USB20协议深入解读课件

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1、USB协议简介USB是一种协议总线，即主机与设备之间的通信需要遵循一系列约定。协议内容较多，这里仅作一些简单介绍，深入学习，可参看USB规范(WWWusborg)。为了理解协议中的名称，先看图1032。该图突出了主机上的客户软件和USB逻辑设备(编程涉及的设备)之间的通信流(CommunicationFlow)，该通信流跨越了USB驱动程序USBD、主控制器驱动程序UHCD、主控制器等硬件接口及其连接。端点(Endpoints)是USB设备的惟一可识别的部分，是主机和设备之间通信流的终点。每一个逻辑设备有若干个独立端点，每一个端点在设计时被分配一个惟一的由设备确定的标识符，称之为端点号。如图1

2、032所示，将用于通信流流动的通道称为管道(Pipe)，这是忽略了许多中间环节的很形象的称呼，对于理解USB系统中的信息传输很有帮助。图中把3个端点看成了一个接口，关于接口的说明安排在后面。2024/4/261.USB2.0协议2024/4/262.(一)USB2.0的背景COMPAQCOMPAQ、Hewlett PackardHewlett Packard、IntelIntel、LucentLucent、MicrosoftMicrosoft、NECNEC和和PHILIPSPHILIPS这这7 7家厂商家厂商联联合制定了合制定了USB 2.0USB 2.0接口接口标标准准USB2.0USB2.

3、0规规范是由范是由USB1.1USB1.1规规范演范演变变而来的而来的,USB 2.0,USB 2.0将将设备设备之之间间的数据的数据传输传输速度增加到速度增加到480Mbps480Mbps，折算，折算为为MBMB为为60MB/S,60MB/S,比比USB 1.1USB 1.1标标准快准快4040倍左右倍左右.USB2.0USB2.0与与USB1.1USB1.1可以互相兼容，可以互相兼容，USB2.0 USB2.0设备设备可以工作在可以工作在USB1.1USB1.1接口上接口上,USB1.0,USB1.0设备设备也可以工作在也可以工作在USB2.0USB2.0接口接口,USB1.1USB1.1

4、设备设备的速度不会因的速度不会因为为安装在安装在USB2.0USB2.0接口上而有任何接口上而有任何提高，同提高，同样样安装在安装在USB1.1USB1.1接口上的接口上的USB2.0USB2.0设备设备的速度也会的速度也会被限制在被限制在12mbps12mbps（1.5MB/S1.5MB/S）以下）以下.USB2.0.USB2.0和和USB1.1USB1.1使用的使用的连连接接电缆电缆及端口均相同及端口均相同.2024/4/263.(二二)USB2.0)USB2.0协议规协议规范目的范目的USB2.0USB2.0规规范描述了范描述了总线总线属性属性,协议协议定定义义,处处理理类类型型,总线总

5、线管理和管理和编编程接口程接口,以以满满足足设计设计和构建符和构建符合合该标该标准的系准的系统统和外和外设设的要求的要求.USB2.0USB2.0规规范的主要目范的主要目标标用用户户是外是外设设开开发发者和系者和系统统OEM.OEM.USB2.0USB2.0规规范的目范的目标标是使不同厂商的器件可以在是使不同厂商的器件可以在开放的开放的结结构中相互操作构中相互操作2024/4/264.(三)USB应用分类符合USB1.1规范的标志符合USB2.0规范的标2024/4/265.(四)USB2.0的结构体系USBUSB系系统统物理物理层层接口接口电电源源总线协议总线协议健壮性健壮性系系统统配置配置

6、数据流数据流类类型型USBUSB设备设备USBUSB主机主机-硬件和硬件和软软件件体系体系结结构的构的扩扩展展2024/4/266.USB2.0系统USB2.0系统主要被定义为三个部分：1.USB的互连；2.USB的设备；3.USB的主机 USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：1.总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式；2.内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；3.数据流模式：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；4.USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数

7、据传输，并且避免的优先级判别的开销.2024/4/267.1.USB2.01.USB2.0的主机的主机 在任何USB系统中，只有一个主机。USB和主机系统的接口称作主机控制器，主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连接点.2.USB2.02.USB2.0的的设备设备 USB的设备如下所示:1.网络集线器，向USB提供了更多的连接点;2.功能器件,为系统提供具体功能，如ISDN的连接，数字的游戏杆 或扬声器;USB设备提供的USB标准接口的主要依据：1.对USB协议的运用；2.对标准USB操作的反馈，如设置和复位;3.标准性能的描述性信息；2024/4

8、/268.USB2.0USB2.0总线总线布局技布局技术术 USB连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件.2024/4/269.USB2.0的物理接口USB的物理接口分为总线的电气规范和机械特性.1.1.电电气特性气特性 USB在一条4线的电缆上传输信号和电源.信号在两条点对点连接线上传输.USB2.0支持3种数据数率:.USB高速信号位速率是480Mb/s .USB全速信号位速率是12Mb/s .USB低速信号位速率是1.5Mb/s USB2.0主机控制器

9、和集线器提供了一种性能,使全速和低速数据可以在主机控制器和HUB之间高速传输,而HUB和设备之间以全速或低速传输,这种性能将全速和低速设备对高速设备可用带宽的影响减到最小.低速模式用于支持例如鼠标等数量有限的低宽带设备,因为使用太多这种设备将降低总线的利用率.时钟与差动数据一起编码传送,时钟是以带位填充的NRZI方式编码,以保证有足够的跳变沿.接收器用每个包前面的SYNC场同步它们的位恢复时钟.每段电缆还有向设备提供电源的VBUS和GND线.VBUS在源极的标称值是+5V.通过选择适当的导线规格来匹配指定的IR drop和其它一些特性,如设备能源预算和电缆适应度.为了保证足够的输入电压和终端阻

10、抗。重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速，或低速设备.2024/4/2610.USB电缆2024/4/2611.2024/4/2612.2.2.机械特性机械特性 电缆和连接器的机械特性将在机械特性章节详述。所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器是不可简单的互换，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接，电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电源线，连接器有四个方向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。2024/4/2613.USB2.0电源主要包括两方面：电电源分配：即源分配：即USBUSB的的设备设备如

11、何通如何通过过USBUSB分配得到由主分配得到由主计计算算机提供的能源；机提供的能源；电电源管理：即通源管理：即通过电过电源管理系源管理系统统，USBUSB的系的系统软统软件和件和设设备备如何与主机如何与主机协调协调工作工作.1.1.电电源分配源分配 每个USB单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的USB设备提供电源供其使用。并且每个USB设备都可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备.相反，那些可选择能源来源的设备称作“自供电”设备.而且，集线器也可由与之相连的USB设备提供电源。受一定布局限制的带有“总线供能”集线器的体系结构将在集线器部分讨论。在

12、图中，键盘，输入笔和鼠标均为“总线供能”设备.2024/4/2614.2024/4/2615.2.2.电电源管理源管理USB主机与USB系统有相互独立的电源管理系统。USB的系统软件可以与主机的能源管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起、唤醒，并且有特色的是，USB设备应用特有的电源管理特性，可让系统软件和控制其电源管理.USB的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中，如采用电池的笔记本电脑.典型USB外设的电源供应2024/4/2616.USB2.0总线协议 USB总线属一种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输.每一总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的

13、原则，在每次传送开始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向，USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常称为标志包(token packet)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的USB数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。存在两种类型的通道：流和消息。流的数据不像消息的数据，它没有USB所定义的结构，而且通道与数据带宽、传送服务类型

14、，端口特性（如方向和缓冲区大小）有关。多数通道在USB设备设置完成后即存在。USB中有一个特殊的通道缺省控制通道，它属于消息通道，当设备一启动即存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供一个入口。事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓冲区的高估或低估，通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不确认信号发过后，若总线有空闲，数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵活的任务安排，可使不同性质的流通道同时正常工作，这样多种流通常可在不同间隔进行工作，传送不同大小的数据包。2024/4/2617.USB2.0健壮性 USB健壮性的特征在于：使用差分的驱动接

15、收和防护，以保证信号完整性；在数据和控制信息上加了循环冗余码(CRC)；对装卸的检测和系统级资源的设置；对丢失或损坏的数据包暂停传输、利用协议自我恢复；对流数据进行控制，以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全；数据和控制通道的建立，使功能部件的相互不利的影响独立开，消除了负作用.1.错误检测 USB传输介质产生的错误率是与自然界的异常现象的概率相吻合，是瞬时一现的，因此就要在每个数据包中加入检测位来发现这些瞬时的错误，并且提供了一系列硬件和软件设施来保证数据的正确性。协议中对每个包中的控制和数据位都提供了循环冗余码校验，若出现了循环冗余码的错误则被认为是该数据包已被损坏，循环冗余码可对一位或两位的

16、错误进行100%的修复。2.错误处理 协议在硬件或软件级上提供对错误的处理。硬件的错误处理包括汇报并重新进行上一次失败的传输、传输中若遇到错误，USB主机控制器将重新进行传输，最多可再进行三次。若错误依然存在，则对客户端软件报告错误，客户端软件可用一种特定的方法进行处理2024/4/2618.USB2.0系统配置 USB设备可以随时的安装和折卸，因此，系统软件在物理的总线布局上必须支持这种动态变化.1.USB设备的安装 所有的USB设备都是通过端口接在USB上，网络集线器知道这些指定的USB设备，集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上，USB设备是否被安装或拆除了，主机将所有的集线器排成队列

17、以取回其状态指示。在USB设备安装后，主机通过设备控制通道激活该端口并以预设的地址值给USB设备.主机对每个设备指定唯一的USB地址。并检测这种新装的USB设备是集线器还是功能部件。主机为USB设备建立了控制通道，使用指定的USB的地址和零号端口.如果安装的USB设备是集线器，并且USB设备连在其端口上，那上述过程对每个USB设备的安装都要做一遍.如果安装的设备是功能部件，那么主机中关于该设备的软件将因设备的连接而被引发.2024/4/2619.2.USB设备的拆卸 当USB设备从集线器的端口拆除后，集线器关闭该端口，并且向主机报告该设备已不存在。USB的系统软件将准确进行处理，如果去除的US

18、B设备上集线器，USB的系统软件将对集线器反连在其上的所有设备进行处理3.总线标号 总线标号就是对连接在总线上的设备指定唯一的地址的一种动作，因为USB允许USB设备在任何时刻从USB上安装或拆卸，所以总线标号是USB的系统软件始终要作的动作，而且总线标号还包括对拆除设备的检测和处理2024/4/2620.数据流种类 数据和控制信号在主机和USB设备间的交换存在两种通道：单向和双向。USB的数据传送是在主机软件和一个USB设备的指定端口之间。这种主机软件和USB设备的端口间的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。一个指定的USB设备可有许多通道。例如，一个USB设备存在一个

19、端口，可建立一个向其它USB设备的端口，发送数据的通道，它可建立一个从其它USB设备的端口接收数据的通道.USB的结构包含四种基本的数据传输类型：控制数据传送：在设备连接时用来对设备进行设置，还可对指定设备进行控制，如通道控制；批量数据传送：大批量产生并使用的数据，在传输约束下，具有很广的动态范围；中断数据的传送：用来描述或匹配人的感觉或对特征反应的回馈。同步数据的传送：由预先确定的传送延迟来填满预定的USB带宽。对于任何对定的设备进行设置时一种通道只能支持上述一种方式的数据传输，数据流模式的更多细节在数据流模型章节中详述2024/4/2621.1 控制数据传送 当USB设备初次安装时，USB

20、系统软件使用控制数据对设备进行设置，设备驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数据传送是无损性的.2 批量数据传送 批量数据是由大量的数据组成，如使用打印机和扫描仪时，批量数据是连续的。在硬件级上可使用错误检测可以保证可靠的数据传输，并在硬件级上引入了数据的多次传送。此外根据其它一些总线动作，被大量数据占用的带宽可以相应的进行改变.3 中断数据传输 中断数据是少量的，且其数据延迟时间也是有限范围的。这种数据可由设备在任何时刻发送，并且以不慢于设备指定的速度在USB上传送。中断数据一般由事件通告，特征及座标号组成，只有一个或几个字节。匹配定点设备的座标即为一例，虽然精确指定的传输率不必要，但

21、USB必须对交互数据提供一个反应时间的最低界限.2024/4/2622.4 同步传输 同步数据的建立、传送和使用时是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率发送和接收实时的信息，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时间安排，除了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。所以同步通道的带宽的确定，必须满足对相关功能部件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲区数有关。一个典型的同步数据的例子是语音，如果数据流的传送率不能保持，数据流是否丢失将取决于缓冲区的大小和损坏的程度。即使数据在USB硬件上以合适的速率传送，软件造成的传送延迟将对那些如电话会议等实时系统的应用造成损害。实时的传送同步数据肯

22、定会发生潜在瞬时的数据流丢失现象，换句话说，即使许多硬件机制，如重传的引入也不能避免错误的产生。实际应用中，USB的数据出错率小到几乎可以忽略不计。从USB的带宽中，给USB同步数据流分配了专有的一部分以满足所想得到的传速率，USB还为同步数据的传送设计了最少延迟时间2024/4/2623.5 指定USB带宽 USB的带宽分配给各个通道，当一个通道建立后，USB就分配给它一定的带宽，USB设备需要提供一些数据缓冲区。若USB提供了更多带宽，则需更多的缓冲区。USB的体系要保证缓冲引导的硬件的延迟限定在几毫秒内。USB的带宽容量可以容纳多种不同的数据流，因此保证USB上可以连接大量设备，如可以容

23、纳从1B+D直到T1速率范围的电信设备。同时USB支持在同一时刻不同设备具有不同比特率，并具有一个动态变动的范围.USB规范对总线的每类转输规定的具体的原则.2024/4/2624.USB设备 USB设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类。集线器类指的是一种提供USB连接点的设备(详见USB集线器)，USB设备需要提供自检和属性设置的信息，USB设备必须在任何时刻执行与所定义的USB设备的状态相一致的动态.1 设备特性 当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的USB地址。设备就是通过该USB地址被操作的，每一个USB设备通过一个或多个通道与主机通讯。所有USB设备必须在零号端口上有一指

24、定的通道，每个USB设备的USB控制通道将与之相连。通过此控制通道，所有的USB设备都列入一个共同的准入机制，以获得控制操作的信息。在零号端口上，控制通道中的信息应完整的描述USB设备、此类信息主要有以下几类：标准信息：这类信息是对所有USB设备的共同性的定义，包括一些如厂商识别、设备种类、电源管理等的项目。设备设置、接口及终端的描述在此给出。关于这些具体的描述信息在第九章给出；类别信息：此类信息给出了不同USB的设备类的定义，主要反映其不同点。USB厂商信息：USB设备的厂商可自由的提供各种有关信息，其格式不受该规范制约。此外，每个USB设备均提供USB的控制和状态信息。2024/4/262

25、5.2 设备描述 主要分为两种设备类：集线器和功能部件。只有集线器可以提供更多的USB的连接点，功能部件为主机提供了具体的功能.1 集线器在即插即用的USB的结构体系中，集线器是一种重要设备.从用户的观点出发，集线器极大简化了USB的互连复杂性，而且以很低的价格和高易用性提供了设备的健壮性。集线器串接在集中器上，可让不同性质的设备连接在USB上，连接点称作端口。每个集线器将一个连接点转化成许多的连接点。并且该体系结构支持多个集线器的连接。每个集线器的上游端口向主机方向进行连接。每个集线器的下游端口允许连接另外的集线器或功能部件，集线器可检测每个下游端口的设备的安装或拆卸，并可对下游端口的设备分

26、配能源，每个下游端口都具有独立的能力，不论高速或低速设备均可连接。集线器可将低速和高速端口的信号分开。一个集线器包括两部分：集线控制器（Controller）和集线放大器(Repeater)。集线放大器是一种在上游端口和下游端口之间的协议控制开关。而且硬件上支持复位、挂起、唤醒的信号。集线控制器提供了接口寄存器用于与主机之间的通信、集线器允许主机对其特定状态和控制命令进行设置，并监视和控制其端口.2024/4/2626.2 功能部件 功能部件是一种通过总线进行发送接收数据和控制信息的USB设备，通过一根电缆连接在集线器的某个端口上，功能设备一般是一种相互无关的外设。然而一个物理单元中可以有多个

27、功能部件和一个内置集线器，并利用一根USB电缆，这通常被称为复合设备，即一个集线器连向主机，并有一个或多个不可拆卸的USB设备连在其上。每个功能设备都包含设置信息，来描述该设备的性能和所需资源。主机要在功能部件使用前对其进行设置。设置信息包括USB带宽分配，选择设备的设置信息等。下机列举了一些功能部件：定位设备：如鼠标或光笔；输入设备：如键盘；电信适配器：如ISDN.2024/4/2627.USB主机：硬件和软件USB的主机通过主机控制器与USB设备进行交互。主机功能如下：检测USB设备的安装和拆卸 管理在主机和USB设备之间的控制流；管理在主机和USB设备之间的数据流；收集状态和动作信息；提

28、供能量给连接的USB设备。主机上USB的系统软件管理USB设备和主机上该设备软件之间的相互交互，USB系统软件与设备软件间有三种相互作用方式：设备编号和设置；同步数据传输；异步数据传输；电源管理 设备和总线管理信息。只要可能，USB系统软件就会使用目前的主机软件接口来管理上述几种方式.2024/4/2628.USB2.0体系结构的扩充 USB的体系结构包含主机控制驱动器和USB驱动器之间的接口的扩展，使多个主机控制器和主机控制驱动器的使用成为可能.2024/4/2629.(五)USB数据流模型 USB提供了在一台主机和若干台附属的USB设备之间的通信功能，从终端用户的角度看到的USB系统，可简

29、单地用下图表示 2024/4/2630.实际上的USB通信分为以下四个部分:USB物理设备(USB Physical Device)：USB上的一种硬件，可运行一些用户程序。客户软件(client software)：为一个特定的USB设备而在主机上运行的软件。这种软件由USB设备的提供者提供，或由操作系统提供。USB系统软件(USB system software)：此软件用于在特定的操作系统中支持USB，它由操作系统提供。与具体的USB设备无关，也独立于客户软件。USB主机控制器(USB Host Controller):总线在主机方面的接口，是软件和硬件的总和。用于支持USB设备通过US

30、B连到主机上。这四个USB系统的组成部分在功能上存在相互重叠的部分。为了支持主机与客户之间的坚固可靠的通信.USB的实际应用领域如下图所示:2024/4/2631.2024/4/2632.USB2.0的总线拓扑 总线拓朴结构包括四个重要的组成部分。主机和主机和设备设备：USB系统的基础组成部分。物物理理拓拓朴朴结结构构：描述USB系统中的各组成部分是如何连接起来的。逻逻辑辑拓拓朴朴结结构构：描述USB系统中各种组成部分的地位和作用，以及描述从主机和设备的角度观察到的USB系统。客客户软户软件件层层与与应应用用层层的关系：的关系：描述从客户软件层看到的应用层的情况，以及从应用层看到的客户软件层的

31、情况。2024/4/2633.主机和主机和设备设备1.1.主机主机 主机的逻辑结构如图包括:USB主 机 控 制 器（USB Host Controller）USB系统软件集合：USB驱动程序，主机控制器的驱动程序，主机软件 客户软件 USB主机在USB系统中是一个起协调作用的实体，它不仅占有特殊的物理位置，而且对于USB以及连到USB上的设备来说，还负有特殊责任。主机控制所有的对USB的访问。一个USB设备想要访问总线必须由主机给予它使用权。主机还负责监督USB的拓朴结构。2024/4/2634.USBUSB设备设备 一个USB设备的逻辑结构如图所示，包括 USB总线接口 USB逻辑设备 应

32、用层 USB设备用于向主机提供一些额外的功能。USB设备提供的功能是多种多样的，但面向主机的接口却是一致的。所以，对于所有这些设备，主机可以用同样的方式来管理它们与USB有关的部分。为了帮助主机辨认及确定USB设备，这些设备本身需要提供用于确认的信息。在某一些方面的信息，所有设备都是一样的；而另一些方面的信息，由这些设备具体的功能决定。信息的具体格式是不定的，由设备所处的设备级决定.2024/4/2635.总线总线的物理拓朴的物理拓朴结结构构USB系统中的设备与主机的连接方式采用的是星形连接，如图.图中的Hub是一类特殊的USB设备，它是一组USB的连接点，主机中有一个被嵌入的Hub叫根Hub

33、(root Hub)。主机通过根Hub提供若干个连接点。为了防止环状连接，采用星形连接来体现层次性，如图4-5。这种连接的形状很像一棵树。用于提供具体功能的设备叫应用设备。许多不同功能的设备放在一起被看作一个整体，叫包。例如，键盘和轨迹球可以被视作一个整体，在它的内部，提供具体功能的设备被永久地 接到Hub上，而这个Hub被接到USB上。所有这些设备及这个Hub被看作一个复合设备，而这个Hub又被看作这个复合设备的内部Hub。在主机看来，这个复合设备和一个带着若干设备的单独Hub是一样的。图中也标出了一个复合设备.2024/4/2636.集线器在高速系统中扮演特殊的角色,集线器将全速/低速的信

34、号环境和高速信号环境隔离开来.如图所示的是支持高速设备,并在高速下工作的集线器.集线器允许连接和操作全速/低速下的USB1.1集线器和其他只能进行全速/低速操作的设备.主机控制器也直接支持连接那些只能进行全速/低速操作的设备.每个高速运行的集线器可增加一条(或多条)额外的全速/低速总线,即每个集线器都支持额外的(任意多条)12Mb/s USB全速/低速宽带.这允许连接更多全速/低速总线,而不需要额外地增加主机控制器.尽管可以连接几条12MB/S的全速/低速总线,但是一台主机控制器最多只能连接127台USB设备.2024/4/2637.USB逻辑总线的拓扑结构 在物理结构上，设备通过Hub连到主

35、机上。但在逻辑上，主机是直接与各个逻辑设备通信的，就好像它们是直接被连到主机上一样。这个逻辑关系如图5-7所示。与之对应的物理结构就是图4-5中的结构。Hub也是逻辑设备，但在图5-7中，为了简化起见，未被画出，虽然USB系统中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理结构有个了解。例如，在处理Hub被移去的情况时，当一个Hub被移出，通过它与主机相连的设备也应一起被移去，这是由其物理结构决定的.2024/4/2638.客客户软户软件件层层与与应应用用层层的关系的关系USB系统的物理上、逻辑上的拓朴结构反映了总线的共享性。操纵USB应用设备的客户软件只关心设备上与它相关的接口，客户软件必须

36、通过USB软件编程接口来操纵应用设备。这与另一些总线如PCI，EISA，PCMCIA等不同，这些总线是直接访问内存或I/O的。在运行中，客户软件必须独立于USB上的其它设备。这样，设备和客户软件的设计者就可以只关心该设备与主机硬件的相互作用和主机软件的相互作用的细节问题。图5-8说明了在图5-7的逻辑结构下，一个设备设计者看到的客户软件与相应应用的关系的视图.2024/4/2639.USB总线的通信数据流 USB是为主机软件和它的USB应用设备间的通信服务的，对客户与应用间不同的交互，USB设备对数据流有不同的要求。USB为此提供了更好的overall总线使用，它允许各种不同的数据流相互独立地

37、进入一个USB设备。每种通信流都采取了某种总线访问方法来完成主机上的软件与设备之间的通信。每个通信都在设备上的某个端点结束.不同设备的不同端点用于区分不同的通信流.图5-9是 详尽地描述了USB系统，支持了逻辑设备层和应用层间的通信流.主机控制器的驱动程序(HCD)：它位于USB主机控制器与USB系统软件之间。主机控制器可以有一系列不同的实现，而系统软件独立于任何一个具体实现。一个驱动程序可以支持不同的控制器，而不必特别了解这个具体的控制器。一个USB控制器的实现者必须提供一个支持它自己的控制器的主机控制器驱动器（HCD）实现.USB驱动程序(USBD)：USB系统软件与客户软件之间的接口，提

38、供给客户软件一些方便的使用USB设备的功能。一个USB逻辑设备对USB系统来说就是一个端点集合。端点可以根据它们实现的接口来分类。USB系统软件通过一个缺省的控制通道来管理设备。而客户软件用通道束管理接口。通道束的一端为端点，一端为缓冲区。客户软件要求通信数据在主机上的一个缓冲和USB设备上的一个端点之间进行。主机控制器或USB设备(取决于数据传送方向)将数据打包后在USB上传。由主机控制器(HC)协调何时用总线访问在USB上传递数据.2024/4/2640.2024/4/2641.图5-10说明了数据如何在主机侧中的内存缓冲和设备中的端点中传送。在后面，将逐步介绍端点、通道和通信流。主机上的

39、软件通过一系列的通信流与逻辑设备进行通信。这一系列的通信流是由USB设备的软件和硬件设计者选择的，使设备能传送由USB提供的字符.2024/4/2642.CYPRESS核管道端点设定界面2024/4/2643.USB设备端点 一个端点是一个可唯一识别的USB设备的Portion，它是主机与设备间通信流的一个结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了USB逻辑设备。每个逻辑设备有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时，由主机分配的，而设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号。这个端点号是在设备设计时被给定的。每个端点都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持其流出设备，两者不可得兼。

40、一个端点的特性决定了它与客户软件进行的传送的类型。一个端点有以下特性：端点的端点的总线访问频总线访问频率要求率要求 端点的端点的总线总线延延迟迟要求要求 端点的端点的带宽带宽要求要求 端点的端点号端点的端点号 对错误处对错误处理的要求理的要求 端点能接收或端点能接收或发发送的包的最大送的包的最大长长度度 端点的端点的传传送送类类型出型出 端点与主机的数据端点与主机的数据传传送方向送方向 端点号不为0的端点在被设置前处于未知状态，是不能被主机访问的.2024/4/2644.对对0 0号端点的要求号端点的要求 所有USB设备都需要实现一个缺省的控制方法。这种方法将端点0作为输入端点，同时也将端点0

41、作为输出端点。USB系统用这个缺省方法初始化及一般地使用逻辑设备(即设置此设备)。缺省控制通道 支持了对控制的传送，一旦设备接上，并加电，且又收到一个总线复位命令，端点0就是可访问的了.能在高速下工作的USB设备必须能在全速下工作,当设备连接到集线器并以全速工作时,设备必须:1.1.能成功地在全速下复位能成功地在全速下复位;2.2.能成功地响能成功地响应标应标准准请请求求,如如设备设备和配置描述符的和配置描述符的 set_address,set_configuration,get_descriptor,并返回正确的信息.高速设备在全速下运行时可能或不支持这种功能.对对非非0 0号端点的要求号端

42、点的要求 设备可以有除0以外的其它端点，这取决于这些设备的实现。低速设备在0号输入及输出端点外，只能有2个额外的可选端点。而高速设备可具有的额外端点数仅受限于协议的定义(协议中规定，最多15个额外的输入端点和最多15个额外的输出端点)。除缺省控制通道的缺省端点外，其它端点只有在设备被设置后才可使用，对设备的设置是设备设置过程 的一部分.2024/4/2645.USBUSB总线总线数据通道数据通道 一个USB通道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主机上缓存和端点间传送数据的能力,有两不同的且互斥的通道通信格式。流流(Stream)(Stream)：指不具有：指不具有USBUSB定定

43、义义的格式的数据流。的格式的数据流。消息消息(Message)(Message)：指具有某种：指具有某种USBUSB定定义义的格式的数据流。的格式的数据流。USB不解释在通道中传送的数据的内容。消息通道要求数据组织USB定义的格式，但它的内容，USB是不管的。特别地，有下列概念与通道相关：对对USBUSB总线访问总线访问的申的申请请(claim)(claim)，带宽带宽的使用情况的使用情况 传传送送类类型型 与通道相与通道相连连的端点的特性的端点的特性，例如：端点的数据传送方向,最大数据净负荷区的长度。数据净负荷是指在总线处理事务（transaction）中，数据包中数据区的数据。由两个0号端

44、点组成的通道叫缺省控制通道。一旦设备加电并复位后，此通道即可使用。其它通道只在设备被设置后才存在。USB系统软件在决定设备身份、设置要求和设置设备时使用缺省控制通道。当设备被设置后，这个设备的特定软件还可使用该通道。USB系统软件保留缺省控制通道的拥有权，协调其它客户软件对通道的使用。2024/4/2646.一个客户软件一般都通过I/O请求包(IRP)来要求数据传送。然后，或者等待，或者当传送完成后被通知。IRP的细节是由操作系统来指定的。客户软件提出与设备上的端点建立某个方向的数据传送的请求，IRP就可简单地理解为这个请求。一个客户软件可以要求一个通道回送所有的IRP。当关于IRP的总线传送

45、结束时，无论它是成功地完成，还是出现错误，客户软件都将获得通知说IRP完成了。如果通道上没有正在传送的数据，也没有数据想使用此通道，这个通道就处于闲置状态。主机控制器对它不采取任何动作，也就是说，这个通道的端点会发现没有任何的总线动作是冲它而来的。只有当有数据在通道上时，该通道才能发现总线对它的动作.如果一个非同步通道遇到一个迫使它给主机发STALL的情况(参见第7章)，或者在任一个IRP中发现3个总线错误。这个IRP将被中止。其它所有突出的IRP也一同被中止。通道不再接收任何IRP，直到客户软件从这个情况中恢复过来(恢复的方式取决于软件的实现)，而且承认这个中止或出现的错误，并发一个USBD

46、 Call来表明它已承认。一个合适的状态信息将通知客户软件IRP的结果出错或中止。2024/4/2647.一个IRP可能会需要多个数据净荷区来传递数据。这些数据区除最后一个外，都具有数据净荷区的最大长度，最后一个数据区包含了这个IRP中剩下的数据.对这样的一个IRP，短包(也就是说未达到最大长度的数据区)在数据输入时无法填完IRP数据缓冲区。这可能会有二种不同解释，它依赖于客户软件的情况：如果该客户软件可以接受变长的IRP，那么，IRP数据缓冲区未被填满，可以看作一个分限，说明一个IRP已成功结束，主机控制器可以准备接收下一个IRP了。如果该客户软件只收定长的IRP。那么，我们认为发生了一个错

47、误，这IRP将被中止，通道也会被阻塞，通道上的数据都中止。因为对这两种情况，主机控制器会有不同的反应，而且采取何种措施不由控制器决定，所以对每个IRP都必须说明客户软件的具体要求。通道的端点可以用NAK信号来通知主机自己正忙，NAK不能作为向主机反还IRP的中止条件。在一个给定的IRP处理过程中，可以遇到任意多个NAK，NAK不构成错误,而且不作为上面所说的3种错误之一.2024/4/2648.流通道流通道 流通道中的数据是流的形式，也就是该数据的内容不具有USB要求的结构。数据从流通道一端流进的顺序与它们从流通道另一端流出时的顺序是一样的，流通道中的通信流总是单方向的。对于在流通道中传送的数

48、据，USB认为它来自同一个客户。USB系统软件不能够提供使用同一流通道的多个客户的同步控制。在流通道中传送的数据遵循先进先出原则。流管流只能连到一个固定号码的端点上，或者流进，或者流出。(这个号码是由协议层决定的)而具有这个号码的另一个方向的端点可以被分配给其它流通道。消息通道消息通道 消息通道与端点的关系同流通道与端点的关系是不同的。首先，主机向USB设备发出一个请求；接着，就是数据的传送；最后，是一个状态阶段。为了能够容纳请求/数据/状态的变化，消息通道要求数据有一个格式，此格式保证了命令能够被可靠地传送和确认。消息通道允许双方向的信息流，虽然大多数的通信流是单方向的。特别地，缺省控制通道

49、也是一个消息通道。USB系统软件不会让多个请求同时要求同一个消息通道。一个设备的每个消息通道在一个时间段内，只能为一个消息请求服务，多个客户软件可以通过缺省控制通道发出它们的请求，但这些请求到达设备的次序是按先进先出的原则的。设备可以在数据传送阶段和状态阶段控制信息流，这取决于这些设备与主机交互的能力。正常情况下，在上一个消息未被处理完之前，是不能向消息通道发下一个消息的。但在有错误发生的情况下，主机会取消这次消息传送，并且不等设备将已收的数据处理完，就开始下一次的消息传送。在操作通道的软件看来，一个IRP中的错误，使这个IRP被取消，并且所有正排队等待的IRP一同也被取消。申请这个IRP的客

50、户被通知IRP结束，且有出错提示。消息通道后有两个相同号码的端点，一个用于输入，一个用于输出。两个号码必须相同.2024/4/2649.传送类型 USB通过通道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。在消息通道中传递的数据具有USB定义的格式，它的数据净荷区中包含的数据允许具有设备指定的格式。USB要求任何在通道上传送的数据均被打包，数据的解释工作由客户软件和应用层软件负责。USB提供了多种数据格式，使之尽可能满足客户软件和应用软件的要求。一个IRP需要一个或多个总线处理事务来完成。每个传送类型在以下的几个传送特征上会有不同：USBUSB规规定的数据格式定的数据格式 信息流的方向信息流的方向 数据包

51、的数据包的长长度限制度限制 总线访问总线访问的限制的限制 延延时时的限制的限制 要求的数据要求的数据顺顺序序 出出错处错处理理2024/4/2650.USB设备的设计者可以决定设备上每个端点的能力。一旦为这个端点建立了一个通道，这个通道的绝大多数传送特征也就固定下来了，一直到这个通道被取消为止。也有部分传送特征可以改变，对这样的特征，将会在介绍每个传送类型时作出说明.USB定义了4种传送类型：1.控制控制传传送：可靠的、非周期性的、由主机送：可靠的、非周期性的、由主机软软件件发发起的起的请请求求或者回或者回应应的的传传送，通常用于命令事送，通常用于命令事务务和状和状态态事事务务.2.2.同步同

52、步传传送：在主机与送：在主机与设备设备之之间间的周期性的、的周期性的、连续连续的通信，的通信，一般用于一般用于传传送与送与时间时间相关的信息。相关的信息。这这种种类类型保留了将型保留了将时间时间概念概念包含于数据中的能力。但包含于数据中的能力。但这这并不意味着，并不意味着，传传送送这样这样数据的数据的时间时间总总是很重要的，即是很重要的，即传传送并不一定很送并不一定很紧紧急。急。3.3.中断中断传传送：小送：小规规模数据的、低速的、固定延模数据的、低速的、固定延迟迟的的传传送。送。4.4.批批传传送：非周期性的，大包的可靠的送：非周期性的，大包的可靠的传传送。典型地用于送。典型地用于传传送那些

53、可以利用任何送那些可以利用任何带宽带宽的数据，而且的数据，而且这这些数据当没有可用些数据当没有可用带带宽时宽时，可以容忍等待，可以容忍等待.2024/4/2651.一个(微型)帧 包含的最大处理数的表举例:每张表包含以下内容:指定传输类型(和速度)要求的协议开销对某些采样数据有效负载大小为 -在这种情况可能保持的最大宽度;-每个处理要求的(微型)帧百分比;-在特定情况下,(微型)帧中的最大处理数;-在特定情况下,(微型)帧中不要求的剩余字节;-在特定情况下,在单个(微型)帧传输的总的数据字节数;典型的特殊传输类型处理要求多个包,每种处理的协议开销包括:每个包的SYNC场为8位(全速/低速)或3

54、2位(高速);每个包的PID字节包括PID和PID取反(校验)位;每个包的EOP为3位(全速/低速)或8位(高速);在令牌中还包括端点号,设备地址,和CRC场(共16位);数据包包括CRC16场(共16位);数据包可以包含任意数量的数据场(每字节8位);2024/4/2652.对于多包的处理,要求有包间间隙或总线转向时间 在这些计算中假设没有位填充的要求,用低速中断OUT作为例子,它在处理中共有5个包:-一个PRE专用包;-一个令牌包;-一个PRE专用包;-一个数据包;-一个握手包;其中,在数据和握手之间有个总线转向.因此,协议开销包括:5个SYNC,5个PID,端点+CRC5,CRC16,5

55、个EOP和包间延时(一总线转向,包间的延时和2个集线器建立时间)2024/4/2653.控制控制传传送送 控制传送允许访问一个设备的不同部分。控制传送用于支持在客户软件和它的应用之间的关于设置信息、命令信息、状态信息的传送。控制传送由以下几个事务组成：(1)建立联系，把请求信息从主机传到它的应用设备；(2)零个或多个数据传送事务，按照（1）事务中指明的方向传送数据；(3)状态信息回传。将状态信息从应用设备传到主机。当端点成功地完成了被要求的操作时，回传的状态信息为“success”.USB设备必须实现缺省控制通道，并将它实现成一个消息通道。这个通道由USB系统软件使用。USB设备的确认信息、状

56、态信息以及控制信息由该通道传送。如果需要的话，一个应用设备可以为端点实现额外的控制通道。USB设备框架定义了标准的，设备级的或由销售商提供的请求，这些请求可操作设备的状态。USB设备框架又定义了一些描述器（descriptor），用于存放USB设备的各种信息。控制机制提供访问设备描述器和请求操作设备的机制。控制传送只能通过消息通道进行。所以，使用控制传送的数据必须具有USB定义的数据格式。应用层和相应的客户软件不能为控制传送指定总线访问频率和带宽。这由USB系统软件从全局优化角度加以决定。USB系统软件会限制设备要求的访问频率和带宽.2024/4/2654.1 1 控制控制传传送送类类型的数据

57、格式型的数据格式Setup包的数据格式属于一个命令集，这个集合能保证主机和设备之间正常通信。这个格式也允许一些销售商对设备命令的扩展。Setup包后的数据传送也具有USB定义的格式，除非这个数据是销售商提供的信息。回传的状态信息仍然具有USB定义的格式。2 2 控制控制传传送的方向送的方向 控制传送使用的是消息通道上的双向信息流。所以，一旦一个控制通道被确认之后，这个通道就使用了具有某个端点号的两个端点，一个输入，一个输出。3 3 控制控制传传送包的大小的限制送包的大小的限制 控制传送的端点决定了它所能接收或发送的最大数据净负荷区长度。USB为高速设备定义的最大数据净负荷区长度为8、16、32

58、或64字节，低速设备的数据净负荷区的长度只能是8字节。Setup后的所有数据包都要遵守这个规定，这个规定是针对这些数据包中的数据净负荷区的，不包括包中的协议要求的额外信息，Setup包实际上也是8字节。控制通道(包括缺省控制通道)总是使用w Max Packet Size的值。端点在自己的设置信息中报告自己允许的最大净负荷区长度。USB不要求数据净负荷区必须达到最大长度，当长度不够时，不必填充到最大长度。2024/4/2655.主机控制器对高速设备的控制通道端点支持8、16、32、64字节的最大长度，对低速设备支持8字节的长度。它不能支持更大的或更小的其它长度。对于缺省控制通道的最大数据区长度

59、，USB系统软件要从设备描述器的头8个字节中读出，设备将这8个字节放在一个包中发出，其中的七个字包含了缺省通道的wMaxPacketSize。对其它的控制端点来说，USB系统软件在它们被设置后，获得此长度，然后USB系统软件就会保证数据净负荷区不会超长。另外，主机总是认为数据净负荷区的最大长度至少为8。端点所传的数据净负荷区长度必须小于或等于其wMaxPacketSize，当一个数据区不能容纳所传数据时，就分几个区来传。除最后一个区外，其它区都应达到最大长度。最后一区包含最后剩下的数据。当端点做了以下两件事时，控制传送的数据阶段可被认为结束：已传了由Setup阶段指定的数据量。传了一个数据包，

60、它的长度为0或它的数据区长度小于最大长度。数据阶段结束后，主机控制器进入状态阶段，而不是开始另一个数据传诵。如果它不这样做，端点会认为通道脱线而中止通道(通道脱线见4.3.2)。如果主机在状态阶段时，主机收到一个大于最大长度的数据区，那么请求这次传送的IRP将被中止。当数据全部传完，主机与端点之间的控制传送的数据阶段结束。如果其间，端点收到了超过最大长度的数据区，它将中止通道。2024/4/2656.控制控制传传送的送的总线访问总线访问的限制的限制 无论低速设备还是高速设备都可以使用控制通道。端点没法指明控制通道对总线访问频率的要求。USB权衡所有控制通道的总线访问频率和正等待的IRP，从全局

61、优化，提供一个“最佳”传送方案。USB要求数据帧中的一部分被留给控制传送使用。如果被引发的控制传送(引发方式由实现决定)只用了数据帧的不到10%的时间，则剩余的时间留给批传送。如果一个控制传送被引发又被中止，则它的中止可在本次的帧内，也可在以后的帧内。也就是说，引发和中止不必在同一个帧内。如果留给控制传送的时间不够用，但恰好有一些同步和中断传送的帧时间未用，则主机控制器利用这些时间进行额外的控制传送。如果对可用的帧时间有太多的控制传送在等待，那么就对它们进行排序然后传送。如果各个控制传送申请的是不同的端点，主机控制器根据公平访问原则决定它们的访问顺序。公平访问原则的具体内容决定于主机控制器的实

62、现。如果一个控制传送事务频繁地被中止，不能认为给它的总线访问时间是不公平的。这些要求使得控制传送一般可以在总线上进行规则地、最优化地传送。2024/4/2657.高速控制端点必须支持OUT处理的PING流控制协议 对某个端点的控制传送的速率是可以变化的，USB系统软件控制这些离散的变化。端点和其客户软件不能想当然的认为其有一个固定的传送速率，端点可能发现在一帧内有零个或若干个传送。一个端点和它相应的客户软件可占用的总线时间会因为其它设备进入或退出系统或者本设备上的其它端点进入或退出系统而改变。总线频率和帧定时决定于一个帧内可传送的控制传送的最大个数。在任一个USB系统内，一个帧内的8字节高速数

63、据区须少于29个，8字节低速数据区须少于4个。对于高速总线,控制传输数量限制为每个微型帧小于32个高速的64字节数据有效负载.表 是关于不同规格的高速的控制传送的情况，以及在一帧内可能的最大的传送数目。这张表有两个默认的前提，即控制传送有一个数据传送阶段而且这个数据传送阶段有一个长度为0状态阶段，表还指出了出现两个数据区都达不到最大长度的情况，表中不包括用于位填充的一些额外的位。2024/4/2658.2024/4/2659.2024/4/2660.因为一个帧内只留10%的时间给非周期性传送，所以当一个系统的总线时间被排满的时候，这个系统内的所有控制传送只能去竞争每个帧内的三个控制传送名额。因

64、为除了客户软件会要求控制传送外，USB系统要用控制传送来传送设置信息，所以对某个客户和它的应用就不能指望它们的控制传送像它们想的一样进行。主机控制器可以自由地决定如何将某个具体的控制传送在总线上进行，可以在一个帧内，也可以跨几个帧。一个端点可能发现一个控制传送的各个总线处理事务在同一帧内或分在几个不连续的帧内。由于具体实现的不同，主机控制器可能不能提供理论上的每帧的最大控制传送数目。低速控制传送与高速控制传送都是竞争同样多的可用帧时间。低速控制传送只是要用更多的时间来传送罢了。表5-1列出了不同规格的低速包的情况，以及一帧内允许的最大包数。这张表同样没包括进管理用的开销。无论低速与高速，由于一

65、个控制传送都由几个包组成，所以都可能要用几个帧才能完成传送。2024/4/2661.2024/4/2662.控制控制传传送的数据送的数据顺顺序序 要进行控制传送，先要由主机向设备发一个总线建立（Setup）信息。它描述了控制访问的类型，设备将执行此控制访问。这个阶段之后，是零个或多个控制数据信息的传送，这是进行访问的具体信息。最后，由状态信息的传送来结束这次控制传送，允许端点将这次控传的状态回送给客户软件。这次控传完成之后，可以进行对这个端点的下一个控传，每次控传何时在总线上进行由主机控制器的具体实现决定。在数据传送阶段和状态信息回传阶段，可能由于设备自身的原因，设备处于“忙”状态。此时端点可

66、设法表明自己正忙，主机将试着在稍后时间重传一次。如果在上一个控传结束之前，端点又收到一个总线建立信息，设备将结束现未完成的传送，转而处理新的控传。正常情况下，是不会早发总线建立信息的，不过当上一个控传因错误而被中止后，主机可发下一个控传的总线建立信息。在端点看来，这是在上一个控传结束前过早发出的。一旦主机遇到一个引起中止的条件或检测到一个错误，端点可以通过接收下一个Setup包的 PID来恢复，也就是说，不一定必须从别的通道进行恢复。对于缺省控制通道，如果端点收不到Setup的 PID时，最终会要求设备复位来清除中止条件或错误条件。在控传中，USB提供了强大的错误检测功能和错误恢复和重传功能。传送器和接收器可以保持阶段的同步，既关于他们在控传的哪个阶段这个问题上保持同步。并且以最小的代价恢复。接收器可以识别一个数据重传包或状态信息重传包，因为包中带有数据重传的指示。一个发送器可以通过对方给它发的握手信息确知它发的数据重送包和状态信息包已被成功接收，除了Setup包以外，协议可以将一个重送的包与原来的包区分开来，Setup包可以因为出错而重传，但无法说明此包是重传的，还是原来的.2024