USB通用串行总线接口.ppt

一、USB简介 二、USB的性能特点与基本特性USB的物理接口和电气特性、USB系统组成及拓扑结构 三、USB的传输方式 四、USB接口芯片§3.2 USB通用串行总线接口一、USB 简介USB（Universal Serial Bus）通用串行总总线线是由Compaq、Digital Equipment、Intel、Microsoft、IBM、NEC及Northern Telecom等7家公司联联合开发发的一种流行的外设设接口标标准 ——1994年开始研究，——1996年 USB 1.0 速度只有1.5Mb/s ——1998年 USB 1.1版本传输传输 速率（两种模式）：低速（Low Speed）1.5Mbps全速(Full Speed)12Mbps——2000年4月 USB 2.0版本USB 2.0兼容所有USB 1.0外部设备设备 及电缆线电缆线 等，传输传输 速率达480Mbps （高速High Speed 系列）——2008年11月 USB 3.0版本 最大传输速率高达5.0Gb/s，也就是625MB/s ——Super Speed 引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态 USB的应用 ——USB2.0 标准的USB硬盘、扫描仪和数码相机、数码摄像机等需大数据量传输的新产品也已投入使用，其数据 传输速度已高达480Mb/s；——出现了USB转接设备，提供USB接口到其他接口的转 换，这样，非USB接口的外设就能间接地使用接USB接口 ，如USB到PS/2、USB到PCI等；新的专用测量仪器也与 PC机USB接口；——使用USB接口可使笔记本电脑的外设连接变得方便简 单，机箱上提供多个USB接口，USB光驱、USB软驱等作为配件，极大地方便了用户使用。

而且系统结构简单，可 以使更高主频的微处理器用于笔记本电脑中 ；二、USB的性能特点与基本 特性2.1 USB的性能特点 Ø 传输传输 速度快Ø 连连接简单简单 快捷 Ø 通用连连接器Ø 无须须外接电电源 数据线线供电电Ø 扩扩充外设设能力强Ø 不需要系统资统资 源Ø 错误检测错误检测 和恢复1)、传输速度快——USB低速1.5Mbps低速的USB支持低速设备，例如，调制解调器、键盘、鼠标、优盘、硬盘、光驱、网卡、扫描仪、数码相机等； ——USB全速12Mbps， USB全速的数据传输用于大范围的多媒体设备——USB 2.0高速数据传输速度可以高达480Mbps 2)、连接简单快捷可以热插拔，真正的“即插即用”设备连到USB时，不必打开机箱，也不必关闭主机电源，USB自检测，软件自动配置，完成后立刻就能使用3)、通用连接器USB用一种通用的连接器可以连接多种类型的外 设，其外型为4针插头mini USB(A型)、mini USB (B型)、USB (B型)、USB (A型)、USB (A型)A型连接头用于固定的外围设备；B型连接头用于经常插拔的设备； 4)、无须外接电源 数据线供电——由USB总线提供电源到外部设备，USB能提供 +5V/500mA的电源，供低功耗USB设备如USB键盘 、USB鼠标、优盘等作电源使用；高功耗的USB设 备,如扫描仪等仍需自带电源； ——USB还采用APM（Advanced Power Management）技术，可以有效地节省电源功耗。

如果3ms没有总线活动的话，USB会自动进入挂起 状态进入挂起状态的设备消耗的电流不超过500uA5)、扩充外设能力强USB采用星形层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机可以连接多达127个外设，用户不用担心要连接的设备数目会受到限制两个外设间的距离可达5米，扩充方便 6)、不需要系统资源USB设备不占用内存或I/O地址空间，而且也占用IRQ和DMA通道，所有事务处理都是由USB主机管理7)、错误检测和恢复USB事务处理包括错误保护机制，确保数据无错误发送在发生 错 误时，事务处理可以重来2.2、 USB的物理接口和电气特性 Ⅰ、接口信号线 连连接序号信号名称典型连连接线线1VBUS （USB电电源 ）红红2D+（正差分信号）白3D-（负负差分信号)绿绿4GND (USB地)黑 外层层屏蔽层层—收发器：对地电源电压为4.75~5.25V，设备吸入的最大电流 值为500mA ，D+、 D-上不加电压USB设备：高速在D+上加3.0~3.6V电压, 低速反之D+、D-线电气特性：无驱动：高速VD+ ＞ 2.7V, VD-＜0.8V, 低速反之；有驱动：高速VD+ ＞ 2.0V, VD-＜2.0V, 低速反之。

D+、D-线信号特性：高电平：VD+ － VD-＞200mV，VD+ ＞2.0V ；低电平：VD- － VD+ ＞200mV，VD- ＞2.0V D+、D-线数据特性：NRZI（不归零反向码）逻辑0：D+、D-线上电平高、低间跳变；逻辑1：D+、D-线上电平不变Ⅱ、电气特性全速全速/ /低速低速USBUSB总线设备连接方法总线设备连接方法全速设备：D+上接1.5k上拉电阻；低速设备： D-上接1.5k上拉电阻；Ⅲ、电源• USB系统可以通过USB线缆为其外设提供不高于 +5V、500mA的总线电源 – 完全依靠USB线缆来提供电源的器件被称为总线驱动 器件(Bus-powered device), – 自带电源的器件则被称为自驱动外设(Self-powered device) • 当一个外设初次连接时，器件的配置和分类并不 使用外设自带的电源，而是通过USB线缆提供的 电源来使外设处于Powered状态 Ⅳ、电源管理系统• 设备挂起(Suspend) – 在外设长时间(3.0ms以上)处于非使用状态时，USB 系统自动将该设备挂起(Suspend)， – 当一台USB外设处于挂起状态时，USB总线通过USB 线缆为该设备仅仅提供500μA以下的电流，并把该外设 所占用的USB带宽分配给其它的USB外设。

• 唤醒(Resume) – 当外设处于挂起状态时，必须先通过主机使该设备“唤 醒” ，然后才可以执行USB操作 •USB总线系统中的设备可以分为三个类型 – USB主机（ USB主控制器/根集线器(USB Host) ）：只 能有一个，管理USB系统，每秒产生一帧数据；发送配置 请求对USB设备进行配置操作，对总线上的错误进行管理 和恢复 –USB 集线器（HUB）：类似于网络集线器，完成USB 设备的添加（扩展）、删除和电源管理等 –USB总线设备（USB功能外设） •组成金字塔型结构，最多可连接7层，127台设备Ⅴ、USB设备及其体系结构USB系统拓扑结构 USB协议定义了在USB系统中主控制器Host与USB设备间的连接和 通信，其物理拓扑结构是金字塔型的层层向上方式允许最多连接 127个设备，最上层是USB主控制器ⅥⅥ、、USBUSB系统软件组成系统软件组成ØØ 主控制器驱动程序主控制器驱动程序在主控制器与USB设备之间建立通信通道，负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，负责将USB事物发送给USB主控制器芯片，最终将串行数据发送到电缆上 ØØ 设备驱动程序设备驱动程序驱动USB设备的程序，由操作系统或USB设备制造商提供 ØØ USBUSB芯片驱动程序芯片驱动程序在设备设置时读取描述寄存器以获取USB设备的特征，并根据这些特 征，在请求发送时组织数据传输。

三、USB的传输传输 方式 USB有4种基本的传输方式: ü 批处理方式ü 中断传输传输 方式ü 等时传输方式ü 控制传输传输 方式 ⒈） 批处理方式批处处理可以是单单向，也可以是双向它 用于传输传输 大批数据，这这种数据传输传输 的时时 间间性不强，但要确保数据的正确性在数 据包的传输过传输过 程中，出现错误现错误 ，则则需重 新传输传输 其典型的应应用是扫扫描仪仪、打印机 和数码码相机 中断传输传输 是单单向的，且仅输仅输 入到主机，它用于不固定 的、少量的数据传输传输 ，但这这些数据需要及时处时处 理当设设 备备需要主机为为其服务时务时 ，向主机发发送此类类信息以通知主 机，像键盘键盘 、鼠标标之类类的输输入设备设备 采用这这方式USB的中 断传输传输 是Polling（查询查询 ）类类型主机要频频繁地请请求端点 输输入USB设备设备 在全速情况下，其端点Polling周期为为1～ 255ms；对对于低速情况，Polling周期为为10～255ms因此 ，最快的Polling频频率是1ｋHz在信息的传输过传输过 程中， 如果出现错误现错误 ，则则需将在下一个Polling中重新传输传输 ⒉） 中断传输等时传输时传输 也称同步传输传输 ，可以单单向也可以双 向，用于传输连续传输连续 性、实时实时 的数据。

这这种方式 的特点是要求传输传输 速率固定，时间时间 性强，忽略 传输错误传输错误 ，即传输传输 中出错错也不重传传因为这样为这样 会影响传输传输 速率传输传输 的最大数据包是 1024B/ms如视频设备视频设备 、数字声音设备设备 采用这这种方式 ⒊） 等时传输控制传输传输 是双向的，它的传输传输 有2～3个阶阶 段：Setup阶阶段（可以没有） ，Data阶阶段和 Status阶阶段在Setup阶阶段，主机传传送命 令给设备给设备 ；在Data阶阶段，传输传输 的是Setup 阶阶段所设设定的数据；Status阶阶段，设备设备 返 回握手信号给给主机 ⒋） 控制传输四、四、USBUSB接口芯片接口芯片常用的常用的USBUSB接口方法有两种：接口方法有两种：ØØ 采用专用的采用专用的USBUSB接口器件；接口器件；只处理ＵＳＢ通信，必须被一个外部微处理器所控只处理ＵＳＢ通信，必须被一个外部微处理器所控 制 如：如：Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的PDIUSBD11PDIUSBD11（（D D１２１２）、）、 NetChipNetChip公司的公司的NET2888NET2888，，NSNS公司的公司的 USBN9603/9604USBN9603/9604 ØØ选用内部集成选用内部集成USBUSB接口的单片机。

接口的单片机INTELINTEL的的8X9308X930系列，系列，CYPRESSCYPRESS公司的公司的EZ-USBEZ-USB，，MOTOROLAMOTOROLA公司的公司的MC68HC908JB8MC68HC908JB8系列等系列等 4.1 USB4.1 USB专用接口芯片专用接口芯片PDIUSBD12PDIUSBD12 特性： p 符合通用串行总线 USB 1.1 版规范 p 高性能 USB 接口器件， 集成了 SIE FIFO 存储器 收发器以及电压调整器 p 可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口 2M 字节/秒 p 完全自治的直接内存存取 DMA 操作 p 集成 320 字节多结构 FIFO 存储器 p 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 p 在批量模式和同步模式下均可实现 1M 字节/秒的数据传输速率 p 具有良好 EMI 特性的总线供电能力 p 在挂起时可控制 LazyClock 输出 p 可通过软件控制与 USB 的连接 p 采用 GoodLink 技术的连接指示器,在通讯时使 LED 闪烁 p 可编程的时钟频率输出 p 符合 ACPI OnNOW 和 USB 电源管理的要求 p 内部上电复位和低电压复位电路 p 有 SO28 和 TSSOP28 封装，工业级操作温度- 40 ~+85 p 高于 8kV 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 p 双电源操作 3.3±0.3V 或扩展的 5V 电源,范围为 3.6~5.5V p 多中断模式实现批量和同步传输 PDIUSBD12PDIUSBD12的功能框图的功能框图模拟收发器：可以直接与 US。