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在USB总线中只有一个主机。
USB总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器,它可被看做一个硬件、固件和软件的结合体。
主机系统中集成了一个根hub来提供一个或多个连接点。
USB设备
首先USB设备可被分为两大类:
hub类(提供附加USB接入点的设备)和功能设备类(为系统实现某些功能的设备,如ISDN适配器、数字游戏杆等)。
按照功能,USB设备又可分为很多类,如:
音频、人机交互、显示、通信、电源、打印机、海量存储、物理反馈等设备。
每个USB设备都必须提供自鉴定信息和通用的设置。
USB设备都有一个标准的USB接口,它的作用为:
解释USB协议;
对标准USB操作的响应,如挂起和设置等;
提供设备的一些描述信息。
在实际的设计应用中,USB设备的接口有自已的特点。
USB接口的正确设计与设备的性能紧密相关,在USB接口设计之前必须要对设备的功能、指标进行详细的分析。
连接在USB接口上的设备通过基于令牌和主机控制的协议来共同享用整个USB带宽。
在其它设备正常工作的前提下,USB允许某设备连接、设置、运行和断开连接。
USB数据传逻辑结构
USB设备在逻辑上分成了几个层次,分别是设备层、配置层、接口层和节点层。
1.节点:
每个设备内有一个或多个逻辑连接点,称为节点。
2.接口:
一个设备对主机表现为一组合适的节点,一组相关的节点称为一个接口。
有多个接口的设备称为组合设备。
3.配置:
设备可以有多组接口,每一组称为一个配置,一次只能有一个配置是活动的。
但是,当前配置中的所有接口(和它们的节点)可以同时是活动的。
大多数设备只有一个配置和一个接口。
当一个设备第一次插入系统时,Windows提示用户选择合适的配置。
USB设备中各层的逻辑关系如图2所示:
4.管道:
在USB中,传输是在USB设备的某一具节点和主机软件之间进行的,这个相关的结构就称为管道,即为设备的一个节点与主机之间的数据传输的模型。
管道有两种:
流管道和消息管道。
其中消息管道的数据结构是USB定义好的,而流管道没有固定的结构。
另外,数据传输带宽、传输类型、节点的特性(如方向和缓冲大小)都影响着它的管道特性。
大多数的管道在USB设备配置好之后就产生了。
其中有一个最重要的消息管理是“缺省控制管道”,这个管道在设备一加电的时候就存在了,它提供设备的配置和状态等信息的控制。
管道可以是单向的也可以是双向的。
一个USB设备可以有很多个管道,管道之间是相互独立的,比如设备的一个管道可以从主机接收数据而另一个管道可以发送数据。
在一个设备配置中每一个管道(即每一个节点)只能支持下述的一个数据传型。
5.传输类型:
USB总线包括4种传输类型(传输管道):
●控制传输类型:
用于传输控制信息,如:
在连接时配置设备,控制其它管道的状态以及完成一些设备自定的用途。
●块数据传输类型:
用于传输相对比较大的和突发性强的数据,一般这种传输的动态范围比较宽。
数据传输的可靠性由硬件层错误检测来保证,对错误的数据可进行重复发送。
块传输是连续的,它的带宽占用依据其它USB设备的使用情况而不同。
这种传输类型一般用于打印机、扫描仪等。
●中断数据传输类型:
数据量小,延迟短,通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息,多用于人机交互设备,如鼠标,键盘、游戏杆等。
●同步数据传输类型:
占用预先分配的带宽,实时传输。
对于同步传输管道,带宽的要求与设备的采样率有关,时延的要求与每个节点的缓冲大小有关。
为保证数据的实时传输,在传输过程中的一些误码是不被纠正的(如不进行重试等),则实际上USB的心位错误率是十分小的,它完全可以被忽略掉,不足以形成问题。
USB数据传输的逻辑模型如图3所示:
根据实际应用中得出的经验,工程技术人员需要预先计划好的USB接口指标包括:
所设计的USB设备的带宽,由此确定设备为低速设备还是全速设备;
是否采用多重配置;
是否采用多个接口,即设备是否是复合设备,是否包括多个功能;
设备的每个功能都分别包括几个管道(节点),各个管道的传输方式和它们之间有什么关系。
只有把这些问题都分析清楚,才可以着手进行下一下的详细设计。
结束语
随着USB2.0协议的推出,USB的应用范围将更为扩大。
USB2.0所定义的带宽为480Mbps,它的出现将彻底改变USB只能在低速设备上应用的现状。
由于有相同的USB高速模式的结构,从现有的USB1.1外设向USB2.0转移相对来说比较容易的,所以全面了解USB的体系结构对于USB1.1和USB2.0设备的设计都是非常重要的。
第二篇USB的技术和应用
当今的计算机外部设备,都在追求高速度和高通用性。
为了满足用户的需求,以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(UniversalSerialBus,通用串行总线)总线协议,专用于低、中速的计算机外设。
目前,USB端口已成为了微机主板的标准端口;
而在不久的将来,所有的微机外设,包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏柄等等,都将通过USB与主机相连。
一.USB总线系统硬件连接
USB通过一个四线电缆来传输信号与电源,如图一所示。
图一USB电缆
其中D+和D-是一对差模的信号线,而VBus和GND则提供了+5V的电源,它可以给一些设备(包括Hub)供电。
USB提供了两种数据传输率:
一种是12Mb的高速(fullspeed)模式,另一种是1.5Mb的低速模式,这两种模式可以同时存在于一个USB系统中(注:
在新发布的2.0协议版本中,高速模式被定义为120~240M)。
USB信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线,而且最长不能超过5m;
而在低速模式时可以使用非屏蔽电缆,甚至是非双绞的线,但最长不能超过3m。
为了与电缆阻抗匹配,在电缆的每一端都使用了非平衡终端匹配电阻。
该电阻也保证了能够检测外设与端口的连接或分离,并且可以区分高速与低速设备。
二.USB总线系统软件设计
USB设备的软件功能主要有两点:
一是监视设备的状态,自动产生状态信息和用户命令信息;
一是完成主机与设备之间的USB总线通讯,自动处理主机的控制和查询命令。
前一功能与设备的具体工作方式有关,与一般非USB设备的实现方法大体一致。
唯一的区别是开发者需要预先定义设备所属的类别和使用的协议。
原因是,USB协议将设备分为不同的类型,每个设备类型都定义了类似功能设备的共同行为和协议。
例如HID(HumanInterfaceDevice)人机接口设备主要指用于人控制计算机系统操作的器件,而电源设备(PowerDevice)则被定位为HID的子系统之一。
对设备进行分类是为了抹除不同硬件厂商之间的差异,以便于主机(PC)对设备进行方便、统一的管理。
相同类型的设备都由一组标准定义的功能模块组成。
这样主机与USB设备之间的通信就可以通过一些标准格式的数据包来完成。
USB开发者论坛发布了一系列USB设备的类型定义,并配以相应的使用说明。
开发者还应考虑的是主机的工作平台,比如Windows98/NT、Unix等等,原因是不同的系统对不同的设备的支持程度不同。
例如在Windows98下,系统除了提供通用的USB设备的底层驱动以外,还单独提供了少数HID设备(如鼠标)的完整驱动,也就是说,开发者如果想实现一个USB鼠标,是不需要在Windows98下开发自己的驱动程序的,而如果是想实现一个USB手写板,就必须得在通用的底层驱动基础上开发自己的设备驱动程序。
所以设备类型的定义也直接影响着开发的难度和时间。
后一个功能的实现较为困难。
USB总线上传递的信息有两种:
一是由数据线的差分信号传递的三种包(令牌包、数据包和应答包);
一是经过定义的特殊的数据线信号,如复位信号、唤醒信号和包结束(EOP)信号等。
对于低速设备,USB还定义了两种总线操作方式:
控制传输(用于主机设置设备和获取状态)和中断传输(用于工作信息的传输)。
软件开发的主要工作是编写USB的中断服务例程,其功能是处理USB发送/接收的不同的通讯信息(如令牌、数据或应答等),再获得主机的控制信息,或是向端点0发送设备的状态信息,以及发送完整的数据报告等。
根据设备类型的不同,主机发送的控制信息的种类和数量都会不同。
例如,USB手写板属于HID设备,在响应主机命令的时候,除了需要处理普通的USB命令(如SetAddress、Set/Get/ClearFeature和GetStatus等等)以外,还需要处理HID设备特定的一些命令,如Set/GetReport、Set/GetIdle和Set/GetProtocol等等。
开发者还应注意的是设备的挂起(休眠)和唤醒功能。
USB协议规定,当总线处于空闲态超过3ms时,设备必须进入挂起状态,而挂起的设备从总线上吸收的电流必须小于500μA。
但设备的挂起对设备的工作往往有不利的影响。
协议规定的500μA包括了主机端的电缆终端匹配电阻的电流(通常为220μA),所以对于使用总线电源的设备而言,进入挂起状态通常便意味着总电流功耗不能超过280mA,这实际上是要求进入STOP模式。
开发者如果需要设备不进入挂起状态,通常有两种方法。
一种是通过主机周期性地向设备发送包结束(EOP)信号,间隔时间小于3ms,这样设备将永远处于正常状态;
另一种方法是在设备挂起时唤醒它,既可以由主机发送唤醒或复位信号,也可以由设备自行远程唤醒,具体的实现方法是由设备向主机发出远程唤醒信号,在主机认可后设备即结束挂起状态。
开发者可以在外中断端口上连接RC电路,在设备进入挂起状态时利用电路的充放电时间产生滞后的外中断信号,再在中断发生时向主机发送远程唤醒信号,就可以自动恢复到正常的状态。
图三是根据我们编写的USB手写板的程序精简出来的一个典型的程序流图,开发者可以参考编写不同设备的代码。
正如上文所述,最关键、也是最困难的,还是中断处理程序的编写,开发者需要格外重视。
三.USB设备的测试
在设备的软件调试过程中,开发者往往需要观察设备发往主机的数据,包括设备的状态和设置信息,以及正常工作时发送的数据包等等。
如果开发者需要捕捉USB总线上的信息,必须使用价格昂贵的专用设备。
。
USB开发者组织在他们的互联网站点上提供了一个在主机端测试HID设备的软件包--USBComplianceTestSuite,通过运行其中的程序,开发者可以很方便地向设备发送各种USB和HID的协议命令,并接收设备的数据,从而对设备的工作状态作出判断。
开发者同样可以编写自己的主机端驱动程序,对USB设备进行调试和检验。
有关主机端驱动程序的编写方法,请参阅近期相关文章《WINDOWS98下USB设备驱动程序的开发》。
四.结语
USB总线及设备是计算机技术高速发展的必然产物,是微机外设的发展趋势。
国外市场上的USB产品已经很多了,但大都局限在少数几类设备上。
国内在99年初才陆续出现了USB摄像头等少数几样产品,且都是从台湾引进的。
相对于其他计算机设备而言,国外产品在USB设备方面的市场竞争优势并不明显,USB设备应该是国内硬件产品发展的重要方向之一。
选用何种单片机、如何去开发一个USB设备是硬件厂商和开发者共同关心的问题。
希望本文能起到抛砖引玉的作用,为国内USB技术的发展尽到微薄之力。
第三篇真正“即插即用”的USB
什么是PoweredUSB?
标准USB总线不仅可以提供外设与PC间的数据转换,而且还可以为外设提供电源供应,从而节省了外设的电源及电源线的配置,也简化了设备的电气安装,因此在使用上十分方便。
如果不是采用这种总线供电的方式,那么,对于每台POS机来说,它至少需要额外增加100美元的电源成本。
但美中不足的是,按照USB1.1和USB2.0的协议标准,它的每个端口的总线供电容量被限制在2.5瓦(0.5A@+5V)以内,这仅能满足象键盘或鼠标这样一些低功耗设备的电源需求。
当然,按照USB标准,它也可以支持500mA电流以上的供电需求,但设备总功耗的2.5瓦限制却是不可逾越的。
因此,对于诸如打印机和显示器这些功耗要求较高的设备来说,标准USB的供电能力就显得有些不足了,仍需要采用外部供电方式。
但这种做法不仅违背了USB设备“即插即用”的设计思想,也无形中增加了设备的电源、电源线以及安装的成本。
针对标准USB总线的供电能力限制,IBM、NCR和FCI/Berg公司共同联手开发了一种USB1.1和USB2.0标准的扩展技术,使这种总线供电设备的最大电流和最大电压都得到大大的提高。
这种新的设计技术即被称作USBPlusPower,或简称PoweredUSB。
USBPlusPower的设计提供每个接口如下电压和电流的选择:
•电压:
+5VDC;
电流:
最大6A;
最大功耗:
30瓦
+12VDC;
72瓦
+24VDC;
144瓦
新的USBPlusPower电缆在标准USB电缆的基础上增加了两对线,并针对新的电压和电流的要求修改了连接器的设计。
新的连接器设计与标准连接器是兼容的,因此,PoweredUSB产品也可以在不修改设置的前提下支持传统的USB连接。
主机连接器:
USBPlusPower,标准USB电缆连接器:
USBPlusPower,标准USB电缆
PoweredUSB的使用
InsideOutNetworks是DigiInternational属下的一家公司,该公司提供有多种PoweredUSB产品,从而为用户的这种新技术的采用提供各种灵活的运用。
1、用于服务器内部安装的多端口通用PCI主机控制卡
Hubport/PCI+
2、用于外部安装的多端口集线器
Hubport/4+
3、带USB-串口转换的多端口集线器
Edgeport/42+
4、应用在局域网上的USB集中器AnywhereUSB/4+
这里的每种解决方案都提供有多个USBPlusPower端口,分别用于PoweredUSB或标准USB设备的连接,从而可以让廉价的标准PC具备对多台外设(包括象打印机这样一些高功耗的外部设备)进行供电的能力。
一般来说,具备PoweredUSB支持能力的专用PC的成本要比标准PC的成本高许多(例如,500美元与2000美元的差距)。
但有了Digi的PoweredUSB解决方案,我们就不再需要昂贵的USBPlusPowerPC,同时也免去外置设备的各种电源和电源线的麻烦!
下面我们就来具体介绍每一种解决方案。
内置PoweredUSB解决方案
Digi的Hubport/PCI+是一种通用的PCI卡(支持3.3V或5V的PCI连接),它拥有4个USBPlusPower端口,可以安装在任何基于Windows的服务器上,实现4台外设的连接通信和设备供电。
该PCI卡
的供电可以直接来自它所安装的PC,或外置电源供应。
如下图所示,这种装有Hubport/PCI+的标准PC可以与4台USB或USBPlusPower设备实现通信连接和供电。
每台外设可以直接从PoweredUSB总线取电,从而无需额外的外置电源设备。
这种配置方式的好处包括:
•安装空间最小:
Hubport/PCI+安装在PC内部,外设无需外接电源;
•可以采用廉价的标准PC为多台外设(包括打印机这样的高功耗设备)供电,从而省去专用USBPlusPowerPC的昂贵费用;
•电源可以直接取自PC;
如果PC的电源容量不足,也可由一个统一的外置电源供电,而无需为每一台外设单独配备外置电源;
•Digi公司专利的挂接电源平衡技术可以在不耗用PC的5V或12V电源正常工作的情况下,为外设提供最高12V和24V电源电压;
•灵活的电源管理功能可以方便实现每台外设电源的独立开关及监视功能;
•电缆锁定机构可以为连接提供额外的安全保护;
•同时支持USBPlusPower和标准USB外设;
•拥有支持各种Windows操作系统的驱动程序。
外置PoweredUSB解决方案
Digi的Hubport/4+是一种外置的USB集线器,它拥有4个USBPlusPower端口,可以连接在任何基于Windows服务器的标准USB接口上,
实现4台外设的连接通信和设备供电。
该集线器由其自身的外部电源实现供电。
如下图所示,标准PC可以通过Hubport/4+实现与4台USB或USBPlusPower设备的通信连接和供电。
每台外设直接通过PoweredUSB总线取电,而无需额外的外置电源供应。
•灵活性最大:
Hubport/4+拥有USB标准的“即插即用”特点,并且不需要在PC内部进行安装;
•多个集线器可以象标准USB那样实现菊花链连接;
•拥有支持各种Windows操作系统的驱动程序;
•采用单一的外置电源供电,而无需为每一台外设另行配备外置电源;
•灵活的电源管理功能可以方便实现每台外部设备电源的独立开关及监视功能;
PoweredUSB与串行接口的混合解决方案
并非每一个PoweredUSB用户的外部设备都是采用USB总线,许多用户同时还在使用各种传统的串行接口设备。
对于此类用户,Digi的混合解决方案将是一个理想的解决方案,它将USBPlusPower与串行设备有机地结合在了一起。
Digi的Edgeport/42+是一种外置的USB集线器,它拥有4个USBPlusPower端口和2个串行端口,
这些端口均可以通过USB实现与任何基于Windows的服务器的连接,并与6台外设实现通信连接和电源供电。
该集线器由其自身的外置电源实现供电。
如下图所示,标准PC可以通过Edgeport/42+实现与4台USB或USBPlusPower设备的通信连接和供电。
每台外设直接通过PoweredUSB总线取电,而无需额外的外置电源设备。
另外,同一台PC还可以通过USB接口实现与2台RS-232串行接口设备的连接和数据访问。
•通过单一的外置集线器将标准USB、USBPlusPower和串行接口组合在一起;
Edgeport/42+拥有USB标准的“即插即用”特点,并且不需要在PC内部安装卡;
•采用单一的外部电源供电,而无需为每一台外设另行配备外部电源;
•灵活的电源管理功能可以方便实现每台或全部设备电源的独立开关及监视功能;
•同时支持USBPlusPower接口、标准USB接口和RS-232串行接口的外设连接;
应用在局域网上的PoweredUSB
Digi的AnywhereUSB/4+是一种基于以太网的USB集中器,它拥有4个USBPlusPower端口,可以通过任何标准以太网或无线局域网实现与远程服务器的连接通信,并为每台外设提供USB总线供电。
该集中器的供电则由其自身的外部电源实现。
如下图所示,标准PC可以通过以太网实现与AnywhereUSB/4+的远程通信,而后者则可以连接和供电到4台USB或USBPlusPower设备。
每台外设可以直接通过USB总线取电,而无需额外的外置电源设备。
•连接距离最长:
AnywhereUSB/4+使USB设备拥有以太网或无线局域网的访问能力,完全消除了连接距离的限制;
•可以采用廉价的标准PC实现多台外设(包括打印机这样的高功耗设备)的连接和供电,从而省去专用USBPlusPowerPC的昂贵费用;
•采用单一的外置部电源供电,而无需为每一台外设另行配备外部电源;
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