USB总线原理

　　USB(Universal Serial Bus)是一种新的PC串行通信协议。是PC体系中的一套较新的工业标准，它支持单个主机与多个外设同时进行数据交换，大大满足了当今计算机外设追求高速度和高通用性的要求。

　　1．USB的系统资源
　　
　　PC上的USB包括硬件和软件两部分。硬件主要完成物理上的接口和实体功能，软件则和操作系统配合管理硬件，完成数据流传输。PC上的USB主机包括3个部分：USB主控制器/根Hub，USB系统软件和用户软件。
　　
　　USB主控制器和根Hub -般由USB主控制器芯片、USB Hub控制器芯片、USB端口连接件及控制器外围电路组成。
　　
　　USB系统软件主要是指PC上操作系统提供的一系列软件和驱动程序，主要由USB核心驱动程序和USB主控制器驱动程序组成。
　　
　　USB设备类驱动程序把用户要求的USB命令发送给USB的主控制器硬件，同时初始化内存缓冲区，用于存储所有USB通信中的数据。每一种USB类设备都需要设计相应的设备。
　　
　　完整的USB系统组成如下图所示。

　　2．USB的电气特性
　　
　　USB设备和Hub采用2种供电模式，即自供电(Self-Powered)和总线供电(Bus-Powered)。
　　
　　USB设备的即插即用技术包含2个技术层面，即热插拔和自动识别配置。
　　
　　3．USB的数据通信结构
　　
　　USB协议中最为复杂的是底层数据通信结构的内容，包括了最基本的数据传输单元、数据传输类型、数据传输机制及数据交换流程等。“域”、“包”、“事务”和“传输”都是USB数据结构中非常重要的概念。域，是USB中一组有意义的二进制数。由各种域组成包，包是USB最基本的数据单元。以包为基础，USB定义了4种传输类型。而在数据交换的过程中，每种传输方式都是由多个事务来完成的。
　　
　　包主要有3类：令牌包、数据包、握手包。
　　
　　USB的传输，是USB面向用户的、最高级的数据结构。USB定义了4种数据传输的类型，即控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。任何一种传输都由输入事务(IN)、输出事务(OUT)和设置(SETUP)事务组合搭配而成的。控制传输(Control Transfer)是最为复杂的传输类型，也最为重要。它是USB枚举阶段最主要的数据交换方式。当USB设备初次连接到主机后，就通过控制传输来交换信息、设备地址和读取设备的描述符。这样，主机才能识别该设备，并安装相应的驱动程序，这个设备采用的其余3种传输方式才能够得以应用。
　　
　　USB主机与设备之间的传输过程是这样的：在PC上，设备驱动程序通过调用USB驱动程序USBD，发出输入输出请求包IRP；这样，在USB驱动程序接到请求之后，调用主控制器驱动程序HCD，将IRP转化为USB的传输。当然，一个IRP可以包含一个或多个USB传输；接着，主控制器驱动程序将USB传输分解为总线事务，主控制器以包的形式发送给设备。
　　
　　4．USB软件工作机制
　　
　　USB设备软件，又称固件，分为通用枚举配置部分和类协议部分。在枚举配置部分，实现USB主机对设备的枚举和配置，使主机确认设备的功能，并提供资源。而类协议部分，则用来实现USB设备各自数据传输的功能，一般都有相应的USB的类协议和规定作为编程的规范。比如，常用的Mass Storage类设备，就有其独特的一套UFI命令来实现数据的传输。
　　
　　主机枚举USB设备，完成对设备的配置。具体过程如下。
　　
　　(1)设备连接到Hub或根Hub的下行端口上，接着Hub就通过其状态变化管道(StatusChange Pipe)把这个设备连接的事件通知主机。这个时候，设备所连接的端口上有电流供应，但是该端口的其他属性被禁止，以便主机进行其他操作。
　　
　　(2)主机通过一系列命令来询问Hub，以确定设计连接的事件的细节情况。
　　
　　(3)这样，主机便确定了设备所接入的端口。接下来，主机会等待lOOms以使设备的接入过程顺利完成并使供电稳定。紧接着，主机便激活该端口，并发送复位的命令。
　　
　　(4) Hub在设备接入的端口上保持复位命令l0ms。然后，该端口就处于被激活的状态。
　　
　　这时，设备的所有寄存器等均已复位，并通过地址0与主机通信。
　　
　　(5)主机获取设备描述符，获得缺省管道的最大数据长度等一系列信息。
　　
　　(6)主机给设备分配一个总线上的惟一地址。因此，在以后的各种数据传输中，设备就将使用这个新的地址。
　　
　　(7)主机获取所有设备的配置描述符。
　　
　　(8)在得到配置描述符等一系列信息后，主机就给设备分配配置值。这样，设备就完成了配置。所有接口和端点的属性也得到了主机的确认。接下来，设备就可以从端口上获取其要求的最大电流数。也就是说，这个USB已经可以开始使用了。
　　
　　USB设备类协议(USB DevICe Class Specification)与USB协议是互为补充的。针对USB的每一种设备类，都有一套特殊的设备类协议。正是USB采用了设备类的方式来对各种设备进行分类，才使USB总线能够有效的控制和管理各种设备，也使得各种设备的开发变的规范、简便。

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