關鍵詞：通用序列匯流排 USB介面 外圍介面標準
一、USB介面背景
在早期的計算機系統上常用串列埠或並口連線外圍裝置。每個介面都需要佔用計算機的系統資源(如中斷，I/O地址，DMA通道等)。無論是串列埠還是並口都是點對點的連線，一個介面僅支援一個裝置。因此每新增一個新的裝置，就需要新增一個ISA/EISA 或PCI卡來支援，同時系統需要重新啟動才能驅動新的裝置。
USB匯流排是INTEL、DEC、MICROSOFT、IBM等公司聯合提出的一種新的序列匯流排標準，主要用於PC機與外圍裝置的互聯。USB匯流排具有低、使用簡單、支援即插即用、易於擴充套件等特點，已被廣泛地用在PC機及嵌入式系統上。
二、USB匯流排優缺點
1.優 點
（1）使用簡單
所用USB系統的介面一致，連線簡單。系統可對裝置進行自動檢測和配置，支援熱插拔。新新增裝置系統不需要重新啟動。
（2）應用範圍廣
USB系統資料報文附加資訊少，頻寬利用率高，可同時支援同步傳輸和非同步傳輸兩種傳輸方式。一個USB系統最多可支援127個裝置。USB裝置的頻寬可從幾Kbps 到幾Mbps (在USB2.0版本，最高可達幾百Mbps)。一個USB系統可同時支援不同速率的裝置，如低速的鍵盤、滑鼠，全速的ISDN、語音，高速的磁碟、影象等(僅USB2.0版本支援高速裝置)。
（3）較強的糾錯能力
USB系統可實時地裝置插拔。在USB協議中包含了傳輸錯誤管理、錯誤恢復等功能，同時根據不同的'傳輸型別來處理傳輸錯誤。
（4）匯流排供電
USB匯流排可為連線在其上的裝置提供5V電壓/100mA電流的供電，最大可提供500mA的電流。USB裝置也可採用自供電方式。
（5）低成本
USB介面電路簡單，易於實現，特別是低速裝置。USB系統介面/電纜也比較簡單，成本比串列埠/並口低。
2.缺 點
USB技術還不是很成熟，特別是高速裝置。上現有的USB裝置價格都比較昂貴，但隨著USB技術的日益成熟，裝置的不斷增加和廣泛應用，其價格將會有所降低。
三、USB系統拓撲結構
一個USB系統包含三類硬體裝置: USB主機(USB HOST)、 USB裝置(USB DEVICE)、USB集線器(USB HUB)，如圖1所示。
（1）USB HOST
在一個USB系統中，若且唯若有一個USB HOST時，USB HOST有以下功能:
◇ 管理USB系統；
◇ 每毫秒產生一幀資料；
◇ 傳送配置請求對USB裝置進行配置操作；
◇ 對匯流排上的錯誤進行管理和恢復。
（2）USB DEVICE
在一個USB系統中，USB DEVICE和USB HUB總數不能超過127個。USB DEVICE接收USB匯流排上的所有資料包，通過資料包的地址域來判斷是不是發給自己的資料包：若地址不符，則簡單地丟棄該資料包；若地址相符，則通過響應USB HOST的資料包與USB HOST進行資料傳輸。
（3）USB HUB
USB HUB用於裝置擴充套件連線，所有USB DEVICE都連線在USB HUB的埠上。一個USB HOST總與一個根HUB (USB ROOT HUB)相連。USB HUB為其每個埠提供100mA電流供裝置使用。同時，USB HUB可以通過埠的電氣變化診斷出裝置的插拔操作，並通過響應USB HOST的資料包把埠狀態彙報給USB HOST。一般來說，USB裝置與USB HUB間的連線長度不超過5m，USB系統的級聯不能超過5級（包括ROOT HUB）。
四、USB匯流排資料傳輸
USB匯流排上資料傳輸的結構如圖2所示。
從物理結構上，USB系統是一個星形結構；但在結構上，每個USB邏輯裝置都是直接與USB HOST相連進行資料傳輸的。在USB匯流排上，每ms傳輸1幀資料。每幀資料可由多個數據包的傳輸過程組成。USB裝置可根據資料包中的地址資訊來判斷是否響應該資料傳輸。在USB標準1.1版本中，規定了4種傳輸方式以適應不同的傳輸需求：
（1）控制傳輸（control transfer）
控制傳輸傳送裝置請求資訊，主要用於讀取裝置配置資訊及裝置狀態、設定裝置地址，設定裝置屬性、傳送控制命令等功能。全速裝置每次控制傳輸的最大有效負荷可為64個位元組，而低速裝置每次控制傳輸的最大有效負荷僅為8個位元組。
（2）同步傳輸（isochronous transfer）
同步傳輸僅適用於全速/高速裝置。同步傳輸每ms進行一次傳輸，有較大的頻寬，常用於語音裝置。同步傳輸每次傳輸的最大有效負荷可為1023個位元組。
（3）中斷傳輸（interrupt transfer）
中斷傳輸用於支援資料量少的週期性傳輸需求。全速裝置的中斷傳輸週期可為1~255ms，而低速裝置的中斷傳輸週期為10~255ms。全速裝置每次中斷傳輸的最大有效負荷可為64個位元組，而低速裝置每次中斷傳輸的最大有效負荷僅為8個位元組。
（4）塊資料傳輸（bulk transfer）
塊資料傳輸是非週期性的資料傳輸，僅全速/高速裝置支援塊資料傳輸，同時，若且唯若匯流排頻寬有效時才進行塊資料傳輸。塊資料傳輸每次資料傳輸的最大有效負荷可為64個位元組。
五、典型應用
USB系統的典型應用如圖3所示。
在圖3所示系統中，顯示器、Audio、Modem皆為全速裝置，鍵盤、滑鼠為低速裝置。其資料傳輸為：
◇ USB HOST通過控制傳輸更改顯示器屬性。
◇ USB HOST通過塊資料傳輸將要顯示的資料送給顯示器。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改鍵盤、滑鼠屬性。
◇ USB HOST通過中斷傳輸要求鍵盤、滑鼠輸入讀入系統。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改Audio屬性。
◇ USB HOST通過同步傳輸與Audio裝置傳輸資料。
◇ USB HOST通過控制傳輸更改Modem屬性。
◇ USB HOST通過塊資料傳輸與Modem裝置傳輸資料
六、一個USB HOST介面的軟硬體設計
市場上現已有很多公司提供的USB介面器件，如PHILIPS的PDIUSBD11/PDIUSBD12，OKI的MSM60581，NATIONAL的USBN9602，LUCENT的USS-820/USS-620，SCANLOGIC的SL11，等等。
同時也有很多帶USB介面的處理器，如CYPRESS的EZ-USB，AMD的AM186CC，ATMEL的AT43320，MOTOROLA的PPC823/PPC850，等等。下面給出用SCANLOGIC的USB介面器件SL11HT實現嵌入式USB HOST的例子。
11HT特點
◇ 遵從USB1.1標準；
◇ 支援全速/低速傳輸；
◇ 支援主機/裝置端兩種模式；
◇ 3.3/5.0V供電；
◇ 片內包含256個位元組的SRAM；
◇ 48MHz晶振輸入。
當SL11HT被用作USB HOST介面時，對系統有以下要求:
◇ 由系統維護SOF幀數目；
◇ 由系統生成CRC5效驗碼；
◇ 要求系統中斷潛伏期小於1.5μs。
11HT介面硬體框圖
圖4簡單地給出了使用SL11HT擴充套件USB介面的框圖，更詳細的硬體連線圖請見參考文獻2,3。
HOST端軟體結構
USB HOST端軟體結構如圖5所示。
（1）USB介面驅動程式
USB介面驅動程式需實現以下功能:
◇ USB介面器件的初始化；
◇ 計算上層資料包的效驗和，傳送上層的資料包；
◇ 傳送SOF幀；
◇ 接收從USB介面傳送來的資料，並檢查資料的有效性；
◇ 將接收到的資料送往上層。
（2）USB協議棧驅動程式
USB協議棧驅動程式需實現以下功能:
◇ 提供與裝置驅動程式的介面；
◇ 讀取並解析USB裝置描述符，配置描述符；
◇ 為USB裝置分配唯一的地址；
◇ 使用預設的配置來配置裝置；
◇ 支援基本的USB命令請求；
◇ 連線裝置與相應的驅動程式；
◇ 轉發裝置驅動程式的資料包。
（3）裝置驅動程式
裝置驅動程式需實現以下功能:
◇ 提供與應用程式的介面；
◇ 讀取並解析USB裝置特有的描述符，獲得裝置提供的傳輸通道；
◇ 傳送裝置特有的和基本的USB命令請求；
◇ 通過裝置提供的傳輸通道與裝置進行資料傳輸；
◇ 通過USB命令請求重新配置裝置。