USB总线专题(一)——基础知识

2017/08/20 USB

1.基本概念介绍

USB (Universal Serial Bus)是1995年Microsoft、Compaq、IBM等公司联合制定的一种新的PC串行通信协议。它基于通用连接技术,实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。允许外设在开机状态下热插拔,最多可串接下来 127 个外设,它可以向低压设备提供5伏电源,同时可以减少 PC 机 I/O 接口数量。

2.USB版本

USB 1.0出现在1996年的,速度只有 1.5Mb/s

1998年升级为USB 1.1,速度也提升到 12Mb/s,称之为”full speed”

USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了 480Mbps,称之为“high speed”

USB3.0提供了十倍于USB 2.0的传输速度和更高的节能效率,速率最高达 5Gbps 被称为”super speed”。都可向下兼容。

3.USB的电气特性

USB 连接器包含四条线:2条用于电源供电(VBUS和GND),2条用于USB数据传输(D+和D-)。VBUS提供5V电源,电流可达500mAD+和D-为双向信号线,信号传输速率为12Mbps(每位83ns)。D+和D-信号电平为3.3V

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USB OTG接口中有5条线: 2条用来传送数据(D+ 、D-); 1条是电源线(VBUS); 1条则是接地线(GND)、1条是ID线

4.USB硬件接口

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现如今在移动设备使用比较多的为:

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5.USB的特点

1.可以热插拔,即插即用。

2.携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长,对用户来说,随身携带大量数据时,很方便。当然USB硬盘是首要之选了。

3.标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘,串口的鼠标键盘,并口的打印机扫描仪,可是有了USB之后,这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接,这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。

4.可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口,可以同时连接几个设备,如果接上一个有四个端口的USB HUB时,就可以再连上;四个USB设备,以此类推,尽可以连下去,将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题(注:最高可连接至127个设备)。

6.USB的拓朴结构

USB 的总线结构是采用阶梯式星形(tiered star)的拓扑(topology)结构,如下图所示。每一个星形的中心是集线器,而每一个设备可以通过集线器上的接口来加以连接。从图中可以看到USB的设各包含了两种类型:USB集线器与USB设备。位于最顶端的就是Host(主机端)。从Host的联机往下连接至Hub(集线器),再由集线器按阶梯式以一层或一阶的方式往下扩展出去,连接在下一层的设各或另一个集线器上。事实上,集线器也可视为一种设备。而其中最大层数为6层((包括最后一级设备后共7层))。每一个星形的外接点的数目可加以变化,一般集线器具有2、4或7个接口。

USB的拓扑体系由3种元素组成:主机(Root Hub与USB主机控制器是绑定在一起的)、Hub和设备。在PC平台上的USB中,PC就是主机和根Hub,用户可以将设备和下级Hub与之连接。而这些附加的Hub又可以连接更下一级的Hub和设备,从而构成了星形结构。

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图中的Hub是一类特殊的USB设备,它是一组USB的连接点,主机中有一个被嵌入的Hub叫根Hub(root Hub)。主机通过根Hub提供若干个连接点。为了防止环状连接,采用星形连接来体现层次性。

常见的主控制器规格有

OHCI:主要是非PC系统上的USB芯片,一般是USB1.1标准。

UHCI:主要是Intel和Via主板上的USB控制器芯片。一般是USB1.1标准。

EHCI:是Intel等几个厂商研发,并且兼容OHCI和UHCI。一般是USB2.0标准。

7.USB总线的总体结构

整个USB总线可以分为3个部分进行描述:USB连接、USB设备、USB主机。

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USB主机:      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连接:

  USB连接是指 USB 主机和 USB 设备的通信方式与方法,包括:总线拓扑(USB主机和设备之间的连接方式);层内关系(USB总线每一层中的任务);数据流模式(数据在USB总线上的流动方式);USB调度(USB提供一个共享的服从调度的互连)。      USB设备是通过USB总线连接到USB主机上的。USB总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑。处于每个星形拓扑中央的是hub(USB 集线器)。在主机和一个hub或者一个应用之间以及在hub和其它hub或应用之间都是一个点对点的连接。图1表示了USB的拓扑类型。   

8.USB设备探测

全速和低速设备通过其端接的上拉电阻的位置来区分。

◆ 全速设备端,D+线上接上拉电阻1.5K欧姆±5%

◆ 低速设备端接,D-线上接上拉电阻1.5K欧姆±5%

◆ 下行端口的下拉端接电阻为15K欧姆±5%连接到地(USB 主机端:提供USB接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体)

当USB下行端口没有连接设备时,由于下拉电阻的存在,使D+和D-上的电压为0,而当端口接上设备时,设备供电后,电源会通过上拉电阻(1.5K欧姆)和端口的下拉电阻(15K欧姆)分压,在D+或D-上产生一个正脉冲,而USB主机根据脉冲产生在哪根数据线上,来判断是全速还是低速。

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9.USB设备与USB驱动的匹配

USB 设备与 USB 驱动怎么匹配的呢?实际上 USB 设备中有一个模块叫固件,是固件信息和 USB 驱动进行的匹配。固件是固化在集成电路内部的程序代码,USB 固件中包含了 USB 设备的出厂信息,标识该设备的厂商 ID、产品 ID、主版本号和次版本号等。另外固件中还包含一组程序,这组程序主要完成 USB协议的处理和设备的读写操作。USB 设备固件和 USB 驱动之间通信的规范是通过 USB 协议来完成的。

参考:

1.总线接口与计算机通信(四)USB外部总线(初级认识)

2.USB拓扑结构和USB系统软硬件组成

3.USB物理总线的拓扑结构

4. USB系统结构

5.Linux下的USB总线驱动(01)——USB理论

6.USB总线的体系结构

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