微机接口技术第七章USB通用串行总线.ppt

第7章 USB通用串行总线 7.1 概述 问题的提出 外设与CUP的连接存在接口标准各自独立、互不兼容、无法共享的连接头问题，并且安装、配置麻烦。 解决基本思路 采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的软件，实现资源共享和外设简单快速连接，提供设备共享接口来解决PC机与外部设备连接的通用性。 USB的主要优点： 速度快 USB1.1: 有全速和低速两种方式，主模式为全速模式，速率为12Mbps，另外为了适应一些不需要很大吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等，USB还提供低速方式，速率为1.5Mbps。 USB2.0: 2000年9月推出的USB2.0协议将使其速率达到480Mbps，它非常适用于一些视频输入/输出产品，并替代SCSI接口标准。 USB3.0:英特尔惠普共推USB3.0标准, 传输速度提升10倍,该标准将于2008年上半年问世 。 设备安装和配置容易 安装USB设备不必再打开机箱，所有USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。 实现成本低 USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。 易于扩展 通过使用Hub扩展可驳接多达127个外设。标准USB电缆长度为3米（低速为5米）。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30米。 使用灵活 USB共有4种传输模式：控制传输（control）、同步传输（Synchronization）、中断传输（interrupt）、块传输（bulk），以适应不同设备的需要。 能够采用总线供电 USB工作在5V电压下，总线提供最大达500mA电流。 USB信号线 USB主机或根HUB对设备提供的对地电源电压为4.75~5.25V。设备能吸入的最大电流值为500mA。 USB设备的电源供给有两种方式：自给方式（设备自带电源）和总线供给方式。USB Hub是前一种方式。 USB主机有一个独立于USB的电源管理系统（APM）。USB系统软件通过与主机电源管理系统交互来处理诸如挂起、唤醒等电源事件。 7.2 USB系统结构 USB系统定义 一个USB系统为USB主机(host)、USB设备(devices)和USB的互连(Interconnect)三个部分组成。 什么叫USB的互连? 是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作。它包括总线拓扑结构、通信各层的任务和相互关系、数据流模型以及主机与多路USB设备通信时的带宽分配等内容。 USB总线拓扑结构 USB总线连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接采用阶梯式星型拓扑结构。 每个集线器是在星型的中心，节点代表功能部件和设备,从主机到集线器，或是从集线器到集线器(或设备)，每条线段是点对点连接。 USB主机 在一个USB系统中只有一台主机。主机的USB接口称为USB主机控制器，通过它主机和外围USB设备进行通信。 USB主机控制器/根Hub(USB Host Controller/Root Hub)分别完成对传输的初始化和设备的接入。 帧产生 USB系统采用帧同步方式传输数据。 主机控制器将时间划分为以1ms为单位的帧，并以每间隔1ms时间产生帧开始SOF(Start-of-Frame) 令牌标识新的一帧开始。 在SOF令牌之后，主机控制器传输其它的数据。 HUB功能 一个USB集线器由控制器（Controller）和中继器(Repeater) 两部分组成。 中继器是一个上游端口和下游端口之间的开关 (Switch)，由协议控制。 它能由硬件产生复位（Reset），休眠（Suspend）和恢复（Resume）信号。控制器提供接口寄存器，用于和主机通信。 根据集线器特定的状态，主机使用一定的控制命令可对集线器进行配置，检查各端口并对它们进行控制。 功能设备能在总线上发送和接收数据或控制信息，它是完成某项具体功能的硬件设备，如鼠标、键盘等。 每个设备中有一个或多个逻辑连接点，称为端点（Endpoint）。端点在硬件上其实是一个有一定深度的FIFO。 端点和主机共有四种形式的数据传输类型，在设备配置时每个端点指明它与主机进行何种类型的传输。 所有设备都有一个端点0，主机与它通信，对设备进行配置和基本的控制。 7.3 USB数据流模型 端点(Endpoint) 在USB接口中再也不用考虑I/O地址空间、IRQ线及DMA通道的问题。只给每个USB外设分配一个逻辑地址，但并不指定分配任何系统资源。 而USB外设本身应包含一定数量的独立寄存器端口，并能由USB设备驱动程序直接操作。这些寄存器也就是USB设备的端点（Endpoint）。