通用串行總線USB （Universal SerialBus）是Intel、Microsoft等大廠商為解決計算機外設(shè)種類的日益增加與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而于1995年提出制定的。它是一種用于將適用USB的外圍設(shè)備連接到主機的外部總線結(jié)構(gòu)，主要用在中速和低速的外設(shè)。USB同時又是一種通信協(xié)議，支持主機和USB的外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前較多設(shè)備支持的是USB1.1?1?，最新的USB2.0?3?已于2000年4月正式發(fā)布。

USB設(shè)備具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率、使用靈活、易擴展等優(yōu)點。

USB1.1有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為1.5Mbps，支持一些不需要很大數(shù)據(jù)吞吐量和很高實時性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等；全速模式為12Mbps，可以外接速率更高的外設(shè)。在剛剛發(fā)布的USB2.0中，增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達到480Mbps，可以滿足更加高速的外設(shè)的需要。

安裝USB設(shè)備不必打開主機箱，它支持即插即用（Plug and Play） 和熱插拔（Hot Plug）。當(dāng)插入USB設(shè)備的時候，主機檢測該外設(shè)并且通過自動加載相關(guān)的驅(qū)動程序來對該設(shè)備進行配置，并使其正常工作。

1 USB的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1物理結(jié)構(gòu)

USB的物理拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。在USB2.0中，高速方式下Hub使全速和低速方式的信令環(huán)境獨立出來，圖2中顯示了高速方式下Hub的作用。

通過使用集線器（Hub）擴展可外接多達127個外設(shè)。USB的電纜有四根線，兩根傳送的是5V的電源，另外的兩根是數(shù)據(jù)線。功率不大的外圍設(shè)備可以直接通過USB總線供電，而不必外接電源。USB總線最大可以提供5V 500mA電流，并支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。

1.2 USB設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)

USB的設(shè)備可以分成多個不同類型，同類型的設(shè)備可以擁有一些共同的行為特征和工作協(xié)議，這樣可以使設(shè)備驅(qū)動程序的編寫變得簡單一些。USB Forum在USB類規(guī)范?2?中定義了USB的設(shè)備類型，比如音頻、通信、HID、HUB等設(shè)備類。

每一個USB設(shè)備會有一個或者多個的邏輯連接點在里面?每個連接點叫端點。在USB的規(guī)范中用4位地址標(biāo)識端點地址，每個設(shè)備最多有16個端點。端點0都被用來傳送配置和控制信息。在NS公司的USB接口芯片USBN9602?4?中有7個端點。

管道實現(xiàn)了在主機的一個內(nèi)存緩沖區(qū)和設(shè)備的端點之間的數(shù)據(jù)傳輸，連接端點0的叫做缺省管道。管道是具有多個特征的信道，如帶寬分配，包大小，管道類別以及數(shù)據(jù)流向。管道有兩種類型分別是流管道（stream pipe）和消息管道（messagepipe）。流管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的內(nèi)容不具有USB要求的結(jié)構(gòu)，它是單向傳輸?shù)?；流管道支持批量、等時和中斷傳輸方式。而消息管道與流管道具有不同的行為。首先，由主機發(fā)請求給USB設(shè)備，然后在適當(dāng)?shù)姆较蛏蟼鬏敂?shù)據(jù)，最后是到達一個狀態(tài)階段。為了保證三個階段的數(shù)據(jù)傳輸，消息管道定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使命令可靠地被識別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。

對于同樣性質(zhì)的一組端點的組合叫做接口，如果一個設(shè)備包含不止一個接口就可以稱之為復(fù)合設(shè)備（見圖1）。

對于同樣類型接口的組合可以稱之為配置。但是每次只能有一個配置是可用的，而一旦該配置被激活，里面的接口和端點就都同時可以使用。主機從設(shè)備發(fā)過來的描述字中來判斷用的是哪個配置?哪個接口等等?而這些描述字通常是在端點0中傳送的。

1.3 USB通信分層模型

一臺主機到設(shè)備的連接需要許多層與實體之間的相互作用。USB總線接口層提供了主機和設(shè)備之間的物理／信令／包的連接。在系統(tǒng)軟件看來，USB設(shè)備層執(zhí)行的是一般的USB操作。功能接口層提供和應(yīng)用軟件層相對應(yīng)的附加功能。分層模型如圖3所示，雖然邏輯上USB設(shè)備層和功能層各自與主機上的相應(yīng)層通信，但物理上都是通過USB總線接口層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?


1.4 四種傳輸方式

USB提供了四種傳輸方式，以適應(yīng)各種設(shè)備的需要。這四種傳輸方式分別是：

控制傳輸方式：控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，主要用來進行查詢、配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令?？刂苽鬏斨饕迷谥饔嬎銠C和USB外設(shè)中端點0之間。

等時傳輸方式：等時傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間。它被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數(shù)據(jù)傳輸，或者用于要求恒定的數(shù)據(jù)傳送率的即時應(yīng)用中。例如進行語音業(yè)務(wù)傳輸時，使用等時傳輸方式是很好的選擇。

中斷傳輸方式：中斷方式傳送是單向的并且對于主機來說只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時查詢設(shè)備是否有中斷數(shù)據(jù)要傳送，該傳輸方式應(yīng)用在少量的、分散的、不可預(yù)測的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤、游戲桿和鼠標(biāo)就屬于這一類型。

大量傳輸方式：主要應(yīng)用在沒有帶寬和間隔時間要求的大量數(shù)據(jù)的傳送和接收，它要求保證傳輸。打印機和掃描儀屬于這種類型。

在開發(fā)USB設(shè)備時通過設(shè)置接口芯片中相應(yīng)的寄存器使端點處于不同的工作方式。

1.5 USB通信協(xié)議

USB的物理協(xié)議規(guī)定了在總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，一個全速的數(shù)據(jù)幀有1500字節(jié)，而對于低速的幀有187字節(jié)。幀的作用是分配帶寬給不同的數(shù)據(jù)傳送方式。

一個最小的USB的數(shù)據(jù)塊叫做包，包通常有同步信號，包標(biāo)識，地址、傳送的數(shù)據(jù)和CRC.包的ID由八位組成，其中后四位是糾錯位。根據(jù)包功能的不同，在USB1.1中定義了以下四類十種：

token OUT IN SOF SETUP

data DATA0 DATA1

handshake ACK NAK STALL

special PRE

在USB2.0中又增加了幾種類型的包以滿足高速傳輸?shù)男枰?。其中data類型增加了DATA2和MDATA，handshake類型增加了NYET，special類型則增加了ERR，SPLIT，PING，Reserved.

事務(wù)是在主機和設(shè)備之間不連續(xù)地數(shù)據(jù)交換。一個事務(wù)通常由主機開始，一般分三個階段，第一階段發(fā)送token包，第二階段發(fā)送是data包（可以向上也可以向下），在數(shù)據(jù)包傳送完之后，就會由設(shè)備返回一個handshake包。

當(dāng)客戶端程序通過一個USB管道發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，它首先會調(diào)用Win32API，API會發(fā)送一個IRP到USB設(shè)備驅(qū)動程序。USB設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)就是把客戶端的請求通過一個管道發(fā)送到外設(shè)合適的端點。為了實現(xiàn)這個任務(wù)，USB設(shè)備驅(qū)動程序會遞交請求給總線驅(qū)動程序，總線驅(qū)動程序可以把這些請求轉(zhuǎn)變成事務(wù)，然后將這些事務(wù)組合成幀在總線上傳輸。

1.6 USB帶寬分析舉例

在USB1.1標(biāo)準(zhǔn)中將其有效的帶寬分成幀，每幀通常是1ms長。但由于USB2.0的傳輸速率可高達480Mbps，因此在USB2.0增加了一種微幀，它只有原來幀的1／8，這使得在傳輸數(shù)據(jù)時使用更小的緩沖。在完成了系統(tǒng)的配置信息和連接之后，USB的主機就會對不同的端點和傳輸方式做一個統(tǒng)籌安排，用來適應(yīng)它的帶寬。對全速和低速的端點，系統(tǒng)為等時和中斷方式的傳輸保留整個帶寬的90％，即占每個幀時間的90％，剩下的就安排給控制方式傳送數(shù)據(jù)。在USB2.0中，對于高速的端點，則為等時和中斷方式的傳輸保留每個微幀的80％。

以等時傳輸為例，在某個配置中作為一個等時傳輸管道的端點，定義了它能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效負載的長度。USB系統(tǒng)軟件用這個長度限制去保證足夠的總線時間使每幀的內(nèi)容能容納最多的數(shù)據(jù)有效負載。如果有足夠的總線時間，配置才會建立。每個等時管道的數(shù)據(jù)有效負載可以是1，2，4，……，512，1023字節(jié)。

例如，當(dāng)數(shù)據(jù)包最大有效負載為512個字節(jié)時，一個全速幀（1500字節(jié)）最多可以傳輸2個這樣的包。除去協(xié)議開銷的18個字節(jié)，剩余458個字節(jié)可以用于其他事務(wù)的傳輸。因此每幀有效字節(jié)數(shù)為2個包的字節(jié)即1024字節(jié)，因此最大帶寬為1.024Mbyte／s，每個包的有效字節(jié)占整個幀的35％。同樣可推算，數(shù)據(jù)有效負載長度為64、128或256時其最大帶寬值最大，為1.28Mbyte／s.

在USB2.0高速工作方式下，每個等時管道的數(shù)據(jù)有效負載可以是1，2，4，……，2048，3072字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)有效負載長度為1024時其最大帶寬值最大，為5.7344Mbyte／s，每個包的有效字節(jié)占整個微幀的14％。

2 Windows USB驅(qū)動程序接口

USB的驅(qū)動程序和以往的直接跟硬件打交道的Win95的VxD（Virtual DeviceDriver）驅(qū)動程序不同，它屬于WDM（Windows DriverModel）類型的，Win98、Win2000等操作系統(tǒng)均支持該類型的驅(qū)動程序。WDM首先定義了一個基本的核心驅(qū)動程序模型，處理所有類型的數(shù)據(jù)，使驅(qū)動程序模型的內(nèi)核實現(xiàn)更加的固定。WDM驅(qū)動程序還是一種分層的程序結(jié)構(gòu)，可以看做是WindowsNT驅(qū)動程序的改進，WDM驅(qū)動程序支持即插即用、電源管理和WMI（Windows ManagementInstrumentation）特性。Win98和Win2000提供了一系列的系統(tǒng)驅(qū)動程序，它們具有為許多標(biāo)準(zhǔn)類型設(shè)備服務(wù)所需的所有基本功能。

USB的WDM驅(qū)動程序接口框圖如圖4所示。


Windows提供了USB的系統(tǒng)類驅(qū)動程序，它處理USB上的所有底層通信，這樣其他驅(qū)動程序就有了一個定義好的接口可以使用。USBHub.sys是USB集線器的驅(qū)動程序。USBD.sys是USB類驅(qū)動程序，它使用圖4中UHCD.sys或OpenHCI.sys分別驅(qū)動兩種類型的控制器 ?UHCI（USB Host Controller Driver），OHCI（Open Host ControllerInterface）。當(dāng)PCI枚舉器發(fā)現(xiàn)USB主機控制器后，就會裝入相關(guān)的驅(qū)動程序。

通常一些設(shè)備都需要開發(fā)者寫一個核模式的驅(qū)動程序來使硬件正常工作。在核模式下?驅(qū)動程序通過IRP（I／O Request Packet）來組織和操作一些由其他部分發(fā)過來的要求和命令。而IRP又是通過URB（USB Request Blocks）來實現(xiàn)的。但對于一些HID（Human Interface Device）的USB設(shè)備，象鍵盤、鼠標(biāo)和游戲操縱桿之類的設(shè)備可以被操作系統(tǒng)自動識別并且支持，開發(fā)者不需要再另寫驅(qū)動程序。

3 USB接口10M以太網(wǎng)卡的實現(xiàn)

3.1 選擇器件

目前市場上USB的接口產(chǎn)品有兩種，一種是集成了USB接口的單片機，另一種是不帶單片機的USB接口芯片。由于前者需要專用的開發(fā)機故開發(fā)成本較高，本文將介紹一種使用廉價USB接口芯片USBN9602（NS公司）加高速的51單片機實現(xiàn)10M以太網(wǎng)卡的方案。

在做設(shè)計之前一定要計算好外設(shè)所要求的帶寬和USB的速度是否匹配。一個USB以太網(wǎng)卡應(yīng)該包括USB通信接口（USBN9602）、8051單片機以及IEEE802.3的MAC層和物理層。USBN9602在全速工作方式下可以達到12Mbit／s，采用USBN9602基本可以滿足10M以太網(wǎng)的帶寬需求。為達到較高的傳輸速率，USBN9602還應(yīng)該用DMA方式與單片機通信。電路框圖如圖5所示。


3.2 設(shè)計單片機控制程序

對于單片機控制程序，目前沒有任何廠商提供自動生成微碼（firmware）的工具。USB單片機控制程序通常由三部分組成，第一、初始化單片機和所有的外圍電路（包括USBN9602）；第二、主循環(huán)部分，其任務(wù)是可以中斷；第三、中斷句柄，其任務(wù)是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。

3.3 開發(fā)USB網(wǎng)卡驅(qū)動程序

開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序通常采用WindowsDDK來實現(xiàn)，但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的Driver Works，BlueWaters的DriverWizard等軟件能夠方便地生成高質(zhì)量的USB的驅(qū)動程序。沒有DDK或WDM基礎(chǔ)的開發(fā)人員可使用KRFTech公司的開發(fā)軟件WinDriver，它的最新版本4.32已經(jīng)支持USB驅(qū)動程序的開發(fā)。最后的驅(qū)動程序調(diào)試工作可以使用Compuware的Softice或Microsoft的Windows Debugger來進行。

Windows下的網(wǎng)卡驅(qū)動程序需符合NDIS規(guī)范（Network Driver Interface Specification）。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序不直接調(diào)用操作系統(tǒng)的例程，而是通過NDIS進行系統(tǒng)調(diào)用，NDIS還根據(jù)需要調(diào)用了驅(qū)動程序提供的例程，共同完成網(wǎng)卡的功能。

USB網(wǎng)卡驅(qū)動程序可分為NDIS中間介質(zhì)小端口驅(qū)動程序和USB驅(qū)動程序兩部分，然后將兩部分驅(qū)動程序動態(tài)連接。如果USB設(shè)備未連接和被禁止，使USB驅(qū)動不可用，那么NDIS驅(qū)動會返回一個NOT＿AVAILABLE的狀態(tài)。這種實現(xiàn)方法可以保證用戶不必重新安裝NDIS或重啟就可以連接或拔掉USB設(shè)備。

4 小結(jié)與展望

目前Win98、Win2000和WinCE均支持USB設(shè)備，USB并且已經(jīng)得到了一個由450家技術(shù)公司組成的技術(shù)聯(lián)盟的支持，今后新PC都會裝有USB端口。APPLE公司更是推出了完全采用USB技術(shù)實現(xiàn)計算機與外設(shè)連接的新型計算機iMAC系列。市場上也已經(jīng)出現(xiàn)了越來越多的支持USB的外設(shè)，用戶將從中享受到對外設(shè)選擇范圍更廣和與外設(shè)數(shù)據(jù)交換速度更快的好處。據(jù)Dataquest公司統(tǒng)計結(jié)果顯示，2000年全球?qū)鄢鼋?億臺USB設(shè)備。

USB2.0已經(jīng)于2000年4月27日正式發(fā)布。USB2.0將向下兼容，使用與1.1版相同的電纜、連接器、軟件接口、拓撲結(jié)構(gòu)。對普通用戶來說，在使用時不會覺得有什么改變，但是USB2.0將可以達到480Mbps的高速，用戶將從2.0所提供的更高速的外設(shè)中受益。預(yù)計2000年第四季度USB2.0的外圍設(shè)備將試生產(chǎn)，2001年將投入商業(yè)生產(chǎn)，USB2.0使USB具有了更好的應(yīng)用前景。

作者：廣州五山華南理工大學(xué)電子與通信工程系９８級碩士研究生（510641）劉 炎 馮穗力 葉 梧 來源：