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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載可以是１，２，４，．．．，２０４８，３０７２字節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)有效負(fù)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(jìn)，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(jī)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(jī)，另一種是不帶單片機(jī)的ＵＳＢ接口芯片。由于前者需要專用的開發(fā)機(jī)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(jī)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(jī)以及ＩＥＥＥ８０２．３的ＭＡＣ層和物理層。ＵＳＢＮ９６０２在全速工作方式下可以達(dá)到１２Ｍｂｉｔ／ｓ，采用ＵＳＢＮ９６０２基本可以滿足１０Ｍ以太網(wǎng)的帶寬需求。為達(dá)到較高的傳輸速率，ＵＳＢＮ９６０２還應(yīng)該用ＤＭＡ方式與單片機(jī)通信。電路框圖如圖５所示。
３．２ 設(shè)計單片機(jī)控制程序
對于單片機(jī)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(jī)控制程序通常由三部分組成，第一、初始化單片機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)與外設(shè)連接的新型計算機(jī)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)鄢鼋眱|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?fù)浣Y(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(dá)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。
