初学入门版USB的通讯协议

第16章 USB接口与编程实例 主要内容： USB概述 USB设备 USB物理特性 USB通信协议 JB8的USB模块的编程方法

《嵌入式技术基础与实践》

16.1 USB概述

USB协议有两种：USB1.1和USB2.0。

USB2.0和USB1.1完全兼容。USB1.1支持的 数据传输率为12Mbps和1.5Mbps(用于慢 速外设),USB2.0支持的数据传速率可达 480Mbps。在普通用户看来，USB系统就是 外设通过一根USB电缆和PC机连接起来。 通常把外设称为USB设备，把其所连接的 PC机称为USB主机。将指向USB主机的数据 传输方向称为上行通信，把指向USB设备的 数据传输方向称为下行通信。《嵌入式技术基础与实践》

16.1 USB概述

USB网络采用阶梯式星形拓扑结构，如图

16-1。一个USB网络中只能有一个主机。 主机内设置了一个根集线器，提供了主机 上的初始附属点。PC主机 (根集线器) (根阶梯) 阶梯0

集线器 (复合设备)

游戏杆

USB设备阶梯1 USB设备

集线器

扫描仪

鼠标

阶梯2

图16-1 USB主机和USB设备的连接 《嵌入式技术基础与实践》

16.1 USB概述 主机定时对集线器的状态进行查询。当一个新设备接入集线器时，主机会检测到集线器状态改变， 主机发出一个命令使该端口有效并对其进行设置。 位于这个端口上的设备进行响应，主机收到关于 设备的信息，主机的操作系统确定对这个设备使 用那种驱动程序，接着设备被分配一个唯一标识 的地址，范围从0~127,其中0为所有的设备在 没有分配惟一地址时使用的默认地址。主机向它 发出内部设置请求。当一个设备从总线上移走时， 主机就从其可用资源列表中将这个设备删除。

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16.2 USB系统基本概念 16.2.1 USB主机USB的所有数据通信(不论是上行通信还是下行 通信)都由USB主机启动，所以USB主机在整 个数据传输过程中占据着主导地位。在USB系 统中只允许有一个主机。从开发人员的角度看， USB主机可分为三个不同的功能模块：客户软 件、USB系统软件和USB总线接口。 (1) 客户软件 (2) USB系统软件 (3) USB总线接口

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16.2.1 USB主机

16.2 USB系统基本概念– (1) 客户软件 客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现其 特定功能。一般由开发人员自行开发。客户软件不能直接访 问USB设备，其与USB设备功能单元的通信必须经过USB系 统软件和USB总线接口模块才能实现。客户软件一般包括 USB设备驱动程序和界面应用程序两部分。 USB设备驱动程序负责和USB系统软件进行通信。通常， 它向USB总线驱动程序发出I/O请求包(IRP)以启动一次 USB数据传输。此外，根据数据传输的方向，它还

应提供一 个或空或满的数据缓冲区以存储这些数据。 界面应用程序负责和USB设备驱动程序进行通信，以控制 USB设备。它是最上层的软件，只能看到向USB设备发送的 原始数据和从USB设备接收的最终数据。《嵌入式技术基础与实践》

16.2 USB系统基本概念 16.2.1 USB主机 (2) USB系统软件

USB系统软件负责和USB逻辑设备进行配置通信， 并管理客户软件启动的数据传输。USB逻辑设备是 程序员与USB设备打交道的部分。USB系统软件一 般包括USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序 这两部分。这些软件通常由操作系统提供，开发人员 不必掌握。

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16.2 USB系统基本概念 16.2.1 USB主机 (3) USB总线接口USB总线接口包括主控制器和根集线器两部分。 根集线器为USB系统提供连接起点，用于给USB系 统提供一个或多个连接点(端口)。主控制器负责完 成主机和USB设备之间数据的实际传输，包括对传 输的数据进行串行编解码、差错控制等。该部分与 USB系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现， 开发人员不必掌握。

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16.2 USB系统基本概念 16.2.2 USB设备一个USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑 设备和功能单元。这里的USB总线接口指的是USB设备中的串行接口 引擎(SIE);USB逻辑设备被USB系统软件看作是一个端点的集合； 功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。SIE、端点和接口都是 USB设备的组成单元。为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了 设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备是由一些配置、 接口和端点组成的，即一个USB设备可以含有一个或多个配置，在每 个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。 其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点 来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步 骤一般是在设备接入主机时设备进行自举时完成的，我们在后面会进 一步介绍。USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描 述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，它 们通常被保存在USB设备的固件程序中。 《嵌入式技术基础与实践》

16.2 USB系统基本概念 16.2.2 USB设备①设备 设备代表一个USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述 符用于说明设备的总体信息，并指明其所含的配置的个数。一个USB 设备只能有一个设备描述符。 ②配置 一个USB设备可以包含一个或多个配置，如USB设备的低功耗 模式和高功耗模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前，必须为 其选择一

个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的 特性，如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一 个配置描述符。 ③接口 一个配置可以包含一个或多个接口，如对一个光驱来说，当用 于文件传输时使用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其 音频接口。接口是端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置，用 户能够在USB处于配置状态时，改变当前接口所含的个数和特性。接 口描述符用于说明USB设备中各个接口的特性，如接口所属的设备类 及其子类等。USB设备的每个接口都必须有一个接口描述符。 《嵌入式技术基础与实践》

16.2 USB系统基本概念 16.2.2 USB设备 ④端点端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和 USB设备各个端点之间进行的。端点一般由USB接口芯片提供，例如 Freescale的MC68HC908JB8。USB设备中的每一个端点都有唯一 的端点号，每个端点所支持的数据传输方向一般而言也是确定的：或 是输入(IN)或是输出(OUT),也有些芯片提供的端点的数据方 向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有两个用于数据收发的 端点：端点1和端点2。其中端点1只能用于数据发送，即支持输入 (IN),端点2既能用于数据发送也可用于数据接收，即支持输入 (IN)和输出(OUT)操作。需要注意的是，在这里数据的传输方 向是站在主机的立场上来看得。比如端点1只能发送数据，在主机看 来是端点1向主机输入数据，即IN操作；当端点2配置为接收数据时， 主机向端点2输出数据，即OUT操作。这一点是初学者比较容易产生 混淆的地方。 利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并和它 进行通信。 0号端点比较特殊，它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理 单元，且只能支持控制传输。 《嵌入式技术基础与实践》

16.2 USB系统基本概念 16.2.2 USB设备 ⑤字符串在USB设备中通常还含有字符串描述符，以说明一些专用信息， 如制造商的名称、设备的序列号等。它的内容以UNICODE的形式给 出，且可以被客户软件所读取。对USB设备来说，字符串描述符是可 选的。 ⑥管道 在USB系统结构中，可以认为数据传输是在主机软件(USB系 统软件或客户软件)和USB设备的各个端点之间直接进行的，它们之 间的连接称为管道。管道是在USB设备的配置过程中建立的。管道是 对主机和USB设备间通信流的抽象，它表示主机的数据缓冲区和USB 设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总 线接口层来完成的。 管道和USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有多少个 端点，其和主机进行通信时

就可以使用多少条管道，且端点的类型决 定了管道中数据的传输类型，如中断端点对应中断管道，且该管道只 能进行中断传输。传输类型在后面会介绍。不论存在着多少条管道， 在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。 《嵌入式技术基础与实践》

16.3 USB物理特性 16.3.1 USB接口USB使用一根屏蔽的4线电缆与网络上的设备进行互 联。数据传输通过一个差分双绞线进行，这两根线分别标 为D+和D-,另外两根线是Vcc和Ground,其中Vcc向 USB设备供电。使用USB电源的设备称为总线供电设备， 而使用自己外部电源的设备叫做自供电设备。为了避免混 淆，USB电缆中的线都用不同的颜色标记，如表16-1所 示。 引脚编号 信号名称 缆线颜色1 2 3 4 Vcc Data-(D-) Data+(D+) Ground 红 白 绿 黑

表16-1 USB缆线的信号与颜色 《嵌入式技术基础与实践》

16.3 USB物理特性16.3.1 USB接口从一个设备连回到主机，称为上行连接；从主机到设备 的连接，称为下行连接。为了防止回环情况的发生，上行和 下行端口使用不同的连接器所以USB在电缆和设备的连接中 分别采用了两种类型的连接头，即图16-2所示的A型连接头 和B型连接头。每个连接头内的电线号与图16-2的引脚编号 是一致的。A型连接头，用于上行连接，即在主机或集线器 上有一个A型插座，而在连接到主机或集线器的电缆的一端 是A型插头。在USB设备上有B型插座，而B型插头在从主机 或集线器接出的下行电缆的一端。采用这种连接方式，可以 确保USB设备、主机/集线器和USB电缆始终以正确的方式 连接，而不出现电缆接入方式出错，或直接将两个USB设备 连接到一起的情况。4 3 2 11 4 2 3

A型连接头

B型连接头

《嵌入式技术基础与实践》 图16-2 USB连接头

16.3.2 USB信号

16.3 USB物理特性(1) 差分信号技术特点 传统的传输方式大多使用“正信号”或者“负信号” 二进制表达机制，这些信号利用单线传输。用不同的信号电 平范围来分别表示1和0,它们之间有一个临界值，如果在 数据传输过程中受到中低强度的干扰，高低电平不会突破临 界值，那么信号传输可以正常进行。但如果遇到强干扰，高 低电平突破临界值，由此造成数据传输出错。差分信号技术 最大的特点是：必须使用两条线路才能表达一个比特位，用 两条线路传输信号的压差作为判断1还是0的依据。这种做 法的优点是具有极强的抗干扰性。倘若遭受外界强烈干扰， 两条线路对应的电平同样会出现大幅度提升或降低的情况， 但二者的电平改变方向和幅度几乎相同，电压差值就可始终 保持相对稳定，因此数据的准确性并不会因干扰噪声而有所 降低。《嵌入式

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(2)USB通信的格式NRZI编码器 差分驱动器 电缆段 D+ D差分驱动器 NRZI解码器

图16-3 在USB电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输

USB的数据包使用反向不归零编码(NRZI)。图16-3描述了在 USB电缆段上传输信息的步骤。反向不归零编码由传送信息的 USB代理程序完成；然后，被编码的数据通过差分驱动器送到 USB电缆上；接着，接收器将输入的差分信号进行放大，将其送 给解码器。使用该编码和差动信号传输方式可以更好地保证数据 的完整性并减少噪声干扰。

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(2)USB通信的格式空闲 数据 01 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0

反 向 不 归零码

图16-4 反向不归零编码

使用反向不归零编码方式可以保证数据传输的完整性，而且不 要求传输过程中有独立的时钟信号。反向不归零编码不是一个 新的编码方式。它在许多方面都有应用。图16-4给出了一个数 据流和编码之后的结果。在反向不归零编码时，遇到“0”转换， 遇到“1”保持。反向不归零码必须保持与输入数据的同步性， 以确保数据采样正确。反向不归零码数据流必须在一个数据窗 口被采样，无论前一个位时间是否发生过转换。解码器在每个 位时间采样数据以检查是否有转换。 《嵌入式技术基础与实践》

(2)USB通信的格式空闲 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1

数据 填充位填充后数 据 双向不归零码 图16-5在USB电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输

若重复相同的“1”信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐的积累， 而导致接收器最终丢失同步信号的状况，使得读取的时序会发生严重的错误。因此，在 NRZI编码之间，还需执行所谓的位填充的工作。位填充要求数据流中如果有连续的六个 “1”就要强行转换。这样接收器在反向不归零码数据流中最多每七个位就检测到一次跳 转。这样就保证了接收器与输入数据流保持同步。反向不归零码的发送器要把“0”(填 充位)插到数据流中。接收器必须被设计成能够在连续的六个“1”之后识别一个自动跳 转，并且立即扔掉这六个“1”之后的“0”位。 图16-5的第一行是送到接收器的原始数据。注意数据流包括连续的八个“1”。第二 行表示对原始数据进行了位填充，在原始的第六个和第七个“1”之间填入了一个“0”。 第七个“1”延时一个位时间让填充位插入。接收器知道连续六个“1”之后将是一个填充 位，所以该位就要被忽略。注意，如果原始数据的第七个位是“0”,填充位也同样插入， 在填充过的数据流中就会有两个连续的“0”。

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16.3 USB物理特性16.3.3

检测设备连接和速度

在USB设备连接时，USB系统能自动检测到这个连接，并识别出

其采用的数据传输速率。USB采用在D+或D-线上增加上拉电阻 的方法来识别低速和全速设备。USB支持三种类型的传输速率： 1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速 传输。如图16-6和图16-7所示。当主控制器或集线器的下行端 口上没有USB设备连接时，其D+和D-线上的下拉电阻使得这两 条数据线的电压都是近地的(0V);当全速/低速设备连接以后， 电流流过由集线器的下拉电阻和设备在D+/D-的上拉电阻构成 的分压器。由于下拉电阻的阻值是15KΩ,上拉电阻的阻值是 1.5KΩ,所以在D+/D-线上会出现大小为(Vcc*15/ (15+1.5))的直流高电平电压。当USB主机探测到D+/D-线 的电压已经接近高电平，而其它的线保持接地时，它就知道全速 /低速设备已经连接了。《嵌入式技术基础与实践》

16.3 USB物理特性16.3.3 检测设备连接和速度Vcc+5V USB 主机 D+ USB数据线 D地 15千欧 D15千欧 低速USB设备电缆和电阻的连接 Vcc 1.5千欧 D+ USB 低速 设备

+5V USB 主机D+ USB数据线 D地 15千欧 15千欧

1.5千欧 D+ DUSB 全速 设备

全速USB设备电缆和电阻的连接

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16.4 USB的通讯协议16.4.1 包包(Packet)是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是 经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段 (SYNC)、包标识符字段(PID)、数据字段、循环冗余校验字段 (CRC)和包结尾字段(EOP),包的基本格式如下图：同步字段(SYNC) PID字段 数据字段 CRC字段 包结尾字段(EOP)

1、SYNC字段:由8位组成，作为每个数据封包的前导，用来产 生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为 00000001。 2、PID字段:用来表示数据封包的类型。包标识符中的校验字段 是通过对类型字段的每个位求反码产生的， PID字段如下图所示：PID0 PID1 PID2 PID3 PID0 PID1 PID2 PID3

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