jié)構(gòu)USB層次結(jié)構(gòu)在HSOT端，應(yīng)用軟件〔ClientSW〕不能直接訪問USB總線，而必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB主機(jī)控制器來訪問USB總線，在USB總線上和USB設(shè)備進(jìn)行通訊。從邏輯上可以分為功能層、設(shè)備層和總線接口層三個(gè)層次。其中功能層完成功能級(jí)的描述、定義和行為；設(shè)備級(jí)那么完成從功能級(jí)到傳輸級(jí)的轉(zhuǎn)換，把一次功能級(jí)的行為轉(zhuǎn)換為一次一次的根本傳輸；USB總線接口層那么處理總線上的Bit流，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺訉?shí)現(xiàn)和總線管理。途中黑色箭頭代表真實(shí)的數(shù)據(jù)流，灰色箭頭代表邏輯上的通訊。物理上，USB設(shè)備通過分層的星型總線連接到HOST，但在邏輯上HUB是透明的，各USB設(shè)備和HOST直接連接，和HOST上的應(yīng)用軟件形成一對(duì)一的關(guān)系。各應(yīng)用軟件-功能設(shè)備對(duì)之間的通訊相互獨(dú)立，應(yīng)用軟件通過USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(USBD)發(fā)起IRQ請(qǐng)求，請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序〔HCD〕接收IRQ請(qǐng)求，并解析成為USB傳輸和傳輸事務(wù)〔Transaction〕，并對(duì)USB系統(tǒng)中的所有傳輸事務(wù)進(jìn)行任務(wù)排定〔因?yàn)榭赡芡瑫r(shí)有多個(gè)應(yīng)用軟件發(fā)起IRQ請(qǐng)求〕。主機(jī)控制器〔HostController〕執(zhí)行排定的傳輸任務(wù)，在同一條共享的USB總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸。USB系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸，宏觀的看來是在HOST和USB功能設(shè)備之間進(jìn)行；微觀的看是在應(yīng)用軟件的Buffer和USB功能設(shè)備的端點(diǎn)之間進(jìn)行。一般來說端點(diǎn)都有Buffer，可以認(rèn)為USB通訊就是應(yīng)用軟件Buffer和設(shè)備端點(diǎn)Buffer之間的數(shù)據(jù)交換，交換的通道稱為管道。應(yīng)用軟件通過和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換來完成設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸。通常需要多個(gè)管道來完成數(shù)據(jù)交換，因?yàn)橥还艿乐恢С忠环N類型的數(shù)據(jù)傳輸。用在一起來對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的假設(shè)干管道稱為設(shè)備的接口，這就是端點(diǎn)、管道和接口的關(guān)系。USB層次結(jié)構(gòu)USB物理設(shè)備：USB上的一種硬件，可運(yùn)行一些用戶程序；USB客戶軟件：為特定的USB設(shè)備而在主機(jī)上運(yùn)行的軟件；USB系統(tǒng)軟件：在操作系統(tǒng)中支持USB，由操作系統(tǒng)提供；USB主機(jī)控制器：總線在主機(jī)方面的接口，軟件和硬件總和。為了描述和管理USB通信，需要首先引入以下重要的概念：總線拓樸(BusTopology)：USB的根本物理組成、根本邏輯組成，以及各組成局部之間的相互關(guān)系。通信流模型(CommunicationFlowModels)：描述主機(jī)與設(shè)備如何通過USB通信，以及通信所用的四種通信類型?？偩€訪問管理(BUSAccess)：主機(jī)面對(duì)大量的USB設(shè)備的各種通信要求。USB通信流〔1〕設(shè)備端點(diǎn)：唯一識(shí)別USB設(shè)備的端口。一系列相互獨(dú)立的端點(diǎn)在一起構(gòu)成了USB邏輯設(shè)備，每個(gè)邏輯設(shè)備有一個(gè)唯一的地址。這個(gè)地址是在設(shè)備連上主機(jī)時(shí)，由主機(jī)分配的。一個(gè)端點(diǎn)的特性決定了它與客戶軟件進(jìn)行的傳送的類型，其特性如下：端點(diǎn)的總線訪問頻率要求；端點(diǎn)的總線延遲要求；端點(diǎn)的帶寬要求；端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)；對(duì)錯(cuò)誤處理的要求；端點(diǎn)能接收或發(fā)送的包的最大長(zhǎng)度；端點(diǎn)的傳送類型；端點(diǎn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳送方向。USB通信流〔1〕設(shè)備端點(diǎn)：對(duì)0號(hào)端點(diǎn)的要求：所有USB設(shè)備都需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)缺省的控制方法。這種方法將端點(diǎn)0作為輸入端點(diǎn)，同時(shí)也將端點(diǎn)0作為輸出端點(diǎn)。USB系統(tǒng)用這個(gè)缺省方法初始化及一般地使用邏輯設(shè)備(即設(shè)置此設(shè)備)。缺省控制通道支持了對(duì)控制的傳送，一旦設(shè)備接上，并加電，且又收到一個(gè)總線復(fù)位命令，端點(diǎn)0就是可訪問的了。對(duì)非0號(hào)端點(diǎn)的要求：設(shè)備可以有除0以外的其它端點(diǎn)，這取決于這些設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。低速設(shè)備在0號(hào)輸入及輸出端點(diǎn)外，只能有2個(gè)額外的可選端點(diǎn)。而高速設(shè)備可具有的額外端點(diǎn)數(shù)僅受限于協(xié)議的定義(協(xié)議中規(guī)定，最多15個(gè)額外的輸入端點(diǎn)和最多15個(gè)額外的輸出端點(diǎn))。除缺省控制通道的缺省端點(diǎn)外，其它端點(diǎn)只有在設(shè)備被設(shè)置后才可使用，對(duì)設(shè)備的設(shè)置是設(shè)備設(shè)置過程的一局部?！?〕通道：設(shè)備上的一個(gè)端點(diǎn)和主機(jī)上軟件之間的聯(lián)系。有兩種不同的且互斥的通道通信格式：流(Stream)：指不具有USB定義的格式的數(shù)據(jù)流。消息(Message)：指具有某種USB定義的格式的數(shù)據(jù)流。USB不解釋在通道中傳送的數(shù)據(jù)的內(nèi)容。消息通道要求數(shù)據(jù)組織成USB定義的格式，但它的內(nèi)容，USB是不管的。以下概念與通道相關(guān)：對(duì)USB總線訪問的申請(qǐng)(claim)，帶寬的使用情況；傳送類型；與通道相連的端點(diǎn)的特性，如端點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送方向，最大數(shù)據(jù)凈負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)度。【數(shù)據(jù)凈負(fù)荷是總線處理事務(wù)(transaction)中，數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)】。由兩個(gè)0號(hào)端點(diǎn)組成的通道叫缺省控制通道。一旦設(shè)備加電并復(fù)位后，此通道即可使用。其它通道只在設(shè)備被設(shè)置后才存在。USB系統(tǒng)軟件在決定設(shè)備身份、設(shè)置要求和設(shè)置設(shè)備時(shí)使用缺省控制通道。設(shè)備被設(shè)置后，設(shè)備的特定軟件還可使用該通道。USB系統(tǒng)軟件保存缺省控制通道的擁有權(quán)，協(xié)調(diào)其它客戶軟件對(duì)通道的使用?？蛻糗浖话愣纪ㄟ^I/O請(qǐng)求包(IRP)來要求數(shù)據(jù)傳送，而IRP的細(xì)節(jié)是由操作系統(tǒng)來指定的。IRP的細(xì)節(jié)由操作系統(tǒng)指定。客戶軟件提出與設(shè)備上的端點(diǎn)建立某個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送的請(qǐng)求，IRP就可簡(jiǎn)單地理解為這個(gè)請(qǐng)求。一個(gè)客戶軟件可以要求一個(gè)通道回送所有的IRP。當(dāng)關(guān)于IRP的總線傳送結(jié)束時(shí)，無論它是成功地完成，還是出現(xiàn)錯(cuò)誤，客戶軟件都將獲得通知說IRP完成了。如果通道上沒有正在傳送的數(shù)據(jù)，也沒有數(shù)據(jù)想使用此通道，這個(gè)通道就處于閑置狀態(tài)。主機(jī)控制器對(duì)它不采取任何動(dòng)作。如果一個(gè)非同步通道遇到一個(gè)迫使它給主機(jī)發(fā)STALL的情況，或者在任一個(gè)IRP中發(fā)現(xiàn)3個(gè)總線錯(cuò)誤。這個(gè)IRP將被中止。其它所有突出的IRP也一同被中止。通道不再接收任何IRP，直到客戶軟件從這個(gè)情況中恢復(fù)過來(恢復(fù)的方式取決于軟件的實(shí)現(xiàn))，而且成認(rèn)這個(gè)中止或出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并發(fā)一個(gè)USBDCall來說明它已成認(rèn)。一個(gè)適宜的狀態(tài)信息將通知客戶軟件IRP的結(jié)果———出錯(cuò)或中止。一個(gè)IRP可能會(huì)需要多個(gè)數(shù)據(jù)凈荷區(qū)來傳遞數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)區(qū)除最后一個(gè)外，都具有數(shù)據(jù)凈荷區(qū)的最大長(zhǎng)度，最后一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)包含了這個(gè)IRP中剩下的數(shù)據(jù)。(可參見關(guān)于傳送類型的介紹，以獲得更詳細(xì)的了解)。對(duì)這樣的一個(gè)IRP，短包(也就是說未到達(dá)最大長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)區(qū))在數(shù)據(jù)輸入時(shí)無法填完IRP數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。這可能會(huì)有二種不同解釋，它依賴于客戶軟件的情況：如果該客戶軟件可以接受變長(zhǎng)的IRP，那么，IRP數(shù)據(jù)緩沖區(qū)未被填滿，可以看作一個(gè)分限，說明一個(gè)IRP已成功結(jié)束，主機(jī)控制器可以準(zhǔn)備接收下一個(gè)IRP了。如果該客戶軟件只收定長(zhǎng)的IRP。那么，我們認(rèn)為發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤，這IRP將被中止，通道也會(huì)被阻塞，通道上的數(shù)據(jù)都中止。因?yàn)閷?duì)這兩種情況，主機(jī)控制器會(huì)有不同的反響，而且采取何種措施不由控制器決定，所以對(duì)每個(gè)IRP都必須說明客戶軟件的具體要求。通道的端點(diǎn)可以用NAK信號(hào)來通知主機(jī)自己正忙，NAK不能作為向主機(jī)反還IRP的中止條件。在一個(gè)給定的IRP處理過程中，可以遇到任意多個(gè)NAK，NAK不構(gòu)成錯(cuò)誤。流通道流通道中的數(shù)據(jù)是流的形式，也就是該數(shù)據(jù)的內(nèi)容不具有USB要求的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)從流通道一端流進(jìn)的順序與它們從流通道另一端流出時(shí)的順序是一樣的，流通道中的通信流總是單方向的。在流通道中傳送的數(shù)據(jù)，USB認(rèn)為它來自同一個(gè)客戶。USB系統(tǒng)軟件不能夠提供使用同一流通道的多個(gè)客戶的同步控制。在流通道中傳送的數(shù)據(jù)遵循先進(jìn)先出原那么。流管流只能連到一個(gè)固定號(hào)碼的端點(diǎn)上，或者流進(jìn)，或者流出。(這個(gè)號(hào)碼是由協(xié)議層決定的)。而具有這個(gè)號(hào)碼的另一個(gè)方向的端點(diǎn)可以被分配給其它流通道。流通道支持同步傳送，中斷傳送和批傳送，這些在稍后的章節(jié)會(huì)進(jìn)一步解釋。消息通道首先，主機(jī)向USB設(shè)備發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求；接著，就是數(shù)據(jù)的傳送；最后，是一個(gè)狀態(tài)階段。為能夠容納請(qǐng)求/數(shù)據(jù)/狀態(tài)的變化，消息通道要求數(shù)據(jù)有一個(gè)格式，保證命令能夠被可靠地傳送和確認(rèn)。消息通道允許雙方向的信息流，雖然大多數(shù)的通信流是單方向的。特別地，缺省控制通道也是一個(gè)消息通道。USB系統(tǒng)軟件不會(huì)讓多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)要求同一個(gè)消息通道。設(shè)備的每個(gè)消息通道在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，只能為一個(gè)消息請(qǐng)求效勞，多個(gè)客戶軟件可以通過缺省控制通道發(fā)出它們的請(qǐng)求，但這些請(qǐng)求到達(dá)設(shè)備的次序是按先進(jìn)先出的原那么的。設(shè)備可以在數(shù)據(jù)傳送階段和狀態(tài)階段控制信息流，取決于這些設(shè)備與主機(jī)交互的能力。正常情況下，在上一個(gè)消息未被處理完之前，是不能向消息通道發(fā)下一個(gè)消息的。但在有錯(cuò)誤發(fā)生的情況下，主時(shí)機(jī)取消這次消息傳送，并且不等設(shè)備將已收的數(shù)據(jù)處理完，就開始下一次的消息傳送。在操作通道的軟件看來，一個(gè)IRP中的錯(cuò)誤，使這個(gè)IRP被取消，并且所有正排隊(duì)等待的IRP一同也被取消。申請(qǐng)這個(gè)IRP的客戶被通知IRP結(jié)束，且有出錯(cuò)提示。消息通道后有兩個(gè)相同號(hào)碼端點(diǎn)，一個(gè)用于輸入，一個(gè)用于輸出。消息通道支持控制傳送。2.USB傳輸類型USB規(guī)定的數(shù)據(jù)格式信息流的方向數(shù)據(jù)凈荷區(qū)的長(zhǎng)度限制總線訪問的限制延時(shí)的限制出錯(cuò)處理2.USB傳輸類型USB的傳輸類型：控制(Control)、同步(isochronous)、中斷(interrupt)、大量(bulk)，傳輸主動(dòng)權(quán)在host邊。如果從硬件開始來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需要正確選擇傳輸方式，而書寫驅(qū)動(dòng)程序，就只需要弄清楚USB采用何種工作方式就行了。1控制(Control)方式傳輸：雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，系統(tǒng)軟件主要進(jìn)行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用命令。該方式可以包括8、16、32和64字節(jié)的數(shù)據(jù)，依賴于設(shè)備和傳輸速度。典型地應(yīng)用是主機(jī)和USB外設(shè)的端點(diǎn)(Endpoint)0的傳輸。2同步(isochronous)方式傳輸：提供確定的帶寬和間隔時(shí)間(latency)，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，或要求恒定的數(shù)據(jù)傳輸率的即時(shí)應(yīng)用中，例如執(zhí)行即時(shí)通話的網(wǎng)絡(luò)。同步數(shù)據(jù)要求確定的帶寬值和確定的最大傳輸次數(shù)，同步傳輸來的即時(shí)數(shù)據(jù)傳遞比精度完美和數(shù)據(jù)完整性更重要。USB傳輸方式3中斷(interrupt)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)要傳輸，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，典型應(yīng)用是少量的分散的不可預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，如鍵盤操縱桿和鼠標(biāo)，中斷方式傳輸是單向的，并且對(duì)于host來說只有輸入的方式。4大量(bulk)傳輸：主要應(yīng)用于大量傳輸和接受數(shù)據(jù)，同時(shí)又沒有帶寬和間隔時(shí)間要求的情況下，要求保證傳輸。如打印機(jī)和掃描儀(傳輸非常慢和大量被延遲，可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)傳輸完成之后，再傳輸和接收數(shù)據(jù))。USB將其有效的帶寬分成各個(gè)不同的幀(frame)，每幀通常是1ms時(shí)間長(zhǎng)，每個(gè)設(shè)備每幀只能傳輸一個(gè)同步的傳輸包，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)不同的傳輸點(diǎn)和傳輸方式做一個(gè)統(tǒng)籌安排，用來適應(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輸會(huì)占據(jù)整個(gè)帶寬的90%，剩下的就安排給控制方式傳輸數(shù)據(jù)。USB傳輸方式在主機(jī)控制器和USBHUB之間還有另外一種傳輸——?jiǎng)e離傳輸〔SplitTransaction〕，它僅在主機(jī)控制器和HUB之間執(zhí)行，通過別離傳輸，可以允許全速/低速設(shè)備連接到高速主機(jī)。別離傳輸對(duì)于USB設(shè)備來說是透明的、不可見的。別離傳輸：把一次完整的事務(wù)傳輸分成兩個(gè)事務(wù)傳輸來完成。其出發(fā)點(diǎn)是高速傳輸和全速/低速傳輸?shù)乃俣炔幌嗟?，如果使用一次完整的事?wù)來傳輸，勢(shì)必會(huì)造成比較長(zhǎng)的等待時(shí)間，從而降低了高速USB總線的利用率。通過將一次傳輸分成兩此，將令牌〔和數(shù)據(jù)〕的傳輸與響應(yīng)數(shù)據(jù)〔和握手〕的傳輸分開，這樣就可以在中間插入其他高速傳輸，從而提高總線的利用率。USB協(xié)議層標(biāo)準(zhǔn)USB采用littleedian字節(jié)順序，在總線上先傳輸一個(gè)字節(jié)的最低有效位，最后傳輸最高有效位，采用NRZI編碼，假設(shè)遇到連續(xù)的6個(gè)1要求進(jìn)行為填充，即插入一個(gè)0。所有的USB包都由SYNC開始，高速包的SYNC寬度為32bit，全速/低速包的SYNC段寬度為8bit。實(shí)際接收到的SYNC產(chǎn)度由于USBHUB的關(guān)系，可能會(huì)小于該值。PID表征了數(shù)據(jù)包的類型，分為令牌〔Token〕、數(shù)據(jù)〔Data〕、握手〔Handshacke〕以及特殊包4大類，共16種類型的PID。令牌包的PID之后是7位的地址和4位的端點(diǎn)號(hào)。令牌包沒有數(shù)據(jù)域，以5位的CRC校驗(yàn)和結(jié)束。SOF是一類特殊的令牌包，PID后跟的是11位的幀編號(hào)。數(shù)據(jù)包的PID之后直接跟數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度為