文/張凡忠 公安部第一研究所 

　　摘要：USB設(shè)備已成為當(dāng)前移動設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕獋鬏斀涌?，即便在安防，移動存儲或擴展存儲時，也時常需要到，但USB技術(shù)如何?可怎樣設(shè)計和利用?請看本文就USB的體系結(jié)構(gòu)、USB通信技術(shù)基礎(chǔ)、USB固件程序的開發(fā)方法等是如何論述的。

　　前言

　　不管是計算機還是連接的外圍設(shè)備，在新品開發(fā)時保持兼容性是必須考慮的。即使是革命性的新外圍設(shè)備，也必須使用到連接計算機的接口。當(dāng)設(shè)計一個外圍設(shè)備的接口時，下列是該外圍設(shè)備應(yīng)該具備的特性：

　　穩(wěn)定性：具備自動差錯與除錯的功能，使錯誤的發(fā)生率幾乎為零;

　　便宜：讓大部分的用戶都有能力購買;

　　省電：在便攜式計算機上節(jié)省電池的消耗;

　　有彈性：讓許多不同種類的外圍設(shè)備，都可以使用這個接口;

　　快速：此接口不可以成為傳輸?shù)钠款i;

　　容易使用：用戶容易安裝、設(shè)置與使用;

　　操作系統(tǒng)的支持：如果操作系統(tǒng)支持此接口，開發(fā)者就不必要自行開發(fā)底層的驅(qū)動程序來使用此接口。

　　USB就是一個為符合上述所有條件而開發(fā)的最新外圍設(shè)備接口。USB是一種通用串行總線。它是由COMPAQ、INTEL、MICROSOFT和NEC等公司共同開發(fā)的一種新型、快速、雙向、同步傳輸?shù)牟⒖梢詿岵灏蔚臄?shù)據(jù)傳輸總線接口。

　　規(guī)范的版本

　　USB規(guī)范的版本變動，如表1所示。

　　經(jīng)過多次版本的更新后，USB1.0發(fā)表于1996年1月。USB1.1則修訂了1.0版本的問題，并且新增一個新的傳輸類型(中斷傳輸)。USB2.0在2000年4月發(fā)表，新增了高速模式。對于支持USB1.1規(guī)范的設(shè)備最高傳輸率可達(dá)12Mb/s，而支持USB2.0規(guī)范的設(shè)備最高速率可達(dá)48012Mb/s。

　　USB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　一個USB系統(tǒng)主要被定義為三個部分：

　　USB互連;

　　USB設(shè)備;

　　USB主機。

　　USB互連是指USB設(shè)備與主機之間進行連接和通信的操作，支持?jǐn)?shù)據(jù)在USB主機與USB設(shè)備之間的流動。在任何USB系統(tǒng)中，只有一個主機。USB和主機系統(tǒng)的接口稱作主機控制器，主機控制器可由硬件、固件和軟件綜合實現(xiàn)。USB的主機通過主機控制器與USB設(shè)備進行交互。主機功能如下：

　　檢測USB設(shè)備的安裝和拆卸;

　　管理主機和USB設(shè)備之間的控制流;

　　收集狀態(tài)和動作信息;

　　提供能量給連接的USB設(shè)備。

　　USB設(shè)備包含一些設(shè)備描述符，它們指出了一個給定設(shè)備的屬性和特征。當(dāng)設(shè)備被連接、編號后，該設(shè)備就擁有一個唯一的USB地址。設(shè)備就是通過該USB地址被操作的，每一個USB設(shè)備通過一個或多個通道與主機通訊。所有USB設(shè)備必須在零號端口上有一指定的通道，每個USB設(shè)備的USB控制通道將與之相連。通過此控制通道，所有的USB設(shè)備都列入一個共同的準(zhǔn)入機制，以獲得控制操作的信息。

　　圖2展示了USB通信模型之間基本的信息流與互連關(guān)系。

　　USB通信基礎(chǔ)

　　傳輸基礎(chǔ)

　　USB通信可以分為兩類：配置通信、應(yīng)用通信。在配置通信中，主機通知設(shè)備，然后使它準(zhǔn)備好交換數(shù)據(jù)。大部分這類通信發(fā)生在上電或連接時主機檢測到外設(shè)的時候。應(yīng)用通信出現(xiàn)在主機的應(yīng)用程序與一個檢測到的外設(shè)交換數(shù)據(jù)的時候。這些是實現(xiàn)設(shè)備目的的通信。例如：對鍵盤來說，應(yīng)用通信是發(fā)送按鍵數(shù)據(jù)給主機，告訴一個應(yīng)用程序顯示一個特性或執(zhí)行其他動作。

　　配置通信

　　在檢測過程中，設(shè)備的固件對主機的一系列標(biāo)準(zhǔn)請求做出響應(yīng)。設(shè)備必須識別出每一個請求，返回被請求的信息，并且采取其他一些請求指定的動作。在PC上，Windows執(zhí)行檢測工作，所以不涉及用戶編程的問題。然而，為了完成檢測工作，Windows必須有兩個可用的文件：一個識別這個設(shè)備的驅(qū)動程序的文件名和位置的INF文件和設(shè)備驅(qū)動程序本身。

　　應(yīng)用通信

　　在主機已經(jīng)與設(shè)備交換了檢測信息并且設(shè)備驅(qū)動已經(jīng)被分配并載入后，應(yīng)用程序段可以非常順利地進行。在主機上，應(yīng)用程序可以使用標(biāo)準(zhǔn)Windows API功能來讀取和寫設(shè)備。在外設(shè)上，傳輸數(shù)據(jù)通常需要把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放在USB控制器的傳輸緩存器中，當(dāng)一個硬件中斷發(fā)出數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)的信號時從接收器中讀取接收到的數(shù)據(jù)，并且在完成傳輸時確保外設(shè)準(zhǔn)備好下一次傳輸。總線上的每一次數(shù)據(jù)傳輸使用下列四種類型之一：控制、中斷、批量或同步。

　　傳輸類型

　　USB共有四種類型傳輸方式：分別為控制傳輸，中斷傳輸，批量傳輸和同步傳輸。

　　控制傳輸：用于主機對USB外設(shè)的配置，對USB設(shè)備的狀態(tài)查詢和控制命令的發(fā)送，也可用于用戶自定義的命令的發(fā)送。

　　中斷傳輸：用于小批量的、點式的、非連續(xù)性的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希堑退僭O(shè)備可以傳輸數(shù)據(jù)的唯一方法。

　　批量傳輸：用于批量的，非實時的數(shù)據(jù)傳輸，即那些需要一次傳輸較多的數(shù)據(jù)，但傳輸過程對時間要求不嚴(yán)格的傳輸類型。

　　同步傳輸：適用于那些要求數(shù)據(jù)連續(xù)的、實時的，以固定的數(shù)據(jù)率產(chǎn)生、傳送的場合。

　　傳輸(transfers)和事務(wù)(transactions)是經(jīng)常提到的兩個概念，分清這兩個概念是設(shè)計USB外設(shè)的關(guān)鍵。傳輸是指一次完整的發(fā)出請求到該請求被完整的處理結(jié)束的整個過程。事務(wù)是傳輸中的一個基本元素，或者叫一個傳輸?shù)膬?nèi)建模塊。每一次傳輸由一個或多個事務(wù)組成。事務(wù)又由包組成，而包還包含一個包識別器(PID)，一個錯誤校驗位以及有時還有其他信息。參見圖3。

　　事務(wù)按照它們的目的和數(shù)據(jù)流方向可以分為三種類型：SETUP事務(wù)、IN事務(wù)、OUT事務(wù)。它們都是由一個令牌階段，一個數(shù)據(jù)階段和一個握手階段組成。對于SETUP事務(wù)來說，在令牌階段有主機發(fā)出SETUP令牌，然后主機又發(fā)出數(shù)據(jù)包，由該數(shù)據(jù)包指出本次請求的具體的內(nèi)容。在握手階段指出本次事務(wù)是否成功。各種事務(wù)的組成如圖4。

　　IN事務(wù)是從一個設(shè)備接收數(shù)據(jù)，OUT事務(wù)是發(fā)送數(shù)據(jù)給其他一個設(shè)備。(IN和OUT事務(wù)的命名是從主機的角度出發(fā)的，在一個IN事務(wù)中，數(shù)據(jù)是從外設(shè)傳輸給主機的;在一個OUT事務(wù)中，數(shù)據(jù)是從主機傳輸?shù)酵庠O(shè)的。)在一個Setup事務(wù)中，數(shù)據(jù)也是從主機傳輸?shù)酵庠O(shè)的，但一個Setup事務(wù)是一個特殊情況，因為它啟動一個控制傳輸。任何事務(wù)都可以用IN或OUT事務(wù)，但只有控制傳輸可以使用Setup事務(wù)。

　　在應(yīng)用程序可與一個設(shè)備通信之前，主機需知道設(shè)備支持哪些傳輸類型和終端。主機也須分配一個地址給設(shè)備，主機通過一個被稱為枚舉的信息交換來完成這些工作。

　　USB設(shè)備的枚舉過程

　　枚舉是使得主機的設(shè)備驅(qū)動程序能與這個設(shè)備通信的最基本的信息交換。該過程可以由以下動作來完成：

　　1、一個設(shè)備連到一個USB端口

　　或者系統(tǒng)上電時有一個設(shè)備已經(jīng)插入到一個端口中了。這個端口可以在主機的根基線器上或者在連接主機下游的基線器上。集線器正常給這個端口供電，這個設(shè)備正處于上電狀態(tài)。

　　2、集線器檢測到這個設(shè)備

　　集線器監(jiān)視著它的每一個端口的信號線的電壓。集線器端口的兩根信號線(D+和D-)的每一根都有一個15k 的下拉電阻，而一個設(shè)備在D+(為全速設(shè)備)和D-(為低速設(shè)備)都有一個1.5 k 的上拉電阻。當(dāng)一個設(shè)備插入到一個端口中時，設(shè)備的上拉電阻使信號線為高，使得集線器可以檢測到一個設(shè)備連接上了。

　　3、主機知道了這個新設(shè)備

　　每個集線器使用它的中斷流程來報告發(fā)生在集線器上的事件。當(dāng)主機知道了這個事件，它給集線器發(fā)送一個Get_Port_Status請求來了解更多的知識。返回的信息告訴主機該設(shè)備是什么時候連接的。

　　4、集線器重新設(shè)置這個設(shè)備

　　當(dāng)主機知道有一個新設(shè)備時，主機控制器給集線器發(fā)送一個Set_Port_Feature請求，請求集線器來重新設(shè)置端口。集線器使得設(shè)備的USB數(shù)據(jù)線處于重啟狀態(tài)至少10ms。

　　5、集線器在設(shè)備和總線之間建立一個信號通路

　　主機通過發(fā)送一個Get_Port_Status請求來驗證設(shè)備是否激起重啟狀態(tài)。返回的數(shù)據(jù)的一位表示設(shè)備是否仍然處于重啟狀態(tài)。當(dāng)集線器已經(jīng)釋放了重啟狀態(tài)，設(shè)備就處于默認(rèn)狀態(tài)了。設(shè)備的USB寄存器已經(jīng)處于它們的默認(rèn)狀態(tài)，設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好通過終端0的默認(rèn)流程來響應(yīng)控制傳輸。設(shè)備現(xiàn)在可以能與主機通信，使用默認(rèn)地址0h。在這一點上，設(shè)備可以從總線上抽取不超過100毫安的電流。

　　6、集線器檢測設(shè)備速度

　　或在重啟之前或在重啟之后，集線器通過檢查兩個信號線的電壓來檢測設(shè)備的速度。集線器通過測試那根信號線在空閑時有更高的電壓來檢測一個設(shè)備的速度。集線器發(fā)送信息給主機，以響應(yīng)下一個Get_Port_Status請求。

　　7、主機發(fā)送一個Get_Descriptor請求來獲取默認(rèn)流程的最大包的大小

　　主機發(fā)送請求給設(shè)備地址0、終端0。因為主機一次只列舉一個設(shè)備，只有一個設(shè)備將響應(yīng)尋址設(shè)備地址0的通信。最大包的大小是這個描述符的第8位，因此主機只需要讀取頭8B。一個Windows主機請求64B，但在僅接收一個包后，它就開始了狀態(tài)階段。在完成狀態(tài)階段時，主機請求集線器來重啟這個設(shè)備。這里不需要重啟，因為設(shè)備應(yīng)該可以用響應(yīng)下一個設(shè)置階段的動作來處理任何時候的主機放棄一個控制傳輸情況。

　　8、主機分配一個地址

　　主機控制器通過發(fā)送一個Set_Address請求來分配一個單獨的地址給設(shè)備。設(shè)備讀取這個請求，返回一個確認(rèn)，并且保存新的地址。這個設(shè)備現(xiàn)在處于一個地址狀態(tài)。從這現(xiàn)在開始的所有通信使用這個新地址。

　　9、主機知道了設(shè)備的能力

　　主機給新地址發(fā)送一個Get_Descriptor請求來讀取這個設(shè)備描述符，這次讀取整個部分。這個描述符是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括終端0的最大包的大小，設(shè)備支持的配置號，及關(guān)于這個設(shè)備的其他信息。主機把這些信息應(yīng)用在其后的通信中。然后主機通過請求在設(shè)備描述符規(guī)定的一個或多個配置描述符來了解這個設(shè)備。一個Windows主機開始申請配置描述符的9B。含在這些B中的是這個配置描述符和它所有的從屬描述符的總長度。Windows然后再次請求配置描述符，這次使用得到的總長度，最多可達(dá)到FFhB。這導(dǎo)致設(shè)備發(fā)送跟隨在每個配置額的接口描述符后的配置描述符，在它后面是每個接口的終端描述符。若這些描述符總共超過了FFhB，則Windows在第三次請求時得到整套描述符。每個描述符以它的長度和類型開始，使主機能分解其后的數(shù)據(jù)。

　　10、主機分配和載入一個設(shè)備驅(qū)動

　　在主機已經(jīng)從它的描述符中知道了能夠知道的所有信息后，它開始在一個設(shè)備啟動中查找最合適的匹配來管理與設(shè)備間的通信。在選擇一個驅(qū)動時，Windows盡量去與從設(shè)備得到的、保存在系統(tǒng)INF文件中的信息中的銷售商和產(chǎn)品ID、發(fā)布號和類信息相匹配。在驅(qū)動程序被載入以后，它經(jīng)常請求設(shè)備來重新發(fā)送描述符或者發(fā)送應(yīng)用于這個設(shè)備的類描述符。

　　11、主機的設(shè)備驅(qū)動選擇一個配置

　　在從描述符了解了設(shè)備后，設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送一個Set_Configuration命令來請求希望的配置號。設(shè)備讀取這個請求并且設(shè)置它的配置來匹配它。設(shè)備現(xiàn)在處于配置狀態(tài)，并且設(shè)備的接口已經(jīng)被使能。

　　主機枚舉是通過給端點0發(fā)送包含標(biāo)準(zhǔn)USB請求的控制傳輸。所有的USB設(shè)備必須支持控制傳輸，標(biāo)準(zhǔn)USB請求和端點0。對一個成功的枚舉來說，設(shè)備必須對每一個請求響應(yīng)，返回請求的信息以及采取其他請求的動作。USB設(shè)備的枚舉過程是在缺省的控制管道進行的，每一步都是在控制傳輸?shù)腟ETUP階段提出請求的。而具體的請求在SETUP事務(wù)的數(shù)據(jù)階段中，用戶可讀取并根據(jù)USB協(xié)議來分析該請求，然后根據(jù)分析的結(jié)果進入該控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)階段。在USB設(shè)備的枚舉過程中，主機要讀取USB設(shè)備的設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和端點描述符。

　　固件設(shè)計

　　為了實現(xiàn)上述的枚舉過程在設(shè)備端需要固件程序的支持。下面以PDIUSBD12為例講述一下固件的設(shè)計方法。PDIUSBD12的固件設(shè)計成完全的中斷驅(qū)動，當(dāng)PDIUSBD12檢測到有相應(yīng)的事務(wù)發(fā)生時，就中斷CPU處理器調(diào)用中斷服務(wù)程序。

　　D12的固件程序可采用如圖5的積木式結(jié)構(gòu)。

　　硬件抽象層：這是固件中的最低層代碼，它執(zhí)行對PDIUSBD12和硬件與I/O 相關(guān)的訪問。當(dāng)與其它CPU 平臺接口時這部分代碼需要修改或增加。

　　PDIUSBD12命令接口：利用這些命令實現(xiàn)對D12的控制。

　　中斷服務(wù)程序：處理USB的各種事務(wù)。

　　標(biāo)準(zhǔn)請求：USB設(shè)備必須對這11種標(biāo)準(zhǔn)請求做出響應(yīng)，這11種標(biāo)準(zhǔn)代碼可以查詢設(shè)備的能力和狀態(tài)以及選擇配置。當(dāng)收到請求時，程序通過解析接收到的請求把要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放到發(fā)送緩沖器中。設(shè)備不必執(zhí)行每一個請求;它只需要以一種可以理解的方式對請求做出響應(yīng)。

　　廠商請求：一個供應(yīng)商也可以與特定設(shè)備進行的傳輸控制而定義請求。

　　主程序：完成D12的初始化。

　　在USB通信過程中需要處理多種事務(wù)，有些事務(wù)的處理需要特別注意，設(shè)計者往往忽視，下面分別介紹。

　　D12初始化過程

　　D12的中斷寄存器清零

　　Set Address Enable

　　Set Endpoint Enable

　　Disconnect

　　延時1~2秒鐘

　　Connect

　　Setup Transaction處理流程

　　如圖6所示，對于Setup Transaction的處理需要注意，在讀取D12的FIFO數(shù)據(jù)前必須要選擇端點，為了使以后的Setup Packet數(shù)據(jù)包能夠被接收要用Acknowledge Setup命令使能Control In和Control Out端點。當(dāng)D12接收到一個數(shù)據(jù)包時一個內(nèi)部端點緩存滿標(biāo)志有效。后續(xù)的數(shù)據(jù)包將不能夠被接收，必須通過Clear Buffer命令來清出標(biāo)志位。在讀取D12的數(shù)據(jù)后先要利用Acknowlege命令對主機進行回應(yīng)，然后再清除D12的緩存。這兩個命令處理順序不能交換，因為在沒有回應(yīng)主機前不能夠清除掉D12的緩存，這樣就不能接收新的數(shù)據(jù)。

　　Control In Transaction處理流程

　　如圖7所示，在Control In Transaction處理過程中注意，要發(fā)送的數(shù)據(jù)是端點0能傳送的最大數(shù)據(jù)報的整數(shù)倍時，在傳送完所有的數(shù)據(jù)后，必須向主機發(fā)送零長度數(shù)據(jù)報。

　　Get Descriptor命令處理流程

　　如圖8所示，在列舉過程中，被請求的描述符逐涉及設(shè)備的小的元素：首先是整個設(shè)備，然后是每個配置，接著是每個配置的接口，最后是每個接口的終端。對于字符串描述符是可選的。關(guān)于描述符是設(shè)計者可以配置的，可以根基設(shè)備的通信能力和要求來定義需要的描述符。

　　Set Address命令處理流程

　　如圖9所示，通過這個請求，主機指定以后與設(shè)備通信的地址。值字段是要設(shè)置的設(shè)備的新的地址。允許值為1到127。當(dāng)上電或連接后集線器使能一個端口，端口使用默認(rèn)地址0直到它 從主機接收到一個Set_Address請求。這個請求和大部分的其他請求不同，因為設(shè)備直到通過發(fā)送零長度數(shù)據(jù)包完成請求的狀態(tài)階段后才執(zhí)行這個請求。主機發(fā)送狀態(tài)階段標(biāo)志包到默認(rèn)地址，因為設(shè)備必須在改變地址之前發(fā)送這個包。完成這個請求后，所有通信都使用這個新地址。一個使用默認(rèn)地址0的設(shè)備處于默認(rèn)狀態(tài)。在完成Set_Address請求設(shè)置一個非0的新地址后，設(shè)備進入地址狀態(tài)。一個設(shè)備必須在接收到請求后的50毫秒內(nèi)發(fā)送交換包，并且它必須在完成狀態(tài)階段后的2毫秒內(nèi)完成請求。

　　另外要注意的是當(dāng)USB設(shè)備接收主機發(fā)送的IN事務(wù)，如果設(shè)備沒有要發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)時，這時設(shè)備進入掛起狀態(tài)，為了避免這種情況出現(xiàn)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時可以發(fā)送零長度的數(shù)據(jù)報。

　　同時利用D12開發(fā)時有兩個突出的優(yōu)點：軟連接和GoodLink接口。所謂的軟連接就是把D12內(nèi)部集成的1.5K的上拉電阻連接到數(shù)據(jù)線D+上，通過此特性可以使設(shè)備CPU有充足的時間進行初始化，同時也避免頻繁的插拔USB數(shù)據(jù)線。GoodLink接口可以連接發(fā)光二極管，當(dāng)設(shè)備枚舉成功后發(fā)光二極管常亮，當(dāng)D12進行傳送數(shù)據(jù)時發(fā)光二極管閃爍。