USB及其設(shè)備開(kāi)發(fā)

張 瑾
(河南省化學(xué)工業(yè)技工學(xué)校 河南開(kāi)封 475002)

USB(Universal Serial Bus)通用串行總線(xiàn)。是1995年康柏、微軟、IBM、DEC等公司為解決傳統(tǒng)總線(xiàn)的不足而推廣的一種新型的通信標(biāo)準(zhǔn)。該總線(xiàn)接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統(tǒng)與其外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。

1 USB的特點(diǎn)

(1)速度快

USB接口的傳輸速度高達(dá)4 80 Mb／s，和串口11 5 200 b／s的速度相比，相當(dāng)于串口速度的4 ooO多倍，完滿(mǎn)足需要大量數(shù)據(jù)交換的外設(shè)的要求。

(2)使用方便，支持熱插拔

其設(shè)備單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)同其他設(shè)備爭(zhēng)奪PC機(jī)資源，不會(huì)涉及IRQ沖突問(wèn)題。其驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可自啟動(dòng)。

(3)無(wú)需外接電源

一些采用普通串口或并口設(shè)備比如打印機(jī)、掃描儀等都需要相應(yīng)的外接電源系統(tǒng)，而USB外部設(shè)備直接利用USB接口提供的電源，能向低壓設(shè)備提供5 V的電源，無(wú)需外接專(zhuān)門(mén)的交流電源。

(4)連接靈活

USB接口支持多個(gè)不同設(shè)備的串列連接，1個(gè)USB口理論上可連接127個(gè)USB設(shè)備。連接方式既可使用串行連接,也可通過(guò)中樞轉(zhuǎn)接頭(即Hub)把多個(gè)設(shè)備連接在一起再和PC機(jī)的USB口相連接。

2 USB接口針腳和信號(hào)定義

USB使用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭。通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設(shè)連接起來(lái)，并且不會(huì)損失帶寬。USB接口針腳如圖1所示。

3.USB的結(jié)構(gòu)及傳輸方式

3．1 USB的結(jié)構(gòu)

USB采用菊花鏈結(jié)構(gòu)，多可以同時(shí)連接1 2 7臺(tái)設(shè)備，由總線(xiàn)提供電源，并有檢錯(cuò)、糾錯(cuò)功能以保證數(shù)據(jù)正確傳輸。usB規(guī)范將uSB分為5個(gè)部分：控制器、控制器驅(qū)動(dòng)程序、USB芯片驅(qū)動(dòng)程序、USB設(shè)備以及針對(duì)不同USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

(1)控制器 主要負(fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出的命令。

(2)控制器驅(qū)動(dòng)程序 在控制器與USB設(shè)備之間建立通信信道。

(3)USB芯片驅(qū)動(dòng)程序 提供對(duì)USB的支持。

(4)USB設(shè)備 包括與PC相連的USB外圍設(shè)備，分為2類(lèi)：一類(lèi)設(shè)備本身可再接其他USB外圍設(shè)備；另一類(lèi)設(shè)備本身不可再連接其他外圍設(shè)備。前者稱(chēng)為集線(xiàn)器，后者稱(chēng)為設(shè)備?；蛘哒f(shuō)，集線(xiàn)器帶有連接其他外圍設(shè)備的USB端口，而設(shè)備則是連接在計(jì)算機(jī)上用來(lái)完成特定功能并符合USB規(guī)范的設(shè)備單元，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等。

(5)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 就是用來(lái)驅(qū)動(dòng)USB設(shè)備的程序，通常由操作系統(tǒng)或USB設(shè)備制造商提供。

3．2 USB的傳輸方式

針對(duì)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)資源需求的不同，在USB規(guī)范中規(guī)定了4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：

(1)等時(shí)傳輸方式 該方式用來(lái)連接需要連續(xù)傳輸，且對(duì)數(shù)據(jù)的正確性要求不高而高而對(duì)時(shí)間極為敏感的外部設(shè)備，如麥克風(fēng)、音箱以及電話(huà)等。等時(shí)傳輸方式以固定的傳輸速率連續(xù)不斷地在主機(jī)與USB設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，在傳送數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，USB并不處理這些錯(cuò)誤，而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。

(2)中斷傳輸方式 該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)效果，此方式主要用在鍵盤(pán)、鼠標(biāo)以及游戲手柄等外部設(shè)備上。

(3)控制傳輸方式 該方式用來(lái)處理主機(jī)USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。包括設(shè)備控制指令、設(shè)備狀態(tài)查詢(xún)及確認(rèn)命令。當(dāng)USB設(shè)備收到這些數(shù)據(jù)和命令后，將依據(jù)先進(jìn)先出的原則按隊(duì)列方式處理到達(dá)的數(shù)據(jù)。

(4)批傳輸方式 該方式用來(lái)傳輸要求正確無(wú)誤的數(shù)據(jù)。通常打印機(jī)、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)以這種方式與主機(jī)連接。

在這4種數(shù)據(jù)傳輸方式中，除等時(shí)傳輸方式外，其他3種方式在數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，都會(huì)試圖重新發(fā)送數(shù)據(jù)以保證其準(zhǔn)確性。

4 USB接口標(biāo)準(zhǔn)

從1 9 94年11月11 IEI發(fā)布了USB V0．7版本以后，USB版本經(jīng)歷了6年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)到了2．0的版本。

USB 1．1標(biāo)準(zhǔn)接VI傳輸速率為1 2 Mb／s，理論上可以支持1 27個(gè)裝置，通過(guò)USB Hub即USB擴(kuò)展器連接多個(gè)周邊設(shè)備，連接線(xiàn)纜的長(zhǎng)度為5 m。

COMPAQ，Hewlett Packard， Intel，Lucent，Microsoft，NEC和Philips這7家廠商聯(lián)合制定了USB 2·0接口標(biāo)準(zhǔn)。USB 2．0將設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度增加到了480 Mb／s，~gUSB 1．1標(biāo)準(zhǔn)快40倍左右，速度的提高對(duì)于用戶(hù)的好處是可以使用更高效的外部設(shè)備，而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以連接到USB 2．0的線(xiàn)路上，不像USB 1．1時(shí)代，因?yàn)楦邘捠沟酶嗟脑O(shè)備無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生瓶頸效應(yīng)。USB 2．0可以使用原來(lái)USB定義中同樣規(guī)格的線(xiàn)纜，接頭的規(guī)格也完全相同，在高速的前提下同樣保持了USB 1．1的特色，也保證了向下兼容。

5 USB典型應(yīng)用

理論上講，USB技術(shù)由3部分組成：具備USB接口的Pc系統(tǒng)、能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用UsB接口的設(shè)備。USB需要主機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和外設(shè)3個(gè)方面的支持才能工作。目前主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，而且也安裝了USB接口插槽。Windows 98及以上版本的操作系統(tǒng)都內(nèi)置了對(duì)USB接口的支持(但WindowsNT不支持USB)。在操作系統(tǒng)擁有了對(duì)USB設(shè)備的支持后，安裝USB設(shè)備以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。目前，USB已經(jīng)在Pc機(jī)的多種多卜設(shè)上得到應(yīng)用，從初的打印機(jī)、掃描儀，發(fā)展到攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、硬盤(pán)、Modem、U盤(pán)、手機(jī)等。板載接口也從早期的2個(gè)增加至4個(gè)接El，板上一般還有兩個(gè)擴(kuò)展針接口，同期出現(xiàn)了前置接口和USB Hub。USB系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖2所示。
在圖2所示系統(tǒng)中，顯示器、Audio，Modem皆為全速設(shè)備，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)為低速設(shè)備。

6 USB端口軟件結(jié)構(gòu)

USB端口軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)USB接El驅(qū)動(dòng)程序

USB接口驅(qū)動(dòng)程序需實(shí)現(xiàn)以下功能：

①USB接El器件的初始化。
②計(jì)算上層數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和，發(fā)送上層的數(shù)據(jù)包。
③發(fā)送SOF幀。
④接收從USB接口傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)的有
效性。
⑤將接收到的數(shù)據(jù)送往上層。

(2)USB協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序

USB協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)程序需實(shí)現(xiàn)以下功能：

①提供與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的接El。
②讀取并解析USB設(shè)備描述符，配置描述符。
③為USB設(shè)備分配惟一的地址。
④使用默認(rèn)的配置來(lái)配置設(shè)備。
⑤支持基本的USB命令請(qǐng)求。
⑥連接設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。
⑦轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)包。

(3)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需實(shí)現(xiàn)以下功能：

①提供與應(yīng)用程序的接口。
②讀取并解析USB設(shè)備特有的描述符，獲得設(shè)備提供的傳輸通道。
③發(fā)送設(shè)備特有的和基本的USB命令請(qǐng)求。
④通過(guò)設(shè)備提供的傳輸通道與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
⑤通過(guò)USB命令請(qǐng)求重新配置設(shè)備。

7 USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)

(1)需要一臺(tái)支持USB PC如果要開(kāi)發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序則需要一臺(tái)有以下配置的PC：

(2)編寫(xiě)USB Device的規(guī)格書(shū)。
(3)購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的評(píng)估板和評(píng)估軟件，并找到盡可能多的實(shí)例源程序代碼，然后需要有MCU的程序編譯器。
(4)購(gòu)買(mǎi)其他在開(kāi)發(fā)中要用到的設(shè)備，如總線(xiàn)分析儀USB Hubs，競(jìng)爭(zhēng)者的相應(yīng)USB設(shè)備，以及USB鼠標(biāo)、USB鍵盤(pán)等。
(5)編寫(xiě)或改寫(xiě)USB驅(qū)動(dòng)程序MCU，固件程序和客戶(hù)程序代碼。
(6)參加USB遵從試驗(yàn)在不同的系統(tǒng)與配置驗(yàn)iiEUSB設(shè)備。

8 驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)

USB的驅(qū)動(dòng)程序和以往直接跟硬件打交道的Windows 95的VXD方式驅(qū)動(dòng)程序不同，他是WDM類(lèi)型的Windows下的USB軟件，USB軟件總體框圖如圖4所示。

9 結(jié) 語(yǔ)

觀USB技術(shù)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程，從誕生到成為絕大多數(shù)PC外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口，在提高速度后應(yīng)用到幾乎所有PC外設(shè)領(lǐng)域，USB為接E1種類(lèi)繁多的存儲(chǔ)媒介與主機(jī)之間提供了方便可靠的連接。USB應(yīng)用與開(kāi)發(fā)也將不斷發(fā)展，不斷完善。