1、USB接口介紹,主講人：王雷 地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)室 2016.11.08,2013/12/03,.,2,USB定義 USB發(fā)展 USB分類(lèi) USB設(shè)計(jì) 接口回路 USB Power設(shè)計(jì) LAYOUT USB2.0 協(xié)議 概述 主機(jī) 設(shè)備 物理特性 通信協(xié)議,目錄,.,3,定義,USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫(xiě)，而其中文簡(jiǎn)稱(chēng)為“通串線”，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。,.,4,發(fā)展

2、,2013/12/03,.,5,發(fā)展,USB 3.0是一種USB規(guī)范，該規(guī)范由英特爾等公司發(fā)起。 USB 3.0 也被認(rèn)為是SuperSpeedUSB為那些與PC或音頻/高頻設(shè)備相連接的各種設(shè)備提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。只是個(gè)硬件設(shè)備，計(jì)算機(jī)內(nèi)只有安裝USB3.0相關(guān)的硬件設(shè)備后才可以使用USB3.0相關(guān)的功能！從鍵盤(pán)到高吞吐量磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，各種器件都能夠采用這種低成本接口進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)行的即插即用連接，用戶基本不用花太多心思在上面。新的USB 3.0在保持與USB 2.0的兼容性的同時(shí)，還提供了下面的幾項(xiàng)增強(qiáng)功能： 極大提高了帶寬高達(dá)5Gbps全雙工（USB2.0則為480Mbps半 雙工）。 實(shí)現(xiàn)了更

3、好的電源管理。 能夠使主機(jī)為器件提供更多的功率，從而實(shí)現(xiàn)USB充電電池、LED照明和迷你風(fēng)扇等應(yīng)用。 能夠使主機(jī)更快地識(shí)別器件。 新的協(xié)議使得數(shù)據(jù)處理的效率更高。,2013/12/03,.,6,USB 3.1是最新的USB規(guī)范，該規(guī)范由英特爾等大公司發(fā)起。與現(xiàn)有的USB技術(shù)相比，新USB技術(shù)使用一個(gè)更高效的數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)，并提供一倍以上的有效數(shù)據(jù)吞吐率(USB IF協(xié)會(huì))。它完全向下兼容現(xiàn)有的USB連接器與線纜。 USB 3.1作為下一代的USB傳輸規(guī)格，通常被稱(chēng)為“SuperSpeed+” ，將在未來(lái)替代USB 3.0。 USB 3.1(SuperSpeed+)將供電的最高允許標(biāo)準(zhǔn)提高到了20

4、V/5A，供電100W。提供更快的充電。 USB 3.1支持高達(dá)10Gbps的傳輸速率，具有更快的傳輸速度。 USB 3.1新增USB A/V影音傳輸，支持手機(jī)顯示輸出。 USB 3.1是一個(gè)萬(wàn)能的通用接口，是手機(jī)、平板等小型設(shè)備所需要的，能夠極大提升設(shè)備的連接性。而從目前來(lái)看，USB 3.1中的Type-C最有可能成為未來(lái)的連接標(biāo)準(zhǔn)，提供數(shù)據(jù)傳輸、外設(shè)連接、顯示輸出等一體化的連接方案。,發(fā)展,2013/12/03,.,7,1.USB 2.0 60MB/S= 480Mbps/8 bit 2.對(duì)于USB3.0 速度并不是除以8，由于USB3.0傳輸是10bit模式故為 5Gbps/10bit=5

5、00MB/S 3.為了區(qū)別USB2.0與USB3.0接口，一般將USB3.0顏色設(shè)置為藍(lán)色。,補(bǔ)充說(shuō)明,.,8,分類(lèi),Type-A：標(biāo)準(zhǔn)的Type-A是電腦、電子配件中最廣泛的介面標(biāo)準(zhǔn)，鼠標(biāo)、U盤(pán)、數(shù)據(jù)線上大的一方都是此接口，體積也最大。 Type-B：一般用于打印機(jī)、顯示器USB HUB等諸多外部USB設(shè)備 Type-C：它擁有比Type-A及Type-B均小得多的體積，其大小甚至能與Mini-USB及Micro-USB相媲美，是最新的USB接口外形標(biāo)準(zhǔn)。另外，Type-C是一種既可以應(yīng)用在PC（主設(shè)備）又可以應(yīng)用在外部設(shè)備（從設(shè)備）的接口類(lèi)型，這是劃時(shí)代的。,.,9,分類(lèi),伴隨USB2.0

6、傳輸協(xié)議誕生也衍生了Mini-USB及Micro-USB接口。它們也都分別分為T(mén)ype-A和Type-B。到了USB3.0時(shí)代，由于傳輸速度的提升帶來(lái)了針腳位的提升，因此僅有Type-A USB3.0接口保持與以往形狀一樣，Type-B和Micro-USB都改變了外形（體積增大）。,.,10,分類(lèi),此外，對(duì)于USB接口又分為公口和母口。公口一般是外設(shè)的端口，母口一般是主機(jī)上接口。例如電腦自帶的就是USB母口。（具體見(jiàn)下一頁(yè)圖示）,2013/12/03,.,11,分類(lèi),.,12,設(shè)計(jì),接口回路 我們公司筆記本一般使用的是Type-A和Type-C 類(lèi)型母口。對(duì)于Type-A 類(lèi)型接口，目前公司配

7、備USB 3.0接口?；芈啡缦拢?2013/12/03,.,13,Type-A接口在硬件回路上由一組USB2.0差分信號(hào)信號(hào)USB_PN2, USB_PP2以及兩組USB 3.0差分信號(hào)USB32_RX_N, USB32_RX_P, USB32_TX_N, USB32_TX_P組成。在功能上該接口向下兼容USB2.0功能。 一般USB的POWER接 5VS或5VA USB差分線接BEAD或者共模電感一般為EMI需要。末端接TVS是安規(guī)要求。,設(shè)計(jì),.,14,對(duì)于Type-C接口回路如下：,設(shè)計(jì),2013/12/03,.,15,在NFSV15XX系列機(jī)種上，Type-C 3.0和Type-C 3

8、.1共用同一接口。由于現(xiàn)有平臺(tái)PCH沒(méi)有USB3.1接口，故在使用USB3.1通信時(shí)需要外加一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片ASM1142。 在NFSV15XX上Type-C3.1包含USB3.1輸出傳輸?shù)墓δ?，但是不支?V/20A供電輸出。 同Type-A接口一樣，差分信號(hào)線接BEAD或者共模電感一般為EMI需要。末端接TVS是安規(guī)要求。,設(shè)計(jì),ASM1142,2013/12/03,.,16,USB POWER設(shè)計(jì),設(shè)計(jì),2013/12/03,.,17,在電腦插入adapter或者battery時(shí)候，+3.3VA_PCH提供Enable信號(hào) ，5VA（5VS）電源正常供電。 在末端加保險(xiǎn)絲，進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。,設(shè)

9、計(jì),2013/12/03,.,18,USB2.0,LAYOUT,2013/12/03,.,19,LAYOUT,USB2.0,2013/12/03,.,20,USB3.0 LAYOUT,LAYOUT,2013/12/03,.,21,注意事項(xiàng) 布線時(shí)信號(hào)線不能走在時(shí)鐘、振蕩器、IC以及電磁元件下面； 布線時(shí)候相似的信號(hào)要布在一起； 不同層的線距線寬可能會(huì)有所不同，一般Design Guide會(huì)有說(shuō)明；,LAYOUT,2013/12/03,.,22,USB2.0協(xié)議,概述 USB網(wǎng)絡(luò)采用階梯式星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖示。一個(gè)USB網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主機(jī)。主機(jī)內(nèi)設(shè)置了一個(gè)根集線器，提供了主機(jī)上的初始附屬點(diǎn)。,

10、2013/12/03,.,23,USB2.0協(xié)議,主機(jī)定時(shí)對(duì)集線器的狀態(tài)進(jìn)行查詢。當(dāng)一個(gè)新設(shè)備接入集線器時(shí)，主機(jī)會(huì)檢測(cè)到集線器狀態(tài)改變，主機(jī)發(fā)出一個(gè)命令使該端口有效并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。位于這個(gè)端口上的設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)，主機(jī)收到關(guān)于設(shè)備的信息，主機(jī)的操作系統(tǒng)確定對(duì)這個(gè)設(shè)備使用那種驅(qū)動(dòng)程序，接著設(shè)備被分配一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)的地址，范圍從0127，其中0為所有的設(shè)備在沒(méi)有分配惟一地址時(shí)使用的默認(rèn)地址。主機(jī)向它發(fā)出內(nèi)部設(shè)置請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)設(shè)備從總線上移走時(shí)，主機(jī)就從其可用資源列表中將這個(gè)設(shè)備刪除。 總的來(lái)說(shuō)USB網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)和設(shè)備組成。,2013/12/03,.,24,USB2.0協(xié)議,概括,USB網(wǎng)絡(luò),主機(jī),設(shè)備,客戶

11、軟件,USB總線接口,USB系統(tǒng)軟件,設(shè)備,端點(diǎn),配置,接口,字符串,管道,2013/12/03,.,25,USB2.0協(xié)議,USB主機(jī) USB的所有數(shù)據(jù)通信（不論是上行通信還是下行通信）都由USB主機(jī)啟動(dòng)，所以USB主機(jī)在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中占據(jù)著主導(dǎo)地位。在USB系統(tǒng)中只允許有一個(gè)主機(jī)。從開(kāi)發(fā)人員的角度看，USB主機(jī)可分為三個(gè)不同的功能模塊：客戶軟件、USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口。 客戶軟件 客戶軟件負(fù)責(zé)和USB設(shè)備的功能單元進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)其特定功能。一般由開(kāi)發(fā)人員自行開(kāi)發(fā)?？蛻糗浖荒苤苯釉L問(wèn)USB設(shè)備，其與USB設(shè)備功能單元的通信必須經(jīng)過(guò)USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口模塊才能實(shí)現(xiàn)。客

12、戶軟件一般包括USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和界面應(yīng)用程序兩部分。,2013/12/03,.,26,USB2.0協(xié)議,USB系統(tǒng)軟件 USB系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)和USB邏輯設(shè)備進(jìn)行配置通信，并管理客戶軟件啟動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸。USB邏輯設(shè)備是程序員與USB設(shè)備打交道的部分。USB系統(tǒng)軟件一般包括USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序這兩部分。這些軟件通常由操作系統(tǒng)提供，開(kāi)發(fā)人員不必掌握。 USB總線接口 USB總線接口包括主控制器和根集線器兩部分。根集線器為USB系統(tǒng)提供連接起點(diǎn)，用于給USB系統(tǒng)提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)（端口）。主控制器負(fù)責(zé)完成主機(jī)和USB設(shè)備之間數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸，包括對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行串行編解碼、差錯(cuò)控

13、制等。該部分與USB系統(tǒng)軟件的接口依賴(lài)于主控制器的硬件實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)人員不必掌握。,2013/12/03,.,27,USB2.0協(xié)議,USB設(shè)備 一個(gè)USB設(shè)備由三個(gè)功能模塊組成：USB總線接口、USB邏輯設(shè)備和功能單元。這里的USB總線接口指的是USB設(shè)備中的串行接口引擎（SIE）；USB邏輯設(shè)備被USB系統(tǒng)軟件看作是一個(gè)端點(diǎn)的集合；功能單元被客戶軟件看作是一個(gè)接口的集合。SIE、端點(diǎn)和接口都是USB設(shè)備的組成單元。為了更好地描述USB設(shè)備的特征，USB提出了設(shè)備架構(gòu)的概念。從這個(gè)角度來(lái)看，可以認(rèn)為USB設(shè)備是由一些配置、接口和端點(diǎn)組成的，即一個(gè)USB設(shè)備可以含有一個(gè)或多個(gè)配置，在每個(gè)配置中可含

14、有一個(gè)或多個(gè)接口，在每個(gè)接口中可含有若干個(gè)端點(diǎn)。其中，配置和接口是對(duì)USB設(shè)備功能的抽象，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸由端點(diǎn)來(lái)完成。在使用USB設(shè)備前，必須指明其采用的配置和接口。這個(gè)步驟一般是在設(shè)備接入主機(jī)時(shí)設(shè)備進(jìn)行自舉時(shí)完成的，我們?cè)诤竺鏁?huì)進(jìn)一步介紹。USB設(shè)備使用各種描述符來(lái)說(shuō)明其設(shè)備架構(gòu)，包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符以及字符串描述符，它們通常被保存在USB設(shè)備的固件程序中。,2013/12/03,.,28,USB2.0協(xié)議,設(shè)備 設(shè)備代表一個(gè)USB設(shè)備，它由一個(gè)或多個(gè)配置組成。設(shè)備描述符用于說(shuō)明設(shè)備的總體信息，并指明其所含的配置的個(gè)數(shù)。一個(gè)USB設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備描述符。 配置

15、 一個(gè)USB設(shè)備可以包含一個(gè)或多個(gè)配置，如USB設(shè)備的低功耗模式和高功耗模式可分別對(duì)應(yīng)一個(gè)配置。在使用USB設(shè)備前，必須為其選擇一個(gè)合適的配置。配置描述符用于說(shuō)明USB設(shè)備中各個(gè)配置的特性，如配置所含接口的個(gè)數(shù)等。USB設(shè)備的每一個(gè)配置都必須有一個(gè)配置描述符。 接口 一個(gè)配置可以包含一個(gè)或多個(gè)接口，如對(duì)一個(gè)光驅(qū)來(lái)說(shuō)，當(dāng)用于文件傳輸時(shí)使用其大容量存儲(chǔ)接口；而當(dāng)用于播放CD時(shí)，使用其音頻接口。接口是端點(diǎn)的集合，可以包含一個(gè)或多個(gè)可替換設(shè)置，用戶能夠在USB處于配置狀態(tài)時(shí)，改變當(dāng)前接口所含的個(gè)數(shù)和特性。接口描述符用于說(shuō)明USB設(shè)備中各個(gè)接口的特性，如接口所屬的設(shè)備類(lèi)及其子類(lèi)等。USB設(shè)備的每個(gè)接口都

16、必須有一個(gè)接口描述符。,2013/12/03,.,29,USB2.0協(xié)議,端點(diǎn) 端點(diǎn)是USB設(shè)備中的實(shí)際物理單元，USB數(shù)據(jù)傳輸就是在主機(jī)和USB設(shè)備各個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行的。端點(diǎn)一般由USB接口芯片提供，例如Freescale的MC68HC908JB8。USB設(shè)備中的每一個(gè)端點(diǎn)都有唯一的端點(diǎn)號(hào)，每個(gè)端點(diǎn)所支持的數(shù)據(jù)傳輸方向一般而言也是確定的：或是輸入（IN）或是輸出（OUT），也有些芯片提供的端點(diǎn)的數(shù)據(jù)方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有兩個(gè)用于數(shù)據(jù)收發(fā)的端點(diǎn)：端點(diǎn)1和端點(diǎn)2。其中端點(diǎn)1只能用于數(shù)據(jù)發(fā)送，即支持輸入（IN），端點(diǎn)2既能用于數(shù)據(jù)發(fā)送也可用于數(shù)據(jù)接收，即支持輸入（IN）

17、和輸出（OUT）操作。需要注意的是，在這里數(shù)據(jù)的傳輸方向是站在主機(jī)的立場(chǎng)上來(lái)看得。比如端點(diǎn)1只能發(fā)送數(shù)據(jù)，在主機(jī)看來(lái)是端點(diǎn)1向主機(jī)輸入數(shù)據(jù)，即IN操作；當(dāng)端點(diǎn)2配置為接收數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)向端點(diǎn)2輸出數(shù)據(jù)，即OUT操作。這一點(diǎn)是初學(xué)者比較容易產(chǎn)生混淆的地方。 利用設(shè)備地址、端點(diǎn)號(hào)和傳輸方向就可以指定一個(gè)端點(diǎn)，并和它進(jìn)行通信。 0號(hào)端點(diǎn)比較特殊，它有數(shù)據(jù)輸入IN和數(shù)據(jù)輸出OUT兩個(gè)物理單元，且只能支持控制傳輸。,2013/12/03,.,30,USB2.0協(xié)議,字符串 在USB設(shè)備中通常還含有字符串描述符，以說(shuō)明一些專(zhuān)用信息，如制造商的名稱(chēng)、設(shè)備的序列號(hào)等。它的內(nèi)容以UNICODE的形式給出，且可以被

18、客戶軟件所讀取。對(duì)USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，字符串描述符是可選的。 管道 在USB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸是在主機(jī)軟件（USB系統(tǒng)軟件或客戶軟件）和USB設(shè)備的各個(gè)端點(diǎn)之間直接進(jìn)行的，它們之間的連接稱(chēng)為管道。管道是在USB設(shè)備的配置過(guò)程中建立的。管道是對(duì)主機(jī)和USB設(shè)備間通信流的抽象，它表示主機(jī)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和USB設(shè)備的端點(diǎn)之間存在著邏輯數(shù)據(jù)傳輸，而實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸是由USB總線接口層來(lái)完成的。 管道和USB設(shè)備中的端點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。一個(gè)USB設(shè)備含有多少個(gè)端點(diǎn)，其和主機(jī)進(jìn)行通信時(shí)就可以使用多少條管道，且端點(diǎn)的類(lèi)型決定了管道中數(shù)據(jù)的傳輸類(lèi)型，如中斷端點(diǎn)對(duì)應(yīng)中斷管道，且該管道只能進(jìn)行中斷傳輸。傳輸類(lèi)型在后面

19、會(huì)介紹。不論存在著多少條管道，在各個(gè)管道中進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸都是相互獨(dú)立的。,2013/12/03,.,31,USB2.0協(xié)議,物理特性 USB接口 USB使用一根屏蔽的4線電纜與網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)一個(gè)差分雙絞線進(jìn)行，這兩根線分別標(biāo)為D+和D-，另外兩根線是Vcc和Ground，其中Vcc向USB設(shè)備供電。使用USB電源的設(shè)備稱(chēng)為總線供電設(shè)備，而使用自己外部電源的設(shè)備叫做自供電設(shè)備。為了避免混淆，USB電纜中的線都用不同的顏色標(biāo)記，如下表所示。,2013/12/03,.,32,USB2.0協(xié)議,物理特性 USB信號(hào) USB2.0 使用差分信號(hào)。其特點(diǎn)如下： 傳統(tǒng)的傳輸方式大多使用“

20、正信號(hào)”或者“負(fù)信號(hào)”二進(jìn)制表達(dá)機(jī)制，這些信號(hào)利用單線傳輸。用不同的信號(hào)電平范圍來(lái)分別表示1和0，它們之間有一個(gè)臨界值，如果在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受到中低強(qiáng)度的干擾，高低電平不會(huì)突破臨界值，那么信號(hào)傳輸可以正常進(jìn)行。但如果遇到強(qiáng)干擾，高低電平突破臨界值，由此造成數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。差分信號(hào)技術(shù)最大的特點(diǎn)是：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)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是具有極強(qiáng)的抗干擾性。倘若遭受外界強(qiáng)烈干擾，兩條線路對(duì)應(yīng)的電平同樣會(huì)出現(xiàn)大幅度提升或降低的情況，但二者的電平改變方向和幅度幾乎相同，電壓差值就可始終保持相對(duì)穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并不會(huì)因干擾噪聲而有所降低。

21、,2013/12/03,.,33,USB2.0協(xié)議,物理特性 USB通信格式 USB的數(shù)據(jù)包使用反向不歸零編碼（NRZI）。上圖描述了在USB電纜段上傳輸信息的步驟。反向不歸零編碼由傳送信息的USB代理程序完成；然后，被編碼的數(shù)據(jù)通過(guò)差分驅(qū)動(dòng)器送到USB電纜上；接著，接收器將輸入的差分信號(hào)進(jìn)行放大，將其送給解碼器。使用該編碼和差動(dòng)信號(hào)傳輸方式可以更好地保證數(shù)據(jù)的完整性并減少噪聲干擾。,在USB電纜上使用雙向不歸零編碼和差動(dòng)信號(hào)的傳輸,2013/12/03,.,34,USB2.0協(xié)議,物理特性 使用反向不歸零編碼方式可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，而且不要求傳輸過(guò)程中有獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)。反向不歸零編碼不

22、是一個(gè)新的編碼方式。它在許多方面都有應(yīng)用。上圖給出了一個(gè)數(shù)據(jù)流和編碼之后的結(jié)果。在反向不歸零編碼時(shí)，遇到“0”轉(zhuǎn)換，遇到“1”保持。反向不歸零碼必須保持與輸入數(shù)據(jù)的同步性，以確保數(shù)據(jù)采樣正確。反向不歸零碼數(shù)據(jù)流必須在一個(gè)數(shù)據(jù)窗口被采樣，無(wú)論前一個(gè)位時(shí)間是否發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)換。解碼器在每個(gè)位時(shí)間采樣數(shù)據(jù)以檢查是否有轉(zhuǎn)換。,反向不歸零編碼,2013/12/03,.,35,USB2.0協(xié)議,物理特性 若重復(fù)相同的“1”信號(hào)一直進(jìn)入時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法轉(zhuǎn)換，逐漸的積累，而導(dǎo)致接收器最終丟失同步信號(hào)的狀況，使得讀取的時(shí)序會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤。因此，在NRZI編碼之間，還需執(zhí)行所謂的位填充的工作。位填充要求數(shù)據(jù)

23、流中如果有連續(xù)的六個(gè)“1”就要強(qiáng)行轉(zhuǎn)換。這樣接收器在反向不歸零碼數(shù)據(jù)流中最多每七個(gè)位就檢測(cè)到一次跳轉(zhuǎn)。這樣就保證了接收器與輸入數(shù)據(jù)流保持同步。反向不歸零碼的發(fā)送器要把“0”（填充位）插到數(shù)據(jù)流中。接收器必須被設(shè)計(jì)成能夠在連續(xù)的六個(gè)“1”之后識(shí)別一個(gè)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，并且立即扔掉這六個(gè)“1”之后的“0”位。,2013/12/03,.,36,USB2.0協(xié)議,物理特性 檢測(cè)設(shè)備連接和速度 在USB設(shè)備連接時(shí)，USB系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)到這個(gè)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(lái)識(shí)別低速和全速設(shè)備。USB支持三種類(lèi)型的傳輸速率：1.5Mb/s的低速傳輸、12Mb/s的全

24、速傳輸和480Mb/s的高速傳輸。如圖后面圖所示。當(dāng)主控制器或集線器的下行端口上沒(méi)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)全速/低速設(shè)備連接以后，電流流過(guò)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。由于下拉電阻的阻值是15K，上拉電阻的阻值是1.5K，所以在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。當(dāng)USB主機(jī)探測(cè)到D+/D-線的電壓已經(jīng)接近高電平，而其它的線保持接地時(shí)，它就知道全速/低速設(shè)備已經(jīng)連接了。,2013/12/03,.,37,USB2.0協(xié)議,物理特性 檢測(cè)設(shè)備連接和速度,2013/

25、12/03,.,38,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 包 包（Packet）是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?，所有?shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)打包后在總線上傳輸?shù)?。USB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標(biāo)識(shí)符字段（PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段（CRC）和包結(jié)尾字段（EOP），包的基本格式如下圖： 1.SYNC字段:由8位組成，作為每個(gè)數(shù)據(jù)封包的前導(dǎo)，用來(lái)產(chǎn)生同步作用，使USB設(shè)備與總線的包傳輸率同步，它的數(shù)值固定為00000001。 2.PID字段:用來(lái)表示數(shù)據(jù)封包的類(lèi)型。包標(biāo)識(shí)符中的校驗(yàn)字段是通過(guò)對(duì)類(lèi)型字段的每個(gè)位求反碼產(chǎn)生的， PID字段如下圖所示：,2013/12/03,.,39,U

26、SB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 包 PID字段包的類(lèi)型,2013/12/03,.,40,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 包 3. 數(shù)據(jù)字段:是用來(lái)攜帶主機(jī)與設(shè)備之間要傳遞的信息，其內(nèi)容和長(zhǎng)度根據(jù)包標(biāo)識(shí)符、傳輸類(lèi)型的不同而各不相同。在USB包中，數(shù)據(jù)字段可以包含設(shè)備地址、端點(diǎn)號(hào)、幀序列號(hào)以及數(shù)據(jù)等內(nèi)容。在總線傳輸中，總是首先傳輸字節(jié)的最低位，最后傳輸字節(jié)的最高位。 (1) 設(shè)備地址（ADDR）數(shù)據(jù)域 ADDR數(shù)據(jù)域由7位組成，可用來(lái)尋址多達(dá)127個(gè)外圍設(shè)備。 (2) 端點(diǎn)（ENDP）數(shù)據(jù)域 ENDP數(shù)據(jù)域由4位組成。通過(guò)這4個(gè)位最多可尋址出32個(gè)端點(diǎn)。這個(gè)ENDP數(shù)據(jù)域僅用在IN、OUT與SE

27、TUP令牌信息包中。對(duì)于慢速設(shè)備可支持端點(diǎn)0以及端點(diǎn)1作為中斷傳輸模式，而全速設(shè)備則可以擁有16個(gè)輸入端點(diǎn)（IN）與16個(gè)輸出端點(diǎn)（OUT）共32個(gè)端點(diǎn)。 (3) 幀序列號(hào) 當(dāng)USB令牌包的PID為SOF時(shí)，其數(shù)據(jù)字段必須為11位的幀序列號(hào)。幀序列號(hào)由主機(jī)產(chǎn)生，且每個(gè)數(shù)據(jù)幀自動(dòng)加一，最大數(shù)值為0 x7FF。當(dāng)幀序列號(hào)達(dá)到最大數(shù)時(shí)將自動(dòng)從0開(kāi)始循環(huán)。 (4) 數(shù)據(jù) 它僅存于DATA信息包內(nèi)，根據(jù)不同的傳輸類(lèi)型，擁有不同的字節(jié)大小，從0到1023字節(jié)（實(shí)時(shí)傳輸）。,2013/12/03,.,41,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 包 4.循環(huán)冗余碼CRC字段由不同數(shù)目的位所組成。根據(jù)不同的信息包類(lèi)

28、型，CRC數(shù)據(jù)域由不同數(shù)目的位所組成。其中重要的數(shù)據(jù)信息包采用CRC16的數(shù)據(jù)域（16個(gè)位），而其余的信息包類(lèi)型則采用CRC5的數(shù)據(jù)域（5個(gè)位）。其中的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)CRC，是一種錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)。由于數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，有時(shí)候會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，因此CRC可根據(jù)數(shù)據(jù)算出一個(gè)校驗(yàn)值，然后依此判斷數(shù)據(jù)的正確性 。 5.包結(jié)尾字段即發(fā)送方在包的結(jié)尾發(fā)出包結(jié)尾信號(hào)。USB主機(jī)根據(jù)EOP判斷數(shù)據(jù)包的結(jié)束。,2013/12/03,.,42,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 信息包格式 1令牌（token）包 在USB系統(tǒng)中，只有主機(jī)才能發(fā)出令牌包。令牌包定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念?lèi)型，它是事務(wù)處理的第一階段。令牌包中較為重要的是S

29、ETUP、IN和OUT這三個(gè)令牌包。它們用來(lái)在根集線器和設(shè)備端點(diǎn)之間建立數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)IN包用來(lái)建立一個(gè)從設(shè)備到根集線器的數(shù)據(jù)傳送，一個(gè)OUT包用來(lái)建立從根集線器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。令牌包格式如下： 2數(shù)據(jù)（data）包 數(shù)據(jù)封包含有4個(gè)域：SYNC、PID、DATA與CRC16。DATA數(shù)據(jù)域的位值是根據(jù)USB設(shè)備的傳輸速度及傳輸類(lèi)型而定，且須以8字節(jié)為基本單位。也就是，若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不足8字節(jié)，或傳輸?shù)阶詈笏Ｓ嗟囊膊蛔?字節(jié)，仍須傳輸8字節(jié)的數(shù)據(jù)域。格式如下：,2013/12/03,.,43,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 信息包格式 3. 握手（Handshake）包 握手信息包是最簡(jiǎn)單

30、的信息包類(lèi)型。在這個(gè)握手信息包中僅包含一個(gè)PID數(shù)據(jù)域而已，它的格式如下所列：,2013/12/03,.,44,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 事務(wù) 定義：在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過(guò)程 類(lèi)型：事務(wù)處理的類(lèi)型包括輸入(IN)事務(wù)處理、輸出(OUT)事務(wù)處理、 設(shè)置(SETUP)事務(wù)處理和幀開(kāi)始、幀結(jié)尾等類(lèi)型。 處理流程：在輸出(OUT)事務(wù)處理和設(shè)置(SETUP)事務(wù)處理中，緊接著SETUP和OUT包后的是DATA包，DATA0和DATA1包是交替地發(fā)送的，在DATA包后面，設(shè)備將回應(yīng)一個(gè)握手信號(hào)，如果設(shè)備可以接收數(shù)據(jù)，就回應(yīng)ACK包，如果設(shè)備忙，就回應(yīng)NAK包，如果設(shè)備出錯(cuò)，

31、則回應(yīng)STALL包；在IN事務(wù)中，IN包后面是設(shè)備發(fā)來(lái)的DATA包或NAK包或STALL包，若設(shè)備忙或出錯(cuò)，就發(fā)NAK包或STALL包給主機(jī)，若設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好發(fā)送，則發(fā)DATA包，DATA0和DATA1包也是交替地發(fā)送的，緊接著DATA包后面是主機(jī)發(fā)給設(shè)備的握手包，ACK表示主機(jī)可以接收數(shù)據(jù)，NAK包代表主機(jī)忙，STALL包代表主機(jī)出錯(cuò)。具體詳見(jiàn)下圖：,2013/12/03,.,45,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 事務(wù) 1輸入（IN）事務(wù)處理 輸入事務(wù)處理表示USB主機(jī)從總線上的某個(gè)USB設(shè)備接收一個(gè)數(shù)據(jù)包的過(guò)程。 正常的輸入事務(wù)處理 設(shè)備忙時(shí)的輸入事務(wù)處理 設(shè)備出錯(cuò)時(shí)的輸入事務(wù)處理,20

32、13/12/03,.,46,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 事務(wù) 2輸出（OUT）事務(wù)處理 正常的輸出事務(wù)處理 設(shè)備忙時(shí)的輸出事務(wù)處理 設(shè)備出錯(cuò)時(shí)的輸出事務(wù)處理,2013/12/03,.,47,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 事務(wù) 3設(shè)置（SETUP）事務(wù)處理 正常的設(shè)置事務(wù)處理 設(shè)備忙時(shí)的設(shè)置事務(wù)處理 設(shè)備出錯(cuò)時(shí)的設(shè)置事務(wù)處理,2013/12/03,.,48,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 USB傳輸類(lèi)型 在USB的傳輸中，制定了4種傳輸類(lèi)型：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸以及等時(shí)傳輸?？刂苽鬏旑?lèi)型分為23個(gè)階段：設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段（無(wú)數(shù)據(jù)控制沒(méi)有此階段）以及狀態(tài)階段。根據(jù)數(shù)據(jù)階段的數(shù)據(jù)

33、傳輸?shù)姆较?，控制傳輸又可分?種類(lèi)型：控制讀取（讀取USB描述符）、控制寫(xiě)入（配置USB設(shè)備）以及無(wú)數(shù)據(jù)控制。 1控制傳輸 控制傳輸是USB傳輸中最重要的傳輸。它包含3種類(lèi)型：控制讀取、控制寫(xiě)入以及無(wú)數(shù)據(jù)控制。這3種控制傳輸類(lèi)型又分為23個(gè)階段：設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段（無(wú)數(shù)據(jù)控制沒(méi)有此階段）以及狀態(tài)階段。 階段一：設(shè)置階段 主機(jī)從USB設(shè)備獲取配置信息，并設(shè)置設(shè)備的配置值。 設(shè)置階段的數(shù)據(jù)交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其后的DATA0數(shù)據(jù)封包以及ACK握手封包。它的作用是執(zhí)行一個(gè)設(shè)置（概念含糊）的數(shù)據(jù)交換，并定義此控制傳輸?shù)膬?nèi)容。,2013/12/03,.,49,USB2.0協(xié)議,USB通信協(xié)議 USB傳輸類(lèi)型 階段二：數(shù)據(jù)傳輸階段 數(shù)據(jù)傳輸階段用來(lái)傳輸主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)?？刂谱x取是將