摘要：以ＵＳＢ１．１為基礎(chǔ)討論了ＵＳＢ的基本原理、工作流程、通信協(xié)議和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了一種ＵＳＢ接口的１０Ｍ以太網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方案。已經(jīng)發(fā)布的ＵＳＢ２．０支持４８０Ｍｂｐｓ的高速數(shù)據(jù)傳輸，這將使ＰＣ可以通過(guò)ＵＳＢ接口傳輸更高速更大量的數(shù)據(jù)。還論述了ＵＳＢ２．０的改進(jìn)和優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：通用串行總線(ＵＳＢ) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 ＷＤＭ
通用串行總線ＵＳＢ (Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ＳｅｒｉａｌＢｕｓ)是Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ等大廠商為解決計(jì)算機(jī)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(jī)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(shí)又是一種通信協(xié)議，支持主機(jī)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ＵＳＢ１．１１，最新的ＵＳＢ２．０３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(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
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(shí)時(shí)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(dá)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(kāi)主機(jī)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(shí)候，主機(jī)檢測(cè)該外設(shè)并且通過(guò)自動(dòng)加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)該設(shè)備進(jìn)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?fù)浣Y(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(dú)立出來(lái)，圖２中顯示了高速方式下Ｈｕｂ的作用。
通過(guò)使用集線器(Ｈｕｂ)擴(kuò)展可外接多達(dá)１２７個(gè)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(guò)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(jī)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(gè)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(dòng)程序的編寫變得簡(jiǎn)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(gè)ＵＳＢ設(shè)備會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)的邏輯連接點(diǎn)在里面每個(gè)連接點(diǎn)叫端點(diǎn)。在ＵＳＢ的規(guī)范中用４位地址標(biāo)識(shí)端點(diǎn)地址，每個(gè)設(shè)備最多有１６個(gè)端點(diǎn)。端點(diǎn)０都被用來(lái)傳送配置和控制信息。在ＮＳ公司的ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２４中有７個(gè)端點(diǎn)。
管道實(shí)現(xiàn)了在主機(jī)的一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)和設(shè)備的端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，連接端點(diǎn)０的叫做缺省管道。管道是具有多個(gè)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)模涣鞴艿乐С峙�、等時(shí)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(jī)發(fā)請(qǐng)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(dá)一個(gè)狀態(tài)階段。為了保證三個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳輸，消息管道定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使命令可靠地被識(shí)別和傳輸。消息管道是雙向的，它只支持控制傳輸方式。
對(duì)于同樣性質(zhì)的一組端點(diǎn)的組合叫做接口，如果一個(gè)設(shè)備包含不止一個(gè)接口就可以稱之為復(fù)合設(shè)備(見(jiàn)圖１)。
對(duì)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(gè)配置是可用的，而一旦該配置被激活，里面的接口和端點(diǎn)就都同時(shí)可以使用。主機(jī)從設(shè)備發(fā)過(guò)來(lái)的描述字中來(lái)判斷用的是哪個(gè)配置哪個(gè)接口等等而這些描述字通常是在端點(diǎn)０中傳送的。
１．３ ＵＳＢ通信分層模型
一臺(tái)主機(jī)到設(shè)備的連接需要許多層與實(shí)體之間的相互作用。ＵＳＢ總線接口層提供了主機(jī)和設(shè)備之間的物理／信令／包的連接。在系統(tǒng)軟件看來(lái)，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(duì)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(jī)上的相應(yīng)層通信，但物理上都是通過(guò)ＵＳＢ總線接口層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/P>
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(lái)進(jìn)行查詢、配置和給ＵＳＢ設(shè)備發(fā)送通用的命令。控制傳輸主要用在主計(jì)算機(jī)和ＵＳＢ外設(shè)中端點(diǎn)０之間。
等時(shí)傳輸方式：等時(shí)傳輸提供了確定的帶寬和間隔時(shí)間。它被用于時(shí)間嚴(yán)格并具有較強(qiáng)容錯(cuò)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(shí)應(yīng)用中。例如進(jìn)行語(yǔ)音業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，使用等時(shí)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(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)只有輸入的方式。中斷傳輸方式主要用于定時(shí)查詢?cè)O(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(cè)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(méi)有帶寬和間隔時(shí)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(jī)和掃描儀屬于這種類型。
在開(kāi)發(fā)ＵＳＢ設(shè)備時(shí)通過(guò)設(shè)置接口芯片中相應(yīng)的寄存器使端點(diǎn)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(gè)全速的數(shù)據(jù)幀有１５００字節(jié)，而對(duì)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(gè)最小的ＵＳＢ的數(shù)據(jù)塊叫做包，包通常有同步信號(hào)，包標(biāo)識(shí)，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(cuò)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
