第1章 绪论 1.1起因 Inte1公司开发的通用串行总线架构(USB)的目的主要基于以下三方面考虑： (一)计算机与电话之间的连接：显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基 本的应用。机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络。然而，由于目 前产业间的相互独立发展，尚未建立统一标准，而USB则可以广泛的连接计算机和电话。 (二)易用性：众所周知，P℃机的改装是极不灵活的。对用户友好的图形化接口和一些 软硬件机制的结合，加上新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少，且易于改装。但以 终端用户的眼光来看，P℃机的输入/输出，如串行/并行端口、键盘、鼠标、操纵杆接口 等，均还没有达到即插即用的特性，USB正是在这种情况下问世的。 (三)端口扩充：外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着。缺少一个双向、 价廉、与外设连接的中低速的总线，限制了外围设备（诸如电话/电传/调制解调器的适配 器、扫描仪、键盘、PDA)的开发。现有的连接只可对极少设备进行优化，对于PC机的新 的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要，SB就应运而生。它是快速、双 向、同步、动态连接且价格低廉的串行接口，可以满足P℃机发展的现在和未来的需要。 1.2USB规范的目标 本书规范了USB的工业标准。该规范介绍了USB的总线特点、协议内容、事务种类、 总线管理、接口编程的设计，以及建立系统、制造外围设备所需的标准。 设计USB的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛的使用。 该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构，进而为系统生产商和外设开发商提供 了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场，并不必使用陈旧的接口，害怕失去 兼容性。 1.3适用对象 ·该规范主要面向外设开发商和系统生产商。并且提供了许多有价值的信息给操作系 统/BIOS/设备驱动平台、IHVS/ISVS适配器，以及各种计算机生产厂家使用。 ·该USB版本的规范可以用来设计开发新产品，改进一些经典的模型，并开发相应的 软件。所有的产品都应遵循这个规范—USB1.1。 1.4本书结构 第一章至第四章为读者提供了一个纲要，第五章至第十章则提供了USB的所有的具体 技术细节。 ·外设厂家应着眼于第四章至第十章 ·USB的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九、十章。 ·USB设备驱动厂家主要参考第四、七、九章 《Universal Serial Bus Device Class Specification》一书可以作为本书的补充 和参考。各种设备的规范是形形色色的，如有疑问，请与USB Implements Forum索要更 多细节。 读者也可以为向操作系统厂商索取关于USB的一些具体特性。 第2章 背景知识
第 1 章 绪论 1.1 起因 Intel 公司开发的通用串行总线架构(USB)的目的主要基于以下三方面考虑 (一)计算机与电话之间的连接 显然用计算机来进行计算机通信将是下一代计算机基 本的应用 机器和人们的数据交互流动需要一个广泛而又便宜的连通网络 然而 由于目 前产业间的相互独立发展,尚未建立统一标准,而 USB 则可以广泛的连接计算机和电话 (二)易用性 众所周知,PC 机的改装是极不灵活的 对用户友好的图形化接口和一些 软硬件机制的结合 加上新一代总线结构使得计算机的冲突大量减少 且易于改装 但以 终端用户的眼光来看 PC 机的输入/输出 如串行/并行端口 键盘 鼠标 操纵杆接口 等 均还没有达到即插即用的特性 USB 正是在这种情况下问世的 (三)端口扩充 外围设备的添加总是被相当有限的端口数目限制着 缺少一个双向 价廉 与外设连接的中低速的总线 限制了外围设备(诸如电话/电传/调制解调器的适配 器 扫描仪 键盘 PDA)的开发 现有的连接只可对极少设备进行优化 对于 PC 机的新 的功能部件的添加需定义一个新的接口来满足上述需要 USB 就应运而生 它是快速 双 向 同步 动态连接且价格低廉的串行接口 可以满足 PC 机发展的现在和未来的需要 1.2 USB 规范的目标 本书规范了 USB 的工业标准 该规范介绍了 USB 的总线特点 协议内容 事务种类 总线管理 接口编程的设计 以及建立系统 制造外围设备所需的标准 设计 USB 的目标就是使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛的使用 该规范改进了便携商务或家用电脑的现有体系结构 进而为系统生产商和外设开发商提供 了足够的空间来创造多功能的产品和开发广阔的市场 并不必使用陈旧的接口 害怕失去 兼容性 1.3 适用对象 该规范主要面向外设开发商和系统生产商 并且提供了许多有价值的信息给操作系 统/BIOS/设备驱动平台 IHVS/ISVS 适配器 以及各种计算机生产厂家使用 该 USB 版本的规范可以用来设计开发新产品 改进一些经典的模型 并开发相应的 软件 所有的产品都应遵循这个规范——USB 1.1 1.4 本书结构 第一章至第四章为读者提供了一个纲要 第五章至第十章则提供了 USB 的所有的具体 技术细节 外设厂家应着眼于第四章至第十章 USB 的主机控制器应用主要参考第四章至第七章和第九 十章 USB 设备驱动厂家主要参考第四 七 九章 Universal Serial Bus Device Class Specification 一书可以作为本书的补充 和参考 各种设备的规范是形形色色的 如有疑问 请与 USB Implements Forum 索要更 多细节 读者也可以为向操作系统厂商索取关于 USB 的一些具体特性 第 2 章 背景知识
本章将对USB背景知识作简单描述，其中主要包括设计目标、总线特性，以及现行 技术特点。 2.1USB的设计目标 USB的工业标准是对PC机现有的体系结构的扩充。USB的设计主要遵循以下几个准 则： ·易于扩充多个外围设备： ·价格低廉，且支持12M比特率的数据传输； ·对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持： ·协议灵活，综合了同步和异步数据传输： ·兼容了不同设备的技术： ·综合了不同P℃机的结构和体系特点； ·提供一个标准接口，广泛接纳各种设备； ·赋予PC机新的功能，使之可以接纳许多新设备。 2.2使用的分类 表2-1按照数据传输率(UB可以达到)进行了分类。可以看到，12M比特率可以包括 中速和低速的情况。总的来说，中速的传输是同步的，低速的数据来自交互的设备，USB 设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的。软件体系通过对各种主机控 制器提供支持以保证将来对USB的扩充。 性能 应用 特性 低速 键盘、鼠标、游戏棒 低价格、热插拔、易用性 ·交互设备 ·10-20kb/s 中速 ISBN、PBX、POTS 低价格、易用性、动态插 ·电话、音频、压缩视频 拔、限定带宽和延迟 ·500kb/s-10Mb/s 高速 音频、磁盘 高带宽、限定延迟、易用性 ·音频、磁盘 ·25-500Mb/s 表2-1 2.3特色 USB的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择，以满足不同的系统和部件 及相应不同的功能，其主要特色可归结为以下几点： 终端用户的易用性： ·为接缆和连接头提供了单一模型： ·电气特性与用户无关； ·自我检测外设，自动地进行设备驱动、设置： ·动态连接，动态重置的外设。 广泛的应用性： ·适应不同设备，传输速率从几千比特率到几十兆比特率： ·在同一线上支持同步、异步两种传输模式： ·支持对多个设备的同时操作： ·可同时操作127个物理设备： ·在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流： ·支持多功能的设备： ·利用低层协议，提高了总线利用率。 同步传输带宽： ·确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用；
本章将对 USB 背景知识作简单描述 其中主要包括设计目标 总线特性 以及现行 技术特点 2.1 USB 的设计目标 USB 的工业标准是对 PC 机现有的体系结构的扩充 USB 的设计主要遵循以下几个准 则 易于扩充多个外围设备 价格低廉 且支持 12M 比特率的数据传输 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持 协议灵活 综合了同步和异步数据传输 兼容了不同设备的技术 综合了不同 PC 机的结构和体系特点 提供一个标准接口 广泛接纳各种设备 赋予 PC 机新的功能 使之可以接纳许多新设备 2.2 使用的分类 表 2-1 按照数据传输率(USB 可以达到)进行了分类 可以看到 12M 比特率可以包括 中速和低速的情况 总的来说 中速的传输是同步的 低速的数据来自交互的设备 USB 设计的初衷是针对桌面电脑而不是应用于可移动的环境下的 软件体系通过对各种主机控 制器提供支持以保证将来对 USB 的扩充 性能 应用 特性 低速 交互设备 10-20kb/s 键盘 鼠标 游戏棒 低价格 热插拔 易用性 中速 电话 音频 压缩视频 500kb/s-10Mb/s ISBN PBX POTS 低价格 易用性 动态插 拔 限定带宽和延迟 高速 音频 磁盘 25-500Mb/s 音频 磁盘 高带宽 限定延迟 易用性 表 2-1 2.3 特色 USB 的规范能针对不同的性能价格比要求提供不同的选择 以满足不同的系统和部件 及相应不同的功能 其主要特色可归结为以下几点 终端用户的易用性 为接缆和连接头提供了单一模型 电气特性与用户无关 自我检测外设 自动地进行设备驱动 设置 动态连接 动态重置的外设 广泛的应用性 适应不同设备 传输速率从几千比特率到几十兆比特率 在同一线上支持同步 异步两种传输模式 支持对多个设备的同时操作 可同时操作 127 个物理设备 在主机和设备之间可以传输多个数据和信息流 支持多功能的设备 利用低层协议 提高了总线利用率 同步传输带宽 确定的带宽和低延迟适合电话系统和音频的应用
·同步工作可以利用整个总线带宽。 灵活性： ·直接一系列大小的数据包，允许对设备缓冲器大小的选择； ·通过指定数据缓冲区大小和执行时间，支持各种数据传输率； ·通过协议对数据流进行缓冲处理。 健壮性： ·出错处理/差错恢复机制在协议中使用； ·对用户感觉而言，热插拔是完全实时的： ·可以对有缺陷设备进行认定。 与PC产业的一致性： ·协议的易实现性和完整性； ·与P℃机的即插即用的体系结构的一致； ·对现存操作系统接口的良好衔接。 价廉物美 ·以低廉的价格提供1.5兆比特率的子通道设施： ·将外设和主机硬件进行了最优化的集成； ·促进了低价格的外设的发展； ·廉价的电缆和连接头； ·运用了商业技术。 升级路径： ·体系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个USB主机控制器。 第3章 体系结构概述 本章主要内容是关于USB的概述和一些关键的概念。USB是一种电缆总线，支持在主 机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备 分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 后续章节将着重描述USB的细节。 3.1USB系统的描述 一个USB系统主要被定义为三个部分： ·USB的互连； ·USB的设备； ·USB的主机。 USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面： ·总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式； ·内部层次关系：根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次； ·数据流模式：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式： ·USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同 步数据传输，并且避免的优先级判别的开销。 USB的设备及主机的细节将讲述于后。 3.1.1总线布局技术
同步工作可以利用整个总线带宽 灵活性 直接一系列大小的数据包 允许对设备缓冲器大小的选择 通过指定数据缓冲区大小和执行时间 支持各种数据传输率 通过协议对数据流进行缓冲处理 健壮性 出错处理/差错恢复机制在协议中使用 对用户感觉而言 热插拔是完全实时的 可以对有缺陷设备进行认定 与 PC 产业的一致性 协议的易实现性和完整性 与 PC 机的即插即用的体系结构的一致 对现存操作系统接口的良好衔接 价廉物美 以低廉的价格提供 1.5 兆比特率的子通道设施 将外设和主机硬件进行了最优化的集成 促进了低价格的外设的发展 廉价的电缆和连接头 运用了商业技术 升级路径 体系结构的可升级性支持了在一个系统中可以有多个 USB 主机控制器 第 3 章 体系结构概述 本章主要内容是关于 USB 的概述和一些关键的概念 USB 是一种电缆总线 支持在主 机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输 由主机预定的标准的协议使各种设备 分享 USB 带宽 当其它设备和主机在运行时 总线允许添加 设置 使用以及拆除外设 后续章节将着重描述 USB 的细节 3.1 USB 系统的描述 一个 USB 系统主要被定义为三个部分 USB 的互连 USB 的设备 USB 的主机 USB 的互连是指 USB 设备与主机之间进行连接和通信的操作 主要包括以下几方面 总线的拓扑结构 USB 设备与主机之间的各种连接方式 内部层次关系 根据性能叠置 USB 的任务被分配到系统的每一个层次 数据流模式 描述了数据在系统中通过 USB 从产生方到使用方的流动方式 USB 的调度 USB 提供了一个共享的连接 对可以使用的连接进行了调度以支持同 步数据传输 并且避免的优先级判别的开销 USB 的设备及主机的细节将讲述于后 3.1.1 总线布局技术
USB连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络 集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线 器到集线器或其功能部件，从图3-1中可看出USB的拓扑结构。 3.1.1.1USB的主机 在任何USB系统中，只有一个主机。USB和主机系统的接口称作主机控制器，主机控 Host(Root Tier】 Tier 1 Tier 2 Tier 3 Node Tier 4 间o 图3一1总线的拓扑结构 制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的，用以提供更多的连 接点。关于主机更多的内容可参见4.9节和第9章。 4.1.1.2USB的设备 USB的设备如下所示： ·网络集线器，向SB提供了更多的连接点： ·功能器件：为系统提供具体功能，如ISD的连接，数字的游戏杆或扬声器。 USB设备提供的USB标准接口的主要依据： ·对USB协议的运用； ·对标准USB操作的反馈，如设置和复位； ·标准性能的描述性信息； 关于USB设备的更多信息请参见3.8节和第8章。 3.2物理接口 USB的物理接口的电气特性在第六章，机械特性在第五章详细介绍。 3.2.1电气特性 USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图3-2中的两根线是用于发送信号。 存在两种数据传输率： VBUS VBUS D+ D+ D 000000 D- GND GND 图3-2USB的电缆 ·USB的高速信号的比特率定为12Mbps: ·低速信号传送的模式定为1.5Mbps;
USB 连接了 USB 设备和 USB 主机 USB 的物理连接是有层次性的星型结构 每个网络 集线器是在星型的中心 每条线段是点点连接 从主机到集线器或其功能部件 或从集线 器到集线器或其功能部件 从图 3-1 中可看出 USB 的拓扑结构 3.1.1.1 USB 的主机 在任何 USB 系统中 只有一个主机 USB 和主机系统的接口称作主机控制器 主机控 制器可由硬件 固件和软件综合实现 根集线器是由主机系统整合的 用以提供更多的连 接点 关于主机更多的内容可参见 4.9 节和第 9 章 图 3 1 总线的拓扑结构 4.1.1.2 USB 的设备 USB 的设备如下所示: 网络集线器 向 USB 提供了更多的连接点; 功能器件 为系统提供具体功能 如 ISDN 的连接 数字的游戏杆或扬声器 USB 设备提供的 USB 标准接口的主要依据 对 USB 协议的运用 对标准 USB 操作的反馈 如设置和复位 标准性能的描述性信息 关于 USB 设备的更多信息请参见 3.8 节和第 8 章 3.2 物理接口 USB 的物理接口的电气特性在第六章,机械特性在第五章详细介绍 3 2 1 电气特性 USB 传送信号和电源是通过一种四线的电缆 图 3-2 中的两根线是用于发送信号 存在两种数据传输率 图 3-2 USB 的电缆 USB 的高速信号的比特率定为 12Mbps 低速信号传送的模式定为 1.5Mbps
低速模式需要更少的I保护。两种模式可在用同一USB总线传输的情况下自动地动 态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率，所以该模式只支持有限个低带 宽的设备（如鼠标）。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去，时钟信号被转换成NRZI 码，并填充了比特以保证转换的连续性，每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出 原时钟信号。 电缆中包括VBUS、GND二条线，向设备提供电源。VBUS使用+5V电源。USB对 电缆长度的要求很宽，最长可为几米。通过选择合适的导线长度以匹配指定的IR drop和 其它一些特性，如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。重 要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高 速，或低速设备。 3.2.2机械特性 电缆和连接器的机械特性将在第5章详述。所有设备都有一个上行的连接。上行连接 器和下行连接器是不可简单的互换，这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接，电 缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线，一对符合标准的电源线，连接器有四个方 向，具有屏蔽层，以避免外界干扰，并有易拆装的特性。 3.3电源 主要包括两方面： ·电源分配：即USB的设备如何通过USB分配得到由主计算机提供的能源： ·电源管理：即通过电源管理系统，USB的系统软件和设备如何与主机协调工作。 3.3.1电源分配 每个USB单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的USB设备提供电 源供其使用。并且每个SB设备都可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提供能源的设备 称作“总线供能”设备。相反，那些可选择能源来源的设备称作“自供电”设备。而且， 集线器也可由与之相连的US$设备提供电源。受一定布局限制的带有“总线供能”集线器 的体系结构将在第十章讨论。在图4-4（位于3.8）中，键盘，输入笔和鼠标均为“总线供 能”设备。 3.3.2电源管理 USB主机与USB系统有相互独立的电源管理系统。USB的系统软件可以与主机的能源 管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起、唤醒，并且有特色的是，SB设备应用特有 的电源管理特性，可让系统软件和控制其电源管理。 USB的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中，如采用电池的笔 记本电脑。 3.4总线协议 USB总线属一种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。 每一总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送开始 时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向，USB设备地址和终端号的USB数据 包，这个数据包通常称为标志包(token packet)。USB设备从解码后的数据包的适当位置 取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始 时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有 数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之 间的USB数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。存在两种类型的通道： 流和消息。流的数据不像消息的数据，它没有SB所定义的结构，而且通道与数据带宽、 传送服务类型，端口特性（如方向和缓冲区大小）有关。多数通道在USB设备设置完成后 即存在。USB中有一个特殊的通道一缺省控制通道，它属于消息通道，当设备一启动即 存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供一个入口。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓冲区的高 估或低估，通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不确认信号发过后
低速模式需要更少的 EMI 保护 两种模式可在用同一 USB 总线传输的情况下自动地动 态切换 因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率 所以该模式只支持有限个低带 宽的设备(如鼠标) 时钟被调制后与差分数据一同被传送出去 时钟信号被转换成 NRZI 码 并填充了比特以保证转换的连续性 每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出 原时钟信号 电缆中包括 VBUS GND 二条线 向设备提供电源 VBUS 使用+5V 电源 USB 对 电缆长度的要求很宽 最长可为几米 通过选择合适的导线长度以匹配指定的 IR drop 和 其它一些特性 如设备能源预算和电缆适应度 为了保证足够的输入电压和终端阻抗 重 要的终端设备应位于电缆的尾部 在每个端口都可检测终端是否连接或分离 并区分出高 速 或低速设备 3.2.2 机械特性 电缆和连接器的机械特性将在第 5 章详述 所有设备都有一个上行的连接 上行连接 器和下行连接器是不可简单的互换 这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接 电 缆中有四根导线 一对互相缠绕的标准规格线 一对符合标准的电源线 连接器有四个方 向 具有屏蔽层 以避免外界干扰 并有易拆装的特性 3.3 电源 主要包括两方面 电源分配 即 USB 的设备如何通过 USB 分配得到由主计算机提供的能源 电源管理 即通过电源管理系统 USB 的系统软件和设备如何与主机协调工作 3.3.1 电源分配 每个 USB 单元通过电缆只能提供有限的能源 主机对那种直接相连的 USB 设备提供电 源供其使用 并且每个 USB 设备都可能有自己的电源 那些完全依靠电缆提供能源的设备 称作 总线供能 设备 相反 那些可选择能源来源的设备称作 自供电 设备 而且 集线器也可由与之相连的 USB 设备提供电源 受一定布局限制的带有 总线供能 集线器 的体系结构将在第十章讨论 在图 4-4(位于 3.8)中 键盘 输入笔和鼠标均为 总线供 能 设备 3.3.2 电源管理 USB 主机与 USB 系统有相互独立的电源管理系统 USB 的系统软件可以与主机的能源 管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起 唤醒 并且有特色的是 USB 设备应用特有 的电源管理特性 可让系统软件和控制其电源管理 USB 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中 如采用电池的笔 记本电脑 3.4 总线协议 USB 总线属一种轮讯方式的总线 主机控制端口初始化所有的数据传输 每一总线执行动作最多传送三个数据包 按照传输前制定好的原则 在每次传送开始 时 主机控制器发送一个描述传输运作的种类 方向 USB 设备地址和终端号的 USB 数据 包 这个数据包通常称为标志包(token packet) USB 设备从解码后的数据包的适当位置 取出属于自己的数据 数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机 在传输开始 时 由标志包来标志数据的传输方向 然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有 数据传送 接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功 发送端和接收端之 间的 USB 数据传输 在主机和设备的端口之间 可视为一个通道 存在两种类型的通道 流和消息 流的数据不像消息的数据 它没有 USB 所定义的结构 而且通道与数据带宽 传送服务类型 端口特性 如方向和缓冲区大小 有关 多数通道在 USB 设备设置完成后 即存在 USB 中有一个特殊的通道——缺省控制通道 它属于消息通道 当设备一启动即 存在 从而为设备的设置 查询状况和输入控制信息提供一个入口 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制 从而在硬件级上防止了对缓冲区的高 估或低估 通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度 当不确认信号发过后