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1 USB 系 统 体 系 中 国 电 力 出 版 社

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3 致 谢 感 谢 各 位 参 与 MindShare 的 USB 入 门 课 程 的 工 程 师 他 们 的 意 见 和 见 解 非 常 有 价 值 感 谢 Don Coston 的 投 稿 特 别 感 谢 Tom 和 Nancy Shanley 的 关 心 和 支 持

4 关 于 本 书 MindShare 体 系 系 列 MindShare 体 系 系 列 书 目 包 括 : ISA System Architecture EISA System Architecture System Architecture PCI System Architecture Pentium Processor System Architecture PCMCIA System Architecture PowerPC System Architecture Plug and Play System Architecture CardBus System Architecture Protected Mode Software Architecture Pentium Pro and Pentium II System Architecture USB System Architecture FireWire System Architecture PCI-X System Architecture 以 及 AGP System Architecture 该 系 列 书 目 由 Addison-Wesley 出 版 社 出 版 每 本 书 不 是 简 单 地 重 复 信 息, 而 是 使 用 构 件 块 的 方 式 不 断 推 进 ISA System Architecture 是 其 他 书 目 的 核 心 表 1 是 每 本 书 之 间 的 关 系 表 1 PC 体 系 结 构 系 列 书 目 分 类 书 名 版 本 ISBN 处 理 器 体 系 结 构 8046 System Architecture 第 3 版 Pentium Processor System Architecture 第 2 版 Pentium Pro and Pentium II System Architecture 第 2 版 PowerPC System Architecture 第 1 版 总 线 体 系 结 构 PCI System Architecture 第 4 版 EISA System Architecture 不 再 版 X FireWire System Architecture:IEEE 1394a 第 2 版 ISA System Architecture 第 3 版 USB System Architecture 第 2 版 PCI-X System Architecture 第 1 版 其 他 体 系 结 构 PCMCIA System Architecture 第 2 版 CardBus System Architecture 第 1 版 Plug and Play System Architecture 第 1 版 Protected Mode Software Architecture 第 1 版 X AGP System Architecture 第 1 版

5 注 意 事 项 读 者 应 该 知 道 MindShare 体 系 系 列 书 目 总 是 关 注 快 速 发 展 的 技 术 这 就 是 说 在 这 本 书 完 成 的 时 候, 它 只 是 目 标 技 术 的 一 个 概 要 介 绍 我 们 在 目 标 技 术 改 进 的 时 候 会 更 新 每 一 本 书, 但 是 因 为 很 多 因 素, 总 是 会 有 些 滞 后 ( 例 如, 等 待 下 一 个 版 本 的 说 明 书 固 定 下 来, 改 变 所 需 要 的 必 要 时 间, 等 待 书 的 出 版 和 发 行 ) 本 书 依 据 的 规 范 本 书 依 据 通 用 串 行 总 线 2.0 规 范 也 包 括 下 列 设 备 类 文 件 的 信 息 : 音 频 设 备 类 文 件 通 用 类 文 件 通 信 设 备 类 文 件 HID( 人 机 交 互 ) 类 文 件 大 容 量 存 储 类 文 件 监 视 器 类 文 件 这 些 规 范 和 文 件 可 以 在 USB 实 现 论 坛 网 站 找 到 : 本 书 组 织 结 构 这 本 书 分 成 六 个 部 分, 包 括 下 列 章 节 : 第 一 部 分 :USB 2.0 综 述 第 1 章 :USB 的 设 计 目 标 今 天 我 们 的 许 多 PC 机 仍 然 沿 用 基 于 20 世 纪 80 年 代 初 设 计 的 最 初 的 IBM PC 机 接 口 的 外 围 设 备, 这 种 实 现 有 一 系 列 的 缺 点, 会 给 设 计 者 和 用 户 带 来 相 当 多 的 麻 烦 这 一 章 我 们 讨 论 USB 2.0 的 基 本 设 计 目 标 并 且 回 顾 一 下 传 统 方 式 的 缺 点 第 2 章 : 概 念 总 述 本 章 给 出 USB 转 换 基 本 概 念 的 总 述, 描 述 USB 系 统 软 件 系 统 硬 件 和 USB 设 备 在 USB 1.x 系 统 和 USB 2.0 系 统 中 的 交 互 还 描 述 了 USB 通 信 进 程, 包 括 设 备 框 架 的 概 念 也 介 绍 了 每 个 USB 系 统 的 硬 件 和 软 件 元 素 以 及 相 应 的 基 本 功 能 第 3 章 : 电 缆 和 连 接 器 USB 为 将 所 有 外 设 到 主 机 的 连 接 定 义 了 一 种 连 接 器 类 型 本 章 介 绍 USB 连 接 器 和 电 缆 物 理 方 面 的 性 能 第 4 章 :USB 电 缆 配 电 系 统 本 章 讨 论 USB 配 电 系 统, 还 有 总 线 驱 动 设 备 和 自 驱 动 设 备 操 作 的 相 关 问 题 也 讨 论 了 主 机 软 件 在 检 测 和 报 告 与 配 电 有 关 的 问 题 时 所 起 的 作 用 第 二 部 分 : 低 速 和 全 速 设 备 的 操 作 第 5 章 : 低 速 / 全 速 信 号 环 境 USB 使 用 双 向 不 归 零 编 码 和 差 动 信 号 在 USB 电 缆

6 上 传 输 信 息 本 章 讨 论 低 速 和 全 速 信 号 环 境, 包 括 USB 使 用 的 差 动 信 号 和 双 向 不 归 零 编 码 技 术 信 号 环 境 必 须 也 支 持 其 他 与 发 送 信 号 相 关 的 功 能, 例 如 : 检 测 设 备 的 连 接 和 卸 载, 挂 起 和 唤 醒 操 作, 重 装 设 备, 还 有 一 些 其 他 内 容, 这 些 都 会 在 本 章 讨 论 第 6 章 : 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 USB 支 持 四 种 传 输 类 型 : 中 断 批 量 同 步 传 输 和 控 制 传 输 本 章 我 们 会 讨 论 这 些 类 型, 以 及 它 们 的 初 始 化 过 程 和 运 行 机 制 第 7 章 : 包 和 事 务 每 个 广 播 在 USB 上 的 传 输 包 括 一 组 数 据 包 这 些 包 共 同 定 义 了 一 个 独 立 的 事 务 作 为 一 个 大 的 传 输 中 的 一 部 分 每 个 事 务 的 类 型 都 给 出 了 定 义, 也 在 组 成 它 的 每 个 包 中 指 出 类 型 第 8 章 : 错 误 恢 复 中 断 批 量 和 同 步 传 输 都 要 求 使 用 USB 验 证 数 据 的 成 功 传 输 CRC 和 其 他 的 错 误 检 测 方 法 被 应 用 到 数 据 传 输 验 证 中, 如 果 发 现 错 误, 就 要 重 传 本 章 就 是 讨 论 各 种 错 误 情 况 和 USB 识 别 错 误 所 使 用 的 机 制, 以 及 改 正 这 些 错 误 的 恢 复 方 法 第 9 章 :USB 节 电 模 式 USB 设 备 通 过 进 入 挂 起 状 态 支 持 节 电 模 式 本 章 讨 论 设 备 在 软 件 的 控 制 下 进 入 挂 起 状 态 的 途 径 还 讨 论 了 软 件 如 何 重 新 唤 醒 设 备, 以 及 调 制 解 调 器 这 样 的 设 备 如 何 初 始 化 一 个 远 程 唤 醒 第 三 部 分 : 高 速 设 备 操 作 第 10 章 : 高 速 设 备 操 作 概 况 本 章 我 们 会 简 单 地 介 绍 高 速 设 备 的 操 作, 为 讨 论 高 速 环 境 打 下 一 个 基 础 第 11 章 : 高 速 信 号 环 境 高 速 性 能 的 设 备 还 必 须 能 在 全 速 信 号 环 境 中 通 信 高 速 设 备 为 在 全 速 环 境 操 作 附 加 了 许 多 扩 展 功 能, 使 其 可 以 以 480Mb/s 的 速 度 可 靠 地 发 送 信 号 本 章 我 们 主 要 介 绍 高 速 设 备 的 信 号 规 则 和 高 速 / 全 速 环 境 之 间 的 转 换 方 法 第 12 章 : 高 速 传 输 事 务 和 调 度 本 章 我 们 主 要 介 绍 2.0 规 范 所 作 的 变 化 在 高 速 环 境 中,USB1.0 中 传 输 的 定 义 有 着 相 同 的 基 本 性 质 不 过, 也 会 因 包 的 大 小 和 差 民 而 有 所 改 变 一 些 新 的 特 点 也 被 加 到 了 高 速 环 境 中, 例 如 高 带 宽 的 传 输 和 ping 协 议 这 些 和 一 些 其 他 的 变 化 都 会 在 本 章 讲 述 第 13 章 : 高 速 错 误 检 测 和 处 理 高 速 环 境 中 的 错 误 检 测 和 处 理 与 全 速 和 低 速 环 境 非 常 相 似 然 而, 因 为 更 高 的 时 钟 速 率, 有 些 时 间 变 量 必 须 改 变 以 支 持 错 误 检 测, 例 如 超 时 值 和 串 扰 检 测 这 些 问 题 我 们 会 在 本 章 介 绍 第 14 章 : 高 速 的 挂 起 和 恢 复 本 章 我 们 讲 述 为 了 使 用 全 速 挂 起 和 恢 复 协 议 以 及 信 号 习 惯, 需 要 对 高 速 设 备 所 做 的 改 变 第 四 部 分 :USB2.0 集 线 器 在 低 速 全 速 高 速 中 的 操 作 第 15 章 : 高 速 集 线 器 概 况 本 章 我 们 讲 述 高 速 集 线 器 的 基 本 特 性 它 必 须 在 连 接 高 速 和 全 速 端 口 时 都 能 正 确 操 作, 而 且 还 要 支 持 在 其 端 口 上 的 所 有 设 备 的 速 度 第 16 章 : 高 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 本 章 我 们 讨 论 当 2.0 集 线 器 在 它 的 上 游 和 下 游 端 口 收 到 高 速 数 据 包 时 的 行 为 也 细 致 讲 述 了 高 速 转 发 器 和 通 过 集 线 器 向 前 传 输 高 速 数 据 包 的 延 时 问 题 第 17 章 : 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 本 章 介 绍 允 许 高 速 集 线 器 支 持 低 速 和 全 速 设 备, 而 不 需 要 牺 牲 大 量 的 总 线 时 间 访 问 慢 速 设 备 的 分 解 事 务 本 章 讲 述 事 务

7 翻 译 器 的 操 作, 分 解 事 务 的 不 同 形 式 和 每 一 种 所 要 求 的 特 定 序 列 第 五 部 分 :USB 2.0 设 备 配 置 第 18 章 : 配 置 过 程 本 章 综 述 配 置 过 程 详 细 讲 解 了 每 个 USB 设 备 配 置 的 主 要 步 骤 第 19 章 :USB 设 备 配 置 本 章 讨 论 连 接 到 任 何 USB 端 口 的 USB 设 备 的 配 置 任 何 速 度 的 设 备 配 置 过 程 实 际 上 都 是 一 样 的 和 配 置 相 关 的 设 备 描 述 符 及 其 他 的 性 能 和 特 点 也 会 在 本 章 介 绍 第 20 章 : 集 线 器 配 置 过 程 集 线 器 和 任 何 其 他 连 接 到 USB 端 口 的 设 备 一 样 配 置 集 线 器 配 置 的 不 同 之 处 在 于, 它 要 报 告 在 它 的 下 层 端 口 是 否 有 设 备 连 接 本 章 我 们 复 习 集 线 器 的 配 置 过 程, 重 点 讲 解 扩 展 通 过 集 线 器 下 层 端 口 的 总 线 第 21 章 : 设 备 类 本 章 我 们 介 绍 设 备 类 的 概 念, 并 讨 论 它 们 在 USB 中 的 角 色 本 章 还 讨 论 了 已 定 义 的 前 5 种 类 讨 论 这 些 类 是 为 了 让 读 者 对 为 每 种 类 定 义 的 信 息 及 其 使 用 的 USB 机 制 有 所 了 解 细 致 的 讨 论 需 要 读 者 具 有 对 相 关 领 域 ( 例 如 电 话 音 频 ) 的 深 入 了 解 第 六 部 分 :USB 软 件 概 述 第 22 章 :USB 主 机 软 件 概 述 主 机 软 件 包 括 三 个 类 型 的 组 件 :USB 设 备 驱 动 程 序 USB 驱 动 程 序 和 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 本 章 我 们 讨 论 每 一 层 所 扮 演 的 角 色, 描 述 可 编 程 接 口 的 请 求 附 录 附 录 A: 标 准 设 备 请 求 这 个 附 录 给 出 USB2.0 规 范 定 义 的 标 准 设 备 请 求 的 参 考 材 料 附 录 B: 集 线 器 请 求 这 个 附 录 给 出 用 于 访 问 和 控 制 集 线 器 功 能 而 定 义 的 集 线 器 类 请 求 的 参 考 材 料 附 录 C: 通 用 主 机 控 制 器 这 个 附 录 给 出 USB1.x 通 用 主 机 控 制 器 接 口 的 概 况, 也 参 考 了 传 统 规 范 附 录 D: 开 放 主 机 控 制 器 这 个 附 录 给 出 USB1.x 开 放 主 机 控 制 器 接 口 的 概 况, 也 参 考 了 传 统 规 范 本 书 读 者 群 本 书 适 合 于 硬 件 和 软 件 设 计 者 和 技 术 支 持 人 员 使 用 非 设 计 和 技 术 支 持 人 员 也 可 以 找 到 有 用 的 章 节 必 备 知 识 读 者 应 该 熟 悉 PC 体 系 结 构 和 传 统 的 硬 件 软 件 问 题 MindShare 的 ISA 系 统 结 构 方 面 的 书 提 供 了 许 多 关 于 USB 要 克 服 的 输 入 / 输 出 的 传 统 问 题 的 知 识 基 础

8 文 件 约 定 这 本 书 包 括 数 字 标 识 方 法 的 约 定 如 下 十 六 进 制 符 号 这 部 分 我 们 定 义 本 书 的 印 刷 规 则 所 有 的 十 六 进 制 符 号 后 面 都 有 h 例 如 : 9A4Eh ;0100h 二 进 制 符 号 所 有 二 进 制 符 号 后 面 都 有 b 例 如 : b;01b 十 进 制 符 号 没 有 任 何 后 缀 的 数 字 都 是 十 进 制 数 字 如 果 需 要 明 确 指 出, 则 在 十 进 制 数 字 后 面 加 d, 例 如 : 16;255;256d;128d 位 和 字 节 符 号 顾 名 思 义, 通 用 串 行 总 线 (USB), 传 送 串 行 数 据, 所 以 要 讨 论 和 位 相 关 的 问 题 本 书 使 用 标 准 符 号 来 区 分 位 和 字 节 所 有 位 的 简 写 都 使 用 小 写 的 b, 例 如 : 1.5Mb/s:2Mb 所 有 字 节 的 简 写 都 使 用 大 写 的 B, 例 如 : 10MB/s:1KB 位 字 段 指 示 ( 位 或 信 号 的 逻 辑 组 ) 所 有 的 位 字 段 小 数 在 前 (little-endian), 顺 序 如 下 : X:Y,X 为 字 段 的 最 大 位,Y 为 字 段 的 最 小 位 访 问 我 们 的 网 页 我 们 的 网 站 包 括 所 有 我 们 提 供 的 产 品 和 服 务 的 列 表 MindShare 提 供 基 于 Web 的 培 训, CD-ROM 和 DVD 培 训 课 程, 书 目 和 现 场 培 训 课 程 另 外, 包 括 一 些 书 目 的 勘 误 表, 还 可 以 链 接 到 我 们 的 出 版 商 站 点 查 看 详 细 的 图 书 大 纲

9 我 们 出 版 商 的 网 页 包 括 我 们 目 前 已 经 出 版 的 书 目 的 列 表, 并 且 包 括 价 目 和 订 购 信 息 它 们 的 主 页 可 以 在 下 面 网 址 访 问 到 : 我 们 期 望 您 的 反 馈 MindShare 非 常 重 视 您 的 意 见 和 建 议 您 可 以 通 过 信 件 电 话 传 真 或 者 互 联 网 电 子 邮 件 和 我 们 联 系 电 话 :(719) , 美 国 可 以 拨 打 免 费 电 话 (800) 传 真 :(719) 电 子 邮 件 :[email protected] 为 了 获 取 MindShare 的 产 品 和 讲 座 信 息, 请 访 问 我 们 的 网 站 ww.mindshare.com 邮 寄 地 址 : MindShare,Inc 4285 Slash Pine Dr. Colorado Springs,CO80908

10 目 录 致 谢 关 于 本 书 第 一 部 分 USB 2.0 综 述 第 1 章 USB 的 设 计 目 标...3 早 期 PC 输 入 / 输 出 范 例 的 缺 点...3 USB 范 例...6 第 2 章 概 念 总 述...10 概 览...10 USB 1.x 系 统 和 设 备...10 USB 2.0 系 统 和 设 备...17 USB 2.0 系 统 的 低 速 和 全 速 设 备...18 元 素...22 USB 通 信 模 式...28 设 备 框 架 ( 设 备 如 何 被 呈 现 给 软 件 )...31 拓 扑 结 构...36 第 3 章 电 缆 和 连 接 器...37 连 接 器...37 电 缆...38 电 气 和 机 械 规 范...40 第 4 章 USB 电 缆 配 电 系 统...41 USB 电 源...41 集 线 器...41 总 线 供 电 的 集 线 器...44 总 线 驱 动 的 设 备...45 端 口 电 量 不 足...47 自 供 电 的 集 线 器...47 自 供 电 设 备...49

11 第 二 部 分 低 速 和 全 速 设 备 的 操 作 第 5 章 低 速 / 全 速 信 号 环 境...53 概 述...53 设 备 连 接 的 检 测 和 速 度 检 测...54 双 向 不 归 零 编 码...64 位 填 充...64 USB 信 号 状 态 总 结...65 第 6 章 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度...67 概 述...67 客 户 端 初 始 化 传 输...68 传 输 类 型...70 同 步 传 输...70 第 7 章 包 和 事 务...80 概 述...80 令 牌 包...84 数 据 包 DATA0 或 者 DATA 握 手 应 答 包...88 前 同 步 码 包...89 事 务...89 第 8 章 错 误 恢 复...96 概 述...96 包 错 误...96 总 线 超 时...99 错 误 的 包 结 束 符 数 据 切 换 错 误 设 备 串 扰 活 动 损 耗 (LOA) 串 扰 和 LOA 的 检 测 和 恢 复 传 输 ( 不 保 证 交 付 ) 中 断 传 输 的 错 误 恢 复 批 量 传 输 的 错 误 恢 复 控 制 传 输 的 错 误 恢 复 第 9 章 USB 节 电 模 式 节 电 模 式 挂 起...113

12 设 备 对 挂 起 的 响 应 集 线 器 对 挂 起 的 响 应 全 局 挂 起 选 择 性 挂 起 选 择 性 挂 起 后 接 全 局 挂 起 通 过 复 位 恢 复 第 三 部 分 高 速 设 备 操 作 第 10 章 高 速 设 备 操 作 概 况 概 述 高 速 设 备 的 新 特 点 支 持 USB 1.x 系 统 主 机 控 制 器 第 11 章 高 速 信 号 环 境 概 述 高 速 设 备 连 接 检 测 高 速 差 动 信 号 高 速 开 始 包 和 同 步 序 列 高 速 包 结 束 符 高 速 设 备 断 开 检 测 高 速 复 位 和 挂 起 第 12 章 高 速 传 输 事 务 和 调 度 概 述 高 速 事 务 调 度 周 期 传 输 非 周 期 传 输 第 13 章 高 速 错 误 检 测 和 处 理 概 述 高 速 总 线 超 时 错 误 的 包 结 束 符 第 14 章 高 速 的 挂 起 和 恢 复 概 述 进 入 设 备 挂 起 设 备 恢 复...161

13 第 四 部 分 USB 2.0 集 线 器 在 低 速 全 速 高 速 中 的 操 作 第 15 章 高 速 集 线 器 概 况 概 述 连 接 到 高 速 端 口 的 2.0 集 线 器 连 接 到 全 速 端 口 的 USB 2.0 集 线 器 第 16 章 高 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 概 述 高 速 集 线 器 转 发 器 第 17 章 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 概 述 分 解 事 务 的 结 构 分 解 令 牌 包 事 务 翻 译 器 分 解 事 务 的 调 度 周 期 分 解 事 务 非 周 期 分 解 事 务 第 五 部 分 USB 2.0 设 备 配 置 第 18 章 配 置 过 程 概 述 配 置 软 件 单 元 根 集 线 器 配 置 第 19 章 USB 设 备 配 置 概 述 配 置 过 程 摘 要 软 件 如 何 检 测 设 备 的 连 接 和 速 度 复 位 端 口 读 取 和 解 析 USB 描 述 符 设 备 状 态 客 户 端 软 件 配 置 第 20 章 集 线 器 配 置 过 程 配 置 集 线 器...224

14 读 集 线 器 描 述 符 x 集 线 器 描 述 符 高 速 集 线 器 描 述 符 集 线 器 加 电 检 查 集 线 器 状 态 集 线 器 端 口 状 态 摘 要 第 21 章 设 备 类 概 述 设 备 类 音 频 设 备 类 通 信 设 备 类 显 示 设 备 类 大 容 量 存 储 器 设 备 第 六 部 分 USB 软 件 概 述 第 22 章 USB 主 机 软 件 概 述 USB 软 件 USB 驱 动 程 序 (USBD) 配 置 管 理 配 置 要 求 的 USB 元 素 数 据 传 输 管 理 提 供 客 户 端 服 务 (USB 驱 动 程 序 接 口 ) 附 录 附 录 A 标 准 设 备 请 求 概 述 标 准 设 备 请 求 设 置 或 者 清 除 特 性 设 置 或 者 取 配 置 设 置 或 者 取 描 述 符 设 置 或 者 取 接 口 取 状 态 同 步 帧 设 备 测 试 附 录 B 集 线 器 请 求 概 述...270

15 集 线 器 请 求 类 型 集 线 器 类 请 求 设 置 或 者 取 描 述 符 取 集 线 器 状 态 设 置 或 者 清 除 集 线 器 特 性 取 端 口 状 态 请 求 设 置 或 者 清 除 集 线 器 特 性 端 口 测 试 模 式 取 总 线 状 态 附 录 C 通 用 主 机 控 制 器 概 述 通 用 主 机 控 制 器 事 务 调 度 传 输 描 述 符 UHC 控 制 寄 存 器 附 录 D 开 放 主 机 控 制 器 概 述 开 放 主 机 控 制 器 寄 存 器...298

16 第 一 部 分 USB2.0 综 述 第 一 部 分 我 们 主 要 讨 论 通 用 串 行 总 线 (Universal Serial Bus USB) 的 设 计 目 标, 这 种 总 线 是 在 大 家 普 遍 认 为 原 始 PC 机 外 围 设 备 扩 展 的 实 现 中 有 这 样 那 样 的 缺 点 的 背 景 下 出 现 的 这 一 部 分 我 们 也 介 绍 了 USB 的 概 念, 包 括 它 正 常 运 转 所 需 要 的 硬 件 和 软 件 要 素, 对 低 速 全 速 和 高 速 设 备 的 支 持 然 后 讨 论 了 USB 对 于 所 有 设 备 速 率 都 一 致 的 特 征, 例 如 电 缆 连 接 器 和 总 线 电 源 第 一 部 分 包 括 以 下 几 章 : 第 1 章 :USB 的 设 计 目 标 第 2 章 : 概 念 总 述 第 3 章 :USB 电 缆 和 连 接 器 第 4 章 :USB 电 缆 配 电 系 统 1

17 USB 的 设 计 目 标 USB 的 设 计 目 标 1 本 章 今 天 我 们 的 许 多 PC 机 仍 然 沿 用 基 于 20 世 纪 80 年 代 初 设 计 的 最 初 的 IBM PC 机 接 口 的 外 围 设 备, 这 些 实 现 有 一 系 列 的 缺 点, 会 给 设 计 者 和 用 户 带 来 相 当 多 的 麻 烦 这 一 章 我 们 讨 论 USB 2.0 的 基 本 设 计 目 标 并 且 回 顾 一 下 传 统 方 式 的 缺 点 下 一 章 下 一 章 给 出 USB 转 换 基 本 概 念 的 总 述, 描 述 USB 系 统 软 件 系 统 硬 件 和 USB 设 备 在 USB 1.x 系 统 和 USB 2.0 系 统 中 的 交 互 还 描 述 了 USB 通 信 进 程, 包 括 设 备 框 架 的 概 念 也 介 绍 了 每 个 USB 系 统 的 硬 件 和 软 件 元 素 以 及 相 应 的 基 本 功 能 早 期 PC 输 入 / 输 出 范 例 的 缺 点 USB 出 现 的 原 因 是 个 人 计 算 机 环 境 中 存 在 和 外 围 设 备 的 成 本 配 置 附 件 相 关 的 一 些 困 难 简 单 地 说,USB 产 生 了 捆 绑 和 访 问 外 围 设 备 的 一 种 方 法, 从 终 端 用 户 的 角 度 可 以 全 面 降 低 成 本, 简 化 附 件 和 配 置, 解 决 几 个 旧 式 外 围 设 备 的 技 术 问 题 下 面 几 节 细 致 地 阐 述 了 目 前 的 PC 外 围 设 备 存 在 的 各 种 各 样 的 问 题, 研 究 了 USB 标 准 面 临 的 挑 战 有 限 的 系 统 资 源 图 1-1 描 述 了 传 统 的 输 入 / 输 出 范 例, 外 围 设 备 通 常 被 映 射 进 CPU 的 输 入 / 输 出 地 址 空 间, 分 配 一 根 独 占 的 中 断 请 求 线 (IRQ), 或 者 是 DMA( 直 接 存 储 器 存 取 ) 通 道 这 些 系 统 资 源 被 IBM 和 其 他 的 厂 商 分 配 给 特 定 的 外 围 设 备, 成 为 软 件 开 发 者 访 问 指 定 设 备 的 标 准 输 入 / 输 出 区 域 中 断 请 求 和 DMA 通 道 图 1-1 显 示 了 PC 环 境 下 输 入 / 输 出 中 断 的 地 址 分 配, 这 种 方 式 当 设 备 配 置 变 复 杂 的 时 候 使 系 统 资 源 严 重 不 足 传 统 PC 环 境 的 另 一 个 缺 陷 是, 限 制 了 能 接 到 标 准 连 接 器 上 的 外 围 设 备 数 量 例 如, 串 行 和 并 行 连 接 器 仅 支 持 单 独 的 设 备, 这 样 就 限 制 了 能 够 被 廉 价 快 捷 地 连 接 的 外 围 设 备 中 断 当 通 常 在 PC 中 实 现 的 众 多 设 备 要 求 分 配 中 断 时, 可 能 出 现 最 为 严 重 的 系 统 资 源 问 题 这 一 问 题 在 和 ISA( 工 业 标 准 结 构 ) 总 线 连 接 的 外 围 设 备 中 表 现 尤 为 突 出, 这 是 由 于 ISA 总 线 3

18 第 1 章 不 支 持 可 共 享 的 中 断, 表 1-1 列 出 了 每 根 中 断 请 求 线 和 一 般 占 用 它 的 外 设 从 表 中 可 以 看 出, 按 照 传 统 的 习 惯, 许 多 中 断 请 求 线 被 分 配 给 特 定 的 设 备, 而 其 他 的 中 断 请 求 线 可 以 由 不 同 的 外 围 设 备 使 用, 在 基 于 PCI 总 线 的 系 统 中, 也 包 括 一 根 ISA 总 线, 中 断 的 不 足 成 为 一 个 主 要 的 问 题, 因 为 有 许 多 中 断 请 求 线 确 实 应 该 留 给 那 些 需 要 它 们 的 ISA 扩 展 卡 输 入 / 输 出 地 址 空 间 游 戏 端 口 ( 操 纵 杆 ) 并 行 端 口 ( 打 印 机 ) 主 控 制 器 应 用 层 / 操 作 系 统 声 卡 串 行 端 口 1 ( 绘 图 仪 ) 串 行 端 口 2 ( 调 制 解 调 器 ) 从 控 制 器 到 CPU 的 中 断 键 盘 / 鼠 标 图 1-1 传 统 外 围 设 备 使 用 系 统 资 源 的 情 况 表 1-1 标 准 外 设 使 用 的 典 型 的 中 断 线 中 断 请 求 线 外 围 设 备 IRQ0 系 统 时 钟 ( 专 用 于 系 统 主 板 ) IRQ1 键 盘 ( 专 用 于 系 统 主 板 ) IRQ2 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7 被 动 中 断 控 制 器 ( 外 设 不 可 用 ) 的 级 连 通 道 串 行 鼠 标 调 制 解 调 器 绘 图 仪 串 行 打 印 机 游 戏 端 口 输 入 笔 红 外 线 端 口 串 行 鼠 标 调 制 解 调 器 绘 图 仪 串 行 打 印 机 总 线 鼠 标 并 行 打 印 机 声 卡 网 络 适 配 器 磁 带 驱 动 器 游 戏 端 口 软 盘 驱 动 器 并 行 打 印 机 IRQ8 寄 存 器 控 制 信 号 ( 专 用 于 系 统 主 板 ) IRQ9 网 络 适 配 器 视 频 适 配 器 磁 带 驱 动 器 游 戏 端 口 4

19 USB 的 设 计 目 标 续 表 中 断 请 求 线 IRQ10 IRQ11 IRQ12 外 围 设 备 网 络 适 配 器 声 卡 网 络 适 配 器 SCSI 控 制 器 PCMCIA 控 制 器 PS/2 鼠 标 (PCMCIA) 控 制 器 IRQ13 数 字 协 处 理 器 错 误 ( 专 用 于 系 统 主 板 ) IRQ14 IRQ15 硬 盘 驱 动 器 SCSI 控 制 器 PCMCIA 控 制 器 输 入 / 输 出 地 址 输 入 / 输 出 的 地 址 冲 突 在 PC 环 境 中 也 经 常 发 生 注 意 到 外 围 设 备 通 常 需 要 一 段 地 址 空 间 来 报 告 状 态 信 息, 向 设 备 发 送 命 令 虽 然 x86 处 理 器 有 能 力 访 问 64KB 的 输 入 / 输 出 地 址 空 间 ( 已 足 够 分 配 给 所 有 的 外 围 设 备 ), 但 是 传 统 的 ISA 总 线 只 有 10 到 16 根 地 址 线 可 用, 最 大 提 供 1KB 的 地 址 空 间 给 ISA 扩 展 设 备 使 用 此 外, 有 限 的 译 码 产 生 一 个 大 家 都 知 道 的 混 乱 影 响 : 就 是 其 他 设 备 不 可 以 使 用 线 性 分 配 的 1K 地 址 空 间 中 的 前 768 字 节 的 地 址 段 请 参 考 Mindshare 的 ISA System Architecture 一 书,Addison-Wesley 出 版 社 出 版 发 行 不 可 共 享 的 接 口 标 准 的 PC 外 围 接 口 ( 例 如 : 串 行 和 并 行 接 口 ) 支 持 单 独 连 接 外 设 由 于 在 某 一 时 间 只 有 一 个 外 围 设 备 可 以 被 连 接, 这 样 连 接 的 自 由 度 非 常 小 这 种 限 制 也 导 致 研 制 一 种 新 的 扩 展 卡 插 到 扩 展 总 线 上 以 产 生 一 个 新 的 外 围 设 备 的 连 接 点 将 会 代 价 很 大 终 端 用 户 关 注 点 当 终 端 用 户 把 外 围 设 备 连 接 到 PC 机 上 时 会 面 对 各 种 各 样 的 问 题 包 括 : 太 多 的 连 接 器 / 电 缆 类 型 连 接 大 部 分 外 设 时 必 须 关 闭 系 统 安 装 和 载 入 软 件 必 须 重 新 启 动 机 器 成 本 电 缆 也 疯 狂 许 多 设 备 都 需 要 专 用 的 电 缆, 如 鼠 标 键 盘 打 印 机 外 部 调 制 解 调 器 Zip 驱 动 器 绘 图 仪 等, 它 们 的 电 缆 大 部 分 完 全 不 同 图 1-2 画 出 了 USB 出 现 以 前 典 型 的 PC 机 的 背 板, 各 种 不 同 的 连 接 器 和 电 缆 需 要 连 接 特 定 的 外 围 设 备, 这 很 不 方 便, 还 容 易 混 淆 扩 展 卡 的 安 装 和 配 置 购 买 了 外 围 设 备 后, 通 常 都 需 要 安 装 扩 展 卡 当 然, 这 需 要 打 开 机 箱, 设 置 转 换 开 关 和 跳 线 来 配 置 扩 展 卡, 插 入 卡, 然 后 再 装 好 机 箱 麻 烦 才 刚 刚 开 始, 一 旦 系 统 上 电, 这 个 外 设 的 驱 动 软 件 要 从 磁 盘 安 装, 无 论 对 于 新 手 还 是 有 经 验 的 用 户, 也 许 都 会 安 装 失 败 外 设 不 可 热 连 接 许 多 传 统 的 输 入 / 输 出 设 备 连 接 到 机 器 后, 如 果 不 重 新 启 动 机 器 就 不 能 工 作 要 求 重 启 的 原 因 是 让 系 统 能 够 通 过 软 件 检 测 到 该 外 设 在 这 个 进 程 中, 要 选 择 和 分 配 系 统 资 源 ( 例 如 : 5

20 第 1 章 输 入 / 输 出 地 址 空 间 中 断 请 求 线 DMA 通 道 ) 给 新 的 外 设 以 使 它 们 能 够 正 常 地 工 作, 还 要 保 证 选 择 的 系 统 资 源 没 有 分 配 给 系 统 中 其 他 的 设 备 键 盘 鼠 标 显 示 器 串 行 并 行 以 太 网 小 型 计 调 制 声 卡 端 口 1 端 口 接 口 算 机 接 口 解 调 器 ( 扬 声 器 和 麦 克 ) 图 1-2 背 板 上 的 连 接 器 成 本 标 准 外 国 连 接 器 和 相 关 电 缆 价 格 较 高, 因 此 基 于 原 始 PC 设 计 的 实 现 系 统 和 外 国 设 备 的 成 本 相 当 高 由 于 PC 上 大 部 分 标 准 连 接 器 已 经 被 各 种 各 样 的 外 围 设 备 占 用 了, 所 以 要 安 装 扩 展 卡 给 外 围 设 备 提 供 一 种 到 系 统 的 连 接 方 式, 但 这 就 使 整 体 解 决 方 案 成 本 更 高 USB 范 例 在 提 供 更 高 的 升 级 性 能 和 扩 展 时, 新 外 围 标 准 的 设 计 目 标 应 该 克 服 原 来 厂 商 和 用 户 能 够 感 觉 到 的 缺 点 USB 的 设 计 目 标 包 括 以 下 几 点 : 同 一 类 型 的 连 接 器 能 够 连 接 任 何 类 型 的 外 围 设 备 可 以 将 许 多 外 设 连 接 到 同 一 个 连 接 器 的 能 力 能 够 缓 解 系 统 资 源 冲 突 的 方 法 热 插 拔 支 持 自 动 检 测 并 配 置 外 设 对 系 统 和 外 设 运 行 来 说 可 谓 低 成 本 的 解 决 方 案 提 升 性 能 的 能 力 支 持 连 接 新 的 外 围 设 计 支 持 传 统 的 硬 件 和 软 件 低 耗 电 运 行 USB 为 解 决 原 来 传 统 PC 输 入 / 输 出 系 统 运 行 时 存 在 的 资 源 问 题 找 到 了 突 破 口 这 些 和 输 入 / 输 出 地 址 空 间 中 断 请 求 线 DMA 通 道 相 关 的 资 源 限 制, 在 USB 方 式 下 不 再 存 在 每 一 个 隶 属 于 USB 系 统 的 外 设 被 赋 予 一 个 只 有 USB 系 统 知 道 的 地 址, 不 再 消 耗 任 何 系 统 资 源 一 个 USB 接 口 最 多 支 持 127 个 外 设 地 址, 这 样 限 制 了 能 接 到 一 个 USB 的 外 设 数 量 USB 设 6

21 USB 的 设 计 目 标 备 通 常 包 括 一 定 数 量 的 寄 存 器 或 者 端 口, 能 够 被 USB 外 设 驱 动 程 序 直 接 访 问 这 些 寄 存 器 通 常 被 叫 做 设 备 终 点 (endpoint) 当 一 个 事 务 通 过 USB 传 送 时, 所 有 的 设 备 ( 除 了 低 速 设 备 ) 都 能 看 到 这 一 操 作 每 个 事 务 以 一 个 数 据 包 传 送 开 始, 这 个 传 送 包 定 义 了 在 USB 设 备 和 终 点 地 址 之 间 的 事 务 类 型 这 个 地 址 分 配 由 USB 软 件 管 理 系 统 中 其 他 非 USB 设 备 和 相 关 软 件 不 受 这 些 地 址 影 响 每 个 USB 设 备 必 须 有 一 个 默 认 地 址 ( 叫 做 终 点 零 地 址 ) 为 设 备 的 配 置 保 留 相 对 于 零 地 址,USB 系 统 软 件 从 设 备 读 取 标 准 描 述 符 这 些 描 述 符 提 供 硬 件 和 软 件 初 始 化 所 需 要 的 必 要 配 置 信 息 在 这 种 方 式 下, 系 统 软 件 能 够 检 测 到 设 备 类 型 ( 或 者 是 分 类 信 息 ), 并 且 决 定 设 备 适 于 怎 样 访 问 提 升 系 统 性 能 通 用 串 行 总 线 (USB) 提 供 了 平 衡 连 接 PC 外 设 性 能 和 成 本 的 解 决 方 案 USB 支 持 如 下 的 传 输 速 率 : 5Mb/s 12Mb/s 480Mb/s USB 1.0 和 1.1(1.x) 版 本 只 支 持 1.5Mb/s 和 12Mb/s 两 种 速 率, 适 用 于 支 持 低 速 和 全 速 外 设, 而 USB 2.0 版 本 定 义 了 480Mb/s 的 速 率, 能 够 支 持 一 部 分 高 速 外 设, 并 且 允 许 多 个 低 速 或 全 速 外 设 在 一 根 USB 线 上 运 转 表 1-2 列 出 了 适 合 各 种 性 能 范 围 的 外 设 表 1-2 应 用 相 关 性 能 要 求 和 期 望 属 性 性 能 应 用 属 性 低 速 率 : 交 互 设 备 10~100Kb/s 全 速 率 : 语 音, 音 频 500~10000Kb/s 高 速 率 : 视 频, 磁 盘, 局 域 网 25~500Mb/s 键 盘 鼠 标 手 写 笔 游 戏 设 备 虚 拟 现 实 外 设 综 合 业 务 数 字 网 (ISDN) 专 用 分 组 交 换 机 (PBX) 光 学 地 面 模 拟 器 (POTS) 数 字 音 频 设 备 扫 描 仪 打 印 机 大 容 量 存 储 器 视 频 会 议 成 像 宽 带 低 成 本 热 插 拔 易 用 多 级 设 备 低 成 本 易 用 延 时 保 证 带 宽 保 证 热 插 拔 多 级 设 备 低 成 本 热 插 拔 高 带 宽 延 时 保 证 带 宽 保 证 多 级 设 备 易 用 7

22 第 1 章 对 即 插 即 用 的 支 持 热 插 拔 和 自 动 配 置 对 于 满 足 终 端 用 户 的 需 求 是 至 关 重 要 的 USB 能 够 自 动 检 测 到 连 接 到 系 统 的 新 设 备 并 且 自 动 安 装 用 来 访 问 该 硬 件 的 相 关 软 件 这 个 过 程 去 掉 了 配 置 外 设 设 置 转 换 开 关 和 跳 线 的 要 求, 并 且 当 外 设 连 接 后 不 必 再 重 新 启 动 系 统 简 单 地 说, 用 户 可 以 很 容 易 地 安 装 外 设 并 且 可 以 立 刻 使 用 可 扩 展 性 集 线 器 设 备 提 供 附 加 的 端 口 来 连 接 更 多 的 USB 设 备, 如 图 1-3 所 示 小 型 计 算 机 接 口 图 形 局 域 端 口 网 接 口 打 印 机 / 集 线 器 键 盘 / 集 线 器 扫 描 仪 调 制 解 调 器 数 字 电 话 图 1-3 USB 设 备 的 连 接 集 线 器 可 以 是 一 个 独 立 的 设 备, 也 可 以 被 集 成 到 其 他 的 USB 设 备 上, 如 打 印 机 键 盘 物 理 上 带 有 集 线 器 的 设 备 和 有 一 个 以 上 内 部 设 备 连 接 到 集 线 器 的 设 备 称 为 复 合 设 备 对 传 统 硬 件 和 软 件 的 支 持 旧 的 操 作 系 统 没 有 USB 的 概 念, 所 以 系 统 设 计 员 必 须 选 择 是 否 支 持 USB 另 外 传 统 的 系 统 固 件 ( 初 始 化 代 码 引 导 区 代 码 和 BIOS) 是 基 于 PC 传 统 硬 件 标 准 的, 如 果 需 要 引 导 USB 就 必 须 改 进 系 统 以 适 于 支 持 USB 8 低 成 本 USB 能 够 降 低 外 部 设 备 设 计 和 系 统 支 持 的 总 成 本

23 USB 的 设 计 目 标 在 外 设 方 面 成 本 的 降 低 大 部 分 是 因 为 外 设 直 接 连 接 到 USB 端 口 的 能 力, 这 样 就 摒 除 了 要 为 新 的 外 设 设 计 扩 展 卡 的 需 求 另 一 个 对 于 系 统 和 外 设 来 说 都 能 降 低 成 本 的 来 源 是 连 接 器 和 电 缆, 标 准 的 USB 电 缆 创 造 了 一 个 非 常 大 的 市 场, 制 造 商 之 间 的 竞 争 促 使 这 些 部 件 成 本 下 降 USB 串 行 总 线 相 对 于 需 要 大 量 的 引 脚 和 印 刷 电 路 的 并 行 总 线 而 言 也 大 大 降 低 了 成 本 系 统 成 本 的 节 约 表 现 在, 消 除 了 各 种 必 须 支 持 标 准 设 备 的 接 口, 如 串 口 并 口 键 盘 接 口 鼠 标 接 口 总 之, 在 旧 的 连 接 器 仍 然 存 在 的 情 况 下 USB 已 经 被 应 用 了 图 1-3 显 示 了 近 期 将 要 出 现 的 系 统 背 板 的 样 子 USB 主 要 特 征 摘 要 表 1-3 列 出 了 USB 的 一 些 主 要 特 征 表 1-3 USB 主 要 特 征 特 征 描 述 低 成 本 USB 为 外 设 连 接 到 PC 提 供 了 一 个 低 成 本 的 解 决 方 案 热 插 拔 USB 可 以 自 动 检 测 到 设 备 的 连 接, 软 件 可 以 自 动 完 成 配 置, 可 以 立 即 使 用, 不 需 要 用 户 的 干 涉 单 一 连 接 器 类 型 USB 定 义 了 可 以 连 接 任 何 USB 设 备 的 单 一 接 口, 更 多 的 接 口 可 以 通 过 USB 集 线 器 添 加 127 个 设 备 每 个 USB 支 持 127 个 外 设 低 速 全 速 和 高 速 设 备 全 适 用 电 缆 加 电 系 统 资 源 的 要 求 降 低 错 误 检 测 和 修 复 USB 2.0 支 持 三 个 速 率 :1.5Mb/s 12Mb/s 和 480Mb/s 外 设 可 以 通 过 电 缆 直 接 被 加 电, 电 缆 提 供 5V 的 直 流 电 压 根 据 集 线 器 端 口 的 不 同, 电 流 从 100mA 到 500mA 不 等 USB 外 设 不 像 ISA EISA 和 PCI 那 样, 它 不 需 要 内 存, 不 需 要 输 入 / 输 出 地 址 空 间, 不 需 要 中 断 请 求 线 USB 事 务 包 括 错 误 检 测 机 制, 保 证 数 据 正 确 传 输, 一 旦 发 生 错 误, 可 以 重 传 电 源 稳 定 USB 设 备 3ms 没 有 动 作 则 自 动 进 入 挂 起 状 态, 这 时 消 耗 的 电 流 不 超 过 500µA 支 持 四 种 类 型 的 传 输 扩 展 总 线 能 力 USB 定 义 了 四 种 不 同 传 输 类 型 以 支 持 外 设 对 传 输 特 性 的 不 同 要 求, 包 括 : 批 处 理 同 步 传 输 中 断 和 控 制 传 输 USB 集 线 器 可 以 加 载 以 增 加 端 口 给 更 多 的 USB 设 备 连 接 如 何 得 到 USB 规 范 USB 规 范 可 以 从 USB 网 站 得 到 : 这 个 站 点 有 USB 2.0 的 规 范 设 备 的 分 级 规 范 和 其 他 与 USB 相 关 的 信 息 9

24 第 2 章 2 概 念 总 述 上 一 章 今 天 我 们 的 许 多 PC 机 仍 然 沿 用 基 于 80 年 代 初 设 计 的 最 初 的 IBM PC 机 接 口 的 外 围 设 备, 这 种 执 行 有 一 系 列 的 缺 点, 会 给 设 计 者 和 用 户 带 来 相 当 多 的 麻 烦 上 一 章 我 们 讨 论 了 USB 2.0 的 基 本 设 计 目 标 并 且 回 顾 了 一 下 传 统 方 式 的 缺 点 本 章 本 章 给 出 USB 转 换 基 本 概 念 的 总 述, 描 述 USB 系 统 软 件 系 统 硬 件 和 USB 设 备 在 USB 1.x 系 统 和 USB 2.0 系 统 中 的 交 互 描 述 USB 通 信 进 程, 包 括 设 备 框 架 的 概 念 介 绍 每 个 USB 系 统 的 硬 件 和 软 件 元 素 和 相 应 的 基 本 功 能 下 一 章 USB 为 将 所 有 的 USB 外 设 连 接 到 系 统 主 机 定 义 了 一 种 连 接 器 类 型 下 一 章 介 绍 USB 连 接 器 和 电 缆 物 理 方 面 的 性 能 概 览 图 2-1 提 供 了 基 于 PCI 系 统 的 USB 系 统 视 图 在 这 种 实 现 方 式 下 USB 主 机 控 制 器 安 装 在 PCI 总 线 上 这 个 控 制 器 作 为 总 线 主 控 从 内 存 获 取 由 系 统 软 件 调 度 的 描 述 事 务 类 型 的 数 据 结 构 来 在 USB 上 传 送 数 据 图 2-2 描 述 了 面 向 集 线 器 的 芯 片 组, 其 中 USB 控 制 器 被 集 成 到 输 入 / 输 出 集 线 器 芯 片 中 在 输 入 / 输 出 集 线 器 和 内 存 集 线 器 之 间 的 高 速 链 路 允 许 输 入 / 输 出 子 系 统 和 存 储 器 之 间 拥 有 比 一 般 的 PCI 总 线 更 高 的 带 宽, 所 以 更 能 适 应 USB 2.0 高 带 宽 的 要 求 USB 1.x 系 统 和 设 备 本 节 我 们 给 出 一 个 低 速 和 全 速 系 统 和 设 备 操 作 的 概 述 本 书 后 面 的 部 分 给 出 这 些 设 备 的 更 具 体 应 用 和 操 作 10

25 概 念 总 述 主 存 储 器 视 频 帧 缓 冲 区 CPU CPU 局 域 总 线 主 机 / 外 设 缓 存 / 桥 存 储 总 线 图 形 适 配 器 外 设 控 制 器 接 口 总 线 外 设 控 制 器 接 口 总 线 局 域 网 适 配 器 USB 主 机 控 制 器 ( 根 集 线 器 ) 扩 展 卡 总 线 桥 小 型 计 算 机 主 机 总 线 适 配 器 小 型 计 算 机 接 口 总 线 磁 盘 磁 带 键 盘 ( 集 线 器 ) 局 域 网 鼠 标 (USB 端 口 ) 显 示 器 ( 集 线 器 ) 扬 声 器 PC 卡 总 线 PC 卡 16 位 数 据 线 CD -RM 图 2-1 基 于 PCI 平 台 的 USB 系 统 模 式 低 速 和 全 速 设 备 我 们 在 图 2-3 中 可 以 看 到 :USB 1.0 和 1.1(1.x) 系 统 仅 仅 能 够 支 持 1.5Mb/s( 低 速 ) 和 12Mb/s( 全 速 ) 两 种 速 率 事 务 主 机 传 送 低 速 或 全 速 事 务 依 赖 于 设 备 访 问 的 速 度 当 全 速 事 务 执 行 的 时 候, 将 被 阻 止 到 达 低 速 设 备, 否 则 全 速 事 务 会 使 低 速 设 备 混 乱 相 反, 低 速 事 务 则 可 以 安 全 地 在 全 速 设 备 上 执 行 ( 参 见 图 2-4) 11

26 第 2 章 中 断 CPU 显 示 器 正 向 间 隔 信 息 组 存 储 控 制 集 线 器 2X A G P 局 域 视 频 存 储 器 动 态 随 机 存 取 存 储 器 调 制 解 调 器 编 解 码 器 顶 端 输 入 输 出 线 性 预 测 编 码 AC'97 Link 音 频 编 解 码 器 中 断 请 求 集 线 器 接 口 输 入 输 出 控 制 器 集 线 器 USB 控 制 器 8259 中 断 控 制 器 固 件 集 线 器 外 围 控 制 接 口 总 线 USB 端 口 中 断 集 成 设 备 电 路 外 围 控 制 接 口 插 槽 (32 位, 33 MHz) 工 业 标 准 结 构 桥 路 硬 盘 驱 动 器 工 业 标 准 结 构 插 槽 CD-ROM 图 2-2 集 成 到 输 入 / 输 出 控 制 中 央 芯 片 中 的 USB 控 制 器 1.x 主 机 控 制 器 ( 包 括 根 集 线 器 ) 低 速 设 备 全 速 设 备 集 线 器 低 速 设 备 全 速 设 备 图 2-3 仅 支 持 低 速 和 全 速 设 备 的 USB 1.0 系 统 12

27 概 念 总 述 1.x 主 机 控 制 器 ( 包 括 根 集 线 器 ) 低 速 设 备 全 速 设 备 集 线 器 集 线 器 阻 止 全 速 事 务 到 达 低 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 1.x 主 机 控 制 器 ( 包 括 根 集 线 器 ) 低 速 设 备 全 速 设 备 集 线 器 所 有 的 设 备 能 看 到 低 速 事 务 低 速 设 备 全 速 设 备 图 2-4 全 速 事 务 不 能 到 达 低 速 设 备 事 务 是 如 何 生 成 的 USB 1.x 系 统 通 过 从 内 存 获 取 和 执 行 一 个 数 据 结 构 的 链 表 ( 叫 做 传 输 描 述 符 ) 生 成 一 个 USB 事 务 每 个 描 述 符 定 义 了 一 个 USB 事 务, 规 定 需 要 什 么 样 的 软 件 和 访 问 一 个 USB 外 设 的 执 行 步 骤 例 如 : 某 一 个 传 输 描 述 符 可 能 规 定 了 一 个 USB 键 盘 要 被 访 问 以 检 测 是 否 有 击 键 动 作 发 生, 另 一 个 描 述 符 具 体 规 定 将 如 何 数 据 传 送 到 打 印 机 这 个 例 子 中, 键 盘 是 低 速 设 备, 打 印 机 以 全 速 被 访 问 描 述 符 包 括 什 么 每 个 传 输 描 述 符 包 括 了 描 述 一 个 事 务 运 行 的 信 息 主 要 有 : USB 设 备 地 址 执 行 的 事 务 类 型 ( 读 或 写 ) 13

28 第 2 章 传 输 大 小 处 理 速 度 内 存 数 据 缓 冲 区 的 位 置 ( 满 的 缓 冲 区 包 括 送 到 USB 设 备 的 数 据, 空 的 缓 冲 区 用 来 存 放 从 外 设 传 过 来 的 数 据 ) USB 主 机 控 制 器 根 据 这 些 信 息 执 行 具 体 的 操 作 在 个 人 电 脑 的 环 境 中, 为 USB 1.x 设 备 设 计 了 两 个 主 机 控 制 器 接 口 : 通 用 主 机 控 制 器 接 口 (UHCI) 和 开 放 主 机 控 制 器 接 口 (OHCI) 它 们 完 成 相 同 事 务 的 方 式 不 同, 描 述 符 的 定 义 也 不 同 附 录 中 的 图 C-4 描 述 了 定 义 在 UHCI 主 机 控 制 器 中 描 述 符 的 细 节 图 D-6 是 关 于 OHCI 主 机 控 制 器 的 如 何 获 取 传 输 描 述 符 描 述 符 链 表 有 时 也 叫 事 务 列 表 或 者 帧 列 表 主 机 在 1ms 的 时 间 段 内 ( 叫 做 一 帧 ) 获 取 和 执 行 一 组 描 述 符 图 2-5 和 图 2-6 给 出 了 主 机 控 制 器 一 个 从 帧 列 表 里 获 取 和 执 行 事 务 所 要 采 取 的 步 骤 在 这 两 个 例 子 中, 帧 列 表 包 含 一 个 访 问 USB 键 盘 的 传 输 描 述 符 和 一 个 访 问 USB 打 印 机 的 传 输 描 述 符 应 该 注 意, 这 些 例 子 不 能 反 映 所 有 的 USB 协 议 规 定, 但 是 能 够 很 好 地 描 述 一 个 事 务 在 USB 系 统 中 生 成 的 概 念 化 过 程 第 一 个 例 子 描 述 了 一 个 键 盘 被 软 件 扫 描 以 检 测 键 盘 是 否 被 敲 击 了 USB 中 数 据 流 的 方 向 以 主 机 为 参 照, 由 于 数 据 被 主 机 读 取, 所 以 这 个 事 务 被 称 作 IN 事 务 图 2-5 列 出 了 与 键 盘 IN 事 务 相 关 的 事 件 序 列 显 而 易 见, 键 盘 的 USB 驱 动 程 序 就 要 求 键 盘 被 定 期 检 测 以 判 断 是 否 有 用 户 敲 下 了 一 个 键 驱 动 程 序 提 供 了 一 个 内 存 缓 冲 区 以 接 受 键 盘 返 回 的 数 据 这 个 要 求 导 致 主 机 软 件 在 内 存 中 创 建 一 个 描 述 符 来 定 义 USB 检 测 系 统 ( 图 2-5 的 事 务 1) 主 机 控 制 器 获 取 了 事 务 1, 解 码 描 述 符, 执 行 IN 事 务 要 求 键 盘 返 回 数 据 给 主 机 控 制 器, 然 后 主 机 控 制 器 依 次 把 数 据 放 在 内 存 中 的 键 盘 数 据 缓 冲 区 指 向 键 盘 数 据 缓 冲 区 的 指 针 包 括 在 描 述 符 中 键 盘 驱 动 软 件 从 键 盘 数 据 缓 冲 区 获 取 数 据 传 输 描 述 符 事 务 1 事 务 2 事 务 3 键 盘 数 据 内 存 1 主 机 控 制 器 低 速 事 务 键 盘 打 印 机 低 速 目 标 1. 主 机 控 制 器 取 描 述 符 2. 主 机 控 制 器 生 成 IN 事 务 3. 键 盘 返 回 数 据 4. 主 机 控 制 器 传 输 键 盘 数 据 到 内 存 图 2-5 事 务 生 成 的 概 念 化 视 图 例 1 第 二 个 和 第 三 个 描 述 符 定 义 了 一 个 发 送 数 据 到 USB 打 印 机 的 事 务 这 种 情 况 下 数 据 流 的 方 向 是 从 主 机 流 出 (OUT) 图 2-6 表 示 了 这 些 事 务 执 行 时 的 事 件 序 列 帧 的 生 成 图 2-7 显 示 了 控 制 器 如 何 在 1ms 的 时 间 段 内 获 取 每 一 个 帧 列 表 注 意 每 一 个 1ms 的 帧 在 14

29 概 念 总 述 12Mb/s 的 速 率 下 有 个 位, 事 务 以 这 个 速 率 执 行 一 个 12MHz 的 时 钟 不 断 增 加 计 数 器 的 值, 当 计 数 达 到 时 就 产 生 一 个 进 位, 这 样 创 建 一 个 1KHz 的 时 钟 (1ms 的 周 期 ) 这 个 进 位 又 作 为 另 一 个 计 数 器 的 加 数, 这 个 计 数 器 包 括 一 个 帧 号, 帧 号 是 一 个 地 址 位, 用 来 获 取 一 个 描 述 符 链 表 中 的 第 一 个 传 输 描 述 符 每 一 个 传 输 描 述 符 包 含 一 个 指 向 列 表 中 下 一 个 描 述 符 的 指 针 通 过 这 种 方 式, 每 一 个 列 表 中 的 描 述 符 被 获 取 和 执 行, 导 致 在 当 前 帧 内 一 系 列 的 USB 事 务 传 输 描 述 符 事 务 1 事 务 2 事 务 3 打 印 机 数 据 内 存 1 主 机 控 制 器 全 速 事 务 键 盘 打 印 机 3 全 速 目 标 1. 主 机 控 制 器 取 描 述 符 2. 主 机 控 制 器 生 成 全 速 OUT 事 务 3. 主 机 控 制 器 从 内 存 取 打 印 机 数 据 4. 主 机 控 制 器 送 数 据 到 打 印 机 主 机 控 制 器 全 速 事 务 传 输 描 述 符 事 务 1 事 务 2 事 务 3 打 印 机 数 据 内 存 2 4 键 盘 打 印 机 3 目 标 1. 主 机 控 制 器 取 描 述 符 2. 主 机 控 制 器 生 成 全 速 OUT 事 务 3. 主 机 控 制 器 从 内 存 取 下 一 块 打 印 机 数 据 4. 主 机 控 制 器 送 数 据 到 打 印 机 图 2-6 事 务 生 成 的 概 念 化 视 图 例 2 15

30 第 2 章 内 存 帧 0 的 指 针 12MHz 计 数 器 ms 帧 号 计 数 器 帧 列 表 基 地 址 帧 5 的 指 针 帧 4 的 指 针 帧 3 的 指 针 帧 2 的 指 针 帧 1 的 指 针 帧 0 的 指 针 传 输 描 述 符 传 输 描 述 符 传 输 描 述 符 图 毫 秒 帧 产 生 的 概 念 化 视 图 共 享 总 线 安 装 在 USB 总 线 上 的 一 组 设 备 必 经 共 享 总 线 带 宽 图 2-8 描 述 了 一 个 单 独 的 帧, 在 这 个 时 间 段 内, 每 个 设 备 使 用 到 总 线 的 一 部 分 注 意, 有 的 设 备 每 个 帧 时 隙 都 要 访 问 总 线, 而 有 的 设 备 按 照 一 个 基 本 的 周 期 访 问 总 线 为 了 避 免 可 能 产 生 的 混 乱, 设 备 只 有 在 客 户 端 软 件 要 求 发 送 或 者 从 指 定 设 备 接 受 数 据 时 才 被 访 问 16

31 概 念 总 述 小 型 计 算 机 接 口 图 形 局 域 网 端 口 接 口 键 盘 / 集 线 器 打 印 机 / 集 线 器 扫 描 仪 调 制 解 调 器 数 字 电 话 帧 发 接 发 开 送 收 始 送 声 声 符 线 音 音 SOF 接 收 线 立 全 速 体 事 声 务 总 线 管 理 批 量 传 输 1 毫 秒 帧 图 2-8 USB 设 备 共 享 总 线 带 宽 的 例 子 这 个 例 子 要 求 在 同 一 个 帧 时 隙 内 每 个 设 备 都 要 被 访 问 本 例 中 不 太 可 能 也 有 一 些 设 备 每 个 帧 时 隙 都 要 求 USB 带 宽, 是 同 步 传 输 ( 例 如,USB 扬 声 器 ) 有 些 设 备 要 求 传 输 大 块 的 数 据, 但 是 不 要 求 即 时 传 输, 因 此 很 自 然 它 们 对 总 线 的 要 求 是 异 步 的, 也 就 不 要 求 保 证 带 宽 ( 例 如,USB 打 印 机 ) 如 果 一 个 应 用 在 每 个 帧 都 要 求 大 量 的 带 宽, 那 么 留 给 像 打 印 机 这 样 设 备 的 带 宽 就 很 小 或 者 没 有 这 时, 向 打 印 机 传 送 数 据 就 会 很 慢 甚 至 暂 时 停 止, 直 到 一 个 同 步 执 行 的 应 用 最 后 传 输 数 据 完 毕 带 宽 因 素 摘 要 每 个 1ms 的 时 隙 内 理 论 上 能 够 达 到 的 带 宽 是 12000bit/ms, 或 者 是 1.5KB/ms(1.5MB/s) 然 而, 执 行 事 务 时 的 系 统 开 销 明 显 影 响 了 总 线 的 效 率 考 虑 一 下 不 同 类 型 传 输 的 典 型 系 统 开 销 ( 包 括 最 坏 情 况 下 的 时 延 ): 17

32 第 2 章 同 步 事 务 =9 字 节 中 断 事 务 =13 字 节 ( 低 速 ),19 字 节 ( 全 速 ) 批 量 事 务 =13 字 节 控 制 (3 步 传 输 )=45 字 节 ( 低 速 ),63 字 节 ( 全 速 ) 为 了 提 高 总 线 共 享 时 的 公 平 性, 规 范 定 义 不 同 传 输 类 型 可 传 送 的 最 大 包 大 小 一 般 来 说, 同 步 传 输 的 最 大 有 效 载 荷 是 1023 字 节, 其 他 类 型 的 为 64 字 节 传 输 不 同 大 小 的 包 时 总 线 的 效 率 参 见 表 2-1 表 2-1 不 同 数 据 有 效 载 荷 下 相 应 的 总 线 传 输 效 率 传 输 类 型 最 大 包 值 效 率 同 步 传 输 1023 字 节 约 99% 512 字 节 约 98% 64 字 节 约 86% 其 他 64 字 节 约 82% 32 字 节 约 69% 8 字 节 约 36% 另 一 个 与 USB 性 能 相 关 的 重 要 方 面 是 在 最 大 有 效 载 荷 情 况 下 可 以 获 得 的 带 宽 是 多 少 例 如, 当 总 线 高 效 传 输 带 有 1023 字 节 最 大 载 荷 的 同 步 事 务 时, 大 概 要 占 到 总 线 全 部 带 宽 的 87% 相 比 之 下, 一 个 带 有 最 大 64 字 节 有 效 载 荷 的 批 处 理 传 输 只 占 大 约 5% 的 全 部 带 宽 这 样 当 一 个 最 大 带 宽 的 同 步 传 输 在 执 行 时, 剩 下 的 带 宽 最 多 满 足 两 个 最 大 的 批 处 理 现 在 我 们 想 像 一 下 如 图 2-8 所 示 的 情 况 这 里, 有 效 带 宽 甚 至 不 能 满 足 同 步 传 输 设 备, 更 不 用 说 满 足 其 他 设 备 的 要 求 了 USB 规 范 允 许 最 大 将 90% 的 带 宽 分 配 给 周 期 性 事 务 ( 同 步 和 中 断 ), 而 控 制 传 输 就 可 以 有 10% 的 带 宽 保 证 批 处 理 只 有 在 其 他 正 在 运 行 的 事 务 都 完 成 后 才 能 获 得 带 宽 考 虑 到 带 宽 的 限 制, 能 够 被 USB 1.x 充 分 支 持 的 USB 设 备 数 量 远 远 低 于 我 们 所 期 待 的 USB 2.0 系 统 和 设 备 基 于 USB 2.0 的 系 统 可 以 支 持 高 速 全 速 和 低 速 设 备 这 可 以 向 后 兼 容 1.x 系 统, 同 时 显 著 提 高 了 USB 性 能, 也 因 此 增 加 了 可 以 被 USB 支 持 的 外 设 的 数 量 USB 2.0 系 统 可 以 兼 容 1.x 设 备, 并 且 与 之 具 有 许 多 共 同 特 征 : 使 用 相 同 的 连 接 器 高 速 设 备 使 用 全 速 电 缆 使 用 相 同 的 通 信 模 式 ( 令 牌 / 数 据 / 握 手 应 答 ) 使 用 相 同 的 设 备 连 接 识 别 使 用 相 同 的 设 备 配 置 模 式 USB 480Mb/s 的 传 输 速 率 是 USB 1.x12Mb/s 传 输 速 率 的 40 倍 这 样 高 的 速 率 允 许 更 多 18

33 概 念 总 述 的 USB 设 备 连 接 到 同 一 根 总 线 另 外, 在 高 速 系 统 中 1.x 的 全 速 和 低 速 设 备 都 没 有 明 显 影 响 到 高 速 设 备 的 性 能 图 2-9 描 述 了 USB 2.0 系 统 设 备 连 接 到 不 同 端 口 的 情 况 PCI 总 线 2.0 主 机 控 制 器 低 速 设 备 1.x 集 线 器 全 速 设 备 高 速 设 备 2.0 集 线 器 高 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 高 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 图 2-9 连 接 着 低 速 全 速 和 高 速 设 备 的 2.0 系 统 USB 2.0 系 统 的 低 速 和 全 速 设 备 低 速 和 全 速 设 备 都 可 以 连 接 到 1.x 的 集 线 端 口 或 2.0 的 高 速 集 线 端 口 图 2-10 描 述 了 这 些 设 备 连 接 到 总 线 的 方 法 当 低 速 和 全 速 设 备 连 接 到 全 速 集 线 器, 并 且 在 主 机 和 全 速 集 线 器 之 间 没 有 高 速 连 接 时, 这 些 设 备 就 像 它 们 在 1.x 系 统 中 一 样 工 作 然 而, 当 低 速 和 全 速 设 备 连 接 到 高 速 端 口 ( 不 是 根 端 口 ) 时, 要 使 用 分 裂 事 务 技 术 访 问 这 些 设 备, 分 裂 事 务 技 术 包 括 以 下 三 个 主 要 步 骤 : 1. 主 机 向 高 速 集 线 器 传 送 一 个 HS Start Spli 事 务 如 果 这 个 事 务 是 一 个 到 外 设 的 OUT 事 务, 那 么 就 包 括 低 速 和 全 速 令 牌 包 和 数 据 2. 集 线 器 把 低 速 和 全 速 事 务 送 到 外 设, 并 且 保 持 完 整 的 信 息 (IN 事 务 的 数 据 或 者 是 OUT 事 务 的 握 手 应 答 结 果 ) 这 段 时 间 主 机 能 够 在 总 线 上 传 送 信 息 给 其 他 外 设 3. 当 主 机 得 知 低 速 和 全 速 事 务 已 经 完 成, 它 就 传 送 一 个 HS Complete Split 事 务 给 集 线 器 以 获 取 低 速 和 全 速 的 事 务 结 果 该 事 务 包 含 与 Start Split 事 务 中 传 送 的 相 同 的 令 牌 包 在 正 准 备 处 理 的 多 个 分 解 事 务 中, 集 线 器 以 使 用 令 牌 匹 配 正 确 的 事 务 然 后 集 线 器 以 返 回 一 个 数 据 (IN 事 务 中 ) 或 者 一 个 握 手 信 号 (OUT 事 务 中 ), 验 证 本 次 处 理 的 结 果 图 2-11 的 分 裂 IN 事 务 序 列 描 述 了 上 面 所 说 的 三 个 步 骤, 关 于 这 个 问 题 的 细 节 请 参 阅 分 裂 事 务 的 结 构 19

34 第 2 章 PCI 总 线 2.0 主 机 控 制 器 低 速 设 备 1.x 集 线 器 全 速 设 备 高 速 设 备 2.0 集 线 器 高 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 高 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 PCI 总 线 2.0 主 机 控 制 器 低 速 设 备 1.x 集 线 器 全 速 设 备 高 速 设 备 2.0 集 线 器 高 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 高 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 图 2-10 低 速 和 全 速 设 备 连 接 到 根 端 口 1.x 和 2.0 集 线 端 口 的 情 况 高 速 2.0 主 机 1. 开 始 分 解 事 务,IN 令 牌 2. IN 令 牌, 数 据 x,ack( 握 手 应 答 信 号 ) 高 速 2.0 集 线 器 3. 完 成 分 解 事 务,IN 令 牌, 数 据 x 全 速 / 低 速 1.1 设 备 图 2-11 分 裂 IN 事 务 序 列 USB 2.0 主 机 控 制 器 对 低 速 和 全 速 设 备 支 持 的 例 子 2.0 的 主 机 可 以 采 取 各 种 方 式 来 支 持 低 速 和 全 速 设 备, 主 机 控 制 器 必 须 支 持 连 接 到 根 端 口 的 低 速 和 全 速 设 备 图 2-12 描 述 了 一 个 2.0 的 主 机 控 制 器 的 可 能 模 式, 它 是 由 三 个 1.x 的 控 20

35 概 念 总 述 制 器 复 合 而 成 这 样 任 何 连 接 到 根 端 口 的 低 速 和 全 速 设 备 就 可 以 通 过 1.x 控 制 器 被 访 问 这 种 模 式 下,2.0 控 制 器 必 须 监 视 每 个 端 口 来 探 测 连 接 到 根 端 口 的 设 备 的 速 度 如 果 连 接 的 是 一 个 低 速 或 全 速 设 备,2.0 主 机 控 制 器 就 必 须 将 该 端 口 与 其 中 一 个 1.x 控 制 器 相 连 这 种 解 决 方 案 的 一 个 优 点 就 是 三 个 控 制 器 中 的 每 一 个 都 独 立 获 取 和 执 行 它 自 己 的 帧 列 表 这 样 就 使 得 三 个 低 速 或 全 速 设 备 同 时 被 访 问 成 为 可 能 高 速 2.0 主 机 控 制 器 1.x 控 制 器 1.x 控 制 器 1.x 控 制 器 全 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 低 速 设 备 在 2.0 控 制 器 内 的 三 个 从 属 主 机 控 制 器 使 其 能 同 时 支 持 6 个 低 速 / 全 速 设 备 其 中 的 三 个 设 备 可 以 被 同 时 访 问 图 2-12 支 持 低 速 和 全 速 传 输 的 由 三 个 1.x 控 制 器 复 合 而 成 的 主 机 控 制 器 USB 2.0 系 统 中 的 高 速 设 备 高 速 设 备 和 低 速 / 全 速 设 备 一 样 可 以 连 接 到 2.0 主 机 控 制 器 端 口 或 2.0 高 速 集 线 口 图 2-13 显 示 了 一 组 高 速 设 备 连 接 到 高 速 端 口 高 速 主 机 控 制 器 反 复 向 高 速 设 备 生 成 事 务, 但 是 这 些 事 务 被 阻 止 送 到 低 速 / 全 速 设 备 PCI 总 线 高 速 2.0 主 机 控 制 器 全 速 设 备 1.x 控 制 器 低 速 设 备 低 速 设 备 2.0 控 制 器 低 速 设 备 全 速 设 备 低 速 设 备 低 速 设 备 全 速 设 备 低 速 设 备 图 2-13 高 速 设 备 连 接 到 2.0 系 统 根 端 口 和 高 速 集 线 口 的 例 子 21

36 第 2 章 高 速 设 备 连 接 到 1.x 端 口 连 接 到 全 速 端 口 的 高 速 设 备 必 须 以 全 速 正 确 操 作 注 意, 虽 然 设 备 执 行 的 操 作 要 满 足 全 速 的 条 件, 但 是 仅 仅 是 在 支 持 访 问 终 点 零 地 址 ( 例 如, 读 描 述 符 ) 时 受 到 限 制, 这 样, 高 速 设 备 不 要 求 具 有 全 速 的 所 有 功 能 高 速 事 务 和 微 帧 的 生 成 高 速 事 务 的 生 成 方 式 一 般 和 1.x 系 统 是 相 同 的, 但 在 125 微 秒 时 间 段 ( 叫 做 微 帧 ) 中 调 度 和 执 行 的 事 务 除 外 图 2-14 显 示 了 如 何 产 生 微 帧 和 主 机 如 何 获 取 传 输 描 述 符 振 荡 器 以 480MHz 的 频 率 振 荡, 增 加 计 数 器 的 值, 每 次 产 生 一 个 进 位 (125µs 的 时 间 ) 这 个 进 位 不 断 增 加 微 帧 的 点 数, 连 接 到 一 个 微 帧 基 地 址 寄 存 器, 选 择 一 个 内 存 指 针, 它 包 含 着 微 帧 列 表 中 第 一 个 传 输 描 述 符 的 地 址 微 帧 0 的 指 针 内 存 480 MHz 计 数 器 μs 微 帧 号 计 数 器 微 帧 列 表 基 地 址 微 帧 5 的 指 针 微 帧 4 的 指 针 微 帧 3 的 指 针 微 帧 2 的 指 针 微 帧 1 的 指 针 微 帧 0 的 指 针 传 输 描 述 符 传 输 描 述 符 传 输 描 述 符 图 2-14 高 速 宽 带 摘 要 理 论 上 每 125µs 时 间 段 内 可 以 获 得 的 带 宽 是 位, 或 者 说 是 7.5Kb/125µs,60KB/ms (60MB/s), 参 见 图 2-15 由 于 高 速 事 务 使 用 相 同 的 包, 所 以 在 仅 考 虑 包 的 情 况 下, 开 销 是 相 同 的 然 而, 高 速 环 境 中 的 传 播 时 延 由 于 频 率 高 的 缘 故 却 是 一 个 更 高 的 位 数 例 如, 把 高 速 环 境 下 不 同 类 型 的 传 播 时 延 和 全 速 环 境 下 对 比 一 下 : 22

37 概 念 总 述 1.5KB/ 帧 7.5KB/ 微 帧 帧 包 序 列 的 开 始 微 帧 包 序 列 的 开 始 图 MHz 帧 和 480MHz 微 帧 的 带 宽 对 比 同 步 事 务 =38 字 节 中 断 事 务 =55 字 节 批 处 理 =55 字 节 控 制 ( 三 步 传 输 )=173 字 节 USB 规 范 中 重 新 定 义 了 不 同 传 输 类 型 最 大 包 的 大 小, 表 2-2 列 出 了 最 大 包 值 和 总 线 效 率 表 2-2 不 同 有 效 载 荷 事 务 下 相 应 的 总 线 效 率 传 输 类 型 最 大 包 值 效 率 同 步 1024 字 节 约 96.4% 中 断 1024 字 节 约 95.9% 批 处 理 512 字 节 约 90.3% 控 制 64 字 节 约 27.0% 相 对 全 速 而 言, 在 高 速 环 境 下 总 线 效 率 较 低 但 重 要 的 是, 在 高 速 传 输 下, 指 定 时 间 段 内 能 够 传 输 的 数 据 量 要 大 得 多 这 样, 在 最 大 数 据 有 效 载 荷 下, 高 速 环 境 能 够 获 得 的 带 宽 要 大 得 多 例 如, 一 个 1024 字 节 的 最 大 有 效 载 荷 的 同 步 事 务, 仅 仅 消 耗 13.6% 的 总 带 宽, 对 全 速 环 境 中 87% 的 数 字 而 言, 这 就 使 一 条 总 线 可 以 支 持 更 多 的 USB 设 备 USB 规 范 允 许 将 最 大 80% 的 高 速 带 宽 分 配 给 周 期 性 事 务 ( 同 步 和 中 断 ), 而 控 制 传 输 就 可 以 有 20% 的 带 宽 保 证 批 处 理 只 有 在 其 他 正 在 运 行 的 事 务 都 完 成 后 才 能 获 得 带 宽 元 素 图 2-16 描 述 了 USB 2.0 系 统 中 相 关 的 硬 件 和 软 件 元 素 所 有 的 事 务 都 要 由 USB 软 件 初 始 化 这 些 访 问 主 要 源 自 想 和 设 备 通 信 的 USB 设 备 驱 动 程 序 USB 的 驱 动 程 序 在 USB 设 备 驱 动 程 序 和 USB 主 机 控 制 器 之 间 提 供 一 个 接 口 软 件 的 责 任 是 把 一 个 客 户 端 请 求 翻 译 成 23

38 第 2 章 事 务 的 形 式, 向 目 标 设 备 发 送 或 从 中 收 取 数 据 和 USB 系 统 相 关 的 基 本 硬 件 和 软 件 单 元 主 要 有 : USB 硬 件 USB 主 机 控 制 器 / 根 端 口 USB 集 线 器 USB 设 备 SB 软 件 USB 设 备 驱 动 程 序 USB 驱 动 程 序 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 下 面 几 节 概 述 了 USB 传 输 中 各 个 组 件 完 成 的 功 能, 参 见 图 2-16 关 于 USB 传 输 中 各 个 组 件 完 成 的 功 能 的 细 节 在 本 书 后 续 章 节 中 有 详 尽 的 介 绍 和 讲 解 主 机 系 统 USB 设 备 客 户 端 软 件 功 能 功 能 层 USB 系 统 软 件 USB 逻 辑 设 备 设 备 层 USB 主 控 制 器 / 集 线 器 USB 总 线 接 口 总 线 接 口 层 物 理 通 信 流 逻 辑 通 信 流 图 2-16 USB 系 统 的 通 信 流 USB 客 户 端 驱 动 程 序 USB 设 备 驱 动 程 序 ( 客 户 端 驱 动 程 序 ) 通 过 IRP( 输 入 / 输 出 请 求 包 ) 给 USB 总 线 发 送 请 求 这 个 IRP 初 始 化 送 到 或 者 来 自 于 目 标 设 备 的 传 送 例 如 : 一 个 USB 键 盘 驱 动 程 序 必 须 初 始 化 一 个 中 断 传 输, 即 创 建 一 个 IRP 并 提 供 一 个 内 存 缓 冲 区 来 存 放 从 USB 键 盘 传 来 的 数 据 注 意,USB 客 户 端 驱 动 程 序 并 不 知 道 USB 串 行 传 输 的 机 制 USB 总 线 驱 动 程 序 USB 总 线 驱 动 程 序 知 道 USB 目 标 设 备 的 特 征 和 如 何 通 过 USB 和 设 备 通 信 USB 设 备 的 24

39 概 念 总 述 特 征 是 在 设 备 配 置 过 程 中 USB 驱 动 程 序 解 析 设 备 描 述 符 时 检 测 到 的 例 如 : 有 的 设 备 要 求 指 定 在 每 个 帧 时 隙 内 通 过 的 数 据 量, 而 其 他 某 些 设 备 可 能 只 是 每 隔 N 个 时 隙 周 期 性 地 要 求 被 访 问 当 USB 驱 动 程 序 收 到 一 个 IRP 时,USB 驱 动 程 序 将 该 请 求 转 换 成 一 个 独 立 的 事 务, 在 一 串 时 隙 中 执 行 ( 在 低 速 和 全 速 情 况 下 叫 做 帧, 在 高 速 情 况 下 叫 微 帧 ),USB 驱 动 程 序 建 立 一 个 事 务, 要 综 合 考 虑 USB 设 备 的 要 求 客 户 端 驱 动 程 序 的 需 要 和 USB 的 性 能 和 限 制 等 因 素 依 据 操 作 系 统 情 况,USB 驱 动 程 序 可 以 直 接 安 装 在 操 作 系 统 上, 也 可 以 通 过 一 个 可 装 载 的 设 备 驱 动 程 序 作 为 总 线 扩 展 加 到 系 统 中 USB 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 USB 主 机 控 制 器 (HCD) 调 度 要 被 广 播 到 USB 上 的 事 务 事 务 是 软 件 ( 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 ) 通 过 一 系 列 的 事 务 列 表 调 度 的 每 个 列 表 包 括 一 个 或 多 个 连 接 到 总 线 的 USB 设 备 目 标 要 执 行 的 事 务, 定 义 了 每 个 帧 或 微 帧 要 执 行 的 事 务 序 列 USB 主 机 控 制 器 每 1 毫 秒 或 者 125 微 秒 获 取 并 执 行 一 个 新 的 列 表 注 意,USB 客 户 请 求 的 一 个 个 单 一 的 块 传 输, 可 能 被 执 行 为 连 续 的 帧 ( 微 帧 ) 内 一 系 列 要 调 度 的 要 处 理 的 事 务 实 际 的 调 度 依 赖 于 不 同 的 因 素, 包 括 设 备 的 速 度 事 务 的 类 型 设 备 指 定 的 传 输 要 求 和 USB 总 线 上 的 事 务 通 信 量 USB 主 机 控 制 器 通 过 根 端 口 和 集 线 器 来 初 始 化 事 务 每 个 帧 开 始 于 一 个 起 始 帧 (SOF) 包, 后 面 是 包 括 在 当 前 列 表 里 要 串 行 广 播 的 事 务 例 如 : 如 果 一 个 事 务 要 求 的 是 传 送 数 据 到 USB 打 印 机, 主 机 控 制 器 就 要 获 取 由 客 户 端 软 件 提 供 的 内 存 缓 冲 区 里 来 的 数 据, 然 后 在 总 线 上 传 送 数 据 控 制 器 的 集 线 器 部 分 传 输 这 个 要 求 的 事 务 到 USB 需 要 的 低 层 协 议 中 去 USB 主 机 控 制 器 / 根 端 口 所 有 USB 的 通 信 在 软 件 的 控 制 下 从 主 机 发 起 主 机 硬 件 包 括 USB 主 机 控 制 器, 用 来 初 始 化 USB 系 统 中 的 事 务 和 根 端 口, 为 USB 外 设 提 供 一 个 连 接 点 ( 或 者 端 口 ) 现 在 已 经 有 了 三 种 主 机 控 制 器 : 通 用 主 机 控 制 器 接 口 (UHCI) 1.x 开 放 主 机 控 制 器 接 口 (OHCI) 1.x 扩 展 主 机 控 制 器 (EHCI) 2.0 虽 然 方 式 略 有 不 同, 但 是 这 些 控 制 器 都 完 成 相 同 的 基 本 工 作 附 录 C 和 D 讨 论 了 1.x 主 机 控 制 器 的 操 作 在 本 书 编 写 时,EHCI 的 规 范 还 没 有 公 开 请 参 阅 MindShare 的 网 站 索 取 EHCI 的 报 告, 当 2.0 的 规 范 发 布 后, 这 个 报 告 也 会 完 善 USB 主 机 控 制 器 主 机 控 制 器 负 责 生 成 已 由 主 机 软 件 调 度 的 事 务, 主 机 控 制 器 驱 动 软 件 在 内 存 中 建 立 一 个 包 含 数 据 结 构 的 列 表, 这 个 数 据 结 构 定 义 了 给 定 帧 时 隙 内 要 完 成 的 事 务 这 个 数 据 结 构 被 称 作 传 输 描 述 符, 包 含 主 机 控 制 器 生 成 事 务 需 要 的 所 有 信 息 主 要 有 : USB 设 备 地 址 25

40 第 2 章 传 输 类 型 传 输 方 向 设 备 驱 动 程 序 的 内 存 缓 冲 区 的 地 址 主 机 控 制 器 向 目 标 设 备 写 入 从 内 存 缓 冲 区 ( 由 USB 设 备 驱 动 程 序 提 供 ) 读 到 的 要 发 送 到 目 标 设 备 的 数 据 主 机 控 制 器 把 数 据 由 并 行 转 为 串 行, 创 建 一 个 USB 事 务, 并 把 它 转 发 到 根 端 口 以 发 送 给 总 线 如 果 需 要 一 个 读 传 输, 主 机 控 制 器 就 建 立 一 个 读 事 务, 把 它 发 送 给 根 端 口 根 端 口 把 这 个 读 事 务 发 送 到 总 线 上 传 送 目 标 设 备 识 别 到 自 己 被 访 问, 要 求 传 送 数 据, 设 备 就 把 数 据 返 回 给 根 端 口, 根 端 口 再 把 数 据 继 续 发 送 到 主 机 控 制 器 主 机 控 制 器 把 数 据 由 串 行 转 为 并 行, 发 送 到 设 备 驱 动 程 序 的 内 存 缓 冲 区 注 意, 根 端 口 和 目 标 设 备 在 事 务 执 行 时 进 行 差 错 检 测 一 旦 根 端 口 发 现 错 误, 就 把 错 误 返 回 给 主 机 控 制 器 记 入 日 志, 并 报 告 给 主 机 软 件 根 端 口 ( 根 集 线 器 ) 主 机 控 制 器 生 成 的 事 务 被 发 送 到 根 端 口 以 便 传 送 给 USB 因 此 每 个 事 务 都 是 从 根 端 口 发 出 的 根 端 口 提 供 USB 设 备 的 连 接 点, 并 执 行 以 下 主 要 操 作 : 控 制 到 USB 端 口 的 电 源 启 用 禁 用 端 口 识 别 连 接 到 每 个 端 口 的 设 备 设 置 和 报 告 每 个 端 口 的 事 件 状 态 ( 当 被 主 机 软 件 检 测 到 时 ) 根 端 口 包 括 集 线 控 制 器 和 转 发 器, 如 图 2-17 所 示 集 线 控 制 器 要 响 应 来 自 于 集 线 器 本 身 的 访 问, 例 如, 主 机 软 件 要 求 给 端 口 加 电 或 断 电 转 发 器 在 主 机 控 制 器 和 USB 之 间 传 送 事 务 来 自 主 控 制 器 或 者 发 向 主 控 制 器 的 数 据 转 发 器 启 用 / 禁 用 集 线 器 控 制 器 系 统 电 源 开 / 关 开 / 关 电 源 数 据 数 据 端 口 1 端 口 2 26

41 概 念 总 述 图 2-17 主 要 根 集 线 器 功 能 块 图 USB 集 线 器 除 了 根 端 口 以 外,USB 系 统 还 提 供 附 加 的 集 线 器, 为 连 接 其 他 设 备 提 供 了 一 个 或 多 个 端 口 USB 集 线 器 也 可 以 集 成 到 键 盘 或 显 示 器 这 样 的 设 备 中 去 ( 称 作 复 合 设 备 ), 或 者 是 一 个 独 立 的 设 备, 就 像 图 2-18 所 示 的 那 样 此 外, 集 线 器 可 以 是 总 线 供 电 的 ( 例 如, 自 己 从 总 线 获 电, 也 可 以 通 过 连 接 到 总 线 接 口 的 设 备 获 取 电 流 ), 也 可 以 是 设 备 自 己 供 电 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 由 于 从 总 线 得 到 的 电 量 有 限, 所 以 最 多 能 够 支 持 4 个 USB 接 口 第 4 章 将 讨 论 USB 的 电 源 问 题 集 线 器 主 要 包 括 两 个 主 要 的 功 能 单 元 集 线 控 制 器 转 发 器 图 2-19 描 述 了 这 些 功 能 PCI 总 线 USB 主 机 控 制 器 根 集 线 器 集 线 器 集 线 器 设 备 设 备 设 备 设 备 设 备 复 合 USB 设 备 图 2-18 USB 集 线 器 的 类 型 集 线 控 制 器 集 线 控 制 器 包 含 一 个 USB 接 口 或 者 一 个 串 行 接 口 引 擎 (SIE), 也 包 括 主 机 软 件 要 读 取 的 描 述 符 以 识 别 这 个 装 置 是 USB 集 线 器 集 线 控 制 器 读 取 集 线 口 和 端 口 的 状 态 信 息,USB 主 机 软 件 也 要 读 取 这 些 信 息 以 检 测 设 备 的 连 接 和 卸 载, 并 决 定 其 他 的 信 息 控 制 器 也 要 从 主 机 软 件 获 取 命 令 来 控 制 集 线 器 各 个 方 面 的 操 作 27

42 第 2 章 上 行 数 据 流 端 口 上 行 数 据 流 总 线 电 源 开 / 关 启 用 / 禁 用 转 换 集 线 器 控 制 器 转 发 器 下 行 总 线 电 源 图 2-19 集 线 器 的 基 本 功 能 下 行 数 据 流 端 口 集 线 转 发 器 参 见 图 2-20, 总 线 上 的 信 息 到 达 集 线 器 后 必 须 或 者 沿 上 行 方 向 ( 入 主 机 方 向 ) 或 者 沿 下 行 方 向 ( 出 主 机 方 向 ) 传 送 主 机 生 成 的 事 务 会 到 达 集 线 根 端 口, 并 且 必 须 推 进 到 所 有 启 用 的 端 口 当 目 标 设 备 响 应 主 机 发 出 的 事 务 时, 它 必 须 发 一 个 上 行 响 应, 由 集 线 器 从 下 层 端 口 推 进 到 根 端 口 主 机 下 行 流 连 通 性 根 端 口 根 端 口 上 行 流 连 通 性 下 行 数 据 流 端 口 下 行 数 据 流 端 口 目 标 设 备 图 2-20 集 线 转 发 器 执 行 的 上 行 和 下 行 数 据 流 连 接 集 线 器 在 配 置 中 的 作 用 集 线 器 在 热 连 接 和 热 卸 载 中 扮 演 了 一 个 枢 纽 的 角 色, 即 在 运 行 过 程 中 自 动 探 测 和 配 置 集 线 器 必 须 可 以 识 别 设 备 已 经 被 连 接 或 者 被 分 离 了, 当 主 机 软 件 检 测 到 集 线 器 时, 集 线 器 必 须 要 报 告 事 件 28

43 概 念 总 述 USB 设 备 USB 设 备 包 括 描 述 符 在 内, 具 体 指 定 某 一 个 设 备 的 属 性 和 特 征, 这 些 信 息 告 诉 主 机 软 件 设 备 的 不 同 特 征 和 性 能, 是 配 置 设 备 和 安 装 USB 客 户 端 软 件 所 必 需 的 USB 设 备 驱 动 程 序 也 可 以 使 用 设 备 描 述 符 来 决 定 以 最 佳 方 式 访 问 设 备 所 需 要 的 附 加 信 息 这 种 机 制 被 称 为 设 备 框 架 (Device Framework), 它 只 有 被 软 件 理 解 才 能 正 确 地 配 置 和 访 问 设 备 细 节 请 参 看 设 备 框 架 一 节 就 像 前 面 所 讲 的,USB 设 备 能 够 以 高 速 低 速 全 速 中 的 任 何 一 种 方 式 运 行 高 速 设 备 高 速 设 备 只 能 以 高 速 率 传 输 事 务 对 低 速 和 全 速 设 备 的 访 问 通 过 高 速 分 裂 事 务 传 输 到 高 速 集 线 器 上, 高 速 集 线 器 将 这 个 分 裂 事 务 转 换 成 低 速 或 全 速 事 务, 并 且 把 它 们 送 到 目 标 设 备 全 速 设 备 全 速 设 备 可 以 处 理 在 USB 总 线 上 广 播 的 所 有 事 务, 可 以 作 为 全 功 能 设 备 使 用 这 些 设 备 以 最 大 12MB/s 的 速 率 发 送 和 接 收 串 行 数 据 低 速 设 备 低 速 设 备 不 仅 传 输 速 率 受 到 限 制, 而 且 支 持 的 性 能 也 受 到 限 制 低 速 设 备 仅 仅 能 够 传 输 带 有 前 同 步 码 的 数 据 包 在 处 理 全 速 事 务 时, 低 速 集 线 器 端 口 是 禁 用 的, 阻 止 全 速 总 线 上 的 数 据 流 被 送 到 低 速 电 缆 上 带 有 前 同 步 码 的 数 据 包 规 定 下 面 的 事 务 以 低 速 广 播 当 探 测 到 带 有 前 同 步 码 的 数 据 包 时, 集 线 器 打 开 它 的 低 速 端 口, 允 许 低 速 设 备 使 用 总 线 USB 通 信 模 式 和 连 接 到 普 通 总 线 的 设 备 不 同,USB 设 备 不 直 接 消 耗 系 统 资 源, 因 为 USB 设 备 没 有 被 映 射 到 内 存 或 者 输 入 / 输 出 地 址 空 间, 它 们 也 不 使 用 中 断 请 求 线 和 DMA 通 道 此 外, 所 有 的 事 务 由 主 机 系 统 生 成 USB 所 要 求 的 所 有 资 源 就 是 USB 系 统 软 件 使 用 的 内 存 和 被 USB 主 机 控 制 器 占 用 的 内 存 或 者 输 入 / 输 出 地 址 空 间 和 中 断 请 求 线 这 就 排 除 了 使 用 标 准 外 设 时 遇 到 的 麻 烦 : 要 求 大 量 的 输 入 / 输 出 地 址 空 间 和 大 量 的 中 断 线 通 信 流 程 图 2-11 描 述 了 USB 系 统 基 本 的 通 信 流 程 和 使 用 的 系 统 资 源 当 USB 客 户 端 调 用 USB 系 统 软 件 要 求 一 个 传 输 时, 就 要 初 始 化 这 个 传 输 USB 客 户 端 驱 动 程 序 要 提 供 一 个 内 存 缓 冲 区, 用 来 存 放 发 送 到 或 来 自 于 目 标 设 备 的 数 据 每 个 传 输 要 通 过 在 设 备 配 置 时 建 立 的 一 个 通 信 管 道 在 USB 设 备 内 部 指 定 的 寄 存 器 和 客 户 端 驱 动 程 序 间 进 行 USB 系 统 软 件 根 据 设 备 对 总 线 带 宽 的 要 求 和 USB 协 议 机 制 将 客 户 端 的 要 求 分 解 为 独 立 的 事 务 这 些 要 求 被 送 到 主 机 控 制 器 驱 动 程 序, 然 后 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 调 度 要 在 USB 上 执 行 的 事 务 队 列 主 机 控 制 器 根 据 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 创 建 的 描 述 符 中 的 内 容 执 行 这 些 事 务 它 知 道 在 USB 上 完 成 这 些 事 务 所 要 的 所 有 必 要 信 息 传 输 描 述 符 中 的 主 要 信 息 包 括 : 目 标 USB 设 备 的 地 址 29

44 第 2 章 目 标 设 备 的 速 度 所 要 执 行 的 传 输 类 型 数 据 包 的 大 小 客 户 端 内 存 缓 冲 区 的 位 置 主 机 控 制 器 可 以 有 一 些 映 射 到 处 理 器 输 入 / 输 出 或 内 存 地 址 空 间 的 寄 存 器 这 些 寄 存 器 控 制 主 机 控 制 器 的 操 作, 必 须 放 入 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 产 生 的 数 据 值 来 保 证 所 期 望 的 操 作 例 如 : 某 一 寄 存 器 放 的 是 一 个 地 址 指 针, 具 体 指 定 了 传 输 描 述 符 的 内 存 地 址 主 机 控 制 器 取 得 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 创 建 的 描 述 符 每 个 描 述 符 定 义 了 一 个 特 定 的 事 务, 满 足 客 户 端 的 传 输 需 求 主 机 控 制 器 生 成 由 每 个 描 述 符 所 规 定 的 事 务 每 个 事 务 的 结 果 是 传 输 数 据, 数 据 或 者 是 从 客 户 端 缓 冲 区 到 USB 外 设 的, 或 者 是 从 外 设 到 数 据 缓 冲 区 的, 这 取 决 于 传 输 的 方 向 当 所 有 传 输 完 成 时,USB 系 统 软 件 通 知 客 户 端 驱 动 程 序 传 输 输 入 / 输 出 请 求 包 帧 数 据 包 图 2-23 描 述 了 USB 通 信 过 程 的 机 制 和 USB 系 统 各 层 之 间 的 联 系 当 向 USB 驱 动 程 序 提 出 一 个 传 输 请 求 时, 这 个 传 输 要 被 客 户 端 驱 动 程 序 初 始 化 最 后, 这 个 事 务 通 过 低 层 包 化 事 务 传 输 在 USB 上 执 行, 下 面 几 节 讨 论 一 个 USB 传 输 中 每 层 的 功 能 30

45 概 念 总 述 USB 客 户 端 传 输 请 求 USB 客 户 端 数 据 传 输 设 备 USB 客 户 端 设 备 USB 主 控 制 器 集 线 器 USB 驱 程 传 输 描 述 符 设 备 主 控 制 器 接 口 驱 程 主 机 控 制 器 寄 存 器 内 存 地 址 空 间 输 入 输 出 地 址 空 间 图 2-21 通 信 模 型 传 输 每 个 USB 函 数 都 是 根 据 一 组 客 户 端 访 问 这 个 函 数 所 需 要 的 寄 存 器 或 终 点 而 设 计 的 每 个 终 端 点 都 有 它 所 支 持 的 传 输 特 性 例 如 : 向 扬 声 器 传 输 信 息, 必 须 用 一 个 以 平 稳 速 率 连 续 传 输 的 数 据 流, 以 保 证 声 音 不 会 抖 动 其 他 的 终 端 点 可 能 要 求 其 他 的 特 性, 这 样 就 要 求 有 各 种 不 同 的 传 输 类 型,USB 所 包 括 的 传 输 类 型 有 : 同 步 传 输 批 量 传 输 中 断 传 输 控 制 传 输 客 户 端 驱 动 程 序 知 道 由 函 数 决 定 的 终 端 点 的 特 性,USB 驱 动 程 序 也 知 道 这 个 信 息 通 过 从 外 设 读 描 述 符 来 决 定 第 6 章 会 讨 论 每 种 传 输 的 特 性 USB 驱 动 程 序 输 入 / 输 出 请 求 包 帧 当 一 个 客 户 端 驱 动 程 序 希 望 一 个 入 或 者 出 终 端 点 的 操 作 时, 它 就 让 USB 驱 动 程 序 初 始 化 31

46 第 2 章 这 个 传 输 这 个 被 请 求 的 传 输 叫 做 输 入 / 输 出 请 求 包 (IRP) 有 的 传 输 是 一 大 块 数 据, 由 于 USB 是 共 享 总 线 ( 例 如, 许 多 设 备 同 时 使 用 总 线 ), 所 以 一 个 单 独 的 设 备 一 般 不 能 在 同 一 个 时 间 完 成 整 块 的 传 输, 这 时 一 个 传 输 一 般 被 分 解 后 在 一 个 较 长 周 期 的 时 间 内 分 段 传 输 ( 分 段 后 称 为 事 务 ) 这 样 可 以 保 证 一 部 分 总 线 带 宽 能 够 分 配 给 其 他 连 接 到 总 线 的 USB 设 备 使 用 USB 通 信 基 于 在 一 个 固 定 的 时 隙 内 传 输 数 据, 这 个 时 隙 被 称 作 帧 每 个 USB 设 备 在 这 1 毫 秒 帧 中 请 求 分 配 一 部 分 带 宽 带 宽 的 分 配 根 据 外 设 所 要 求 的 量 ( 由 传 输 描 述 符 指 定 ) 和 所 能 获 得 的 未 被 其 他 USB 设 备 使 用 的 带 宽 决 定 当 连 接 和 配 置 每 个 设 备 时, 系 统 软 件 解 析 其 设 备 描 述 符, 以 决 定 它 所 需 要 的 总 线 带 宽 系 统 检 查 剩 余 总 线 带 宽 看 是 否 能 够 满 足 设 备 的 需 求, 然 后 配 置 设 备 如 果 总 线 带 宽 已 经 分 配 给 其 他 更 早 连 接 的 设 备, 当 前 设 备 要 求 的 带 宽 得 不 到, 设 备 就 不 会 被 配 置, 用 户 也 会 被 告 知 这 个 信 息 图 2-22 描 述 了 连 接 到 USB 的 设 备 的 通 信, 以 及 1 毫 秒 帧 内 可 能 执 行 的 不 同 事 务 这 是 一 个 假 想 的 例 子, 用 来 阐 明 USB 帧 的 共 有 性 质 不 是 每 个 设 备 都 要 求 在 每 个 帧 时 隙 内 传 输 数 据, 例 如 : 主 机 软 件 每 隔 N 个 帧 时 隙 才 检 测 键 盘 有 无 击 键 动 作 每 个 帧 时 隙 内, 连 接 的 设 备 都 会 被 分 配 总 线 带 宽 上 它 所 要 求 的 那 一 部 分 带 宽 这 个 在 大 块 传 输 时 更 容 易 看 到, 例 如 打 印, 小 型 计 算 机 接 口 图 形 端 口 局 域 网 接 口 键 盘 / 集 线 器 打 印 机 / 集 线 器 扫 描 仪 调 制 解 调 器 数 字 电 话 SOF 帧 开 始 符 发 送 声 音 接 收 声 音 发 送 线 接 收 线 立 全 体 速 事 声 务 总 线 管 理 批 量 传 输 1 毫 秒 帧 32

47 概 念 总 述 图 2-22 USB 设 备 在 帧 时 隙 内 执 行 传 输 就 被 分 解 到 相 当 多 的 1 毫 秒 的 帧 时 隙 中 去 完 成 具 体 需 要 帧 的 数 目 根 据 打 印 机 USB 接 口 的 能 力 批 处 理 的 限 制, 和 被 当 前 安 装 到 USB 的 其 他 设 备 已 经 占 用 的 带 宽 决 定 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 和 事 务 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 从 USB 驱 动 程 序 收 到 一 个 包 请 求, 就 安 排 它 们 到 一 连 串 的 帧 中 执 行 调 度 的 顺 序 基 于 主 机 所 定 义 的 算 法 这 个 算 法 基 于 USB 的 传 输 能 力 和 限 制 ( 在 后 续 章 节 中 讨 论 ) 调 度 是 通 过 建 立 定 义 每 个 在 USB 上 要 执 行 的 后 续 事 务 的 一 组 数 据 结 构 ( 这 个 数 据 结 构 叫 传 输 描 述 符 ) 来 执 行 的 主 机 控 制 器 读 取 并 分 析 这 个 描 述 符 来 执 行 USB 事 务 描 述 的 工 作 USB 驱 程 USB 驱 程 USB 客 户 端 驱 程 事 务 1-0 输 入 输 出 请 求 包 1 输 入 输 出 请 求 包 2 事 务 1-1 事 务 1-2 事 务 2-0 事 务 2-1 事 务 2-2 事 务 2-3 事 务 2-4 主 机 控 制 器 驱 程 帧 1 帧 2 帧 3 事 务 1-0 事 务 事 务 事 务 2-0 事 务 1-1 事 务 USB 主 机 控 制 器 令 牌 包 数 据 包 握 手 信 号 包 令 牌 包 数 据 包 握 手 信 号 包 图 2-23 输 入 / 输 出 包 传 输 帧 和 包 之 间 的 关 系 主 机 控 制 器 和 包 主 机 控 制 器 和 根 端 口 集 线 器 产 生 一 个 USB 上 的 事 务 事 务 是 由 一 系 列 的 令 牌 包 数 据 包 握 手 应 答 信 号 包 等 子 包 组 成 的 总 包 事 务 和 包 的 详 细 内 容 参 见 第 7 章 设 备 框 架 ( 设 备 如 何 被 呈 现 给 软 件 ) USB 被 设 计 成 可 以 促 进 类 设 备 驱 动 程 序 的 模 式 有 着 相 同 属 性 和 服 务 的 一 组 设 备 被 定 义 成 属 于 同 一 类 设 备 通 用 设 备 组 有 着 通 用 的 类 驱 动 程 序 来 适 应 本 组 的 所 有 设 备 33

48 第 2 章 设 备 描 述 符 一 个 设 备 通 过 一 些 标 准 的 描 述 符 向 主 机 软 件 描 述 自 己, 如 图 2-24 所 示 这 些 描 述 符 包 括 : 设 备 描 述 符 每 个 设 备 都 有 一 个 单 独 的 设 备 描 述 符, 信 息 主 要 包 括 : 配 置 设 备 默 认 的 通 信 管 道, 还 有 设 备 的 一 般 信 息 描 述 符 也 标 明 了 一 个 设 备 能 够 支 持 的 可 能 配 置 数 目 ( 一 个 或 者 多 个 ) 配 置 描 述 符 外 设 支 持 的 每 一 种 配 置 都 有 一 个 配 置 描 述 符 例 如 : 一 个 高 压 设 备 也 可 以 支 持 低 压 模 式, 这 样 就 每 一 种 模 式 一 个 配 置 描 述 符 配 置 描 述 符 包 含 这 个 配 置 的 一 般 信 息, 并 定 义 了 使 用 这 种 配 置 所 需 要 的 接 口 数 目 接 口 描 述 符 给 定 配 置 可 能 有 一 个 或 者 多 个 它 所 支 持 的 接 口 一 个 多 接 口 设 备 的 例 子 就 是 CD-ROM, 要 用 三 种 不 同 的 驱 动 程 序 访 问 不 同 功 能 的 设 备 : 一 个 用 来 存 储 大 量 数 据 的 设 备 驱 动 ( 存 储 文 件 ), 一 个 声 音 设 备 驱 动 ( 播 放 CD), 一 个 视 频 图 像 驱 动 ( 显 示 图 像 ) 设 备 描 述 符 厂 商 字 符 串 描 述 制 造 商 字 符 串 描 述 序 列 号 字 符 串 描 述 配 置 描 述 符 配 置 字 符 串 描 述 配 置 描 述 符 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 图 2-24 标 准 描 述 符 接 口 描 述 符 提 供 这 个 接 口 的 基 本 信 息 也 要 指 出 这 个 接 口 所 支 持 的 设 备 类 型, 规 定 和 这 个 接 口 通 信 所 需 的 终 点 描 述 符 的 数 目 终 点 描 述 符 每 个 设 备 接 口 包 含 一 个 或 者 多 个 终 点 描 述 符, 每 个 描 述 符 定 义 了 一 个 通 信 点 ( 例 如, 一 个 数 据 寄 存 器 ) 终 点 描 述 符 包 含 的 信 息 包 括 : 支 持 的 传 输 类 型 ( 即 同 步 批 处 理 中 断 控 制 ) 和 所 支 持 的 最 大 传 输 速 率 字 符 串 描 述 符 字 符 串 描 述 符 可 以 用 来 定 义 整 个 设 备 给 定 的 配 置 或 每 个 接 口 用 统 一 的 代 码 描 述 配 置 和 接 口, 能 够 显 示 出 来 和 供 用 户 读 取 特 殊 类 描 述 符 有 些 设 备 类 要 求 超 出 USB 规 范 定 义 的 标 准 描 述 符 这 些 描 述 符 由 34

49 概 念 总 述 相 关 设 备 类 的 规 范 定 义 ( 这 里 不 再 详 述 ) 图 2-25 显 示 了 另 一 套 描 述 符, 这 里 定 义 了 两 个 独 立 的 配 置, 每 个 配 置 又 包 括 两 个 接 口 描 述 符 前 面 的 说 明 没 有 涉 及 一 些 设 备 类 可 能 需 要 的 特 定 类 描 述 符 设 备 描 述 符 厂 商 字 符 串 描 述 制 造 商 字 符 串 描 述 序 列 号 字 符 串 描 述 配 置 描 述 符 配 置 字 符 串 描 述 配 置 描 述 符 配 置 字 符 串 描 述 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 图 2-25 两 个 配 置 的 标 准 描 述 符 设 备 框 架 设 备 框 架 有 三 个 逻 辑 层 来 表 述 主 机 硬 件 设 备 和 软 件 之 间 的 关 系 图 2-26 显 示 了 这 些 层 次 和 主 机 与 USB 设 备 之 间 的 关 系 这 种 分 层 的 方 法 能 够 帮 助 解 释 不 同 主 机 软 件 之 间 的 关 系, 以 及 它 们 在 USB 系 统 中 所 负 有 的 责 任 这 些 层 次 也 能 帮 我 们 更 好 地 理 解 USB 的 通 信 机 制, 这 将 在 下 面 讨 论 35

50 第 2 章 主 机 系 统 USB 设 备 客 户 端 软 件 功 能 功 能 层 USB 系 统 软 件 USB 逻 辑 设 备 设 备 层 USB 主 控 制 器 / 集 线 器 USB 总 线 接 口 总 线 接 口 层 物 理 通 信 流 逻 辑 通 信 流 图 2-26 设 备 框 架 硬 件 的 软 件 视 图 USB 总 线 接 口 层 USB 总 线 接 口 层 可 以 提 供 在 USB 电 缆 上 的 低 层 数 据 传 输 这 层 包 括 : 物 理 链 接 电 信 号 环 境 包 传 输 机 制 这 层 代 表 着 主 机 系 统 和 USB 设 备 之 间 的 数 据 在 USB 电 缆 上 的 实 际 传 输 主 机 这 边 包 括 USB 主 机 控 制 器 和 根 端 口, 而 USB 设 备 这 边 是 在 设 备 中 的 USB 接 口 系 统 和 USB 设 备 之 间 的 数 据 在 USB 电 缆 上 的 实 际 传 输 细 节 会 在 后 面 的 章 节 中 讲 到 USB 设 备 层 USB 设 备 层 是 理 解 实 际 的 USB 通 信 机 制 和 理 解 USB 功 能 设 备 传 输 的 实 质 的 部 分 这 一 层 包 括 主 机 端 的 USB 系 统 软 件 和 设 备 端 的 一 个 逻 辑 视 图 USB 系 统 软 件 从 逻 辑 上 把 设 备 看 做 是 一 组 终 点, 这 些 终 点 又 组 成 一 个 指 定 功 能 的 接 口 USB 系 统 软 件 为 USB 客 户 端 软 件 所 要 完 成 的 功 能 提 供 服 务 USB 系 统 软 件 有 USB 传 输 机 制 的 详 细 信 息, 必 须 为 USB 设 备 通 信 分 配 带 宽 逻 辑 设 备 表 现 为 一 组 终 点, 客 户 端 通 过 这 些 终 点 按 照 它 的 功 能 通 信 USB 系 统 软 件 通 过 标 准 描 述 符 观 察 这 些 终 点, 描 述 符 被 系 统 软 件 解 析 以 获 取 指 定 设 备 的 传 输 特 性 这 些 特 性 和 USB 传 输 机 制 的 系 统 软 件 知 识 相 结 合, 当 配 置 每 个 功 能 设 备 时 允 许 为 其 保 留 总 线 带 宽 USB 系 统 软 件 有 多 种 主 要 功 能, 包 括 : 设 备 连 接 / 卸 载 的 检 测 设 备 配 置 带 宽 分 配 管 理 客 户 端 和 设 备 之 间 的 控 制 流 管 理 客 户 端 和 设 备 之 间 的 数 据 流 采 集 状 态 和 事 务 统 计 信 息 36

51 概 念 总 述 事 务 调 度 控 制 带 电 接 口 ( 例 如, 有 限 电 缆 供 电 管 理 ) 注 意, 一 套 USB 系 统 软 件 存 在 于 系 统 中, 来 管 理 对 所 有 连 接 到 总 线 的 USB 设 备 的 访 问 USB 系 统 软 件 主 要 包 括 以 下 实 体 : USB 驱 动 程 序 (USBD) 为 客 户 端 软 件 驱 动 程 序 提 供 接 口 和 服 务, 分 配 总 线 带 宽, 管 理 配 置 进 程 USB 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 控 制 主 机 控 制 器 的 操 作, 调 度 事 务, 显 示 事 务 的 完 成 情 况 上 面 我 们 简 单 讲 述 了 每 种 执 行 的 基 本 工 作 软 件 层 的 详 细 描 述 在 第 二 十 二 章, 章 名 是 USB 软 件 综 述 功 能 层 这 一 层 说 明 客 户 端 软 件 和 指 定 设 备 的 功 能 接 口 之 间 的 联 系 每 个 接 口 包 括 特 定 的 一 类 由 匹 配 的 同 类 软 件 驱 动 的 设 备 USB 客 户 端 软 件 不 像 其 他 环 境 ( 例 如 ISA PCI PCMCIA) 中 的 典 型 做 法, 不 能 直 接 访 问 它 们 的 功 能, 原 因 是 它 们 没 有 直 接 映 射 到 内 存 和 输 入 / 输 出 地 址 空 间 USB 设 备 驱 动 程 序 必 须 使 用 USB 驱 动 程 序 的 可 编 程 接 口 来 访 问 设 备 USB 客 户 端 看 它 们 的 USB 设 备 就 像 是 一 个 它 们 知 道 该 如 何 操 作 的 接 口 USB 系 统 软 件 必 须 报 告 这 个 接 口 的 类 型 和 其 他 的 设 备 特 性 给 USB 客 户 端 USB 外 设 连 接 如 前 面 章 节 所 述,USB 提 供 一 个 单 一 的 接 口 给 要 连 接 到 系 统 的 外 围 设 备 USB 2.0 系 统 也 支 持 三 种 不 同 速 度 的 设 备 : 低 速 设 备 1.5Mb/s 全 速 设 备 12Mb/s 高 速 设 备 480Mb/s 所 有 的 USB 设 备 通 过 有 一 个 或 者 多 个 端 口 的 USB 集 线 器 连 接 图 2-27 显 示 了 多 种 设 备 连 接 到 USB 系 统 提 供 的 端 口, 该 图 阐 明 了 集 线 器 端 口 可 以 仅 支 持 全 速 和 低 速 传 输, 也 可 以 支 持 三 种 速 度 设 备 的 速 度 在 它 连 接 到 集 线 器 端 口 时 被 检 测 ( 参 看 第 五 章 和 第 十 一 章 ) 一 些 设 备 ( 例 如 键 盘 和 鼠 标 ) 一 般 以 低 速 运 行, 而 其 他 一 些 设 备 ( 如 数 字 电 话 ) 必 须 以 全 速 或 者 高 速 运 行 然 而, 根 据 设 备 速 度 和 集 线 器 端 口 的 能 力 会 产 生 一 些 连 接 的 问 题, 如 下 : 全 速 集 线 器 端 口 (1.x 集 线 器 ) 仅 仅 支 持 低 速 和 全 速 设 备 高 速 集 线 器 端 口 (2.0 集 线 器 ) 支 持 低 速 全 速 高 速 设 备 由 于 不 同 传 输 速 率 下 电 磁 干 扰 的 不 同, 低 速 设 备 的 电 缆 相 对 于 全 速 或 者 高 速 设 备 的 电 缆 而 言 有 着 不 同 的 电 气 特 性 参 见 第 3 章 关 于 电 缆 电 气 特 性 的 问 题 全 速 集 线 器 基 于 1.0 和 1.1 规 范 的 集 线 器 仅 仅 支 持 低 速 和 全 速 设 备 这 些 集 线 器 会 阻 止 所 有 全 速 数 据 流 到 达 连 接 到 这 个 端 口 的 低 速 设 备 以 这 些 设 备 为 目 标 的 低 速 事 务 总 是 先 要 收 到 一 个 数 37

52 第 2 章 据 报 头, 其 作 用 是 命 令 1.x 集 线 器 启 用 它 们 的 低 速 端 口 这 样 保 证 低 速 设 备 只 能 处 理 低 速 事 务 任 何 连 接 到 1.x 端 口 的 高 速 设 备 必 须 在 全 速 模 式 下 运 行 注 意, 最 小 的 需 求 是 高 速 设 备 能 够 以 全 速 访 问 它 的 描 述 符, 但 是 不 必 执 行 基 本 能 力 以 外 的 功 能 高 速 集 线 器 每 个 USB 可 用 的 高 速 端 口 必 须 支 持 高 速 全 速 低 速 设 备 的 连 接 和 操 作 高 速 集 线 器 接 口 检 测 设 备 的 速 度, 并 且 进 行 适 当 的 调 整 以 按 照 要 求 的 速 度 运 行 高 速 设 备 集 线 器 转 发 高 速 数 据 包 到 所 有 连 接 着 高 速 设 备 的 端 口 高 速 设 备 解 码 这 个 高 速 数 据 包, 看 看 自 己 是 不 是 被 主 机 作 为 目 标 低 速 和 全 速 设 备 当 低 速 和 全 速 设 备 连 接 到 高 速 集 线 器 端 口 时, 集 线 器 为 高 速 分 裂 事 务 进 行 检 查, 该 事 务 是 作 为 连 到 其 端 口 的 低 速 或 全 速 设 备 的 目 标 当 这 种 情 况 发 生 时, 集 线 器 转 换 这 个 高 速 分 裂 事 务 为 要 求 的 低 速 或 者 全 速 事 务, 并 把 它 们 传 送 到 目 标 设 备 拓 扑 结 构 USB 集 线 器 在 为 设 备 提 供 连 接 点 时 使 用 分 层 的 星 形 结 构 主 机 控 制 器 包 括 根 集 线 器, 这 里 是 系 统 中 所 有 USB 端 口 的 起 源 如 图 2-27 所 示, 三 个 集 线 器 创 建 了 三 级 : 根 集 线 器, 一 个 2.0 集 线 器, 一 个 1.x 集 线 器 注 意, 任 何 设 备 可 以 不 考 虑 它 们 的 速 度 而 连 接 到 任 何 一 个 集 线 器 端 口 高 速 2.0 主 机 控 制 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 2.0 集 线 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 集 线 器 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 低 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 38

53 概 念 总 述 图 2-27 USB 分 层 的 星 型 拓 扑 结 构 39

54 电 缆 和 连 接 器 电 缆 和 连 接 器 3 上 一 章 上 一 章 给 出 了 USB 转 换 基 本 概 念 的 总 述, 描 述 了 USB 系 统 软 件 系 统 硬 件 和 USB 设 备 在 USB 1.x 系 统 和 USB 2.0 系 统 中 的 交 互 描 述 了 USB 通 信 进 程, 包 括 设 备 框 架 的 概 念 介 绍 了 每 个 USB 系 统 的 硬 件 和 软 件 元 素 和 相 应 的 基 本 功 能 本 章 USB 定 义 了 将 所 有 USB 外 设 连 到 主 机 的 一 种 连 接 器 类 型 本 章 介 绍 USB 连 接 器 和 电 缆 物 理 方 面 的 性 能 下 一 章 下 一 章 讨 论 USB 配 电 系 统, 还 有 总 线 驱 动 设 备 和 自 驱 动 设 备 的 相 关 问 题 这 一 章 也 讨 论 了 驱 动 软 件 的 检 测 和 报 告 问 题 连 接 器 USB 连 接 器 允 许 任 何 USB 外 设 连 接 到 一 个 集 线 器 端 口 端 口 可 以 位 于 计 算 机 的 背 板, 也 可 以 嵌 在 任 何 其 他 的 外 设 上, 例 如 显 示 器 和 打 印 机, 还 可 以 在 独 立 的 集 线 器 设 备 上 许 多 USB 外 设 是 永 久 固 定 USB 电 缆, 有 的 外 设 也 有 可 分 离 电 缆 如 果 USB 电 缆 两 端 使 用 同 样 的 连 接 器, 它 就 可 以 连 接 在 两 个 USB 端 口 之 间 为 了 防 止 可 分 离 电 缆 被 同 时 插 到 两 个 USB 端 口, 设 计 了 一 个 单 独 的 连 接 器 来 连 接 外 设 电 缆 这 两 种 连 接 器 分 别 具 有 如 下 特 征 A 系 列 连 接 器 连 接 USB 端 口 和 外 设 电 缆 A 系 列 连 接 器 的 插 孔 就 相 当 于 一 个 集 线 器 端 口, 当 A 系 列 连 接 器 的 插 头 和 外 设 电 缆 连 接 完 毕, 就 允 许 连 接 USB 外 部 设 备 B 系 列 连 接 器 连 接 可 分 离 外 设 电 缆 和 USB 外 设 B 系 列 连 接 器 的 插 孔 在 外 设 上, 插 头 在 电 缆 上 现 已 定 义 了 一 种 小 波 形 系 数 的 名 为 Mini-B 的 B 连 接 器 可 以 参 见 MindShare 的 网 站 查 找 介 绍 这 种 新 的 连 接 器 特 性 的 链 接 每 种 连 接 器 有 四 个 触 点 : 两 个 传 送 差 动 数 据, 两 个 给 USB 设 备 加 电 要 注 意 : 电 源 触 点 比 数 据 触 点 长, 这 样 可 以 保 证 在 数 据 交 换 前 USB 设 备 获 得 电 流 ( 电 源 引 脚 是 7.41 毫 米, 数 据 引 脚 是 6.41 毫 米 ) 37

55 第 3 章 图 3-1 A 系 列 插 头 视 图 连 接 器 的 引 脚 被 编 号, 电 缆 导 线 根 据 颜 色 决 定 顺 序 这 样 可 以 便 于 区 分, 表 3-1 列 出 了 它 们 之 间 的 关 系 表 3-1 连 接 器 引 脚 设 计 引 脚 号 信 号 名 称 电 缆 导 线 颜 色 1 电 源 红 2 反 相 数 据 白 3 正 向 数 据 绿 4 接 地 黑 A 系 列 连 接 器 A 系 列 连 接 器 用 来 把 外 设 电 缆 连 接 到 USB 集 线 器 端 口 插 孔 有 四 种 类 型, 可 以 参 见 通 透 孔 或 者 是 表 面 装 备 技 术 (SMT) 这 四 种 类 型 是 : 垂 直 装 配 直 角 装 配 堆 栈 直 角 装 配 面 板 装 配 B 系 列 连 接 器 B 系 列 连 接 器 应 用 于 有 着 可 分 离 电 缆 的 外 设 USB 规 范 没 有 定 义 B 系 列 连 接 器 插 孔 的 装 配 类 型, 但 是 作 者 猜 测 A 系 列 的 定 义 规 范 已 经 应 用 在 B 系 列 中 了 电 缆 38 USB 规 范 为 适 于 发 送 信 号 定 义 了 两 种 电 缆 低 速 电 缆 被 定 义 为 适 应 1.5Mb/s 信 号, 全 速

56 电 缆 和 连 接 器 电 缆 在 USB 1.1 规 范 中 同 时 支 持 全 速 和 高 速 传 输 低 速 电 缆 标 准 允 许 使 用 一 些 低 速 或 低 成 本 外 设 ( 如 鼠 标 和 键 盘 ) 使 用 的 比 较 经 济 的 电 缆 下 面 我 们 细 致 地 讨 论 每 一 种 类 型 的 电 缆 低 速 电 缆 图 3-2 画 出 了 低 速 电 缆 的 横 截 面, 它 有 时 也 被 认 为 是 亚 通 道 电 缆 这 种 电 缆 只 支 持 1.5Mb/s 的 信 号, 应 用 于 不 要 求 带 宽 很 宽 的 情 况 下 高 速 或 者 全 速 USB 电 缆 电 源 线 对 (20~28 平 均 线 规 ) PVC 绝 缘 外 皮 可 选 外 屏 蔽 (65% 的 混 锡 铜 编 织 ) 内 屏 蔽 ( 含 铝 聚 酯 ) 差 动 信 号 线 对 ( 最 小 28 平 均 线 规, 非 双 绞 线 ) 排 扰 线 ( 最 小 28 平 均 线 规 ) 图 3-2 低 速 电 缆 的 横 截 面 差 动 数 据 信 号 发 送 电 缆 可 以 是 非 双 绞 线 的 28 号 美 制 电 线 标 准 的 导 线 另 外, 低 速 电 缆 需 要 有 内 部 保 护 层 ( 保 护 层 外 面 有 导 电 涂 层 ), 还 要 有 排 扰 线 与 内 部 保 护 层 相 接 排 扰 线 将 插 头 接 到 插 槽 箱 推 荐 使 用 外 部 保 护 层, 但 是 在 规 范 中 不 是 必 需 的 USB 规 范 中 低 速 电 缆 最 长 不 能 超 过 3 米, 最 大 传 播 时 延 不 能 超 过 18ns( 单 向 ) 电 缆 最 大 长 度 是 一 个 以 所 定 义 信 号 最 大 上 升 沿 下 降 沿 时 间 和 低 速 设 备 的 承 载 能 力 为 参 数 的 函 数 有 关 这 些 参 数 的 详 细 信 息 请 参 阅 USB 的 规 范 全 速 和 高 速 电 缆 USB 设 备 的 全 速 和 高 速 电 缆 用 双 绞 线 传 送 差 动 信 号, 而 且 要 有 内 部 和 外 部 双 保 护 层, 如 图 3-3 所 示, 还 要 有 排 扰 线 在 1~480MHz 的 频 率 下, 电 缆 上 的 传 播 时 延 不 能 超 过 26ns 如 果 电 缆 不 能 满 足 低 于 26ns 的 时 延, 就 要 减 少 电 缆 的 长 度 如 表 3-2 所 列 ( 关 于 这 个 问 题 的 详 细 情 况 请 参 阅 USB 规 范 ) 表 3-2 电 缆 的 传 播 时 延 电 缆 传 播 时 延 最 大 电 缆 长 度 9.0ns/m 3.3m 8.0 ns/m 3.7 m 7.0 ns/m 4.3 m 6.0 ns/m 4.6 m 39

57 第 3 章 支 持 全 速 和 高 速 的 电 缆 最 长 5.0 米 这 个 长 度 决 定 于 上 面 所 提 到 的 电 缆 传 播 时 延 和 信 号 线 的 老 化 衰 减 状 况 高 速 或 者 全 速 USB 电 缆 电 源 线 对 (20~28 平 均 线 规 ) PVC 绝 缘 外 皮 可 选 外 屏 蔽 (65% 的 混 锡 铜 编 织 ) 内 屏 蔽 ( 含 铝 聚 酯 ) 差 动 信 号 线 对 ( 最 小 28 平 均 线 规, 非 双 绞 线 ) 排 扰 线 ( 最 小 28 平 均 线 规 ) 图 3-3 高 速 电 缆 的 横 截 面 注 意, 本 章 中 关 于 电 缆 的 情 况 是 基 于 USB 1.1 规 范 的 USB 1.0 规 范 中 的 全 速 电 缆 和 USB 2.0 中 的 是 不 兼 容 的, 并 且 不 支 持 高 速 设 备 电 缆 电 源 电 缆 的 电 压 是 直 流 +5v, 可 以 用 来 驱 动 外 设 可 以 提 供 最 大 500mA 最 小 100mA 的 电 流 有 的 外 设 会 具 有 自 己 的 本 地 电 源 支 持, 不 需 要 电 缆 电 源 电 气 和 机 械 规 范 关 于 连 接 器 和 电 缆 的 电 气 和 机 械 规 范 不 包 括 在 本 章 的 讲 述 范 围 内 请 参 见 USB 2.0 规 范 40

58 USB 电 缆 配 电 系 统 USB 电 缆 配 电 系 统 4 上 一 章 USB 为 将 所 有 USB 外 设 连 到 主 机 系 统 而 定 义 了 一 种 连 接 器 类 型 上 一 章 介 绍 了 USB 连 接 器 和 电 缆 物 理 和 电 气 方 面 的 性 能 本 章 本 章 讨 论 USB 配 电 系 统, 还 有 总 线 驱 动 设 备 和 自 驱 动 设 备 的 相 关 问 题 这 一 章 也 讨 论 了 驱 动 软 件 的 检 测 和 报 告 问 题 下 一 章 USB 使 用 双 向 不 归 零 编 码 和 差 动 信 号 在 USB 电 缆 上 传 输 信 息 下 一 章 讨 论 低 速 和 全 速 信 号 环 境, 包 括 差 动 信 号 和 USB 使 用 的 双 向 不 归 零 编 码 技 术 信 号 环 境 必 须 也 支 持 其 他 与 发 送 信 号 相 关 的 功 能, 例 如 : 检 测 设 备 的 连 接 和 卸 载, 挂 起 和 唤 醒 操 作, 重 装 设 备, 还 有 一 些 其 他 的, 这 些 都 会 在 下 一 章 讨 论 高 速 设 备 在 本 书 后 面 的 部 分 讨 论 USB 电 源 所 有 的 USB 接 口 都 可 以 给 连 接 到 其 上 的 设 备 供 电 外 围 设 备 和 集 线 器 可 以 被 连 接 到 指 定 的 接 口, 使 用 可 以 从 电 缆 获 得 的 电 源 或 者 使 用 自 身 的 供 电 电 源 本 章 对 由 电 缆 供 电 的 和 自 供 电 的 集 线 器 和 设 备 都 有 介 绍 集 线 器 集 线 器 的 一 个 主 要 功 能 就 是 分 配 和 控 制 电 缆 电 流 集 线 器 可 以 从 上 层 电 缆 获 电, 也 可 使 用 自 己 的 电 源 为 下 层 端 口 供 电 为 安 全 起 见, 集 线 器 也 必 须 进 行 稳 压, 保 证 到 达 下 层 端 口 的 电 流 有 所 限 制 集 线 器 就 像 所 有 的 USB 设 备 一 样, 必 须 包 括 一 个 描 述 符 来 具 体 指 定 它 的 能 力 集 线 器 描 述 符 定 义 的 主 要 一 部 分 是 和 配 电 相 关 的 41

59 第 4 章 电 流 预 算 一 个 全 速 的 端 口 必 须 可 以 为 连 接 到 USB 的 设 备 提 供 五 个 单 位 的 电 流 (500 毫 安 ), 自 供 电 的 集 线 器 ( 包 括 根 端 口 ) 由 自 己 的 本 地 供 电 系 统, 能 够 给 各 个 端 口 提 供 最 大 电 量 然 而, 总 线 供 电 的 集 线 器 只 能 从 它 的 上 层 的 电 缆 那 里 到 得 到 电, 再 分 配 给 它 所 有 下 层 的 USB 端 口 集 线 器 在 它 的 一 部 分 配 置 描 述 符 里 规 定 了 它 是 否 是 自 供 电 的 见 表 4-1, 阴 影 区 域 显 示 了 一 个 位 映 射 的 属 性 字 段, 它 定 义 了 集 线 器 的 配 电 系 统 注 意, 第 7 个 位 保 留, 必 须 置 为 1 这 个 在 1.x 系 统 中 的 配 置 指 出 设 备 是 否 是 总 线 驱 动 的 表 4-1 配 置 描 述 符 中 定 义 的 集 线 器 电 源 情 况 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 02h 配 置 描 述 符 类 型 =2 2 总 长 2 数 字 这 个 配 置 下 返 回 的 数 据 总 长 度 是 所 有 描 述 符 的 长 度 总 和 ( 配 置 接 口 终 端 点 类 或 厂 商 专 用 ) 4 接 口 号 1 数 字 这 个 配 置 下 支 持 的 接 口 数 目 5 配 置 值 1 数 字 选 择 的 配 置 需 要 的 参 量 6 配 置 1 索 引 描 述 这 个 配 置 的 字 符 串 索 引 7 属 性 1 比 特 映 射 配 置 特 性 D7 保 留 ( 必 须 设 为 1)(1.x 中 的 总 线 驱 动 位 ) D6 自 供 电 D5 远 程 唤 醒 D4-D0 保 留 ( 置 0) 一 个 配 置 无 论 是 自 供 电 的 还 是 总 线 供 电 的, 都 必 须 在 最 大 电 量 字 段 有 一 个 非 零 值 如 果 一 个 设 备 支 持 远 程 唤 醒,D5 位 置 1 8 最 大 电 量 1 X2ma 这 种 配 置 下 要 消 耗 的 总 线 最 大 电 量 ( 电 量 以 2 毫 安 为 增 量 增 长 ) 如 果 一 个 设 备 失 去 了 它 的 外 电 源, 它 就 不 能 消 耗 总 线 的 额 外 电 量 超 过 配 置 描 述 符 中 的 最 大 电 量 字 段 所 规 定 的 电 量 总 线 的 额 外 电 量 来 弥 补 亏 空 如 果 设 备 在 本 地 电 源 撤 销 时 不 能 运 行, 那 么 它 就 不 再 响 应 访 问, 并 且 必 须 通 知 软 件 访 问 失 败 USB 软 件 可 以 在 检 查 状 态 时 检 测 到 电 源 被 撤 销 了 过 电 保 护 根 据 安 全 规 则 USB 端 口 的 电 量 必 须 限 制 就 单 机 考 虑, 供 给 一 个 端 口 的 电 流 不 能 超 过 5 安 培 只 要 满 足 5 安 培 限 制 的 电 流 保 护, 过 电 保 护 能 够 作 用 于 多 级 端 口 或 者 一 个 基 本 端 口 还 要 注 意, 总 线 驱 动 的 集 线 器 只 将 来 自 电 缆 的 电 能 分 配 给 USB 端 口 这 里, 不 需 要 限 制 电 流 42

60 USB 电 缆 配 电 系 统 电 压 降 预 算 电 压 必 须 通 过 电 缆 加 到 外 围 设 备 一 个 自 供 电 的 集 线 器 端 口 的 电 压 一 般 不 低 于 4.75V( 直 流 ), 一 个 总 线 供 电 的 集 线 器 端 口 的 电 压 一 般 不 低 于 4.40V, 如 图 4-1 所 示 因 此 USB 设 备 必 须 能 在 电 缆 上 层 末 端 的 4.40V 这 样 的 小 电 压 下 正 确 工 作 主 机 或 者 加 电 集 线 器 4.75V (min) 总 线 驱 动 的 集 线 器 4.40V (min) 总 线 驱 动 的 设 备 图 4-1 最 小 电 缆 电 压 和 电 压 降 预 算 电 源 转 换 集 线 器 按 照 下 列 方 式 之 一 给 端 口 加 电 : 直 接 加 电 不 转 换 联 动 转 换 到 所 有 的 共 享 端 口 端 口 独 立 转 换 一 个 集 线 器 所 支 持 的 电 源 转 换 在 集 线 器 终 点 描 述 符 里 定 义 表 4-2 列 出 了 一 些 终 点 描 述 符 注 意, 偏 移 为 3 的 数 据 位 的 D0 和 D1 位 定 义 了 这 个 集 线 器 支 持 的 电 源 转 换 模 式 表 4-2 集 线 器 类 描 述 符 定 义 的 它 支 持 的 电 源 转 换 模 式 偏 移 字 段 大 小 描 述 0 描 述 符 长 度 1 描 述 符 的 总 字 节 数, 包 括 这 个 字 节 本 身 1 描 述 符 类 型 1 描 述 符 类 型 2 端 口 号 1 这 个 集 线 器 支 持 的 下 层 端 口 数 目 3 集 线 器 特 性 2 D1 D0 电 源 转 换 模 式 00 联 动 转 换 ( 立 刻 转 换 所 有 端 口 ) 43

61 第 4 章 01 端 口 独 立 转 换 1X 电 源 不 转 换 ( 集 线 器 开, 端 口 加 电, 集 线 器 关, 端 口 断 电 ) D15 D2 定 义 集 线 器 的 其 他 特 性 总 线 供 电 的 集 线 器 总 线 供 电 的 集 线 器 完 全 从 总 线 获 电 因 此 它 们 只 能 分 配 一 部 分 它 们 从 总 线 端 口 得 到 的 总 电 流 给 功 能 设 备, 包 括 集 线 控 制 器, 嵌 入 式 设 备 ( 如 果 有 的 话 ), 所 有 的 下 层 端 口 这 要 求 为 了 获 得 全 部 的 集 线 器 功 能, 一 个 连 接 到 上 层 端 口 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 必 须 足 够 可 以 获 得 500 毫 安 的 电 流 集 线 器 配 置 期 间 的 供 电 在 电 送 到 连 接 设 备 之 前, 集 线 器 必 须 被 配 置 主 机 软 件 必 须 能 够 访 问 主 机 控 制 器 读 取 定 义 了 性 能 指 标 的 集 线 器 描 述 符 ( 例 如 : 端 口 数, 总 线 驱 动 还 是 自 供 电 的 ), 在 配 置 之 前,USB 设 备 ( 包 括 集 线 器 ) 消 耗 的 电 流 不 能 超 过 100 毫 安, 这 样 要 求 是 因 为 设 备 连 接 的 总 线 驱 动 集 线 器 端 口 也 许 最 多 只 支 持 100 毫 安 电 量 直 到 集 线 器 配 置 后, 才 能 通 过 超 过 100 毫 安 的 电 流 来 驱 动 嵌 入 到 端 口 的 设 备 连 接 到 500 毫 安 端 口 总 线 驱 动 的 集 线 器 由 于 总 线 驱 动 的 集 线 器 可 获 得 的 最 大 电 流 是 500 毫 安, 所 以 能 够 支 持 的 最 大 端 口 数 是 4 个 图 4-2 是 一 个 总 线 驱 动 的 集 线 器 的 功 能 块 图, 显 示 了 给 嵌 入 式 功 能 设 备 和 4 个 端 口 的 配 电 情 况, 由 于 每 个 端 口 要 求 能 够 支 持 的 最 小 电 流 是 100 毫 安, 所 以 主 机 控 制 器 和 嵌 入 式 设 备 必 须 耗 电 在 100 毫 安 以 下 连 接 到 100 毫 安 端 口 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 如 果 一 个 总 线 驱 动 的 集 线 器 连 接 到 另 一 个 只 支 持 最 大 100 毫 安 电 流 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 端 口, 那 么 可 利 用 的 电 流 必 须 都 给 集 线 器 控 制 器 使 用 这 允 许 运 行 配 置 软 件 访 问 描 述 符 来 决 定 设 备 所 要 求 的 电 源 如 何 总 线 驱 动 的 集 线 器 包 含 一 个 嵌 入 式 功 能 ( 例 如 一 个 复 合 设 备 ), 它 也 就 和 集 线 器 控 制 器 一 起 被 加 电 但 是 允 许 的 条 件 是, 集 线 器 控 制 器 和 嵌 入 式 设 备 总 共 需 要 的 电 流 不 超 过 100 毫 安 如 果 一 个 电 流 大 于 100 毫 安, 嵌 入 式 设 备 必 须 转 换 电 流 这 种 方 式 下, 配 置 软 件 能 够 通 过 读 取 设 备 描 述 符 来 估 计 所 有 设 备 的 电 源 要 求, 并 且 只 启 用 那 些 在 可 利 用 电 流 下 能 够 工 作 的 功 能 设 备 既 然 这 样, 配 置 软 件 不 会 配 置 集 线 器, 因 为 可 利 用 的 电 流 不 足 以 驱 动 任 何 设 备 连 接 到 100 和 500 毫 安 之 间 的 端 口 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 如 果 I 嵌 入 式 功 能 +I 集 线 器 控 制 器 >100 毫 安, 则 总 线 驱 动 的 集 线 器 必 须 为 下 层 端 口 提 供 电 源 转 换, 启 动 功 能 设 备 也 要 如 此 由 于 嵌 入 式 功 能 和 主 机 控 制 器 联 合 需 要 大 于 100 毫 安 44

62 USB 电 缆 配 电 系 统 的 电 流, 它 们 就 不 能 在 配 置 时 都 给 电 因 此 嵌 入 式 设 备 必 须 要 做 电 压 转 换 当 连 接 到 端 口 的 集 线 器 只 能 支 持 电 流 驱 动 主 机 控 制 器 和 嵌 入 式 功 能 时, 这 个 要 求 也 很 灵 活 既 然 如 此, 由 于 对 连 到 端 口 的 设 备 没 有 足 够 的 电 能, 所 以 端 口 必 须 保 持 关 闭 对 总 线 驱 动 的 集 线 器 而 言, 规 范 中 说 下 行 端 口 的 电 源 必 须 转 换, 但 是 不 要 求 端 口 独 立 转 换 端 口 单 独 转 换 电 源 的 优 点 是 可 以 根 据 当 前 可 利 用 电 流 有 选 择 的 转 换 电 流 限 制 由 于 惟 一 的 电 源 是 USB 电 缆, 所 以 总 线 驱 动 的 集 线 器 最 大 能 得 到 500 毫 安 电 流, 而 且 每 个 端 口 还 不 能 超 过 5 安 培 这 个 限 制, 如 果 从 上 层 USB 总 线 电 缆 来 的 电 流 超 过 了 5 安 培, 上 层 集 线 器 的 电 流 限 制 就 会 阻 止 这 种 过 流 情 况 上 行 流 总 线 电 源 (5 个 单 位 负 载 ) 上 行 流 端 口 转 换 调 节 器 集 线 器 控 制 器 开 / 关 数 据 嵌 入 式 设 备 下 行 总 线 电 源 (1 个 单 位 负 载 ) 下 行 数 据 流 端 口 图 4-2 启 用 功 能 和 4 个 端 口 的 总 线 驱 动 集 线 器 总 线 驱 动 的 设 备 总 线 驱 动 的 设 备 可 以 连 接 到 全 速 端 口 或 者 一 个 仅 仅 支 持 最 大 100 毫 安 电 流 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 根 据 一 个 USB 设 备 是 低 速 还 是 高 速 的, 以 及 连 接 到 了 一 个 总 线 驱 动 的 还 是 自 供 电 的 集 线 器 这 些 情 况 来 考 虑, 配 置 也 许 会 因 为 电 量 不 足 而 失 败 低 耗 电 设 备 一 个 低 速 的 设 备 消 耗 的 电 量 不 超 过 一 个 单 位 USB 规 范 指 出 当 一 个 USB 设 备 第 一 次 加 电 时, 它 消 耗 的 电 流 一 定 要 小 于 100 毫 安 由 于 低 速 设 备 从 来 不 消 耗 多 于 100 毫 安 的 电 流, 45

63 第 4 章 就 不 再 作 特 殊 考 虑 同 样, 因 为 一 个 集 线 器 端 口 能 支 持 最 小 的 电 流 匹 配 或 超 过 低 速 设 备 要 求 的 电 流, 就 没 有 什 么 限 制 高 耗 电 设 备 高 耗 电 设 备 消 耗 100 毫 安 以 上 500 毫 安 以 下 的 总 线 电 流 高 耗 电 设 备 可 以 被 设 计 成 有 本 地 电 源 来 防 止 不 合 法 的 配 置 上 行 数 据 流 总 线 电 源 ( 最 大 1 个 单 位 负 载 ) 上 行 数 据 流 端 口 调 节 器 功 能 图 4-3 低 电 流 下 的 USB 功 能 配 置 过 程 中 的 配 电 图 4-4 描 述 了 一 个 总 线 驱 动 的 设 备 连 接 到 一 个 全 速 端 口 当 一 个 总 线 电 流 最 初 加 在 设 备 上 时, 不 能 消 耗 超 过 100 毫 安 的 电 流, 直 到 这 个 设 备 配 置 完 毕 因 此, 配 电 是 分 阶 段 进 行 的, 保 证 在 设 备 配 置 完 成 前 电 流 只 应 用 于 功 能 控 制 器 一 旦 配 置 完 毕, 设 备 就 可 以 加 载 最 大 电 流 了 46

64 USB 电 缆 配 电 系 统 上 行 流 总 线 电 源 (5 个 单 位 负 载 ) 上 行 流 端 口 最 大 1 个 单 位 负 载 设 备 控 制 器 调 节 器 (1 到 5 个 单 位 负 载 ) 功 能 图 4-4 总 线 驱 动 的 功 能 ( 高 耗 电 ) 端 口 电 量 不 足 如 果 仅 由 总 线 供 电 的 高 耗 电 设 备 连 接 到 一 个 总 线 驱 动 的 集 线 器, 也 许 有 时 电 流 会 不 足 以 使 设 备 正 常 工 作 主 机 软 件 必 须 通 过 读 取 配 置 描 述 符 探 测 到 高 耗 电 设 备 要 求 的 电 流 如 果 这 个 要 求 的 电 流 超 过 了 这 个 端 口 能 够 得 到 的 电 流, 设 备 就 不 会 被 配 置, 这 种 电 量 的 不 足 要 报 告 给 用 户 表 4-3 列 出 了 配 置 符 定 义 的 一 部 分, 规 定 了 一 次 设 备 配 置 可 以 消 耗 的 最 大 电 流 ( 阴 影 区 域 ) 注 意, 一 个 高 耗 电 的 设 备 可 以 有 一 个 替 换 的 低 耗 电 的 配 置, 将 消 耗 的 总 电 流 减 少 到 100 毫 安, 因 此 可 以 保 证 任 何 一 个 端 口 的 性 能 当 然, 低 耗 电 的 配 置 相 对 于 高 耗 电 配 置 而 言 会 降 低 性 能 和 功 能 表 4-3 设 备 配 置 描 述 符 定 义 的 最 大 电 量 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 47

65 第 4 章 7 属 性 1 位 映 射 配 置 特 性 D7 总 线 驱 动 D6 自 供 电 D5 远 程 唤 醒 D4~D0 保 留 ( 复 位 为 0) 一 个 设 备 在 运 行 时 使 用 本 地 电 源 还 是 总 线 电 源 可 以 使 用 Get Status 设 备 需 求 来 决 定 8 最 大 电 流 1 毫 安 在 这 种 配 置 方 式 下 当 设 备 全 功 能 运 行 时 从 总 线 消 耗 的 最 大 电 量 以 2 毫 安 为 单 位 表 示 ( 即,50=100mA) 注 意 : 一 个 设 备 配 置 要 报 告 是 总 线 供 电 的 还 是 自 供 电 的 设 备 状 态 报 告 设 备 是 否 是 当 前 自 供 电 如 果 一 个 设 备 和 外 电 源 断 开, 它 要 更 新 状 态 指 出 设 备 不 再 是 自 供 电 的 一 个 设 备 在 失 去 外 电 源 时, 不 可 以 从 总 线 增 加 电 量 到 超 过 它 的 配 置 自 供 电 的 集 线 器 集 线 器 可 以 合 并 到 有 自 己 供 电 系 统 的 USB 设 备 中, 例 如 显 示 器, 也 可 以 被 设 计 为 独 立 的 自 己 供 电 的 集 线 器 自 供 电 集 线 器 的 一 个 显 著 的 优 点 就 是 可 以 获 得 足 够 500 毫 安 的 电 流 给 它 的 下 层 USB 端 口 相 对 于 总 线 驱 动 而 言 的 一 个 显 著 的 缺 点 是 增 加 了 复 杂 度 和 成 本 自 供 电 的 集 线 器 也 要 限 制 电 流 在 每 端 口 5 安 培 以 下 保 证 规 范 中 定 义 的 安 全 要 求 集 线 器 也 为 各 个 端 口 集 成 了 可 选 择 的 功 能, 例 如 液 晶 显 示 器, 来 指 示 哪 个 端 口 启 动 了, 哪 个 端 口 禁 用 配 置 过 程 中 的 配 电 图 4-5 是 一 个 自 供 电 集 线 器 的 基 本 功 能 块 图 集 线 器 必 须 在 数 据 线 包 括 一 个 1.5 千 欧 的 上 拉 电 阻 来 指 示 自 己 是 一 个 全 速 集 线 器 系 统 检 测 设 备 的 连 接 时 必 须 访 问 它 的 描 述 符 来 确 定 设 备 类 型 这 要 求 访 问 集 线 器 控 制 器 的 控 制 终 端 点 来 读 取 描 述 符 本 地 供 电 总 线 接 口 一 个 自 供 电 的 集 线 器 可 以 在 本 地 给 自 己 的 主 机 控 制 器 加 电 因 此, 如 果 这 个 集 线 器 加 的 不 是 交 流 电, 那 么 1.5 千 欧 的 上 拉 电 阻 可 能 得 不 到 直 流 电, 设 备 ( 集 线 器 ) 就 不 会 被 检 测 到 已 经 连 接 到 系 统 这 就 会 给 期 望 所 有 USB 设 备 能 够 在 连 接 时 自 动 被 检 测 的 终 端 用 户 带 来 很 大 的 困 扰 上 拉 电 阻 也 有 可 能 被 总 线 加 电, 但 是 集 线 器 控 制 器 是 本 地 电 源 供 电 的 这 时 设 备 的 连 接 会 被 检 测 到, 但 是 主 机 读 设 备 描 述 符 会 失 败 特 别 的 是, 主 机 到 默 认 终 端 点 的 访 问 会 没 有 从 集 线 器 返 回 的 响 应 主 机 会 检 测 错 误, 但 是 不 知 道 什 么 原 因 导 致 错 误 图 4-5 中 在 本 地 电 源 和 集 线 器 控 制 器 之 间 的 虚 线, 表 示 了 使 用 本 地 电 源 给 总 线 接 口 加 电 的 样 例 48

66 USB 电 缆 配 电 系 统 下 行 总 线 电 源 (1 个 单 位 负 载 ) 上 行 流 端 口 本 地 电 源 供 给 调 节 器 集 线 器 控 制 器 电 流 限 制 电 流 限 制 数 据 嵌 入 式 设 备 混 合 供 电 设 备 上 行 流 总 线 电 源 (5 个 单 位 负 载 / 端 口 ) 图 4-5 有 嵌 入 式 功 能 的 自 供 电 集 线 器 下 行 数 据 流 端 口 一 个 自 供 电 的 集 线 器 可 以 通 过 USB 电 缆 给 全 部 的 总 线 接 口 和 集 线 器 控 制 器 加 电, 这 样 就 可 以 检 测 集 线 器 的 连 接 和 读 取 描 述 符 然 而, 给 嵌 入 式 设 备 和 每 个 端 口 加 电 就 要 从 本 地 电 源 加 电 混 合 加 电 的 集 线 器, 同 任 何 其 他 的 USB 设 备 一 样, 在 配 置 时 从 电 缆 获 取 的 电 流 不 得 超 过 100 毫 安 混 合 供 电 的 优 点 是 可 以 区 分 出 已 经 加 电 的 集 线 器, 没 有 连 接 的 集 线 器 和 已 经 坏 掉 的 集 线 器 图 4-5 中, 标 明 上 行 电 的 虚 线 显 示 了 总 线 驱 动 集 线 器 控 制 器 的 样 例 电 流 限 制 图 4-5 也 描 述 了 联 动 模 式 下 的 电 流 限 制 机 制 由 于 每 个 端 口 的 电 流 限 制 在 5 毫 安, 当 电 流 到 达 5 安 培 时 必 须 启 动 电 流 限 制 器 例 如, 如 果 一 个 自 供 电 的 集 线 器 支 持 10 个 相 连 的 端 口 并 带 有 一 个 电 流 限 制 器, 每 个 端 口 的 合 法 电 流 (500 毫 安 ) 加 起 来 会 超 过 最 大 限 制 电 流 所 以 一 个 10 个 端 口 的 集 线 器 就 要 有 两 个 电 流 限 制 器, 每 个 保 护 5 个 端 口 自 供 电 设 备 自 供 电 设 备 必 须 在 数 据 线 包 括 一 个 1.5 千 欧 的 上 拉 电 阻 来 指 示 自 己 是 一 个 全 速 设 备 注 意, 自 供 电 设 备 可 以 是 低 速 设 备, 但 是, 笔 者 不 认 为 会 有 这 样 的 设 备 应 用 49

67 第 4 章 配 置 过 程 中 的 配 电 一 个 设 备 的 总 线 接 口 可 以 从 总 线 获 电 或 者 完 全 使 用 本 地 电 源 这 影 响 到 设 备 在 连 接 时 是 否 能 被 检 测, 它 的 描 述 符 是 否 能 被 读 取 下 面 一 部 分 讨 论 了 每 一 种 情 况 本 地 供 电 的 总 线 接 口 一 个 自 供 电 的 集 线 器 可 以 在 本 地 给 自 己 的 功 能 控 制 器 加 电 因 此, 如 果 这 个 集 线 器 加 的 不 是 交 流 电, 那 么 1.5 千 欧 的 上 拉 电 阻 可 能 得 不 到 直 流 电, 设 备 ( 集 线 器 ) 就 不 会 在 连 接 时 被 系 统 检 测 到 上 拉 电 阻 也 有 可 能 被 总 线 加 电, 但 是 设 备 控 制 器 是 本 地 电 源 供 电 的 这 时 设 备 的 连 接 会 被 检 测 到, 但 是 主 机 读 设 备 描 述 符 会 失 败 特 别 的 是, 主 机 到 默 认 终 点 的 访 问 会 导 致 该 设 备 不 返 回 任 何 响 应 主 机 会 检 测 错 误, 但 是 不 知 道 什 么 原 因 导 致 错 误 图 4-6 中 在 本 地 电 源 和 设 备 控 制 器 之 间 的 虚 线, 表 示 了 使 用 本 地 电 源 给 总 线 接 口 加 电 的 样 例 上 行 流 总 线 电 源 (1 个 单 位 负 载 ) 上 行 流 端 口 本 地 电 源 供 给 调 节 器 功 能 控 制 器 功 能 图 4-6 自 供 电 的 设 备 混 合 供 电 设 备 一 个 自 供 电 的 设 备 可 以 使 用 总 线 电 源 给 功 能 控 制 器 加 电, 但 是 必 须 限 制 在 100 毫 安, 图 4-6 中 的 代 表 总 线 电 源 线 的 虚 线 指 出 总 线 电 源 的 使 用 是 可 以 选 择 的 从 总 线 获 电 使 检 测 集 线 器 的 连 接 和 读 取 描 述 符 成 为 可 能 然 而, 功 能 设 备 加 电 就 要 从 本 地 电 源 加 电 这 叫 做 混 合 加 电 设 备 混 合 供 电 的 优 点 是 可 以 区 分 出 已 经 加 电 的 设 备, 没 有 连 接 的 设 备 和 已 经 坏 掉 的 设 备 50

68 第 二 部 分 低 速 和 全 速 设 备 的 操 作 第 二 部 分 主 要 讨 论 低 速 和 全 速 USB 设 备 这 些 设 备 的 主 要 信 息 1.1USB 规 范 都 包 括 了, 但 是, 在 2.0 中 还 是 对 低 速 和 全 速 设 备 的 操 作 稍 作 了 些 变 化 第 二 部 分 也 讨 论 了 这 些 变 化 这 部 分 包 括 的 章 节 题 目 如 下 所 列 : 第 5 章 : 低 速 / 全 速 信 号 环 境 第 6 章 :USB 低 速 / 全 速 传 输 类 型 事 务 和 调 度 第 7 章 : 包 的 定 义 和 格 式 第 8 章 : 错 误 恢 复 第 9 章 :USB 电 源 保 护 46

69 低 速 / 全 速 信 号 环 境 低 速 / 全 速 信 号 环 境 5 上 一 章 上 一 章 讨 论 了 USB 配 电 系 统, 还 有 总 线 驱 动 设 备 和 自 驱 动 设 备 的 相 关 问 题 上 一 章 也 讨 论 了 驱 动 软 件 的 检 测 和 报 告 问 题 本 章 USB 使 用 双 向 不 归 零 编 码 和 差 动 信 号 在 USB 电 缆 上 传 输 信 息 本 章 讨 论 低 速 和 全 速 信 号 环 境, 包 括 差 动 信 号 和 USB 使 用 的 双 向 不 归 零 编 码 技 术 信 号 环 境 必 须 也 支 持 其 他 与 发 送 信 号 相 关 的 功 能, 例 如 : 检 测 设 备 的 连 接 和 卸 载, 挂 起 和 唤 醒 操 作, 复 位 设 备, 还 有 一 些 其 他 的, 这 些 都 会 在 本 章 讨 论 下 一 章 USB 支 持 四 种 传 输 类 型 : 中 断 批 量 同 步 传 输 和 控 制 传 输 下 一 章 我 们 会 讨 论 这 些 类 型, 以 及 它 们 的 初 始 化 过 程 和 运 行 机 制 概 述 低 速 和 全 速 信 号 接 口 为 支 持 不 同 的 事 件 提 供 了 很 多 种 方 式, 包 括 : 检 测 低 速 设 备 的 连 接 检 测 全 速 设 备 的 连 接 复 位 设 备 包 起 始 符 的 识 别 包 终 止 符 的 识 别 发 送 差 动 数 据 信 号 数 据 的 编 码 和 恢 复 全 速 和 低 速 设 备 发 信 号 的 接 口 是 相 似 的, 但 是 有 几 个 重 要 的 区 别, 这 会 在 下 面 讨 论 图 5-1 示 意 了 一 个 给 集 线 器 和 全 速 设 备 发 信 号 的 接 口 信 号 接 口 的 基 本 单 元 包 括 : 差 动 驱 动 器 差 动 接 收 器 结 束 信 号 接 收 器 53

70 第 5 章 集 线 器 数 据 线 下 拉 电 阻 (15 千 欧 ) 全 速 设 备 D+ 线 上 拉 电 阻 (1.5 千 欧 ) 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 Vcc 下 行 端 口 差 动 接 收 器 D+ D- 差 动 接 收 器 Xmt 数 据 SEO 差 动 驱 动 OE Xmt 数 据 SEO 差 动 驱 动 OE D+ D+ D- D- 单 端 接 收 器 单 端 接 收 器 图 5-1 信 号 接 口 USB 集 线 器 和 连 接 的 USB 全 速 设 备 设 备 连 接 的 检 测 和 速 度 检 测 在 传 输 一 个 来 自 于 或 发 送 到 设 备 的 信 息 前, 主 机 软 件 必 须 检 测 它 是 否 存 在 USB 检 测 到 设 备 连 接 到 系 统, 然 后, 主 机 软 件 初 始 化 事 务 来 为 正 常 的 操 作 完 成 配 置 USB 集 线 器 监 视 每 个 端 口 的 连 接 和 卸 载 事 件 只 有 端 口 加 电 之 后 设 备 才 能 被 检 测 到 图 5-2 描 述 了 没 有 设 备 连 接 时 USB 端 口 接 口 的 状 况 D+ 和 D- 线 上 的 下 拉 电 阻 保 证 了 数 据 线 都 接 地 当 没 有 设 备 连 接 时, 结 束 信 号 接 收 器 在 两 根 数 据 线 上 都 检 测 到 低 电 平 信 号 USB 设 备 在 D+ 和 D- 上 也 必 须 有 上 拉 电 阻 ( 根 据 速 度 需 要 ) 使 之 能 检 测 到 设 备 的 连 接 图 5-3 描 述 了 检 测 过 程 中 D+ 和 D- 状 态 的 变 化 这 个 顺 序 假 定 全 速 设 备 在 端 口 没 有 被 加 电 时 ( 在 系 统 启 动 的 时 候 加 电 ) 连 接 到 系 统 这 个 端 口 的 初 始 状 态 是 未 加 电, 那 么 这 个 顺 序 就 从 软 件 给 端 口 加 电 开 始 软 件 必 须 知 道 存 在 的 几 个 时 延, 从 而 保 证 集 线 器 的 状 态 不 在 设 备 发 送 连 接 信 号 集 线 器 检 测 连 接 事 件 和 设 置 连 接 状 态 前 被 检 测 到 这 些 时 延 包 括 : Δt1 指 定 从 SeTPorTPower 命 令 执 行 开 始 到 集 线 器 给 一 个 端 口 加 上 有 效 电 源 的 时 延 这 个 值 由 集 线 器 通 过 它 的 类 描 述 符 来 报 告 Δt2 指 定 从 集 线 器 端 口 被 加 电 到 D+ 和 D- 在 集 线 器 端 口 接 收 器 把 电 压 拉 到 VIH 以 上 的 延 迟 54

71 低 速 / 全 速 信 号 环 境 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 差 动 接 收 器 Xmt 数 据 差 动 驱 动 SEO OE D+ 信 号 结 束 接 收 器 D- 图 5-2 无 设 备 连 接 的 集 线 器 端 口 电 源 开 到 电 源 准 备 好 V BUS 4.01V D+ (D-) D- (D+) t1 总 线 电 源 有 效 到 收 到 设 备 连 接 信 号 系 统 软 件 产 生 的 波 动 Bus Idle t4 总 线 复 位 复 位 恢 复 100ms t ms 100ms 10ms t3 t5 t6 图 5-3 从 端 口 加 电 到 设 备 复 位 的 连 接 顺 序 Δt3 这 段 是 信 号 翻 转 时 间 这 个 翻 转 是 软 件 强 迫 的, 在 此 之 后, 软 件 就 可 以 安 全 地 检 测 集 线 器 状 态, 看 看 设 备 是 否 已 经 连 接 到 刚 刚 加 电 的 端 口 注 意, 这 个 变 量 是 为 了 热 插 的 目 的 而 定 义 的 在 这 里, 当 一 个 设 备 被 热 插 到 集 线 器 端 口 时, 电 源 引 脚 先 通 电, 然 后 数 据 线 再 通 电 数 据 线 可 能 会 由 于 在 插 头 插 入 时 连 接 器 小 小 的 摩 擦 而 连 通 或 断 开, 这 就 会 引 起 信 号 的 翻 转 Δt4 当 D+(D-) 被 固 定 后, 总 线 在 Δt3 到 时 之 前 假 定 状 态 是 空 闲 的 这 段 时 间 里 总 线 空 闲 3 毫 秒 后 设 备 进 入 挂 起 状 态 55

72 第 5 章 Δt5 软 件 发 送 一 个 端 口 复 位 命 令 到 集 线 器, 然 后 复 位 D+ 和 D- 到 低 电 平, 这 个 时 间 大 于 10 毫 秒 并 且 小 于 20 毫 秒 这 强 迫 设 备 进 入 默 认 状 态 Δt6 这 段 时 间 叫 做 复 位 恢 复 时 间 集 线 器 当 准 备 好 访 问 下 一 个 复 位 时 设 置 状 态 这 时 设 备 会 进 入 挂 起 状 态 全 速 设 备 连 接 图 5-4 显 示 了 连 接 到 集 线 器 端 口 的 全 速 设 备 当 全 速 设 备 连 接 到 端 口 时, 电 流 流 过 由 集 线 器 的 下 拉 电 阻 和 设 备 在 D+ 的 上 拉 电 阻 构 成 的 分 压 器 由 于 下 拉 电 阻 的 值 是 15KΩ, 上 拉 电 阻 的 值 是 1.5 KΩ, 所 以 D+ 会 加 到 近 似 于 90% 的 直 流 高 电 平 电 压 当 集 线 器 探 测 到 D+ 的 电 压 已 经 接 近 高 电 平, 而 其 他 的 线 保 持 接 地 时, 它 就 知 道 全 速 设 备 已 经 连 接 了 vdc +5vdc 1.5Kohm 全 速 USB 发 送 器 ( 集 线 器 端 口 ) D+ D- USB 电 缆 D+ D- 全 速 USB 接 收 器 (USB 设 备 ) Gnd 15Kohm 15Kohm 图 5-4 全 速 设 备 的 检 测 图 5-5 指 出 了 全 速 设 备 连 接 后 的 信 号 行 为 当 D+ 上 升 到 V IH ( 最 大 ) 时, 大 约 有 2.5 微 秒 或 者 更 长 的 时 间, 但 是 不 超 过 2 毫 秒 (T DCNN ), 集 线 器 确 认 设 备 连 接 了 在 检 测 到 设 备 被 连 接 后, 集 线 器 要 在 端 口 的 状 态 寄 存 器 中 设 置 合 适 的 状 态 位 V IH D+ 2.0 Vdc V SS 全 速 设 备 连 接 D- 2.5μs TDCNN min 2ms TDCNN max 图 5-5 低 速 设 备 连 接 时 的 信 号 状 态 56

73 低 速 / 全 速 信 号 环 境 集 线 器 也 设 置 一 个 位 来 指 示 连 接 设 备 以 全 速 运 行 由 于 集 线 器 检 测 到 D+ 电 压 的 上 升, 所 以 它 可 以 知 道 设 备 以 全 速 运 行 集 线 器 必 须 为 全 速 设 备 发 送 信 号 配 置 端 口 接 口 表 5-1 解 释 了 端 口 状 态 寄 存 器 当 位 第 九 个 位 清 零 时, 表 明 全 速 设 备 已 连 接 注 意, 这 里 寄 存 器 定 义 模 式 是 基 于 1.x 的 规 范 在 2.0 系 统 的 规 范 中 一 个 附 加 的 位 支 持 高 速 设 备 的 定 义 表 5-1 取 端 口 状 态 请 求 期 间 返 回 的 端 口 状 态 字 段 格 式 保 留 ( 读 时 返 回 全 零 ) 复 位 状 态 过 电 指 示 位 挂 起 状 态 端 口 启 用 / 禁 用 当 前 连 接 状 态 保 留 ( 读 时 返 回 全 零 ) 低 速 设 备 连 接 端 口 电 源 情 况 主 机 软 件 定 期 轮 循 每 个 集 线 器 以 检 查 端 口 事 件, 包 括 设 备 连 接 软 件 然 后 复 位 设 备 执 行 设 备 配 置, 在 第 19 章 USB 设 备 的 配 置 中 我 们 会 讨 论 这 个 问 题 低 速 设 备 连 接 低 速 设 备 的 设 计 者 在 D- 线 处 放 置 了 一 个 上 拉 电 阻, 而 全 速 设 备 是 在 D+ 线 上 放 置 的 图 5-6 显 示 了 连 接 到 集 线 器 端 口 的 低 速 设 备 像 全 速 设 备 一 样, 信 号 状 态 和 检 测 时 限 基 于 T DCNN 定 时 变 量, 如 图 5-7 所 示 当 集 线 器 检 测 到 低 速 设 备 连 接 时, 它 要 设 置 端 口 状 态 寄 存 器 中 的 连 接 和 低 速 位, 还 要 为 低 速 操 作 配 置 接 口 表 5-1 描 述 了 端 口 状 态 寄 存 器 的 格 式, 第 九 个 位 指 示 了 低 速 设 备 的 连 接 vdc +5vdc 1.5Kohm 全 速 USB 发 送 器 ( 集 线 器 端 口 ) D+ D- USB 电 缆 D+ D- 低 速 USB 接 收 器 (USB 设 备 ) Gnd 15Kohm 15Kohm 图 5-6 低 速 设 备 连 接 检 测 57

74 第 5 章 V IH D- 2.0 Vdc V SS 低 速 设 备 连 接 D+ 2.5μs TDCNN min 2ms TDCNN max 图 5-7 低 速 设 备 连 接 过 程 中 的 信 号 线 状 态 检 测 设 备 的 分 离 集 线 器 还 要 监 视 每 个 当 前 处 于 连 接 状 态 的 端 口, 因 为 设 备 可 能 被 断 开 一 个 设 备 断 开 时 集 线 器 能 看 到 的 转 变 如 图 5-8 所 示 当 集 线 器 在 T DDIS 定 时 变 量 的 过 程 中 得 知 单 端 为 零 ( 当 D+ 和 D- 降 到 VIL 以 下 ) 时, 就 检 测 到 设 备 断 开 了 如 果 检 测 到 设 备 断 开, 集 线 器 要 设 定 状 态 位 指 示 这 个 事 件 D+ or D- V IH 2.0 Vdc V IL 0.8 Vdc V SS D- or D+ TDDIS 2.0μs min. TDDIS 2.5μs max. 图 5-8 设 备 断 开 过 程 中 的 信 号 状 态 总 线 空 闲 总 线 空 闲 状 态 取 决 于 连 接 的 是 低 速 设 备 还 是 全 速 设 备 图 5-9 描 述 了 低 速 设 备 连 接 和 全 速 设 备 连 接 时 的 总 线 空 闲 情 况 总 线 空 闲 要 在 D+(D-) 拉 到 VIHZ 水 平 ( 最 大 3.6V, 最 小 2.7V) 并 且 D- (D+) 降 到 0.8V 以 下 时 才 有 效 58

75 低 速 / 全 速 信 号 环 境 由 于 全 速 和 低 速 的 总 线 空 闲 是 以 相 反 的 信 号 线 状 态 来 反 映 的, 所 以 对 低 速 设 备 集 线 器 就 必 须 翻 转 信 号, 因 为 所 有 来 自 主 机 的 包 都 使 用 全 速 信 号 状 态 ( 因 为 集 线 器 是 全 速 设 备 ) 如 果 全 速 包 未 被 翻 转 即 发 向 低 速 端 口, 信 号 状 态 将 被 D- 端 具 有 上 拉 电 阻 的 低 速 设 备 的 物 理 层 所 误 译 低 速 空 闲 全 速 空 闲 图 5-9 总 线 空 闲 的 状 态 设 备 复 位 一 旦 设 备 被 检 测 到 了, 就 会 在 主 机 软 件 的 控 制 下 复 位 这 强 制 设 备 进 入 默 认 状 态, 要 求 在 配 置 前 完 成 RESET 信 号 是 集 线 器 端 口 接 口 通 过 单 端 置 零 (SE0) 来 发 送 的 图 5-10 描 述 了 信 号 状 态 和 发 送 RESET 信 号 的 时 限 要 求 注 意, 复 位 的 时 限 由 TDRST 决 定 ( 最 小 10 毫 秒, 最 大 20 毫 秒 ), 应 用 到 收 到 复 位 端 口 命 令 的 端 口 根 端 口 的 复 位 时 限 由 TDRSTR 变 量 指 定 ( 最 小 50ms) 要 求 设 备 在 TDRSTR 定 时 变 量 内 检 测 到 ( 最 小 2.5 微 秒, 最 大 10 毫 秒 ) D+ (D-) D- (D+) 10-20ms 图 5-10 复 位 信 号 状 态 USB 设 备 有 两 个 发 信 号 状 态, 对 于 低 速 和 全 速 设 备 是 相 反 的 : J 状 态 K 状 态 当 一 个 设 备 最 初 被 连 接 到 USB 系 统 时, 一 根 数 据 线 接 近 高 电 平, 而 另 一 根 要 接 地 这 种 59

76 第 5 章 状 态 就 是 J 发 信 号 状 态, 也 就 是 设 备 的 空 闲 状 态 当 信 号 传 输 发 生 的 时 候, 两 根 数 据 线 转 换, 就 转 到 了 K 状 态 差 动 信 号 USB 传 输 数 据 包 使 用 差 动 信 号 来 减 少 不 同 信 号 源 的 干 扰, 这 些 信 号 源 包 括 : 放 大 噪 声 这 个 噪 声 产 生 于 信 号 被 驱 动 器 和 接 受 器 放 大 的 时 候 电 缆 噪 声 这 个 噪 声 由 于 电 磁 场 的 干 扰 产 生 于 电 缆 图 5-11 显 示 了 USB 集 线 器 和 设 备 之 间 的 数 据 信 号 注 意, 差 动 信 号 以 半 双 工 方 式 传 输 也 就 是 说, 电 缆 两 端 的 设 备 都 可 以 发 送 和 接 受 数 据, 但 是 同 一 时 间 只 能 在 一 个 方 向 传 输 半 双 工 要 求 驱 动 器 在 不 传 输 数 据 时 处 于 高 阻 抗 状 态 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 D+ 1.5KΩ Vcc 下 行 数 据 流 端 口 D- 差 动 接 收 器 差 动 接 收 器 Xmt 数 据 SEO OE Xmt 数 据 SEO OE 差 动 驱 动 差 动 驱 动 15KΩ 图 5-11 集 线 器 和 设 备 之 间 的 信 号 接 口 当 D+ 高 于 D- 时 发 送 差 动 信 号 1, 当 D- 高 于 D+ 时 发 送 差 动 信 号 0, 给 差 动 驱 动 器 规 定 的 实 际 电 压 如 下 : 差 动 信 号 1 =D+ >V OH ( 最 小 ) 并 且 D-<V OL ( 最 大 ) 差 动 信 号 0 =D->V OH ( 最 小 ) 并 且 D+<V OL ( 最 大 ) 接 收 器 必 须 检 测 到 的 信 号 电 压 为 : 差 动 信 号 1 =(D+)-(D-)>200 毫 伏 并 且 D+>V IH ( 最 小 ) 差 动 信 号 0 =(D-)-(D+)>200 毫 伏 并 且 D->V IH ( 最 小 ) 差 动 驱 动 器 USB 的 差 动 驱 动 器 可 以 是 低 速 的 全 速 的 或 者 是 低 速 全 速 混 合 的 一 个 差 动 驱 动 器 使 用 可 逆 的 和 不 可 逆 的 缓 冲 区 输 入 信 号 会 应 用 到 这 两 个 缓 冲 区 中, 提 供 两 个 输 出 信 号 (D+ 和 D-) 60

77 低 速 / 全 速 信 号 环 境 全 速 驱 动 器 全 速 驱 动 器 信 号 要 通 过 全 速 电 缆 ( 可 屏 蔽 / 双 绞 线 ) 全 速 电 缆 要 有 90Ω 的 阻 抗, 最 长 不 超 过 5 米 图 5-12 显 示 了 一 个 差 动 驱 动 器 和 接 收 器 的 全 速 连 接 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 D+ 1.5KΩ Vcc 下 行 数 据 流 端 口 D- 差 动 接 收 器 差 动 接 收 器 Xmt 数 据 Xmt 数 据 SEO SEO OE OE 差 动 驱 动 差 动 驱 动 15KΩ 图 5-12 全 速 差 分 驱 动 器 和 接 收 器 驱 动 器 的 输 出 阻 抗 要 在 28~44 欧 姆 之 间 这 个 阻 抗 一 般 通 过 增 加 串 连 电 阻 以 符 合 CMOS 缓 冲 区 执 行 要 求 来 达 到, 如 图 5-13 所 示 规 范 定 义 了 在 什 么 情 况 下 检 验 和 测 量 输 出 阻 抗 D+ ( 阻 抗 28~40) 数 据 相 同 的 CMOS 缓 冲 区, 输 出 阻 抗 =3 到 15 D+ ( 阻 抗 28~40) 图 5-13 满 足 指 定 输 出 阻 抗 的 串 联 电 阻 CMOS 缓 冲 区 为 最 小 化 辐 射 噪 声 和 串 扰, 还 要 求 控 制 旋 转 速 率 全 速 上 升 沿 和 下 降 沿 的 时 间 是 当 驱 动 一 个 每 根 线 50pf 的 电 容 性 负 载 时, 在 10% 到 90% 信 号 抖 动 幅 度 下 测 量 的 性 能 如 下 : 上 升 沿 和 下 降 沿 时 间 在 4 纳 秒 到 20 纳 秒 之 间 高 信 号 和 低 信 号 之 间 的 输 出 抖 动 必 须 满 足 不 超 过 ±10% 来 最 小 化 信 号 相 位 偏 移 和 射 频 干 扰 61

78 第 5 章 1.3V~2.0V 的 跨 越 电 压 转 换 必 须 是 单 调 的 图 5-14 显 示 了 全 速 驱 动 器 和 接 收 器 的 波 形 注 意, 驱 动 器 的 阻 抗 (28Ω ~ 44Ω) 和 电 缆 阻 抗 (90Ω) 不 匹 配, 所 以 会 有 来 自 电 缆 末 端 接 受 器 的 反 射 波 最 初 的 驱 动 器 转 换 足 够 引 起 在 目 标 设 备 的 一 个 波 前 和 随 后 的 反 射 这 个 接 收 器 的 反 射 会 引 起 接 收 器 探 测 信 号 的 转 换 在 目 标 设 备 检 测 到 这 个 转 换 时, 驱 动 器 一 般 在 电 压 漂 移 的 一 半 处, 导 致 26ns 的 单 向 电 缆 延 时 输 出 驱 动 信 号 针 电 缆 延 时 接 收 器 信 号 针 图 5-14 全 速 驱 动 器 和 接 收 器 的 波 形 低 速 驱 动 器 低 速 缓 冲 区 通 过 非 双 绞 线 电 缆 发 送 信 号, 而 且 只 能 在 低 速 集 线 器 端 口 和 低 速 设 备 之 间 的 传 输 时 使 用 低 速 设 备 信 号 在 电 缆 上 的 上 升 沿 和 下 降 沿 时 间 必 须 超 过 75 纳 秒, 来 保 证 射 频 干 扰 在 FCC( 美 国 通 信 委 员 会 ) 规 定 的 B 级 限 制 内, 以 及 限 制 时 延 和 相 位 偏 移 的 时 间 必 须 小 于 300 纳 秒 使 用 的 旋 转 速 率 也 要 求 驱 动 器 必 须 平 稳 地 上 升 和 下 降 到 规 定 的 稳 定 信 号 位, 并 且 使 反 射 和 震 颤 最 小 低 速 驱 动 器 使 用 的 信 号 转 换 是 在 1.5 千 欧 的 设 备 D- 信 号 线 终 点 处 低 速 设 备 的 空 闲 状 态 是 将 差 动 信 号 置 0 集 线 器 驱 动 器 特 性 所 有 的 下 游 集 线 器 端 口 必 须 同 时 支 持 低 速 和 全 速 设 备 特 性 这 是 必 须 的, 因 为 一 个 低 速 设 备 或 者 一 个 高 速 设 备 可 以 连 接 到 任 何 一 个 端 口 差 动 接 收 器 当 两 个 差 动 数 据 (D+ 和 D-) 输 入 处 于 0.8V~2.5V 的 范 围 内 时,USB 差 动 放 大 器 必 须 对 一 个 200mV 的 输 入 信 号 敏 感 输 入 的 敏 感 性 可 以 减 少 缓 冲 区 自 己 生 成 的 噪 声 62

79 低 速 / 全 速 信 号 环 境 包 起 始 符 (SOP) 每 个 数 据 包 开 始 于 一 个 8 位 的 同 步 序 列, 这 个 同 步 序 列 作 为 接 收 时 钟 使 用, 并 允 许 一 个 相 锁 定 环 路 (PLL) 或 者 一 个 延 时 锁 定 环 路 (DLL) 给 输 入 数 据 包 建 立 一 个 同 步 序 列 在 包 到 达 之 前, 电 缆 和 接 口 处 于 空 闲 状 态 (J 状 态 ) 同 步 序 列 的 第 一 次 转 换 是 到 K 状 态, 标 识 一 个 输 入 包 图 5-15 表 示 了 一 个 同 步 序 列 和 包 的 起 始 符 图 5-15 包 的 起 始 符 在 同 步 序 列 开 始 处 被 识 别 包 终 止 符 (EOP) 包 的 结 束 由 一 个 单 端 零 (SE0) 来 标 识 在 每 个 包 的 末 尾, 传 输 器 用 两 个 位 的 时 间 ( 低 速 或 者 全 速 ) 驱 动 SE0 来 发 送 EOP 信 号 单 端 接 收 器 检 测 EOP 信 号 图 5-16 是 包 终 止 符 的 信 号 包 终 止 符 宽 度 2 个 位 时 间 图 5-16 全 速 和 低 速 设 备 的 包 终 止 符 信 号 单 端 接 收 器 USB 使 用 两 个 单 端 接 收 器 来 识 别 特 定 的 总 线 状 态 ( 如 图 5-1 所 示 ) 例 如, 当 两 个 差 动 数 据 线 同 时 以 低 电 平 驱 动 超 过 2.5 微 秒 时, 就 发 出 一 个 设 备 的 复 位 信 号 每 个 单 端 接 收 器 监 视 一 根 数 据 线 正 常 情 况 下 D+ 和 D- 的 状 态 是 相 反 的, 因 为 总 线 空 闲 63

80 第 5 章 时 一 根 数 据 线 上 有 上 拉 电 阻, 总 线 被 驱 动 时 信 号 是 差 动 的 这 些 情 况 下, 差 动 放 大 器 就 会 放 大 两 根 数 据 线 之 间 的 差 异 然 而, 有 时 两 根 数 据 线 同 时 为 低 电 平 作 为 表 示 一 个 特 殊 状 态 的 信 号 例 如, 当 一 个 数 据 包 传 送 完 毕, 两 根 数 据 线 同 时 以 低 电 平 驱 动 2 位 的 时 间 来 标 明 这 是 一 个 包 终 止 符, 即 EOP 差 动 放 大 器 此 时 没 有 输 出, 这 是 由 于 接 收 器 的 输 入 没 有 区 别 单 端 接 收 器 在 D+ 和 D- 都 是 低 电 平 的 时 候 就 会 检 测 到 包 终 止 符 EOP 双 向 不 归 零 编 码 USB 的 数 据 包 使 用 双 向 不 归 零 码 编 码 (NRZI) 图 5-17 描 述 了 在 USB 电 缆 段 上 传 输 信 息 的 步 骤 双 向 不 归 零 码 首 先 由 传 送 信 息 的 USB 代 理 程 序 编 制 然 后, 编 了 码 的 数 据 被 差 动 驱 动 器 送 到 USB 电 缆 上 接 受 器 放 大 输 入 的 差 动 数 据, 把 双 向 不 归 零 码 数 据 送 给 解 码 器 编 码 和 差 动 信 号 可 以 帮 助 保 证 数 据 的 完 整 性 并 减 少 噪 声 双 向 不 归 零 编 码 差 动 接 收 器 差 动 驱 动 双 向 不 归 零 解 码 图 5-17 在 USB 电 缆 上 使 用 双 向 不 归 零 编 码 和 差 动 信 号 的 传 输 使 用 双 向 不 归 零 编 码 传 输 数 据 可 以 保 证 数 据 传 输 的 完 整 性, 而 且 不 要 求 传 输 过 程 中 有 独 立 的 时 钟 信 号 双 向 不 归 零 码 不 是 一 个 新 的 编 码 方 式 它 在 许 多 方 面 都 有 应 用 图 5-18 给 出 了 一 个 数 据 流 和 编 码 之 后 的 结 果 在 双 向 不 归 零 码 编 码 时, 遇 到 0 转 换, 遇 到 1 保 持 双 向 不 归 零 码 必 须 保 持 与 输 入 数 据 的 同 步 性, 以 保 证 数 据 采 样 正 确 双 向 不 归 零 码 数 据 流 必 须 在 一 个 数 据 窗 口 被 采 样, 无 论 前 一 个 位 时 间 是 否 发 生 过 转 换 解 码 器 在 每 个 位 时 间 采 样 数 据 以 检 查 是 否 有 转 换 空 闲 数 据 双 向 不 归 零 码 图 5-18 双 向 不 归 零 编 码 数 据 流 中 的 转 换 允 许 解 码 器 与 数 据 流 保 持 同 步, 这 样 就 不 需 要 一 个 独 立 的 时 钟 注 意, 如 果 数 据 中 有 一 长 串 的 1 不 发 生 转 换, 就 会 导 致 接 收 器 最 后 失 去 同 步, 这 个 问 题 由 位 填 充 技 术 解 决 64

81 低 速 / 全 速 信 号 环 境 位 填 充 位 填 充 要 求 数 据 流 中 如 有 连 续 的 六 个 1 就 要 强 行 转 换 这 样 接 收 器 在 双 向 不 归 零 码 数 据 流 中 最 多 每 七 个 位 就 检 测 到 一 次 跳 转 这 样 就 保 证 了 接 收 器 与 输 入 数 据 流 保 持 同 步 双 向 不 归 零 码 的 发 送 器 要 把 0 ( 填 充 位 ) 插 到 数 据 流 中 接 收 器 必 须 被 设 计 成 能 够 在 连 续 的 六 个 1 之 后 识 别 一 个 自 动 跳 转, 并 且 立 即 扔 掉 这 六 个 1 之 后 的 0 位 图 5-19 的 第 一 行 是 送 到 接 收 器 的 原 始 数 据 注 意 数 据 流 包 括 连 续 的 八 个 1 第 二 行 表 示 对 原 始 数 据 进 行 了 位 填 充, 在 原 始 数 据 的 第 六 个 和 第 七 个 1 之 间 填 入 了 一 个 0 第 七 个 1 延 时 一 个 位 时 间 让 填 充 位 插 入 接 收 器 知 道 连 续 六 个 1 之 后 将 是 一 个 填 充 位, 所 以 该 位 就 要 被 忽 略 注 意, 如 果 原 始 数 据 的 第 七 个 位 是 0, 填 充 位 也 同 样 插 入, 在 填 充 过 的 数 据 流 中 就 会 有 两 个 连 续 的 0 空 闲 数 据 填 充 位 填 充 数 据 双 向 不 归 零 码 接 收 器 忽 略 填 充 位 图 5-19 填 充 位 USB 信 号 状 态 总 结 表 5-2 总 结 了 USB 的 信 号 状 态 第 一 列 标 明 了 状 态, 第 二 列 是 驱 动 器 的 相 关 情 况, 第 三 列 是 接 收 器 的 相 应 情 况 表 5-2 USB 总 线 状 态 总 线 状 态 发 端 驱 动 器 信 号 电 平 接 收 器 差 动 信 号 1 差 动 信 号 0 D+>VOH( 最 小 ) 并 且 D-<VOL( 最 大 ) D->VOH( 最 小 ) 并 且 D +<VOL( 最 大 ) (D+)-(D-)>200 毫 伏 并 且 D+>VIH( 最 小 ) (D-)-(D+)>200 毫 伏 并 且 D->VIH( 最 小 ) 单 端 零 (SEO) D+ 和 D-<VOL( 最 大 ) D+ 和 D - <VIL( 最 大 ) 65

82 第 5 章 数 据 J 状 态 : 低 速 全 速 差 动 信 号 0 差 动 信 号 1 续 表 总 线 状 态 发 端 驱 动 器 信 号 电 平 接 收 器 数 据 K 状 态 : 低 速 全 速 差 动 信 号 1 差 动 信 号 0 低 速 空 闲 NA D->V IHZ ( 最 小 ) 并 且 D+<V IL ( 最 大 ) 全 速 空 闲 NA D+>V IHZ ( 最 小 ) 并 且 D-<V IL ( 最 大 ) 恢 复 状 态 数 据 K 状 态 包 起 始 符 数 据 线 从 空 闲 状 态 转 换 为 K 状 态 包 终 止 符 单 端 0 两 个 位 时 间, 后 面 跟 一 个 位 时 间 的 J 状 态 单 端 0 等 于 或 大 于 一 个 位 时 间, 后 面 跟 一 个 位 时 间 的 J 状 态 断 开 ( 仅 仅 是 上 游 ) NA 单 端 0 等 于 或 大 于 2.5 微 秒 连 接 ( 仅 仅 是 上 游 ) NA 空 闲 等 于 或 大 于 2.5 微 秒 复 位 ( 仅 仅 是 下 游 ) D+ 和 D-<V SE 10 毫 秒 单 端 0 等 于 或 大 于 2.5 微 秒 图 5-20 列 出 了 USB 使 用 的 信 号 电 平 注 意,USB 使 用 3.3V 的 直 流 信 号 电 平 V OH (max) 3.6 Vdc V OH (min) V SE (max) 2.8 Vdc 2.0 Vdc V SE (min) V OL (max) 0.8 Vdc 0.3 Vdc V SS 图 5-20 USB 的 信 号 电 平 66

83 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 低 速 / 全 速 传 输 6 类 型 和 调 度 上 一 章 USB 使 用 双 向 不 归 零 编 码 和 差 动 信 号 在 USB 电 缆 上 传 输 信 息 上 一 章 讨 论 了 低 速 和 全 速 信 号 环 境, 包 括 差 动 信 号 和 USB 使 用 的 双 向 不 归 零 编 码 技 术 信 号 环 境 必 须 也 支 持 其 他 与 发 送 信 号 相 关 的 功 能, 例 如 : 检 测 设 备 的 连 接 和 卸 载, 挂 起 和 唤 醒 操 作, 复 位 设 备, 还 有 一 些 其 他 的, 这 些 都 已 经 在 上 一 章 讨 论 本 章 USB 支 持 四 种 传 输 类 型 : 中 断 批 量 同 步 传 输 和 控 制 传 输 本 章 我 们 会 讨 论 这 些 类 型, 以 及 它 们 的 初 始 化 过 程 和 运 行 机 制 下 一 章 每 个 在 USB 上 的 传 输 广 播 包 括 一 组 数 据 包 这 些 包 组 织 起 来 就 定 义 了 一 个 独 立 的 事 务 作 为 一 个 大 的 传 输 中 的 一 部 分 每 个 事 务 的 类 型 都 给 出 了 定 义, 也 在 组 成 它 的 每 个 包 中 指 出 类 型 概 述 每 个 USB 设 备 的 终 点 都 有 它 特 定 的 性 能 标 明 如 何 访 问 它 传 输 特 性 是 和 应 用 的 要 求 相 联 系 的 USB 规 范 中 定 义 了 下 面 的 四 种 传 输 类 型, 反 映 了 每 一 个 可 能 被 USB 设 备 终 点 要 求 的 传 输 的 属 性 : 中 断 传 输 中 断 传 输 一 般 使 用 在 传 统 PC 实 现 中 要 求 中 断 驱 动 的 设 备 中 断 驱 动 的 USB 设 备 必 须 被 定 期 轮 询, 看 看 是 否 有 数 据 要 传 输 例 如, 在 传 统 的 PC 系 统 中, 每 当 键 盘 的 一 个 键 被 敲 击 就 有 一 个 硬 中 断 发 生, 通 知 处 理 器 必 须 执 行 一 个 软 中 断 以 响 应 键 盘 服 务, 相 反,USB 键 盘 则 被 定 期 轮 询 以 检 测 有 无 数 据 准 备 传 输 ( 例 如, 敲 击 了 一 个 键 ) 当 然, 轮 询 的 速 度 很 关 键, 它 的 频 率 必 须 能 够 保 证 数 据 不 丢 失, 但 也 不 能 太 快 了 以 使 带 宽 被 白 白 浪 费 掉 67

84 第 6 章 批 量 传 输 批 量 传 输 用 于 没 有 周 期 性 和 传 输 速 率 要 求 的 大 块 数 据 的 传 输 批 量 传 输 的 一 个 例 子 是 传 送 给 USB 打 印 机 的 打 印 作 业 虽 然 速 度 对 系 统 性 能 很 重 要, 但 打 印 作 业 可 以 慢 慢 地 传 输 而 不 会 丢 失 和 中 断 数 据 同 步 传 输 同 步 传 输 要 求 恒 定 的 传 输 速 率 使 用 同 步 传 输 的 设 备 必 须 保 证 发 送 端 和 接 受 端 可 以 获 得 相 同 的 传 输 速 率 例 如,USB 麦 克 风 和 扬 声 器 就 必 须 使 用 同 步 传 输 以 保 证 数 据 不 会 通 过 USB 产 生 频 率 抖 动 控 制 传 输 控 制 传 输 是 给 USB 设 备 传 输 特 定 的 要 求, 而 且 多 数 用 在 设 备 配 置 过 程 中 一 个 特 定 传 输 序 列 用 来 给 USB 设 备 传 输 命 令, 有 时 数 据 传 输 紧 随 其 后, 而 且 总 是 以 完 成 状 态 结 束 一 个 设 备 可 以 有 一 组 终 点, 每 个 都 可 以 支 持 不 同 的 传 输 类 型 例 如, 当 文 件 管 理 程 序 访 问 一 个 基 于 USB 的 CD-ROM 时, 数 据 终 点 就 定 义 成 批 量 传 输 类 型, 而 当 CD 音 频 播 放 程 序 访 问 的 时 候, 就 要 将 终 点 定 义 为 同 步 传 输 客 户 端 初 始 化 传 输 在 设 备 配 置 过 程 中,USB 驱 动 程 序 要 读 取 设 备 描 述 符 来 决 定 指 定 的 设 备 功 能 要 求 什 么 样 的 传 输 类 型 USB 驱 动 程 序 还 要 看 看 能 得 到 的 总 线 带 宽 是 否 满 足 所 有 终 点 传 输 的 要 求 如 果 可 利 用 的 总 线 带 宽 满 足 要 求,USB 驱 动 程 序 就 建 立 一 个 通 信 管 道, 这 要 使 用 为 建 立 管 道 保 留 的 带 宽 驱 动 程 序 也 要 唤 醒 要 使 用 这 个 通 信 管 道 的 相 应 的 USB 设 备 驱 动 程 序 通 信 管 道 图 6-1 是 为 了 客 户 端 完 成 相 应 的 功 能 建 立 的 通 信 管 道 的 概 念 示 意 图 通 信 管 道 在 客 户 端 要 求 用 管 道 传 输 数 据 之 前 要 处 于 非 活 动 状 态 注 意,USB 设 备 驱 动 程 序 只 知 道 通 信 管 道 和 使 用 它 的 终 点, 但 是 它 并 不 知 道 低 速 USB 的 传 输 机 制 USB 规 范 建 立 了 两 种 通 信 管 道, 一 种 是 数 据 流 管 道, 另 一 种 是 消 息 管 道 : 数 据 流 管 道 数 据 流 管 道 的 特 性 是 没 有 在 传 输 的 实 际 数 据 上 加 任 何 格 式 同 步 中 断 和 批 量 传 输 属 于 这 类 发 送 到 或 者 来 自 于 终 点 的 数 据 可 以 有 指 定 的 结 构 和 格 式, 但 是 这 必 须 由 特 定 的 类 和 厂 商 规 定 消 息 管 道 消 息 管 道 有 USB 定 义 的 特 殊 格 式 与 控 制 传 输 终 点 的 通 信 要 求 特 定 的 结 构 和 序 列, 传 送 到 终 点 的 数 据 模 式 定 义 了 发 送 给 设 备 的 要 求 和 命 令 这 些 要 求 指 出 设 备 必 须 采 取 一 些 行 动 注 意, 图 6-1 最 上 面 的 管 道 到 达 每 个 设 备 都 必 须 实 现 的 零 终 点 ( 默 认 的 控 制 终 点 ) 这 个 通 信 管 道 是 双 向 的, 以 保 证 数 据 可 以 在 任 何 一 个 方 向 传 输 其 他 的 传 输 管 道 总 是 单 向 的 这 就 意 味 着 像 读 / 写 这 样 的 大 容 量 存 储 设 备 就 必 须 有 两 个 终 点 来 满 足 双 向 传 输 : 一 个 读, 另 一 个 写 68

85 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 输 入 / 输 出 请 求 包 初 始 化 的 通 信 参 见 图 6-2 USB 设 备 驱 动 程 序 通 知 USB 驱 动 程 序 开 始 一 个 传 输 客 户 端 传 输 请 求 被 称 作 输 入 / 输 出 请 求 包, 或 称 IRP IRP 引 起 一 个 USB 上 的 传 输 USB 驱 动 程 序 在 每 个 帧 时 隙 分 配 定 量 的 总 线 带 宽 给 指 定 的 传 输 传 输 也 许 要 用 几 个 帧 时 隙 来 完 成 主 机 设 备 客 户 端 功 能 部 件 数 据 缓 冲 区 管 道 0 终 点 数 据 缓 冲 区 管 道 终 点 数 据 缓 冲 区 管 道 终 点 图 6-1 客 户 端 软 件 内 存 缓 冲 区 和 设 备 终 点 之 间 的 通 信 管 道 USB 客 户 端 驱 程 USB 客 户 端 驱 程 输 入 输 出 请 求 包 1 输 入 输 出 请 求 包 2 USB 驱 程 事 务 1-0 事 务 1-1 事 务 1-2 事 务 2-0 事 务 2-1 事 务 2-2 主 机 控 制 器 驱 程 帧 1 帧 2 事 务 1-0 事 务 1-1 事 务 2-1 事 务 1-1 目 标 设 备 设 备 11 设 备 21 图 6-2 客 户 端 请 求 转 换 成 USB 事 务 69

86 第 6 章 主 机 控 制 器 的 驱 动 程 序 调 度 所 有 USB 驱 动 程 序 提 交 的 IRP 主 机 控 制 器 然 后 执 行 一 个 被 调 度 的 独 立 传 输, 在 每 个 帧 时 隙 运 行 多 个 事 务 ( 从 目 标 设 备 读 取 数 据 或 者 写 数 据 到 目 标 设 备 ), 直 到 传 输 完 成 基 于 帧 的 传 输 由 于 USB 是 被 多 种 设 备 共 享, 所 以 在 每 个 1 毫 秒 帧 时 隙 内 会 有 多 种 不 同 类 型 的 传 输 混 合 进 行 由 于 同 步 和 中 断 传 输 要 在 固 定 的 时 间 段 内 发 生, 因 此 在 每 个 帧 中 它 们 有 特 殊 的 优 先 级 USB 规 范 指 出 最 多 可 以 有 90% 的 USB 带 宽 分 配 给 周 期 性 传 输 ( 中 断 和 同 步 ), 而 每 个 帧 为 控 制 传 输 保 留 10% 的 带 宽 剩 余 的 带 宽 被 分 配 给 批 量 传 输 传 输 类 型 下 面 几 节 会 讨 论 四 种 传 输 类 型 的 特 性 和 限 制 每 个 设 备 终 点 都 有 一 个 规 定 传 输 类 型 的 相 应 描 述 符 表 6-1 列 出 了 包 括 传 输 类 型 字 段 在 内 的 终 点 描 述 符 定 义 的 一 部 分 阴 影 部 分 的 偏 移 3 定 义 了 指 定 终 点 的 传 输 类 型 同 步 传 输 同 步 传 输 一 般 用 于 必 须 和 其 他 设 备 建 立 同 步 传 输 的 实 时 性 应 用 例 如, 音 频 处 理 必 须 同 步 传 输 信 息 以 避 免 音 频 输 出 的 抖 动 ( 例 如 CD 播 放 器 扬 声 器 和 数 字 电 话 ) 同 步 数 据 用 在 要 求 及 时 传 送 并 且 对 时 间 的 要 求 高 于 对 数 据 正 确 性 的 要 求 的 传 输 由 于 这 个 原 因, 在 同 步 传 输 过 程 中 数 据 的 有 效 性 不 能 得 到 保 证 下 面 几 个 专 题 从 USB 的 角 度 讨 论 同 步 传 输 的 特 性, 涉 及 到 传 输 方 向 服 务 周 期 包 的 大 小 带 宽 性 能 差 错 的 检 测 和 处 理 关 于 同 步 传 输 设 备 和 它 们 使 用 同 步 传 输 的 情 况 会 在 同 步 传 输 连 接 的 建 立 一 节 中 讨 论 表 6-1 终 点 描 述 符 传 输 类 型 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 常 量 终 点 描 述 符 类 型 2 终 点 地 址 1 终 点 描 述 符 中 USB 设 备 终 点 的 地 址, 地 址 如 下 编 码 位 0 3 终 点 数 目 位 4 6 保 留, 置 零 位 7 传 输 方 向 ( 不 包 括 控 制 终 点 ) 0=OUT 终 点 1=IN 终 点 70

87 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 3 属 性 1 位 映 射 这 个 字 段 规 定 设 备 配 置 后 终 点 的 传 输 类 型 位 1 0 定 义 传 输 类 型 0 0 控 制 传 输 0 1 同 步 传 输 1 0 批 量 传 输 1 1 中 断 传 输 其 他 位 保 留 传 输 方 向 同 步 传 输 是 单 向 的 没 有 终 点 信 号 可 以 在 两 个 方 向 传 输 信 息 如 果 同 步 设 备 既 要 求 发 数 据 又 要 求 收 数 据, 就 要 用 两 个 终 点, 一 个 发 数 据, 另 一 个 收 数 据 服 务 周 期 一 个 同 步 传 输 会 在 USB 相 连 的 帧 时 隙 中 被 定 期 调 度 这 可 以 保 证 平 稳 的 数 据 速 率 带 宽 分 配 全 速 情 况 下 ( 低 速 设 备 不 支 持 同 步 传 输 ), 在 每 个 帧 时 隙 内 同 步 传 输 最 大 的 有 效 载 荷 是 1023 字 节 最 大 的 有 效 载 荷 由 终 点 描 述 符 定 义 如 果 一 个 同 步 传 输 要 求 超 过 了 可 以 利 用 的 带 宽, 那 么 这 个 设 备 不 会 被 配 置 这 是 因 为 同 步 传 输 为 了 维 护 功 能 正 确 必 须 要 求 保 证 带 宽 表 6-2 全 速 同 步 传 输 带 宽 数 据 有 效 载 荷 ( 字 节 ) 传 输 所 占 带 宽 的 百 分 比 最 大 的 帧 数 最 大 带 宽 1 1% KB/s 2 1% KB/s 4 1% KB/s 8 1% KB/s 16 2% KB/s 32 3% MB/s 64 5% MB/s 128 9% MB/s % MB/s % MB/s % MB/s 错 误 恢 复 由 于 平 稳 的 数 据 传 输 速 率 是 同 步 传 输 的 基 本 要 求, 所 以 它 不 支 持 错 误 检 测 和 恢 复 恢 复 涉 及 到 检 测 出 错 误 的 事 件 重 传 重 传 会 使 USB 设 备 和 应 用 或 者 目 标 设 备 之 间 失 去 同 步, 因 此 不 允 许 重 传 71

88 第 6 章 同 步 传 输 连 接 的 建 立 许 多 通 过 USB 连 接 到 系 统 的 设 备 都 是 自 然 同 步 设 备 同 步 传 输 数 据 的 一 部 分 设 备 如 下 所 列 : 电 话 高 速 调 制 解 调 器 麦 克 风 / 头 戴 式 耳 机 高 端 数 字 扬 声 器 CD 播 放 器 DVD 播 放 器 视 频 会 议 摄 像 机 数 字 卫 星 接 收 器 源 点 和 汇 点 的 数 据 自 然 同 步, 源 点 和 汇 点 之 间 的 连 接 也 要 同 步 传 输 数 据 然 而,USB 不 支 持 同 步 数 据 流 实 际 上,USB 是 通 过 提 供 同 时 传 输 来 在 源 点 和 汇 点 之 间 ( 例 如 CD 播 放 器 和 扬 声 器 ) 建 立 同 步 连 接 下 面 就 讨 论 基 于 全 速 设 备 和 1 毫 秒 帧 时 隙 的 同 步 传 输 这 些 也 可 以 应 用 到 基 于 125 微 秒 微 帧 的 高 速 设 备 传 输 中 同 步 传 输 的 问 题 图 6-3 给 出 了 一 个 CD-ROM 和 扬 声 器 同 步 传 输 的 例 子 同 时 应 用 必 须 保 持 CD-ROM 和 扬 声 器 之 间 的 同 步 通 信 实 际 的 通 信 途 径 包 括 设 备 驱 动 程 序 和 应 用 软 件 72

89 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 CD-ROM 等 时 管 道 M 源 M USB 设 备 驱 程 同 步 连 接 请 求 M 应 用 软 件 USB 设 备 驱 程 宿 M 扬 声 器 等 时 管 道 M 图 6-3 CD-ROM 和 扬 声 器 同 步 传 输 源 点 的 抽 样 时 钟 决 定 数 据 的 传 输 速 率 汇 点 接 收 同 步 数 据 并 产 生 需 要 的 输 出 图 6-4 给 出 了 一 个 CD 播 放 器 同 时 事 务 的 例 子 同 步 数 据 在 第 N 帧 产 生, 在 第 N+1 帧 送 到 USB 总 线 这 是 一 个 同 步 数 据 到 同 时 数 据 的 转 换 注 意 例 子 中, 是 一 个 同 时 事 务 传 输 同 步 数 据, 但 是 时 钟 没 有 被 编 码 进 数 据 流 抽 样 时 钟 M 同 步 数 据 M USB 事 务 M 数 据 包 帧 开 始 符 M 等 时 事 务 M 73

90 第 6 章 图 6-4 源 设 备 发 送 同 时 数 据 到 总 线 图 6-5 是 一 个 同 步 事 务 传 送 到 扬 声 器 的 例 子 它 在 第 N 个 时 钟 周 期 接 收 到 数 据, 但 是 它 不 知 道 发 送 端 的 时 钟 速 率, 这 样, 不 能 形 成 同 时 数 据 到 同 步 数 据 的 转 换 USB 事 务 M 同 步 数 据 M 抽 样 时 钟 不 详 M 数 据 包 帧 开 始 符 M 等 时 事 务 M 图 6-5 汇 点 从 总 线 上 接 收 同 时 数 据 反 馈 和 前 馈 的 解 决 方 案 在 前 面 的 例 子 中, 汇 点 可 以 根 据 同 步 化 的 类 型 来 使 同 时 数 据 转 换 成 同 步 数 据 汇 点 可 以 在 帧 或 微 帧 时 隙 中, 通 过 平 均 样 本 数 字 来 重 构 源 数 据 样 本 的 时 钟 在 其 他 情 况 下, 同 步 化 类 型 也 许 必 须 在 源 点 和 汇 点 之 间 交 换 信 息 来 建 立 同 步 连 接 反 馈 和 前 馈 技 术 就 是 用 来 在 源 点 和 汇 点 之 间 传 送 信 息 的 方 式, 允 许 它 们 建 立 一 个 同 步 连 接 使 用 反 馈 还 是 前 馈 取 决 于 终 点 定 义 的 同 步 化 类 型 同 步 化 类 型 USB 规 范 为 需 要 和 其 他 设 备 建 立 同 步 连 接 的 设 备 定 义 了 三 种 同 步 化 类 型 : 异 步 设 备 数 据 的 速 率 由 一 个 外 时 钟 或 者 一 个 自 行 运 行 的 内 时 钟 锁 定 的 终 点 该 设 备 不 能 同 步 化 传 输 速 率 为 总 线 时 钟 的 速 率 ( 基 于 1 毫 秒 的 帧 头 ) 同 步 设 备 可 以 被 帧 头 时 钟 锁 定 的 同 时 速 率 的 端 点 适 应 性 设 备 这 些 设 备 有 一 个 发 送 数 据 和 接 收 数 据 的 指 定 速 率 范 围, 实 际 的 数 据 速 率 根 据 期 望 的 数 据 速 率 决 定 表 6-3 列 出 了 源 点 和 汇 点 的 同 步 化 类 型, 指 出 了 相 应 终 点 是 否 应 用 反 馈 或 者 前 馈 技 术 建 立 同 步 连 接 表 6-3 同 步 类 型 及 所 使 用 的 反 馈 或 前 馈 技 术 源 点 汇 点 异 步 设 备 自 运 行 的 源 点 时 钟 提 供 隐 含 的 前 馈 数 据 速 率 隐 含 在 数 据 流 中, 基 于 每 个 帧 时 隙 的 抽 样 数 目 自 运 行 的 汇 点 时 钟 通 过 同 步 管 道 提 供 显 式 的 反 馈 端 点 反 馈 给 主 机 它 的 数 据 速 率 这 种 反 馈 信 息 是 和 帧 ( 帧 的 起 始 符 ) 的 时 限 相 关 的 同 步 设 备 USB 时 钟 锁 定 的 源 点 时 钟 USB 时 钟 锁 定 的 汇 点 时 钟 74

91 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 适 应 性 设 备 使 用 隐 式 反 馈 反 馈 由 包 的 帧 起 始 符 提 供 终 点 通 过 锁 相 环 来 调 整 它 的 抽 样 时 钟 源 点 时 钟 锁 定 于 汇 点 使 用 隐 式 反 馈 通 过 同 步 管 道 决 定 期 望 的 汇 点 频 率 这 种 反 馈 信 息 是 和 帧 ( 帧 的 起 始 符 ) 的 时 限 相 关 的 使 用 隐 式 反 馈 反 馈 由 包 的 帧 起 始 符 提 供 端 点 通 过 锁 相 环 来 调 整 它 的 抽 样 时 钟 汇 点 时 钟 锁 定 于 数 据 流 使 用 隐 式 的 前 馈 数 据 速 率 隐 含 在 数 据 流 中, 基 于 每 个 帧 时 隙 的 抽 样 数 目 适 应 性 终 点 根 据 数 据 流 的 速 率 调 整 它 的 抽 样 时 钟 源 点 / 汇 点 组 合 和 同 步 化 方 法 不 同 源 点 和 汇 点 的 组 合 类 型 关 系 到 谁 是 建 立 同 步 连 接 的 责 任 方 每 种 源 点 和 汇 点 的 组 合 类 型 如 下 异 步 源 点 和 异 步 汇 点 这 些 设 备 没 有 调 整 自 己 的 速 率 以 适 应 要 处 理 的 数 据 速 率 的 能 力 因 此, 这 时 负 责 建 立 同 步 连 接 的 是 应 用 软 件 ( 参 见 图 6-3) 源 点 基 于 每 个 帧 时 隙 内 传 送 的 抽 样 数 目 提 供 前 馈 这 样 应 用 软 件 就 可 以 在 1 秒 的 时 间 段 内 平 均 抽 样 的 数 目, 来 测 出 数 据 的 速 率 异 步 的 汇 点 提 供 一 个 反 馈 给 应 用 软 件 以 通 知 它 能 够 处 理 的 数 据 速 率 因 此, 软 件 就 知 道 每 个 帧 时 隙 应 该 传 输 多 少 个 抽 样 来 适 应 汇 点 设 备 的 抽 样 时 钟 软 件 也 必 须 提 供 足 够 的 缓 冲 区 来 管 理 两 个 设 备 之 间 的 同 步 传 输 中 可 能 出 现 的 不 同 数 据 速 率 异 步 源 点 和 同 步 汇 点 这 两 个 设 备 都 以 指 定 数 据 速 率 操 作 如 前 例 所 述, 应 用 软 件 在 1 秒 的 时 间 段 内 对 抽 样 的 数 目 求 平 均 来 得 出 异 步 源 点 的 数 据 速 率 同 步 的 汇 点 以 被 帧 时 钟 同 步 化 了 的 抽 样 速 率 运 行 软 件 向 汇 点 传 送 信 息 的 速 率 是 同 步 到 了 1KHz( 全 速 设 备 ) 或 者 8KHz( 高 速 设 备 ) 的 USB 时 钟 速 率 异 步 源 点 和 适 应 性 汇 点 这 两 个 设 备 之 间 的 同 步 可 以 由 适 应 性 设 备 调 整, 条 件 是 异 步 设 备 的 速 率 在 适 应 性 设 备 支 持 的 范 围 内 已 同 步 连 接 的 源 点 以 它 自 己 的 速 度 传 输 数 据, 适 应 性 汇 点 根 据 输 入 的 数 据 流 调 整 自 己 的 抽 样 时 钟, 如 果 源 点 的 数 据 速 率 超 出 了 适 应 性 设 备 支 持 的 范 围, 就 需 要 由 应 用 软 件 来 建 立 同 步 连 接 同 步 源 点 和 异 步 汇 点 这 和 前 面 所 说 的 异 步 源 点 和 同 步 汇 点 情 况 正 好 相 反 这 种 情 况 下 软 件 知 道 源 点 传 输 数 据 的 速 率 是 被 帧 时 钟 锁 定 的, 并 且 获 取 从 异 步 汇 点 反 馈 回 来 的 速 率 软 件 可 以 按 照 汇 点 要 求 的 速 率 给 它 传 输 数 据 同 步 源 点 和 同 步 汇 点 这 两 个 设 备 都 被 帧 的 起 始 符 时 钟 锁 定, 这 样 就 有 同 步 传 输 数 据 的 能 力 它 们 都 以 同 步 到 帧 起 始 符 时 钟 的 速 率 传 输 数 据 同 步 源 点 和 适 应 性 汇 点 适 应 性 汇 点 可 以 把 数 据 速 率 锁 定 到 同 步 源 点 传 输 的 数 据 速 率 适 应 性 源 点 和 异 步 汇 点 适 应 性 源 点 可 以 用 来 自 异 步 汇 点 的 反 馈 将 其 数 据 调 整 到 汇 点 要 求 的 速 率 但 这 只 有 在 异 步 汇 点 所 要 求 的 速 率 在 适 应 性 源 点 支 持 的 速 率 范 围 内 才 可 以 如 果 超 过 了 这 个 范 围, 那 么 将 75

92 第 6 章 由 软 件 负 责 建 立 同 步 连 接 76 适 应 性 源 点 和 同 步 汇 点 同 步 的 汇 点 锁 定 自 己 的 速 率 为 帧 起 始 符 速 率, 适 应 性 源 点 可 以 以 锁 定 为 帧 起 始 符 速 率 的 数 据 率 传 送 信 息 注 意, 适 应 性 源 点 需 要 得 到 反 馈 来 决 定 使 用 什 么 样 的 速 率 然 而 同 步 的 汇 点 不 提 供 反 馈 这 种 情 况 下 软 件 就 必 须 提 供 反 馈 给 适 应 性 源 点 来 使 其 以 帧 起 始 符 速 率 发 送 数 据 适 应 性 源 点 和 适 应 性 汇 点 这 种 情 况 下, 软 件 可 以 给 适 应 性 源 点 提 供 反 馈, 调 整 它 的 速 率 到 适 应 性 汇 点 支 持 的 速 率 端 点 是 如 何 报 告 它 们 的 同 步 能 力 的 软 件 必 须 明 白 每 个 端 点 的 同 步 化 类 型, 它 们 的 同 步 化 方 式 中 是 否 有 显 式 的 或 者 隐 式 的 反 馈 或 者 前 馈 每 个 同 步 的 终 点 在 端 点 描 述 符 中 定 义 它 的 同 步 化 方 法 表 6-4 给 出 定 义 了 同 步 化 类 型 的 端 点 描 述 符 的 属 性 字 段 注 意, 同 步 化 的 值 只 有 当 端 点 被 定 义 了 是 同 步 的 时 候 才 有 效 表 6-4 端 点 描 述 符 的 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 3 属 性 1 位 映 射 这 个 字 段 规 定 设 备 配 置 后 终 端 点 的 传 输 类 型 位 0 1 定 义 传 输 类 型 00 控 制 传 输 01 同 步 传 输 10 批 量 传 输 11 中 断 传 输 位 3 2 同 步 化 类 型 00 非 同 步 化 01 异 步 设 备 10 适 应 性 设 备 11 同 步 设 备 位 5 4 应 用 类 型 00 数 据 终 点 01 反 馈 终 点 10 隐 式 反 馈 数 据 终 点 11 保 留 位 7 6 保 留 ( 必 须 置 零 ) 反 馈 数 据 一 个 适 应 性 的 源 点 和 一 个 异 步 的 汇 点 必 须 采 用 反 馈 的 同 步 化 方 法 来 建 立 彼 此 之 间 的 同 步 连 接 这 是 惟 一 成 功 使 用 反 馈 方 法 的 源 点 和 汇 点 的 组 合 反 馈 数 据 是 一 个 值 Ff, 表 示 的 是 以 源 点 频 率 Fs 传 输 的 数 据 在 每 个 帧 中 的 抽 样 数 目 值 Ff 用 一 个 整 数 表 示 每 帧 的 抽 样 数 目, 用 一 个 分 数 指 出 1Hz 内 和 源 点 频 率 匹 配 的 速 率 需 要 传 送 一 个 抽 样 的 几 分 之 几 这 个 分 数 值 来 自 于 长 周 期 ( 例 如 1 秒 ) 内 的 数 据 速 率 平 均 值 这 个 平 均 周 期 内 Ff 的 分 数 值 部 分 会 导 致 有 的 帧 时 隙 有 额 外 的 字 节 被 传 送 这 个 代 表 一 个 帧 时 隙 内 发 生 的 抽 样 数 目 的 整 数 和 分 数 部 分 用 一 个 3 字 节 (24 位 ) 值 来 表 示 图 6-6 给 出 了 这 3 个 字 节 的 格 式 这 个 值 基 于 1 字 节 的 抽 样 定 义 如 下 : 位 这 个 10 位 的 值 是 以 期 望 的 源 点 速 率 在 一 个 帧 内 能 传 输 的 抽 样 数 目

93 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 (10 个 位 可 以 最 大 支 持 一 个 1023 字 节 的 包, 假 定 1 字 节 / 抽 样 ) 位 13 4 这 10 位 指 出 在 每 个 帧 时 隙 内 以 期 望 的 源 点 时 钟 频 率 传 输 的 抽 样 的 分 数 部 分 这 个 值 必 须 是 10 位, 用 以 在 1Hz 的 帧 时 钟 频 率 中 分 辨 1Hz 的 抽 样 频 率 位 3 0 保 留 整 数 值 分 数 值 保 留 图 6-6 全 速 设 备 反 馈 数 据 的 格 式 图 6-7 指 出 了 高 速 设 备 125 微 秒 时 帧 的 情 况 下 的 数 据 格 式 高 速 设 备 中, 整 数 和 分 数 部 分 表 示 每 个 指 定 的 微 帧 时 隙 内 源 数 据 的 抽 样 数 目, 要 求 用 4 个 字 节 表 示 该 值 基 于 1 字 节 抽 样 进 行 指 定, 定 义 如 下 : 位 这 个 12 位 的 值 是 以 期 望 的 源 点 速 率 在 一 个 微 帧 内 能 传 输 的 抽 样 数 目 (12 位 可 以 最 大 支 持 一 个 3072 字 节 的 包, 假 定 1 字 节 / 抽 样 ) 位 16 4 这 个 13 位 的 值 指 出 在 每 个 微 帧 时 隙 内 以 期 望 的 源 点 时 钟 频 率 传 输 的 抽 样 的 分 数 部 分 这 个 值 必 须 是 13 位, 用 以 在 8KHz 的 微 帧 时 钟 频 率 中 分 辨 1Hz 的 抽 样 频 率 位 3 0 保 留 保 留 整 数 值 分 数 值 保 留 图 6-7 高 速 设 备 反 馈 数 据 的 格 式 汇 点 必 须 提 供 足 够 的 缓 冲 区 来 容 纳 由 于 时 钟 漂 移 和 振 动 引 起 的 任 何 过 载 和 欠 载 这 种 情 况 下, 汇 点 应 该 可 以 进 行 调 整, 以 更 正 过 载 和 欠 载 数 据 终 点 和 反 馈 终 点 的 联 系 USB 规 范 定 义 了 同 步 数 据 终 点 和 相 应 的 反 馈 终 点 的 联 系 这 种 联 系 基 于 终 点 的 匹 配 数 目 其 可 能 性 源 于 数 据 终 点 和 反 馈 终 点 总 是 以 相 反 方 向 传 输 数 据 例 如 : 一 个 设 备 上 有 一 个 适 应 性 数 据 终 点 ( 终 点 2) 发 送 (IN) 数 据 到 另 一 个 设 备 的 异 步 终 点 ( 通 过 主 机 ), 就 可 以 在 终 点 从 主 机 收 到 反 馈 (OUT) 当 多 个 数 据 终 点 共 享 来 自 于 相 同 终 点 的 反 馈 信 息 时, 数 据 终 点 必 须 有 一 个 从 反 馈 设 备 开 始 的 升 序 编 号 这 样 一 个 指 定 的 数 据 终 点 总 能 搜 索 到 第 一 个 在 反 向 传 输 数 据 并 有 一 个 和 自 己 相 同 或 者 比 自 己 小 的 编 号 的 终 点 中 断 传 输 中 断 传 输 使 用 轮 询 技 术 检 测 终 端 设 备 看 它 们 是 否 有 数 据 要 传 输 ( 即, 它 们 有 一 个 挂 起 的 77

94 第 6 章 中 断 请 求 ) 如 果 设 备 没 有 当 前 数 据 要 传 送 ( 即, 没 有 挂 起 的 中 断 请 求 ), 那 么 设 备 就 返 回 否 定 应 答, 表 明 现 在 没 有 可 获 得 的 数 据 需 要 传 输 中 断 传 输 也 用 来 以 预 定 方 式 给 一 个 设 备 传 输 数 据 如 果 设 备 没 有 准 备 好 传 输 数 据, 它 就 返 回 一 个 否 定 应 答 (NAK) 来 指 示 设 备 的 当 前 状 态 服 务 周 期 中 断 传 输 根 据 设 备 的 要 求 进 行 周 期 性 调 度, 这 样 就 不 会 发 生 过 载 情 况 全 速 中 断 传 输 可 以 在 每 个 帧 内 都 发 生 或 者 每 第 255 帧 发 生 一 次 低 速 传 输 最 快 每 10 毫 秒 最 慢 每 255 毫 秒 发 生 一 次 一 个 设 备 的 轮 询 时 间 在 中 断 终 点 描 述 符 里 定 义 表 6-5 给 出 了 包 含 轮 询 时 间 的 中 断 终 点 描 述 符 的 部 分 定 义 注 意, 在 偏 移 6 里 定 义 的 轮 询 时 间 以 1 毫 秒 为 增 量 表 6-5 终 点 描 述 符 中 断 轮 询 时 间 的 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 6 轮 询 时 间 1 数 字 数 据 传 输 的 轮 询 时 间, 以 毫 秒 为 单 位 批 量 和 控 制 传 输 的 终 点 忽 略 该 字 段 同 步 传 输 时, 这 个 字 段 必 须 置 1, 中 断 终 点 的 这 个 字 段 可 以 是 1 到 255 总 线 带 宽 分 配 在 每 个 帧 时 隙, 全 速 设 备 中 断 传 输 支 持 的 最 大 有 效 载 荷 是 64 个 字 节 除 最 后 一 个 传 输 包 外, 传 输 必 须 以 终 点 描 述 符 规 定 的 最 大 包 长 度 进 行 一 个 小 于 最 小 长 度 的 数 据 包 会 被 视 为 最 后 一 个 数 据 包 和 同 步 端 点 一 样, 一 个 中 断 管 道 需 要 在 轮 询 时 间 内 保 证 数 据 的 传 输 如 果 在 轮 询 时 间 内 访 问 终 点 失 败, 那 就 有 可 能 因 为 缓 冲 区 数 据 溢 出 而 丢 失 数 据 如 果 可 利 用 的 带 宽 不 满 足 要 求, 设 备 就 不 会 被 配 置 错 误 恢 复 中 断 传 输 支 持 差 错 检 测 和 恢 复 如 果 传 输 过 程 中 检 测 到 了 错 误, 就 会 在 下 一 个 轮 询 时 间 内 尝 试 重 传 关 于 错 误 的 检 测 和 重 传, 参 考 第 8 章 错 误 恢 复 控 制 传 输 控 制 传 输 提 供 了 配 置 USB 设 备 和 控 制 设 备 操 作 的 某 些 方 面 的 方 法 每 个 设 备 必 须 有 一 个 默 认 的 控 制 终 点 ( 一 般 是 0 终 点 ) 来 配 置 设 备, 控 制 设 备 的 状 态, 以 及 设 备 操 作 的 其 他 方 面 这 个 终 点 要 响 应 控 制 传 输 来 的 所 有 USB 特 定 的 请 求 例 如 : 一 个 设 备 连 接 到 USB, 系 统 软 件 必 须 访 问 设 备 描 述 符 来 决 定 设 备 类 型 和 操 作 特 性 USB 规 范 也 定 义 了 许 多 USB 设 备 的 请 求, 如 集 线 器 以 及 其 他 类 型 的 USB 设 备 这 些 请 求 可 以 是 适 用 于 所 有 USB 设 备 的 标 准 请 求, 可 以 是 特 殊 类 和 厂 商 定 义 的 请 求 只 有 设 备 驱 动 程 序 和 设 备 知 道 这 些 请 求 参 见 标 准 设 备 请 求 以 详 细 了 解 USB 支 持 的 标 准 请 求 表 6-6 全 速 设 备 中 断 传 输 带 宽 情 况 数 据 有 效 载 荷 传 输 所 占 带 宽 的 百 分 比 最 大 的 帧 数 最 大 带 宽 78

95 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 ( 字 节 ) 1 1% KB/s 2 1% KB/s 4 1% KB/s 8 1% KB/s 16 2% KB/s 32 3% MB/s 64 5% MB/s 一 个 控 制 传 输 至 少 包 括 两 个 或 者 三 个 阶 段 : 准 备 阶 段 控 制 传 输 总 是 从 向 目 标 设 备 传 输 信 息 的 准 备 阶 段 开 始, 定 义 USB 设 备 请 求 的 类 型 ( 例 如, 读 设 备 描 述 符 ) 数 据 阶 段 这 个 阶 段 只 在 要 求 数 据 传 输 时 定 义 例 如 : 在 数 据 阶 段 读 描 述 符 要 求 把 描 述 符 中 的 内 容 送 到 系 统 有 的 请 求 不 需 要 在 准 备 阶 段 以 外 传 输 数 据 状 态 阶 段 这 个 阶 段 总 要 执 行 以 报 告 请 求 操 作 的 结 果 总 线 带 宽 分 配 控 制 传 输 以 包 含 8 字 节 包 的 准 备 阶 段 开 始 这 8 个 字 节 定 义 了 控 制 传 输 数 据 阶 段 需 要 传 送 的 数 据 量 在 数 据 阶 段, 数 据 包 最 大 有 效 载 荷 是 64 字 节 控 制 传 输 保 证 可 以 有 10% 的 带 宽 如 果 还 有 可 利 用 的 带 宽, 就 可 以 再 得 到 10% 的 带 宽 错 误 恢 复 控 制 传 输 支 持 错 误 检 测 和 恢 复 机 制, 是 采 用 尽 力 而 为 的 传 输 恢 复 机 制 的 失 败 被 视 作 是 设 备 的 不 幸 批 量 传 输 批 量 传 输 用 在 没 有 特 别 的 速 率 要 求 的 传 输 上 一 个 典 型 的 批 量 传 输 的 例 子 就 是 打 印 机 在 低 速 率 的 情 况 下 没 有 什 么 问 题 会 出 现, 只 是 用 户 要 耐 心 等 待 打 印 工 作 开 始 总 线 带 宽 分 配 由 于 批 量 传 输 对 于 数 据 的 传 输 速 率 没 有 什 么 特 别 的 要 求, 所 以 在 帧 中 的 优 先 级 也 最 低 最 大 的 传 输 带 宽 可 能 90% 分 给 周 期 性 的 传 输,10% 分 给 控 制 传 输, 没 有 给 批 量 传 输 留 下 带 宽, 这 只 会 发 生 在 完 全 分 配 的 帧 中 批 量 传 输 根 据 其 他 所 有 传 输 被 调 度 之 后 留 下 的 带 宽 进 行 调 度 如 果 没 有 带 宽 可 用 了, 它 们 就 会 被 拖 延 到 总 线 负 载 减 少 的 时 候 然 而, 如 果 没 有 其 他 类 型 的 传 输, 总 线 带 宽 的 很 大 一 部 分 就 会 被 分 配 给 批 量 传 输, 使 之 有 很 高 的 性 能 批 量 传 输 的 最 大 有 效 载 荷 被 限 制 在 8 个 16 个 32 个 或 者 64 个 字 节 不 允 许 传 送 其 他 大 小 的 包 当 一 个 批 量 传 输 发 生 时, 除 最 后 一 个 包 以 外 所 有 数 据 包 的 大 小 都 必 须 符 合 最 大 包 长 度 字 段 中 的 规 定 如 果 传 输 的 不 是 最 大 数 值 的 包, 就 认 为 传 输 结 束 了 批 量 处 理 的 终 点 总 是 可 以 由 软 件 配 置, 因 为 不 会 要 求 以 特 定 速 率 传 送 数 据 如 果 没 有 可 利 用 的 总 线 带 宽, 传 输 就 会 被 延 迟 到 有 可 以 分 配 给 批 量 传 输 的 总 线 带 宽 时 进 行 79

96 第 6 章 错 误 恢 复 批 量 传 输 支 持 错 误 的 检 测 和 恢 复 批 量 传 输 数 据 的 完 整 性 要 求 远 远 高 于 对 传 输 速 度 的 要 求 批 量 传 输 可 使 用 任 何 形 式 的 错 误 检 测 和 恢 复 机 制 表 6-7 全 速 设 备 批 量 传 输 带 宽 情 况 数 据 有 效 载 荷 ( 字 节 ) 传 输 所 占 带 宽 的 百 分 比 最 大 的 帧 数 最 大 带 宽 1 1% KB/s 2 1% KB/s 4 1% KB/s 8 1% KB/s 16 2% KB/s 32 3% MB/s 64 5% MB/s 80

97 第 7 章 7 包 和 事 务 上 一 章 USB 支 持 四 种 传 输 类 型 : 中 断 批 量 同 步 传 输 和 控 制 传 输 上 一 章 我 们 讨 论 了 这 些 类 型, 以 及 它 们 的 初 始 化 过 程 和 运 行 机 制 本 章 每 个 广 播 在 USB 上 的 传 输 包 括 一 组 数 据 包 这 些 包 组 织 起 来 就 定 义 了 一 个 独 立 的 事 务 作 为 一 个 大 的 传 输 中 的 一 部 分 每 个 事 务 的 类 型 都 给 出 了 定 义, 也 在 组 成 它 的 每 个 包 中 指 出 类 型 下 一 章 中 断 批 量 和 控 制 传 输 都 要 求 USB 检 验 成 功 传 输 的 数 据 被 检 验 CRC 和 其 他 的 错 误 检 测 方 法 被 应 用 到 错 误 检 测 中, 如 果 发 现 错 误, 就 要 重 传 这 一 章 就 是 讨 论 各 种 错 误 情 况 和 USB 识 别 错 误 所 使 用 的 机 制, 以 及 改 正 这 些 错 误 的 恢 复 方 法 概 述 上 一 章 我 们 讨 论 了 设 备 终 点 通 信 使 用 的 不 同 传 输 类 型 USB 的 传 输 是 通 过 执 行 一 个 或 多 个 包 含 着 一 系 列 数 据 包 的 事 务 完 成 的 图 7-1 描 述 了 一 个 传 输 不 同 层 次 之 间 的 关 系, 从 执 行 一 个 传 输 (IRP) 的 USB 设 备 驱 动 请 求, 到 通 过 USB 电 缆 发 送 至 ( 或 来 自 于 ) 设 备 的 结 果 包 这 一 章 我 们 研 究 一 个 向 目 标 设 备 发 送 或 从 目 标 设 备 接 受 数 据 的 由 主 机 初 始 化 的 独 立 事 务 每 个 事 务 又 包 括 一 个 或 多 个 在 USB 电 缆 上 传 输 的 包 数 据 包 USB 事 务 的 基 本 组 件 事 务 一 般 包 括 三 个 包, 如 图 7-2 所 示 然 而, 一 个 事 务 根 据 类 型 不 同, 可 以 由 一 个 两 个 或 三 个 包 组 成 : 令 牌 包 每 个 事 务 从 一 个 定 义 了 目 标 设 备 终 端 点 数 目 和 数 据 传 输 方 向 的 令 牌 包 开 始 帧 开 始 符 令 牌 包 括 广 播 到 所 有 全 速 设 备 的 当 前 帧 号 这 仅 仅 是 一 个 不 指 向 任 80

98 包 和 事 务 何 一 个 特 定 设 备 的 令 牌 包 USB 客 户 端 驱 程 USB 客 户 端 驱 程 输 入 输 出 请 求 包 1 输 入 输 出 请 求 包 2 USB 驱 程 事 务 1-0 事 务 1-1 事 务 1-2 事 务 2-0 事 务 2-1 事 务 2-2 事 务 2-3 事 务 2-4 主 机 控 制 器 驱 程 事 务 1-0 帧 1 帧 2 帧 3 事 务 事 务 事 务 事 务 事 务 1-2 USB 主 机 控 制 器 令 牌 包 数 据 包 握 手 信 号 包 令 牌 包 数 据 包 握 手 信 号 包 同 步 序 列 包 标 识 号 设 备 地 址 终 点 编 号 CRC 校 验 码 同 步 序 列 包 标 识 号 同 步 序 列 包 标 识 号 数 据 ( 事 务 净 负 荷 ) CRC 校 验 码 图 7-1 USB 传 输 涉 及 的 层 次 数 据 包 数 据 由 一 个 携 带 着 和 传 输 类 型 有 关 的 有 效 载 荷 大 小 的 数 据 包 组 成 一 个 数 据 包 在 一 个 事 务 中 最 大 可 以 有 1023 个 字 节 的 数 据 ( 同 步 传 输 事 务 ), 其 他 的 传 输 类 型 在 全 速 下 最 大 是 64 字 节 的 有 效 载 荷 握 手 应 答 数 据 包 所 有 的 传 输 ( 除 了 同 步 传 输 ) 实 现 了 保 证 数 据 传 输, 包 括 一 个 握 手 应 答 信 号 包 来 证 实 数 据 成 功 传 输 如 果 发 生 错 误, 就 没 有 握 手 应 答 信 号 返 回 发 送 端 并 且 标 记 这 个 错 误 主 机 允 许 事 务 重 新 发 送 三 次 ( 参 见 第 8 章 错 误 恢 复 了 解 错 误 处 理 的 细 节 ) 令 牌 包 数 据 包 握 手 应 答 包 一 个 事 务 81

99 第 7 章 图 7-2 由 三 个 包 组 成 的 USB 事 务 图 7-3 给 出 了 USB 数 据 包 的 格 式 紧 连 在 各 个 包 头 的 是 一 个 同 步 序 列, 允 许 USB 设 备 同 步 化 包 内 的 输 入 位 包 的 类 型 由 一 个 位 模 式 定 义, 称 为 包 的 ID(PID) PID 后 面 是 包 的 特 定 信 息 ( 例 如 地 址 或 数 据 ), 根 据 包 的 类 型 不 同, 具 体 内 容 也 不 同 最 后, 每 个 包 以 一 个 循 环 冗 余 校 验 位 序 列 结 束, 来 校 验 包 内 信 息 的 正 确 性 每 个 包 的 尾 部 有 一 个 包 的 结 束 符 (EOP) 下 面 我 们 讨 论 每 个 类 型 包 的 细 节 同 步 序 列 PID 包 信 息 CRC EOP 包 图 7-3 包 格 式 同 步 序 列 图 7-4 显 示 了 同 步 序 列 同 步 序 列 由 连 续 的 七 个 0 和 一 个 1 共 八 个 位 组 成 由 于 0 被 差 动 信 号 编 码, 七 个 0 在 每 个 位 时 间 都 会 有 一 个 跳 转, 这 样 可 以 根 据 位 定 时 信 息 跟 时 钟 同 步 同 步 序 列 也 会 通 知 接 受 端 一 个 紧 跟 在 8 位 的 同 步 序 列 后 面 的 数 据 包 发 送 了 同 步 模 式 包 类 型 标 识 号 空 闲 数 据 双 向 不 归 零 码 图 7-4 同 步 序 列 根 据 设 备 访 问 速 率 的 不 同, 包 能 够 被 全 速 (12Mb/s) 或 者 低 速 (1.5Mb/s) 广 播 USB 的 接 收 器 在 每 个 位 时 间 内 正 确 的 取 样 点 上 采 样 数 据 线 检 测 包 内 每 个 位 值 的 逻 辑 状 态 同 步 序 列 在 使 用 的 传 输 速 率 下 被 转 换, 让 接 收 器 同 步 于 输 入 数 据 流 的 速 率 一 个 数 据 包 序 列 的 变 化 发 生 在 主 机 发 送 一 个 低 速 数 据 包 到 一 个 低 速 的 目 标 设 备 考 虑 到 低 速 USB 设 备 不 能 以 全 速 率 通 信, 因 此, 低 速 电 缆 只 能 传 输 低 速 事 务 USB 集 线 器 通 过 禁 用 端 口 阻 止 全 速 数 据 包 到 达 低 速 设 备, 除 非 是 一 个 低 速 事 务 由 一 个 特 殊 的 包 实 现 向 集 线 器 发 送 启 动 低 速 端 口 的 命 令, 这 个 包 叫 做 前 同 步 码 包 进 而, 在 接 到 前 同 步 码 包 后, 必 须 给 集 线 器 一 定 的 时 间 启 动 端 口 参 见 前 同 步 码 包 82

100 包 和 事 务 当 低 速 数 据 包 的 传 输 完 成, 连 接 着 低 速 设 备 的 集 线 器 端 口 再 次 被 禁 用, 阻 止 数 据 发 到 低 速 设 备 注 意, 集 线 器 端 口 在 上 行 方 向 保 持 可 用 状 态, 这 样 低 速 设 备 可 以 响 应 任 何 主 机 的 请 求 包 的 标 识 符 包 的 标 识 符 定 义 了 包 的 用 途 格 式 和 指 定 包 的 内 容 包 被 分 成 三 种 主 要 类 型 : 令 牌 包 令 牌 包 在 USB 事 务 开 始 的 时 候 发 送, 定 义 了 目 标 设 备 和 终 点 的 地 址 ( 例 如 终 点 号 和 传 输 方 向 ) 数 据 包 当 事 务 要 求 有 效 数 据 载 荷 发 送 到 设 备 或 从 设 备 接 收 时, 数 据 包 跟 在 令 牌 包 后 面 握 手 应 答 包 握 手 应 答 包 一 般 由 接 收 数 据 的 设 备 发 送, 这 样 给 发 送 方 提 供 一 个 成 功 发 送 的 反 馈 有 时, 被 要 求 向 系 统 发 送 数 据 的 USB 设 备 发 送 一 个 握 手 应 答 包 指 示 现 在 没 有 数 据 发 送 特 殊 包 目 前 低 速 和 全 速 设 备 中 的 特 殊 包 只 有 在 发 送 一 个 下 行 数 据 包 之 前 使 低 速 端 口 启 动 的 前 同 步 码 包 包 的 格 式 和 长 度 取 决 于 它 的 类 型 令 牌 包 都 是 四 个 字 节, 但 是 包 含 不 同 的 内 容 来 描 述 它 定 义 的 事 务 其 他 方 面 数 据 包 的 长 度 根 据 不 同 事 务 的 不 同 传 输 类 型 而 不 同 例 如, 批 处 理 数 据 在 每 个 事 务 中 的 有 效 载 荷 限 制 在 64 字 节, 同 步 传 输 时 是 1023 个 字 节 参 见 图 7-5 包 的 标 识 符 包 含 4 个 位 的 标 识 符 字 段, 然 后 是 4 个 位 的 检 验 字 段 检 验 字 段 包 括 的 是 包 标 识 符 值 的 反 向 值 紧 接 着 8 个 位 的 包 标 识 符 值 是 包 的 具 体 信 息 同 步 模 式 包 类 型 标 识 号 类 型 字 段 检 查 字 段 空 闲 数 据 双 向 不 归 零 码 图 7-5 包 标 识 符 的 格 式 包 的 特 定 信 息 每 个 数 据 包 都 包 含 着 和 它 要 执 行 的 作 业 相 关 的 信 息 这 个 信 息 可 以 包 含 一 个 设 备 地 址, 一 个 帧 号, 发 送 到 或 者 来 自 于 目 标 设 备 的 数 据 这 些 信 息 对 于 事 务 的 成 功 操 作 非 常 关 键, 在 包 的 末 尾 要 进 行 CRC 校 验 83

101 第 7 章 循 环 冗 余 校 验 (CRC) 根 据 数 据 包 类 型 的 不 同,USB 代 理 要 发 送 一 个 特 定 的 包 计 算 5 位 或 者 16 位 的 CRC 数 据 包 使 用 16 位 的 循 环 冗 余 校 验, 而 其 他 类 型 的 包 使 用 5 位 的 循 环 冗 余 校 验,CRC 校 验 只 用 来 检 验 包 数 据, 因 为 包 的 标 识 符 有 自 己 的 校 验 位 参 看 CRC 错 误 包 终 止 符 (EOP) 发 送 端 在 每 个 包 结 束 的 时 候, 将 两 根 差 动 信 号 线 的 奇 偶 置 位 低 电 平 两 个 位 的 时 间, 然 后 跟 着 一 个 位 的 空 闲 时 间 接 收 端 发 现 两 根 差 动 数 据 线 都 是 低 电 平 超 过 一 个 位 的 时 间 时 就 识 别 了 包 终 止 符 (EOP) 图 7-6 描 述 了 在 总 线 上 发 送 EOP 信 号 包 终 止 符 两 个 位 时 间 图 7-6 包 终 止 符 信 号 令 牌 包 令 牌 包 定 义 了 广 播 到 USB 上 的 事 务 的 类 型 所 有 的 事 务 都 以 令 牌 包 开 始 USB 规 范 定 义 了 四 种 令 牌 包 类 型 : SOF( 帧 起 始 符 ) 指 示 下 一 个 1 毫 秒 帧 的 起 始 IN 指 定 一 个 USB 事 务 是 从 目 标 设 备 传 送 数 据 到 系 统 OUT 指 定 一 个 USB 事 务 是 从 系 统 传 送 数 据 到 目 标 设 备 SETUP 表 示 控 制 传 输 的 开 始 SETUP 包 是 控 制 传 输 的 第 一 阶 段, 发 送 系 统 到 目 标 设 备 的 请 求 表 7-1 列 出 了 USB 支 持 的 令 牌 包 类 型, 包 内 的 信 息 和 规 定 的 动 作 每 个 令 牌 由 一 个 包 ID 标 识, 如 第 三 列 所 示 表 7-1 USB 令 牌 PID 类 型 PID 名 称 PID[3:0] 令 牌 包 的 描 述 令 牌 SOF 0101b 包 含 帧 开 始 标 记 和 帧 号 令 牌 的 帧 开 始 符 用 来 使 同 步 终 点 同 步 化 它 的 传 输 84

102 包 和 事 务 令 牌 SETUP 1101b 包 含 USB 设 备 地 址 和 终 点 号 传 输 从 主 机 到 功 能 设 备 以 建 立 一 个 控 制 终 点 ( 例 如 配 置 ) 令 牌 OUT 0001b 包 含 USB 设 备 地 址 和 终 点 号 传 输 是 从 主 机 到 功 能 设 备 令 牌 IN 1001b 包 含 USB 设 备 地 址 和 终 点 号 传 输 是 从 功 能 设 备 到 主 机 帧 开 始 符 包 帧 开 始 符 提 供 目 标 设 备 识 别 一 个 帧 开 始 的 方 法 例 如 : 同 步 应 用 程 序 可 以 通 过 帧 开 始 符 在 每 个 1 毫 秒 帧 的 开 始 触 发 和 同 步 化 一 个 传 输 包 的 帧 开 始 符 在 每 个 帧 开 始 的 时 候 被 广 播 到 所 有 的 全 速 设 备 ( 包 括 集 线 器 ) 包 的 帧 开 始 符 从 来 不 被 传 送 到 低 速 设 备, 因 为 低 速 设 备 不 支 持 同 步 传 输 一 个 11 位 的 帧 号 被 嵌 入 在 包 的 帧 开 始 符 中, 如 图 7-7 所 示 帧 号 在 接 收 端 被 用 一 个 5 位 的 CRC 校 验 注 意, 一 个 包 的 帧 开 始 符 仅 仅 包 含 一 个 令 牌 包 帧 开 始 符 没 有 相 关 数 据 包 或 者 握 手 应 答 信 号 包, 所 以 传 输 没 有 保 障 然 而,USB 目 标 设 备 必 须 采 取 检 验 数 据 并 采 取 如 下 合 适 的 步 骤 : PID 检 查 错 误 忽 略 包 帧 的 CRC 错 误 忽 略 帧 号 包 标 识 符 的 帧 开 始 类 型 字 段 检 查 字 段 帧 号 字 段 CRC 校 验 码 空 闲 同 步 终 止 图 7-7 包 的 帧 开 始 符 的 格 式 IN 包 当 一 个 软 件 希 望 从 指 定 设 备 读 取 信 息 的 时 候, 要 使 用 一 个 IN 令 牌 IN 包 通 知 目 标 设 备 系 统 请 求 数 据 传 送 IN 事 务 可 以 使 用 多 种 不 同 的 传 输 类 型 : 中 断 传 输 批 量 传 输 数 据 段 控 制 传 输 同 步 传 输 如 图 7-8 所 示, 一 个 IN 令 牌 包 包 含 ID 类 型 字 段 ID 校 验 字 段 USB 设 备 和 终 端 地 址 和 85

103 第 7 章 5 个 CRC 校 验 位 一 个 IN 事 务 从 根 端 口 广 播 的 IN 包 开 始, 然 后 是 从 目 标 设 备 返 回 的 数 据 包, 有 时 也 包 括 一 个 从 根 端 口 返 回 给 目 标 设 备 的 握 手 应 答 信 号 包 来 确 认 数 据 接 收, 注 意, 同 步 传 输 中 的 IN 事 务 不 包 含 握 手 应 答 信 号 包 IN 传 输 中 能 够 负 载 的 数 据 量 由 传 输 类 型 决 定, 我 们 在 第 6 章 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 一 部 分 讲 过 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 号 码 CRC 校 验 码 空 闲 同 步 终 止 图 7-8 IN 令 牌 包 的 格 式 OUT 包 系 统 软 件 当 有 数 据 要 传 送 到 目 标 设 备 时 就 定 义 一 个 OUT 事 务 OUT 事 务 可 以 有 四 种 类 型 : 批 量 传 输 中 断 传 输 数 据 段 控 制 传 输 同 步 传 输 图 7-9 给 出 了 OUT 令 牌 包 的 内 容 一 个 OUT 令 牌 包 括 包 的 ID 或 者 类 型 字 段 类 型 校 验 字 段 USB 目 标 设 备 和 终 端 的 地 址 和 5 位 的 CRC 校 验 位 然 后 是 一 个 数 据 包 和 一 个 握 手 应 答 信 号 包 ( 同 步 传 输 没 有 握 手 信 号 包 ) 数 据 有 效 载 荷 的 大 小 由 OUT 事 务 的 类 型 决 定 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 号 码 CRC 校 验 码 空 闲 同 步 终 止 图 7-9 OUT 令 牌 包 的 格 式 SETUP 包 只 有 在 控 制 传 输 的 准 备 阶 段 才 使 用 SETUP 包 SETUP 事 务 启 动 一 个 控 制 传 输, 被 定 义 86

104 包 和 事 务 为 一 个 准 备 阶 段 一 个 准 备 事 务 的 格 式 跟 OUT 事 务 相 似 :SETUP 包 跟 随 着 一 个 DATA0 包 和 一 个 确 认 包 SETUP 包 传 输 一 个 请 求, 由 一 个 目 标 设 备 来 执 行 USB 设 备 和 集 线 器 支 持 多 种 命 令 每 个 USB 设 备 的 命 令 会 在 第 19 章 USB 设 备 配 置 和 第 20 章 USB 集 线 器 配 置 中 详 细 讲 述 根 据 请 求 的 不 同, 一 个 准 备 事 务 可 以 跟 随 着 一 个 或 者 多 个 IN 或 者 OUT 事 务 ( 数 据 阶 段 ), 或 者 只 跟 随 一 个 由 从 终 点 传 向 主 机 系 统 的 最 终 数 据 包 组 成 的 状 态 阶 段 图 7-10 给 出 了 SETUP 包 的 格 式 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 号 码 CRC 校 验 码 空 闲 同 步 终 止 图 7-10 SETUP 令 牌 包 的 格 式 数 据 包 DATA0 或 者 DATA1 数 据 包 携 带 指 定 事 务 的 数 据 有 效 载 荷 数 据 的 传 输 方 向 由 事 务 的 类 型 决 定, 可 以 从 设 备 接 收 数 据, 也 可 以 向 设 备 发 送 数 据 如 表 7-2 所 示 表 7-2 数 据 包 的 方 向 事 务 类 型 IN 事 务 OUT 事 务 SETUP 事 务 数 据 包 传 输 方 向 从 USB 设 备 到 系 统 从 系 统 到 USB 设 备 从 系 统 到 USB 设 备 数 据 包 定 义 了 两 种 类 型 (DATA 0 和 DATA1) 来 支 持 发 送 端 和 接 收 端 之 间 的 长 传 输 例 如, 如 果 一 个 长 传 输 从 主 机 送 到 打 印 机, 传 输 通 常 要 以 小 块 在 多 个 帧 中 执 行 为 了 证 实 数 据 在 长 传 输 中 没 有 丢 失, 可 以 采 用 数 据 开 关 技 术 来 解 决 关 于 技 术 的 细 节 请 参 阅 数 据 开 关 这 一 专 题 DATA 0 包 的 格 式 如 图 7-11 所 示,DATA1 的 格 式 见 7-12 最 大 的 数 据 有 效 载 荷 是 同 步 传 输 下 的 1023 字 节, 其 他 的 传 输 类 型 最 大 载 荷 限 制 为 64 字 节 87

105 第 7 章 空 闲 同 步 类 型 字 段 检 查 字 段 数 据 字 段 CRC 校 验 码 lsb msb lsb msb lsb msb 字 节 终 止 图 7-11 DATA0 包 的 格 式 图 7-12 也 显 示 了 DATA1 包 最 大 数 据 1023 字 节 所 在 的 字 段 这 么 长 的 数 据 包 只 有 DATA1 的 数 据 是 同 步 端 点 传 输 的 数 据 时 才 有 可 能 然 而, 规 范 上 说, 同 步 传 输 应 该 只 使 用 DATA0 数 据 包, 但 是 主 机 必 须 接 收 和 同 步 IN 传 输 相 关 的 DATA1 数 据 包 如 果 设 备 遵 守 规 范 上 推 荐 的 原 则, 那 么 DATA1 数 据 包 的 长 度 就 应 该 被 限 制 在 64 个 字 节 以 下 类 型 字 段 检 查 字 段 数 据 字 段 CRC 校 验 码 字 节 * 空 闲 同 步 终 止 图 7-12 DATA 1 包 的 格 式 握 手 应 答 包 USB 设 备 使 用 握 手 应 答 包 来 报 告 指 定 事 务 的 完 成 情 况 有 效 数 据 的 接 收 端 ( 或 者 是 目 标 设 备, 或 者 是 根 集 线 器 ) 负 责 向 发 送 端 发 出 一 个 握 手 应 答 包 不 同 的 握 手 应 答 包 可 以 发 送 三 种 不 同 的 可 能 结 果 : 确 认 包 (ACK) 这 确 认 数 据 包 被 无 错 接 收 了 否 定 确 认 包 (NAK) 向 主 机 报 告 目 标 设 备 暂 时 不 能 接 收 或 者 返 回 数 据 中 断 传 输 中 NAK 表 示 当 前 没 有 数 据 可 以 返 回 主 机 ( 即 当 前 没 有 挂 起 的 中 断 请 求 ) 停 止 包 (STALL) 目 标 设 备 报 告 它 不 能 完 成 传 输, 这 就 要 求 软 件 干 涉 设 备 从 停 止 状 态 恢 复 到 正 常 状 态 握 手 信 号 包 如 图 7-13 所 示 88

106 包 和 事 务 成 功 握 手 应 答 信 号 包 标 识 符 类 型 字 段 检 查 字 段 lsb msb lsb msb 空 闲 同 步 包 终 止 符 不 成 功 应 答 包 标 识 符 lsb 类 型 字 段 msb lsb 检 查 字 段 msb 空 闲 同 步 包 终 止 符 终 止 包 标 识 符 lsb 类 型 字 段 msb 检 查 字 段 lsb msb 空 闲 同 步 包 终 止 符 图 7-13 握 手 信 号 包 的 格 式 前 同 步 码 包 集 线 器 禁 用 低 速 端 口 来 阻 止 所 有 高 速 事 务 出 现 在 低 速 电 缆 段 在 广 播 一 个 低 速 包 前, 必 须 先 广 播 一 个 前 同 步 码 包 通 知 所 有 的 集 线 器 一 个 低 速 的 事 务 要 到 来 集 线 器 必 须 通 过 启 用 低 速 端 口 来 响 应 这 个 前 同 步 码 包, 而 其 他 设 备 忽 略 这 个 前 同 步 码 包 主 机 要 保 证 紧 接 着 前 同 步 码 包 后 面 的 数 据 包 以 低 速 传 输 所 有 的 低 速 包 要 被 广 播 到 所 有 的 电 缆 上, 要 求 高 速 集 线 器 端 口 在 下 行 方 向 以 低 速 和 全 速 传 输 上 行 方 向 的 传 输 设 备 不 受 一 个 包 是 低 速 的 还 是 全 速 的 影 响 这 是 因 为 集 线 接 收 器 和 上 行 传 送 器 可 以 处 理 低 速 和 全 速 包 图 7-14 给 出 了 前 同 步 码 包 的 格 式 前 同 步 码 包 含 有 一 个 同 步 化 序 列 和 一 个 包 的 标 识 符, 都 以 全 速 传 输 包 标 识 符 的 后 面, 主 机 需 要 插 入 四 个 全 速 的 位 时 间 来 使 低 速 数 据 包 的 传 输 开 始 延 时 这 个 延 时 可 以 使 主 机 启 动 低 速 端 口, 并 配 置 将 要 接 收 低 速 信 号 的 接 收 器 在 延 时 中, 主 机 驱 动 它 的 端 口 为 空 闲 状 态 ( 低 速 和 全 速 端 口 ) 注 意 前 同 步 码 包 和 其 他 包 不 同, 不 以 包 的 结 束 符 (EOP) 结 束 一 旦 前 同 步 码 包 和 四 个 位 的 延 时 结 束, 一 个 低 速 的 令 牌 包 就 被 主 机 送 到 USB, 执 行 指 定 要 运 行 的 事 务 类 型 当 探 测 到 低 速 传 输 的 包 结 束 符 时, 主 机 重 新 禁 用 它 的 低 速 端 口 在 IN 事 务 的 事 件 中, 目 标 设 备 以 低 速 向 主 机 返 回 数 据 上 行 返 回 集 线 器 接 收 器 的 数 据 可 以 是 低 速 或 者 全 速 事 务 在 OUT 事 务 的 事 件 中, 数 据 包 也 必 须 以 低 速 传 送 到 USB 设 备, 89

107 第 7 章 要 求 在 数 据 包 之 前 必 须 传 输 另 一 个 前 同 步 码 数 据 包 低 速 设 备 仅 能 够 支 持 控 制 和 中 断 传 输, 每 个 事 务 的 数 据 有 效 载 荷 限 制 在 8 个 字 节 前 同 步 序 列 包 标 识 符 全 速 事 务 类 型 字 段 检 查 字 段 集 线 器 启 用 它 的 低 速 端 口 时 最 小 延 时 4 位 开 始 低 速 事 务 空 闲 同 步 空 闲 同 步 图 7-14 前 同 步 码 包 的 格 式 事 务 下 面 一 部 分 我 们 讨 论 每 种 类 型 的 事 务, 指 出 每 种 事 务 可 能 采 取 的 形 式 IN 事 务 一 个 典 型 的 IN 事 务 包 括 令 牌 段 数 据 段 握 手 段, 然 而, 有 时 候 三 种 数 据 包 可 能 不 全 包 含 在 IN 事 务 中 四 种 类 型 的 传 输 都 可 能 使 用 IN 事 务 一 个 IN 事 务 可 能 发 生 几 种 情 况 : 数 据 无 错 误 的 接 收 数 据 接 收 有 错 误 目 标 设 备 暂 时 不 能 返 回 数 据 目 标 设 备 不 能 返 回 数 据 但 是 没 有 声 明 任 何 存 在 的 错 误 一 个 同 步 传 输 发 生, 可 能 返 回 一 个 数 据, 但 是 数 据 段 之 后 没 有 任 何 握 手 应 答 信 号 无 错 误 的 IN 事 务 参 见 图 7-15,IN 传 输 事 务 可 以 发 生 在 中 断 传 输 批 量 传 输 控 制 传 输 中 这 个 例 子 中, 数 据 无 错 误 的 从 设 备 终 端 返 回 根 集 线 器, 一 个 确 认 握 手 信 号 返 回 到 目 标 设 备 注 意, 以 DATA0 格 式 定 义 的 数 据 包 总 是 使 用 在 单 阶 段 控 制 传 输 中, 一 般 用 在 一 个 请 求 多 个 IN 事 务 的 传 输 的 第 一 个 事 务 中 ( 例 如, 从 USB 设 备 来 的 批 量 传 输 和 控 制 传 输 ) 在 多 个 事 务 传 输 中, 事 务 的 序 列 是 DATA0 和 DATA1 格 式 相 交 叉 的 来 自 主 机 的 IN 包 来 自 USB 设 备 的 数 据 包 主 机 来 的 应 答 信 号 包 同 步 IN 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 64 位 ) 终 止 同 步 应 答 信 号 终 止 图 7-15 无 错 误 的 IN 事 务 90

108 包 和 事 务 有 错 误 的 IN 事 务 见 图 7-16, 有 错 误 包 的 IN 事 务 中 包 含 两 个 包 :IN 令 牌 包 和 数 据 包 握 手 应 答 包 没 有 从 主 机 控 制 器 返 回 到 目 标 设 备, 因 为 在 主 机 接 收 数 据 包 的 时 候 发 现 了 错 误 目 标 设 备 由 于 没 有 收 到 主 机 返 回 的 确 认 信 息, 会 检 测 到 一 个 超 时 情 况 稍 后, 主 机 会 重 传 IN 事 务 来 自 主 机 的 IN 包 来 自 USB 设 备 的 数 据 包 同 步 IN 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 64 位 ) 终 止 图 7-16 有 错 误 的 IN 传 输 没 有 挂 起 中 断 / 目 标 设 备 忙 时 的 IN 事 务 图 7-17 描 述 了 一 种 目 标 设 备 暂 时 不 能 返 回 数 据 的 情 况 由 于 设 备 不 能 在 事 务 的 数 据 传 输 阶 段 返 回 数 据, 所 以 就 返 回 NAK 信 号 这 样 通 知 根 集 线 器 和 主 机 控 制 器 目 标 设 备 暂 时 不 能 返 回 数 据 这 种 形 式 的 IN 事 务 会 在 中 断 传 输 过 程 里 设 备 没 有 挂 起 的 中 断 发 生 时 发 生, 或 者 在 批 量 传 输 和 控 制 传 输 过 程 里 设 备 忙 不 能 返 回 数 据 时 发 生 目 标 设 备 停 止 时 的 IN 事 务 图 7-18 描 述 了 当 目 标 设 备 出 现 了 错 误 不 能 传 送 数 据 的 情 况, 目 标 设 备 给 根 集 线 器 发 送 一 个 STALL 信 号, 通 知 系 统 软 件 如 果 要 想 传 输 数 据, 必 须 先 清 除 错 误 注 意, 比 起 严 重 的 USB 设 备 问 题, 错 误 在 操 作 中 发 生 是 很 正 常 的 例 如, 一 个 扫 描 仪 不 小 心 在 扫 描 过 程 中 掉 电 了, 就 不 能 再 通 过 总 线 接 口 返 回 数 据 一 旦 重 新 加 电, 传 输 继 续 来 自 主 机 的 IN 包 从 USB 设 备 返 回 的 握 手 信 号 包 同 步 IN 令 牌 终 止 同 步 不 成 功 信 号 NAK 终 止 目 标 设 备 当 前 不 能 返 回 数 据 图 7-17 目 标 设 备 暂 时 不 能 传 送 数 据 的 IN 事 务 来 自 主 机 的 IN 包 从 USB 设 备 返 回 的 握 手 信 号 包 同 步 IN 令 牌 终 止 同 步 终 止 数 据 包 终 止 目 标 设 备 由 于 严 重 的 内 部 错 误 不 能 返 回 数 据 图 7-18 目 标 设 备 停 止 的 IN 事 务 91

109 第 7 章 同 步 传 输 中 的 IN 事 务 图 7-19 描 述 了 同 步 传 输 中 的 IN 事 务 主 机 控 制 器 和 目 标 设 备 都 知 道 这 个 事 务 是 同 步 传 输 的 一 部 分 目 标 设 备 知 道 这 个 信 息, 因 为 终 端 点 的 地 址 选 择 了 一 个 同 步 终 点 主 机 知 道 这 个 事 务 是 同 步 的, 因 为 主 机 控 制 器 驱 动 系 统 软 件 在 传 输 描 述 符 中 定 义 了 传 输 类 型 IN 事 务 只 包 括 令 牌 段 和 数 据 段, 不 包 括 握 手 应 答 信 号, 因 为 同 步 传 输 数 据 不 保 证 准 确 性 来 自 主 机 的 IN 包 来 自 USB 设 备 的 数 据 包 同 步 IN 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 1023 位 ) 终 止 同 步 传 输 不 回 应 握 手 信 号 图 7-19 同 步 传 输 过 程 中 的 IN 事 务 OUT 事 务 一 个 典 型 的 OUT 事 务 包 括 令 牌 段 数 据 段 握 手 段, 然 而, 有 时 候 三 种 数 据 包 可 能 不 全 包 含 在 OUT 事 务 中 OUT 事 务 可 以 发 生 在 批 量 传 输 控 制 传 输 和 同 步 传 输 中 一 个 OUT 事 务 可 能 发 生 几 种 情 况 : 数 据 无 错 误 的 发 送 数 据 发 送 有 错 误 目 标 设 备 暂 时 不 能 接 收 数 据 目 标 设 备 不 能 接 收 数 据 但 是 没 有 声 明 任 何 存 在 的 错 误 一 个 同 步 传 输 发 生, 数 据 被 送 到 目 标 设 备, 但 是 数 据 段 之 后 没 有 任 何 握 手 应 答 信 号 每 种 情 况 我 们 都 会 在 下 面 的 部 分 讨 论 无 错 误 的 OUT 事 务 见 图 7-20, 一 个 OUT 事 务 成 功 地 送 到 了 设 备 终 端 终 端 设 备 无 错 误 地 接 收 一 个 数 据, 返 回 一 个 确 认 握 手 信 号 到 根 集 线 器 这 样 的 OUT 事 务, 可 以 发 生 在 批 量 传 输 中 断 传 输 和 控 制 传 输 中 来 自 主 机 的 OUT 包 来 自 USB 设 备 的 数 据 包 主 机 来 的 应 答 信 号 包 同 步 OUT 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 64 位 ) 终 止 同 步 应 答 信 号 终 止 图 7-20 有 错 误 的 OUT 传 输 有 错 误 的 OUT 事 务 图 7-21 的 假 定 和 前 面 例 子 中 的 事 务 一 样, 只 不 过 在 这 个 例 子 中, 设 备 在 接 收 数 据 的 时 候 92

110 包 和 事 务 检 测 到 错 误 设 备 扔 掉 这 个 数 据 包, 并 且 不 发 送 握 手 应 答 信 号 主 机 由 于 没 有 收 到 返 回 的 确 认 信 息, 会 检 测 到 一 个 超 时 情 况 稍 后, 主 机 会 重 传 OUT 事 务 来 自 主 机 的 OUT 包 来 自 主 机 的 数 据 包 同 步 OUT 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 64 位 ) 终 止 主 机 检 测 到 错 误, 不 回 应 握 手 信 号 图 7-21 有 错 误 的 OUT 传 输 目 标 设 备 不 能 接 收 数 据 的 OUT 事 务 图 7-22 描 述 了 一 种 目 标 设 备 暂 时 不 能 接 收 数 据 的 情 况 没 有 错 误 的 数 据 到 达 设 备, 但 是 设 备 不 能 接 收 数 据 ( 例 如 设 备 忙 或 者 缓 冲 区 满 ) 作 为 响 应, 设 备 在 握 手 信 号 段 返 回 NAK 信 号 这 样 通 知 主 机 暂 时 不 能 接 收 数 据, 这 个 事 务 必 须 重 传 来 自 主 机 的 OUT 包 到 USB 设 备 返 回 数 据 包 从 目 标 设 备 返 回 的 NAK 信 号 同 步 OUT 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 64 位 ) 终 止 同 步 目 标 设 备 忙, 当 前 不 能 接 受 数 据 不 成 功 信 号 NAK 终 止 图 7-22 目 标 设 备 暂 时 不 能 接 收 数 据 的 OUT 事 务 目 标 设 备 停 止 时 的 OUT 事 务 图 7-23 描 述 了 当 目 标 设 备 出 现 了 内 部 错 误 而 不 能 接 收 数 据 的 情 况 目 标 设 备 收 到 一 个 标 记 着 它 的 地 址 的 OUT 事 务 令 牌 包 然 而, 主 机 发 送 数 据 包 的 时 候, 设 备 不 能 接 收 数 据, 设 备 在 握 手 信 号 段 返 回 NAK 信 号 STALL 信 号 被 报 告 给 主 机, 让 主 机 必 须 清 除 错 误 来 自 主 机 的 OUT 包 到 USB 设 备 返 回 数 据 包 从 目 标 设 备 返 回 的 终 止 信 号 同 步 OUT 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 64 位 ) 终 止 同 步 终 止 数 据 包 终 止 目 标 设 备 由 于 严 重 的 内 部 错 误 不 能 返 回 数 据 图 7-23 目 标 设 备 停 止 的 OUT 事 务 同 步 传 输 中 的 OUT 事 务 图 7-24 描 述 了 同 步 传 输 中 的 OUT 事 务 无 论 设 备 接 收 是 否 有 差 错, 都 不 返 回 握 手 应 答 信 号 93

111 第 7 章 来 自 主 机 的 OUT 包 到 USB 设 备 的 数 据 包 同 步 OUT 令 牌 终 止 同 步 数 据 包 ( 最 大 1023 位 ) 终 止 同 步 传 输 不 回 应 握 手 信 号 图 7-24 同 步 传 输 过 程 中 的 OUT 事 务 准 备 事 务 / 控 制 传 输 控 制 传 输 用 来 向 USB 设 备 发 布 命 令 例 如, 在 设 备 配 置 期 间 要 执 行 控 制 传 输 来 读 标 准 描 述 符 和 给 设 备 分 配 一 个 惟 一 地 址 控 制 传 输 总 是 开 始 于 一 个 准 备 事 务, 叫 做 准 备 阶 段 准 备 阶 段 定 义 控 制 传 输 的 特 性 有 些 控 制 传 输 包 括 一 个 由 一 个 或 者 多 个 IN 事 务 或 者 OUT 事 务 的 数 据 段 来 发 送 控 制 传 输 的 有 效 载 荷 数 据 是 发 送 到 设 备 还 是 来 自 于 设 备 在 准 备 阶 段 定 义 控 制 传 输 的 最 后 一 个 阶 段 是 状 态 阶 段 这 个 阶 段 证 实 要 求 的 操 作 成 功 的 结 束 控 制 传 输 存 在 两 种 基 本 形 式 : 传 输 包 括 准 备 阶 段 和 状 态 阶 段 传 输 包 括 准 备 阶 段 数 据 阶 段 和 状 态 阶 段 准 备 事 务 中 的 数 据 段 包 括 8 个 字 节 的 信 息, 如 表 7-3 定 义 这 个 信 息 定 义 给 设 备 发 布 的 要 求 和 设 备 完 成 这 个 要 求 所 需 要 的 全 部 信 息 两 阶 段 控 制 传 输 一 个 两 阶 段 的 控 制 传 输 只 包 括 准 备 阶 段 和 状 态 阶 段, 如 图 7-25 所 示 这 个 例 子 中, 准 备 事 务 传 送 了 8 个 字 节, 包 括 了 运 行 指 定 请 求 的 所 有 信 息 ( 例 如 一 个 远 程 唤 醒 ) 状 态 阶 段 包 括 一 个 IN 事 务, 来 证 实 请 求 已 经 被 正 确 处 理 了 表 7-3 准 备 事 务 数 据 段 的 格 式 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 请 求 类 型 1 位 映 射 请 求 的 特 性 D7 数 据 传 输 方 向 0= 主 机 到 设 备 1= 设 备 到 主 机 D6 5 类 型 0= 标 准 1= 类 2= 厂 商 3= 保 留 D4 0 接 收 端 94

112 包 和 事 务 0= 设 备 1= 接 口 2= 终 端 点 3= 其 他 4 31 保 留 1 请 求 1 值 特 殊 请 求 2 值 2 值 字 大 小 的 字 段, 根 据 请 求 不 同 而 不 同 4 索 引 2 偏 移 或 索 引 字 大 小 的 字 段, 根 据 请 求 不 同 而 不 同 一 般 用 于 传 送 一 个 索 引 或 者 偏 移 地 址 6 长 度 3 计 数 量 传 输 要 求 数 据 阶 段 时 的 传 输 字 节 数 准 备 阶 段 状 态 阶 段 准 备 事 务 IN 事 务 准 备 8 字 节 应 答 信 号 IN 0 字 节 应 答 信 号 图 7-25 两 阶 段 控 制 传 输 的 格 式 三 阶 段 控 制 传 输 图 7-26 是 一 个 要 求 数 据 从 目 标 设 备 返 回 主 机 的 控 制 传 输 情 况 作 为 例 子, 控 制 传 输 可 以 是 主 机 发 布 一 个 读 描 述 符 信 息 的 命 令 传 输 的 第 一 阶 段 是 准 备 事 务, 定 义 控 制 传 输 的 一 般 属 性 准 备 事 务 包 括 准 备 令 牌 数 据 包 和 握 手 信 号 在 准 备 事 务 时, 数 据 总 是 送 到 目 标 设 备 指 定 请 求 类 型 准 备 段 后, 主 机 初 始 化 一 个 或 者 多 个 IN 事 务, 要 求 目 标 设 备 返 回 一 个 请 求 的 数 据 主 机 通 过 使 用 一 个 OUT 事 务 来 要 求 证 实 设 备 终 点 已 经 成 功 返 回 描 述 符 的 内 容 来 结 束 这 个 传 输 注 意, 目 标 设 备 通 过 在 OUT 事 务 过 程 中 发 送 一 个 ACK 握 手 信 号 指 示 请 求 的 成 功 传 输 主 机 发 出 的 OUT 数 据 包 有 一 长 串 的 0 准 备 阶 段 数 据 阶 段 ( 一 个 或 者 多 个 IN 事 务 ) 状 态 阶 段 准 备 事 务 IN 事 务 IN 事 务 IN 事 务 OUT 事 务 读 控 制 传 输 的 三 个 阶 段 图 7-26 控 制 来 自 目 标 设 备 的 传 输 请 求 数 据 95

113 第 7 章 有 OUT 数 据 阶 段 的 三 阶 段 控 制 传 输 图 7-27 描 述 了 向 控 制 点 发 送 命 令 的 控 制 传 输 准 备 事 务 定 义 了 发 布 的 命 令, 后 面 跟 着 数 据 段 ( 一 个 或 者 多 个 OUT 事 务 ) 然 后 主 机 给 控 制 端 点 发 送 一 个 IN 令 牌 来 获 取 完 成 状 态 信 息 目 标 设 备 返 回 一 长 串 零 的 一 个 数 据 包, 指 示 它 已 经 成 功 的 完 成 了 初 始 化 的 控 制 要 求 准 备 阶 段 数 据 阶 段 ( 一 个 或 者 多 个 OUT 事 务 ) 状 态 阶 段 准 备 事 务 OUT 事 务 OUT 事 务 OUT 事 务 IN 事 务 写 控 制 传 输 的 三 个 阶 段 图 7-27 控 制 传 输 请 求 目 标 设 备 的 数 据 有 错 误 的 控 制 传 输 主 机 系 统 软 件 会 尝 试 重 传 以 保 证 控 制 传 输 成 功 结 束 当 错 误 在 传 输 过 程 中 出 现 时, 目 标 设 备 和 主 机 采 取 的 行 动 和 错 误 类 型 有 关 参 见 第 8 章 错 误 恢 复 96

114 第 8 章 8 错 误 恢 复 上 一 章 每 个 广 播 在 USB 上 的 传 输 包 括 一 组 数 据 包 这 些 包 组 织 起 来 就 定 义 了 一 个 独 立 的 事 务 作 为 一 个 大 的 传 输 中 的 一 部 分 每 个 事 务 的 类 型 都 给 出 了 定 义, 也 在 组 成 它 的 每 个 包 中 指 出 类 型 本 章 中 断 批 量 和 控 制 传 输 都 要 求 成 功 传 输 的 数 据 被 检 验 CRC 和 其 他 的 错 误 检 测 方 法 被 应 用 到 错 误 检 测 中, 如 果 发 现 的 错 误, 就 要 重 传 本 章 就 是 讨 论 各 种 错 误 情 况 和 USB 识 别 错 误 所 使 用 的 机 制 和 改 正 这 些 错 误 的 恢 复 方 法 下 一 章 USB 设 备 通 过 进 入 挂 起 状 态 支 持 节 电 模 式 下 一 章 我 们 讨 论 设 备 在 软 件 的 控 制 下 进 入 挂 起 状 态 途 径 也 讨 论 软 件 如 何 再 唤 醒 设 备, 以 及 类 似 调 制 解 调 器 这 样 的 设 备 如 何 初 始 化 一 个 远 程 唤 醒 概 述 数 据 在 USB 上 传 输 的 时 候 硬 件 可 以 检 测 到 不 同 的 错 误 类 型 上 一 章 我 们 提 到 了 USB 事 务 中 有 握 手 应 答 信 号 包, 它 用 来 证 实 一 个 包 被 正 确 接 收 了 这 一 章 我 们 详 细 讨 论 USB 错 误 检 测 机 制 和 相 应 的 错 误 恢 复 过 程 USB 支 持 的 错 误 检 测 机 制 包 括 : 包 错 误 检 测 错 的 包 结 束 符 总 线 超 时 ( 没 有 响 应 ) 数 据 切 换 ( 数 据 开 关 ) 错 误 检 测 串 扰 超 出 帧 的 末 尾 的 发 生 事 务 LOA 总 线 活 动 丢 失 包 错 误 96 USB 设 备 可 以 探 测 到 三 种 类 型 的 包 错 误 :

115 错 误 恢 复 包 标 识 符 (PID) 的 检 测 循 环 冗 余 校 验 (CRC) 位 填 充 错 误 如 果 这 些 错 误 中 的 任 何 一 类 存 在, 包 的 接 收 器 都 必 须 丢 弃 这 个 包, 而 且 不 通 过 任 何 方 式 响 应 因 此, 当 收 到 的 包 有 错 误 时, 接 收 器 从 来 不 会 给 发 送 器 发 任 何 返 回 的 信 息 注 意, 包 错 误 的 检 测 类 型 对 于 USB 设 备 和 主 机 来 说 不 是 那 么 有 意 义, 因 为 它 和 错 误 恢 复 相 关 联 然 而, 主 机 系 统 可 以 捕 获 和 包 错 误 相 关 联 的 数 据 信 息 下 面 我 们 会 讨 论 每 种 和 包 相 关 的 错 误 信 息 包 标 识 符 检 测 每 个 包 以 一 个 标 识 符 (PID) 开 始 广 播 到 USB 上,PID 包 括 四 个 位, 紧 接 着 是 一 个 PID 校 验 字 段, 如 图 8-1 所 示 PID 校 验 字 段 是 PID 的 倒 转 ( 补 码 ) 所 有 的 USB 设 备 都 要 执 行 PID 检 验, 如 果 检 测 出 错 误 就 扔 掉 这 个 包, 这 是 由 于 包 的 定 义 信 息 是 未 知 的 包 标 识 符 lsb msb lsb msb 包 标 识 符 0 包 标 识 符 1 包 标 识 符 2 包 标 识 符 3 包 标 识 符 包 标 识 符 包 标 识 符 包 标 识 符 ( 取 反 )0 ( 取 反 )1 ( 取 反 )2 ( 取 反 )3 类 型 令 牌 数 据 握 手 特 殊 检 查 1 秒 的 类 型 的 补 码 图 8-1 PID 校 验 CRC 错 误 每 个 包 都 有 一 个 CRC 位 来 验 证 PID 字 段 后 面 发 送 的 信 息 这 个 信 息 的 特 性 根 据 包 的 类 型 不 同 而 不 同 每 个 包 有 5 位 或 者 16 位 的 CRC 校 验 位, 这 由 包 的 大 小 和 类 型 决 定 表 8-1 包 的 类 型 和 CRC 包 类 型 字 段 字 段 的 最 大 尺 寸 CRC 位 数 帧 开 始 符 帧 号 11 位 5 位 IN 设 备 和 终 端 地 址 11 位 5 位 OUT 设 备 和 终 端 地 址 11 位 5 位 SETUP 设 备 和 终 端 地 址 11 位 5 位 97

116 第 8 章 包 类 型 字 段 字 段 的 最 大 尺 寸 CRC 位 数 DATA0 数 据 有 效 载 荷 1023 字 节 16 DATA1 数 据 有 效 载 荷 1023 字 节 16 ACK NA 仅 是 包 标 识 符 NA NA NAK NA 仅 是 包 标 识 符 NA NA STALL NA 仅 是 包 标 识 符 NA NA 前 同 步 序 列 NA 仅 是 包 标 识 符 NA NA 5 位 的 CRC 校 验 位 的 生 成 多 项 式 为 : G(X)= X 5 + X 这 个 位 模 式 代 表 多 项 式 是 00101b 这 5 个 位 的 冗 余 码 在 接 收 端 是 01100b, 那 么 就 是 正 确 接 收 了 数 据 包 的 16 位 CRC 字 段 的 生 成 多 项 式 为 : G(X)= X 16 + X 15 + X 这 个 位 模 式 代 表 多 项 式 为 b 如 果 数 据 正 确 接 收 了, 那 么 16 位 的 冗 余 码 会 是 注 意, 如 果 CRC 位 流 包 含 连 续 的 六 个 1, 就 要 加 入 填 充 位 位 填 充 错 误 位 填 充 通 过 在 连 续 的 六 个 1 后 强 行 插 入 转 换, 保 证 发 送 端 和 接 收 端 的 数 据 保 持 同 步 参 见 位 填 充 USB 接 收 端 会 预 期 到 在 连 续 的 六 个 1 后 会 有 跳 转 ( 填 充 位 ) 如 果 一 个 填 充 位 没 有 出 现, 那 就 是 这 个 包 被 破 坏 了, 或 者 发 送 端 没 有 正 确 地 生 成 填 充 位, 或 者 接 收 端 没 有 能 够 正 确 地 解 双 向 不 归 零 码 和 包 相 关 的 错 误 处 理 任 何 一 个 和 包 相 关 的 错 误 都 会 导 致 相 同 的 设 备 行 为 收 到 错 误 包 的 接 收 器 必 须 丢 掉 这 个 包 并 且 没 有 响 应 然 而, 错 误 的 处 理 方 法, 则 根 据 事 务 和 事 务 中 哪 一 个 包 发 生 错 误 的 不 同 而 不 同 令 牌 包 错 误 IN 包 错 误 考 虑 发 生 错 误 的 IN 包 由 于 错 误 是 在 令 牌 包 中 被 检 测 到 的, 它 会 被 设 备 丢 掉 并 且 不 向 主 机 发 送 响 应 主 机 期 望 有 一 个 数 据 包 或 者 握 手 信 号 包 作 为 IN 令 牌 的 响 应 返 回 然 而, 由 于 设 备 不 响 应, 主 机 会 检 测 到 总 线 超 时 传 输 失 败 主 机 然 后 要 重 新 发 送 失 败 的 事 务 OUT 包 或 SETUP 包 的 错 误 如 果 检 测 到 包 错 误 时, 主 机 正 在 发 送 一 个 OUT 包 或 者 SETUP 包, 则 主 机 会 在 令 牌 包 后 续 表 98

117 错 误 恢 复 放 一 个 数 据 包 目 标 设 备 可 以 无 差 错 的 解 码 这 个 数 据 包, 但 是 不 能 证 实 数 据 包 的 目 标 接 收 器 ( 因 为 CRC 的 地 址 错 误 ), 或 者 检 测 不 到 数 据 包 的 意 义 和 下 面 的 数 据 包, 主 机 检 测 到 总 线 超 时, 知 道 传 输 失 败 然 后 主 机 就 会 重 新 调 度 这 个 事 务 数 据 包 错 误 在 OUT 或 SETUP 事 务 中 数 据 包 发 生 的 错 误 会 让 设 备 丢 掉 包 并 且 不 向 发 送 端 发 送 响 应 在 一 个 OUT 事 务 中, 目 标 设 备 检 测 到 数 据 包 错 误 就 不 会 发 送 握 手 信 号 包 由 此 产 生 的 超 时 会 告 诉 主 机 写 失 败 然 后 主 机 要 重 新 发 送 失 败 的 事 务 在 IN 事 务 中 在 IN 事 务 中, 有 效 数 据 从 目 标 设 备 返 回, 但 是 主 机 收 到 一 个 错 误 的 包 由 于 主 机 不 会 以 ACK 握 手 信 号 响 应, 目 标 设 备 就 会 被 通 知 主 机 没 有 收 到 数 据 然 后 主 机 就 会 重 新 调 度 这 个 事 务 握 手 应 答 包 错 误 握 手 应 答 信 号 包 的 错 误 会 导 致 设 备 和 主 机 对 事 务 传 输 成 功 或 者 失 败 不 能 达 成 一 致 下 面 解 释 这 个 问 题 在 OUT 事 务 中 在 OUT 事 务 中 令 牌 包 和 数 据 包 可 以 无 错 误 地 被 接 收 目 标 设 备 返 回 一 个 ACK 握 手 应 答 包 来 指 示 数 据 已 接 收 如 果 在 接 到 ACK 握 手 包 时, 检 测 到 错 误, 主 机 就 会 丢 掉 这 个 包, 传 输 失 败 目 标 设 备 实 际 是 收 到 了 数 据, 但 是 错 误 的 握 手 包 并 没 有 使 主 机 知 道 这 个 情 况 设 备 和 主 机 对 事 务 传 输 成 功 或 者 失 败 不 能 达 成 一 致 主 机 认 为 发 生 了 一 个 错 误, 尝 试 重 发 这 个 包 目 标 设 备 识 别 到 这 个 包 已 经 被 接 收 过 了, 它 期 望 的 是 下 一 个 包 当 目 标 设 备 接 收 了 重 新 发 来 的 数 据, 相 同 的 数 据 就 会 被 接 收 两 次 这 个 问 题 会 在 数 据 切 换 错 误 中 解 决 在 IN 事 务 中 注 意, 上 面 的 问 题 同 样 可 以 发 生 在 IN 事 务 中, 这 里 数 据 已 经 在 主 机 和 设 备 之 前 成 功 传 输 了 主 机 返 回 ACK 给 目 标 设 备, 但 是 目 标 设 备 检 测 到 ACK 包 有 错 误 设 备 接 收 确 认 信 息 失 败, 但 是 主 机 成 功 接 收 了 数 据 主 机 认 为 数 据 成 功 传 输 了, 要 求 下 一 个 数 据 被 传 输 然 而, 目 标 设 备 认 为 事 务 传 输 失 败, 所 以 重 发 这 个 事 务 这 种 设 备 和 主 机 之 间 的 不 一 致 必 须 由 数 据 切 换 机 制 解 决 参 看 数 据 切 换 错 误 部 分 总 线 超 时 一 个 传 输 所 使 用 的 发 送 器 和 接 收 器 必 须 知 道 用 多 长 时 间 等 待 响 应 例 如, 发 送 器 希 望 在 令 牌 包 和 数 据 包 发 送 结 束 时 收 到 目 标 设 备 的 响 应 同 样 的, 目 标 设 备 希 望 传 送 完 数 据 后 从 主 机 收 到 响 应 然 而, 如 果 在 规 定 的 总 线 周 期 时 间 内 没 有 收 到 响 应, 就 会 检 测 到 错 误 规 范 定 义 设 备 没 有 响 应 就 是 通 知 发 送 方 数 据 没 有 被 正 确 接 收 这 是 因 为, 错 误 在 包 接 收 的 时 候 被 检 测 到, 没 有 期 望 的 响 应 发 出 由 于 没 有 响 应 被 发 送, 这 个 包 就 会 检 测 到 总 线 超 时, 因 此 知 道 99

118 第 8 章 在 包 的 传 输 过 程 中 出 现 了 错 误 总 线 超 时 定 义 了 从 主 机 开 始 的 下 行 传 输 支 持 的 最 大 电 缆 段 数 从 主 机 到 下 层 端 口 的 延 时 主 要 包 括 : 电 缆 延 时 = 最 大 30 纳 秒 集 线 器 延 时 = 最 大 40 纳 秒 从 根 集 线 器 的 下 行 端 口 到 第 一 个 集 线 器 的 下 行 端 口 总 延 时 的 最 大 值 是 70 纳 秒 最 坏 情 况 发 生 在 一 根 下 行 路 线 上 支 持 六 根 电 缆 的 时 候, 如 图 8-2 所 示 主 机 端 口 和 目 标 设 备 电 缆 上 行 终 端 点 的 总 往 返 延 时 达 到 了 700 纳 秒 附 加 延 时 会 出 现 在 通 过 目 标 设 备 电 缆 的 单 向 传 输 上 然 后 目 标 设 备 解 码 令 牌 包, 访 问 选 定 的 终 端 点, 初 始 化 返 回 到 电 缆 上 行 末 端 的 数 据 包 这 7.5 位 的 延 时 被 特 别 定 义 为, 从 功 能 设 备 的 上 行 末 端 看 到 的 包 结 束 符 (EOP 到 空 闲 转 换 ) 的 时 间 到 包 起 始 符 转 换 从 设 备 返 回 到 目 标 设 备 电 缆 的 上 行 末 端 的 时 间 16 比 特 的 倍 数 * 6.5 位 的 倍 数 主 机 控 制 器 集 线 器 1 集 线 器 2 集 线 器 3 集 线 器 4 集 线 器 5 功 能 7.5 位 的 倍 数 * 低 速 设 备 使 用 16 个 低 速 位 时 间 作 为 最 大 回 路 延 时 从 包 结 束 符 到 空 闲 传 输, 直 到 数 据 在 电 缆 上 行 方 向 的 末 端 返 回 注 意, 一 个 可 分 离 电 缆 的 设 备 在 B 插 槽 可 以 有 最 大 的 延 时 是 6.5 位 时 间 图 8-2 总 行 程 延 时 发 送 端 必 须 在 16 位 之 前 不 超 时,18 位 时 超 时, 在 低 速 和 全 速 事 务 中 一 样 错 误 的 包 结 束 符 如 果 在 发 送 端 完 全 传 送 数 据 之 前 接 收 端 就 检 测 到 包 的 结 束 符 (EOP), 那 就 会 出 问 题 了 这 种 情 况 就 是 错 的 包 结 束 符 如 果 接 收 端 过 早 地 响 应 包 结 束 符, 返 回 一 个 数 据 或 者 握 手 信 号 包, 总 线 上 就 会 发 生 冲 突 这 会 破 坏 两 个 相 连 的 数 据 包 幸 运 的 是, 错 误 的 包 结 束 符 可 以 被 检 测 出 来, 冲 突 可 以 避 免 截 断 数 据 包 的 错 误 包 结 束 符 很 容 易 导 致 一 个 CRC 错 误 一 个 截 断 数 据 包 的 CRC 错 误 很 可 能 无 法 恢 复 下 面 部 分 讨 论 检 测 和 响 应 主 机 传 输 中 的 错 误 包 结 束 符 检 测 任 何 形 式 包 错 误 的 USB 目 标 设 备 都 只 是 忽 略 该 包, 不 对 主 机 作 出 响 应 因 此, 如 果 一 个 错 误 的 包 结 束 符 出 现, 会 导 致 CRC 错 误 强 迫 目 标 设 备 等 待 主 机 传 送 下 一 个 包 这 个 设 100

119 错 误 恢 复 备 采 取 的 被 动 行 为 阻 止 了 冲 突 的 出 现 因 此, 当 主 机 接 收 目 标 设 备 的 响 应 失 败 时, 它 可 以 意 识 到 包 传 输 失 败, 准 备 重 发 由 于 前 面 所 描 述 的 错 误 状 况 来 自 于 错 误 的 包 结 束 符, 主 机 在 设 备 不 正 确 的 检 测 到 包 结 束 符 后 继 续 传 输 数 据 设 备 不 会 把 上 一 个 包 已 经 传 输 的 剩 下 的 那 一 部 分 识 别 为 有 效, 它 会 探 测 最 后 正 确 的 包 结 束 符 然 后 目 标 设 备 等 待 着 主 机 发 出 下 一 个 数 据 包 目 标 设 备 传 输 中 的 错 误 包 结 束 符 如 果 是 目 标 设 备 传 送 数 据 而 主 机 收 到 一 个 错 误 的 包 结 束 符,CRC 检 验 告 诉 主 机 忽 略 这 个 包, 并 且 不 发 送 响 应 给 目 标 设 备 由 于 目 标 设 备 获 取 握 手 信 号 失 败, 它 知 道 传 输 的 包 没 有 被 主 机 接 收, 并 且 等 待 下 一 个 事 务 被 调 度 这 种 情 况 下 主 机 应 该 知 道 什 么 时 候 传 送 下 一 个 包 是 安 全 的 由 于 EOP 被 过 早 的 检 测 到, 目 标 设 备 可 能 继 续 传 输 数 据, 如 果 主 机 在 总 线 超 时 周 期 16 位 内 没 有 检 测 到 额 外 的 总 线 转 换, 它 就 会 安 全 地 假 设 目 标 设 备 再 没 有 数 据 要 传 送 了 总 线 就 安 全 地 传 送 下 一 个 包, 而 且 可 以 保 证 不 会 发 生 总 线 冲 突 然 而, 如 果 总 线 继 续 转 换, 主 机 就 必 须 等 到 EOP, 然 后 等 待 16 位 时 间 再 传 下 一 个 包 注 意,16 位 延 时 是 保 证 目 标 设 备 检 测 到 主 机 没 有 响 应 ( 即, 目 标 设 备 计 数 器 期 满 超 时 ) 所 必 需 的 这 保 证 目 标 设 备 可 以 识 别 包 传 输 失 败 数 据 切 换 错 误 数 据 切 换 技 术 是 保 证 一 个 长 的 传 输 在 被 分 解 为 多 个 事 务 的 情 况 下 依 然 能 保 持 同 步 传 输 的 一 种 机 制 数 据 切 换 解 决 了 和 握 手 信 号 包 错 误 相 关 的 问 题, 这 在 握 手 信 号 错 误 这 一 专 题 有 讲 述 没 有 错 误 的 数 据 切 换 过 程 数 据 切 换 只 被 中 断 传 输 批 量 传 输 和 控 制 传 输 所 支 持 一 个 传 输 所 使 用 的 发 送 器 和 接 收 器 要 数 据 切 换 机 制 就 必 须 实 现 切 换 位 发 送 设 备 和 接 收 设 备 要 在 它 们 都 同 意 事 务 被 无 错 传 输 的 时 候 将 它 们 的 切 换 位 转 变 成 相 反 的 值 两 种 数 据 包 类 型 (DATA0 和 DATA1) 也 要 交 替 地 传 输, 接 收 端 对 比 数 据 包 来 证 实 准 确 的 数 据 包 已 经 被 接 收 了 发 送 端 也 要 使 用 与 当 前 切 换 位 相 匹 配 的 数 据 包 ( 例 如 : 切 换 位 =0, 那 么 使 用 DATA0) 为 了 解 释 数 据 切 换 机 制 的 概 念, 考 虑 下 面 部 分 所 描 述 的 传 输 情 况 OUT 事 务 中 的 数 据 切 换 图 8-3 描 述 了 从 主 机 到 目 标 设 备 的 一 个 批 量 传 输 过 程 中, 包 的 序 列 和 切 换 位 的 转 变 假 定 切 换 位 在 发 送 端 和 接 收 端 初 始 化 的 时 候 清 零 传 输 如 下 进 行 : 事 务 1 1. 主 机 传 送 一 个 OUT 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 主 机 传 送 一 个 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 目 标 设 备 101

120 第 8 章 4. 目 标 设 备 接 收 DATA0 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 正 确 接 收 DATA0 包, 切 换 位 转 变 为 1 6. 目 标 设 备 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 主 机, 通 知 主 机 数 据 被 正 确 接 收 7. 主 机 正 确 接 收 ACK 应 答 包 8. 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 主 机 切 换 位 转 变 为 1 事 务 2 1. 下 一 个 到 目 标 设 备 的 事 务 开 始 于 主 机 传 送 一 个 OUT 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 主 机 传 送 一 个 DATA1 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 目 标 设 备 4. 目 标 设 备 接 收 DATA1 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 正 确 接 收 DATA1 包, 切 换 比 特 位 转 变 为 0 6. 目 标 设 备 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 主 机, 通 知 主 机 数 据 正 确 接 收 7. 主 机 正 确 接 收 ACK 应 答 包 8. 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 主 机 切 换 位 转 变 为 0 每 个 事 务 都 以 这 个 过 程 传 输, 直 到 全 部 完 毕 只 要 收 到 的 数 据 包 和 切 换 位 相 匹 配, 并 且 发 送 端 正 确 接 收 ACK, 发 送 端 和 接 收 端 就 可 以 保 持 同 步 主 机 事 务 1 OUT 令 牌 设 备 DATA 0 ACK 握 手 信 号 主 机 事 务 2 OUT 令 牌 设 备 DATA 1 ACK 握 手 信 号 图 8-3 带 有 数 据 切 换 机 制 和 无 错 传 输 的 OUT 事 务 IN 事 务 中 的 数 据 切 换 图 8-4 是 两 个 IN 事 务 的 序 列 和 无 错 误 传 输 过 程 中 的 变 化 传 输 如 下 进 行 : 事 务 1 1. 主 机 传 送 一 个 IN 令 牌 给 目 标 设 备 102

121 错 误 恢 复 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 目 标 设 备 返 回 一 个 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 主 机 4. 主 机 接 收 DATA0 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 正 确 接 收 DATA0 包, 切 换 位 转 变 为 1 6. 主 机 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 主 机, 通 知 目 标 设 备 数 据 正 确 接 收 7. 目 标 正 确 接 收 ACK 应 答 包 8. 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 目 标 切 换 位 转 变 为 1 事 务 2 1. 下 一 个 到 目 标 设 备 的 事 务 开 始 于 主 机 传 送 一 个 IN 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 目 标 设 备 返 回 一 个 DATA1 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 主 机 4. 主 机 接 收 DATA1 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 正 确 接 收 DATA1 包, 切 换 位 转 变 为 0 6. 主 机 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 目 标 设 备, 通 知 目 标 设 备 数 据 正 确 接 收 7. 主 机 正 确 接 收 到 ACK 应 答 包 8. 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 主 机 切 换 位 转 变 为 0 每 个 事 务 都 以 这 个 过 程 传 输, 直 到 全 部 完 毕 只 要 收 到 的 数 据 包 和 切 换 位 相 匹 配, 并 且 发 送 端 正 确 接 收 ACK, 发 送 端 和 接 收 端 就 可 以 保 持 同 步 主 机 事 务 1 IN 令 牌 设 备 DATA 0 ACK 握 手 信 号 主 机 事 务 2 IN 令 牌 设 备 DATA 1 ACK 握 手 信 号 图 8-4 带 有 数 据 切 换 机 制 和 无 错 传 输 的 IN 事 务 103

122 第 8 章 数 据 包 错 误 的 数 据 切 换 过 程 如 果 一 个 数 据 包 在 传 输 过 程 中 发 生 错 误, 主 机 或 者 设 备 都 不 能 增 加 切 换 位 的 值 下 面 一 部 分 我 们 讨 论 数 据 包 发 生 错 误 时 的 切 换 过 程 有 数 据 包 错 误 时,OUT 事 务 中 的 数 据 切 换 图 8-5 描 述 了 在 连 续 的 OUT 事 务 中 的 包 传 输 序 列 在 第 一 个 事 务 中, 有 一 个 数 据 包 错 误 发 生 主 机 事 务 1 OUT 令 牌 设 备 DATA 0 由 于 数 据 包 错 误 而 不 返 回 握 手 信 号 包 主 机 事 务 2 ( 重 传 ) OUT 令 牌 设 备 DATA 0 ACK 握 手 信 号 图 8-5 带 有 数 据 切 换 机 制 和 有 错 误 传 输 的 OUT 事 务 主 机 和 目 标 设 备 采 取 的 动 作 如 下 : 事 务 1 1. 主 机 传 送 一 个 OUT 包 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 包 3. 主 机 传 送 一 个 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 目 标 设 备 4. 目 标 设 备 在 接 收 这 个 DATA0 数 据 包 时, 数 据 发 生 错 误 5. 目 标 设 备 检 测 到 错 误, 就 忽 略 这 个 包, 并 且 不 向 主 机 发 送 响 应 由 于 数 据 包 没 有 正 确 接 收, 切 换 位 不 变 ( 0 ) 6. 主 机 等 待 从 设 备 来 的 握 手 信 号 包, 但 是 没 有 回 复 当 总 线 超 时 (16 位 ) 后, 主 机 检 测 到 没 有 响 应, 知 道 数 据 包 没 有 正 确 传 输 切 换 位 保 持 不 变, 主 机 尝 试 重 发 这 个 事 务 事 务 2 重 传 1. 主 机 传 送 一 个 OUT 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 主 机 重 传 上 次 事 务 中 失 败 的 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 目 标 设 备 104

123 错 误 恢 复 4. 目 标 设 备 接 收 DATA0 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 这 次, 目 标 正 确 接 收 DATA0 包, 切 换 位 转 变 为 1 6. 目 标 设 备 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 主 机, 通 知 主 机 数 据 已 被 正 确 接 收 7. 主 机 正 确 收 到 ACK 应 答 包 8. 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 主 机 切 换 位 转 变 为 1 这 样 虽 然 有 错 误 发 生, 发 送 端 和 接 收 端 依 然 可 以 保 持 同 步 有 数 据 包 错 误 时,IN 事 务 中 的 数 据 切 换 图 8-5 描 述 了 在 连 续 的 IN 事 务 中 的 包 传 输 序 列 IN 事 务 中 包 含 一 个 数 据 包 错 误 发 生 主 机 事 务 1 IN 令 牌 设 备 DATA 0 由 于 数 据 包 的 错 误 没 有 返 回 成 功 握 手 信 号 主 机 事 务 2( 重 传 ) IN 令 牌 设 备 DATA 1 ACK 握 手 信 号 图 8-6 带 有 数 据 切 换 机 制 和 有 错 误 传 输 的 IN 事 务 主 机 和 目 标 设 备 采 取 的 动 作 如 下 : 事 务 1 1. 主 机 传 送 一 个 IN 包 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 包 3. 目 标 设 备 返 回 一 个 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 主 机 4. 主 机 在 接 收 这 个 DATA0 数 据 包 时, 数 据 发 生 错 误 5. 主 机 检 测 到 错 误, 就 忽 略 这 个 包, 并 且 不 向 目 标 设 备 发 送 响 应 由 于 数 据 包 没 有 正 确 接 收, 切 换 位 不 变 ( 0 ) 6. 目 标 设 备 等 待 从 主 机 来 的 握 手 信 号 包, 但 是 没 有 回 复 当 总 线 超 时 (16 位 ) 后, 目 标 设 备 检 测 到 没 有 响 应, 知 道 数 据 包 没 有 正 确 传 输, 切 换 位 保 持 不 变, 主 机 尝 试 重 发 这 个 事 务 事 务 2 1. 主 机 传 送 一 个 OUT 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 目 标 设 备 重 传 上 次 事 务 中 失 败 的 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 主 机 105

124 第 8 章 4. 主 机 接 收 DATA0 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 这 次, 主 机 接 收 DATA0 包, 切 换 位 转 变 为 1 6. 主 机 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 目 标 设 备, 通 知 目 标 设 备 数 据 已 被 正 确 接 收 7. 目 标 设 备 正 确 收 到 ACK 应 答 包 8. 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 目 标 设 备 切 换 位 转 变 为 1 这 样 虽 然 有 错 误 发 生, 发 送 端 和 接 收 端 依 然 可 以 保 持 同 步, 重 发 还 能 保 证 数 据 不 丢 失 握 手 包 错 误 的 数 据 切 换 过 程 前 面 讨 论 的 数 据 切 换 过 程 是 在 没 有 错 误 或 者 数 据 包 出 错 的 情 况 下 虽 然 主 机 和 目 标 设 备 的 位 切 换 保 持 同 步 很 重 要, 但 是 在 错 误 恢 复 时 并 不 使 用 这 个 切 换 位 然 而, 当 错 误 出 现 在 握 手 信 号 包 里 的 时 候, 主 机 和 目 标 设 备 就 不 再 同 步, 如 果 不 使 用 数 据 切 换 机 制 就 会 发 生 数 据 丢 失 有 握 手 包 错 误 时,OUT 事 务 中 的 数 据 切 换 图 8-7 描 述 了 一 个 有 ACK 错 误 的 OUT 事 务 主 机 事 务 1 OUT 令 牌 设 备 DATA 0 ACK 握 手 信 号 成 功 握 手 信 号 丢 失 事 务 2( 重 传 ) 主 机 OUT 令 牌 设 备 DATA 1 ACK 握 手 信 号 图 8-7 带 有 数 据 切 换 机 制 和 握 手 错 误 的 OUT 事 务 主 机 和 目 标 设 备 采 取 的 动 作 如 下 : 事 务 1 1. 主 机 传 送 一 个 OUT 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 106

125 错 误 恢 复 3. 主 机 传 送 一 个 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 目 标 设 备 4. 目 标 设 备 接 收 DATA1 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 正 确 接 收 DATA0 包, 切 换 位 转 变 为 1 6. 目 标 设 备 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 主 机, 通 知 主 机 数 据 已 被 正 确 接 收 7. 主 机 收 到 有 错 误 的 ACK 包 8. 由 于 主 机 检 测 到 错 误, 这 样 主 机 不 能 证 实 设 备 已 经 成 功 接 收 数 据 主 机 的 切 换 位 保 持 不 变 主 机 假 定 设 备 没 有 正 确 接 收 数 据, 就 初 始 化 一 个 重 发 事 务 事 务 2 1. 主 机 传 送 一 个 OUT 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 主 机 重 传 上 次 事 务 中 失 败 的 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 目 标 设 备 4. 目 标 设 备 接 收 DATA0 包, 但 是 DATA0 和 它 的 切 换 位 不 匹 配 5. 目 标 设 备 识 别 出 来 自 己 和 主 机 不 同 步, 因 此 丢 弃 这 个 数 据 包, 切 换 位 保 持 不 变 6. 这 时, 目 标 设 备 发 送 一 个 ACK 信 号 给 主 机, 通 知 数 据 已 经 正 确 接 收 这 是 因 为 主 机 看 起 来 没 有 收 到 前 一 个 握 手 应 答 信 号 7. 主 机 正 确 收 到 ACK 应 答 包 8. 由 于 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 主 机 切 换 位 转 变 为 1 这 时 主 机 和 设 备 准 备 进 行 下 一 个 传 输 主 机 和 设 备 对 数 据 是 否 成 功 传 输 了, 有 时 不 能 达 成 一 致 然 而, 数 据 切 换 机 制 可 以 检 测 到 非 同 步, 并 且 允 许 再 同 步 有 数 据 包 错 误 时,IN 事 务 中 的 数 据 切 换 图 8-8 描 述 了 一 个 有 ACK 错 误 的 IN 事 务 107

126 第 8 章 主 机 事 务 1 IN 令 牌 设 备 DATA 0 ACK 握 手 信 号 成 功 握 手 信 号 丢 失 主 机 事 务 2 IN 令 牌 设 备 DATA 0 ACK 握 手 信 号 事 务 1 图 8-8 带 有 数 据 切 换 机 制 和 握 手 错 误 的 IN 事 务 1. 主 机 传 送 一 个 IN 令 牌 给 目 标 设 备 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 目 标 设 备 传 送 一 个 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 主 机 4. 主 机 接 收 DATA1 包 ( 也 和 切 换 位 相 容 ) 5. 正 确 接 收 DATA0 包, 切 换 位 转 变 为 1 6. 主 机 传 送 一 个 ACK 握 手 应 答 包 给 目 标 设 备, 通 知 目 标 设 备 数 据 已 被 正 确 接 收 7. 目 标 收 到 有 错 误 的 ACK 包 8. 由 于 目 标 设 备 检 测 到 错 误, 这 样 目 标 设 备 不 能 证 实 设 备 已 经 成 功 接 收 数 据 目 标 设 备 的 切 换 位 保 持 不 变 目 标 设 备 假 定 主 机 没 有 正 确 接 收 数 据, 尝 试 重 发 这 个 事 务 目 标 设 备 会 在 下 一 个 事 务 中 返 回 同 样 的 数 据 事 务 2 1. 主 机 传 送 一 个 IN 令 牌 给 目 标 设 备 来 获 取 下 一 个 数 据 2. 目 标 设 备 正 确 接 收 这 个 令 牌 3. 目 标 设 备 重 传 上 次 事 务 中 失 败 的 DATA0 包 ( 和 切 换 位 相 容 ) 给 主 机, 因 为 它 认 为 主 机 没 有 收 到 这 个 包 4. 主 机 接 收 DATA0 包, 但 是 DATA0 和 它 的 切 换 位 不 匹 配 5. 主 机 识 别 出 来 自 己 和 目 标 设 备 不 同 步, 知 道 它 已 经 在 上 一 个 事 务 中 接 收 了 这 个 数 据 包 因 此 丢 弃 这 个 数 据 包, 切 换 位 保 持 不 变 6. 这 时, 主 机 发 送 一 个 ACK 信 号 给 主 机, 通 知 数 据 已 经 正 确 接 收 这 是 因 为 目 标 设 备 108

127 错 误 恢 复 看 起 来 没 有 收 到 前 一 个 握 手 应 答 信 号 7. 目 标 设 备 正 确 收 到 ACK 应 答 包 8. 由 于 正 确 接 收 ACK 应 答 包, 目 标 切 换 位 转 变 为 1 这 时 主 机 和 设 备 的 切 换 位 相 同 了 主 机 和 设 备 对 数 据 是 否 成 功 传 输 了, 有 时 不 能 达 成 一 致 然 而, 数 据 切 换 机 制 可 以 检 测 到 非 同 步, 并 且 允 许 再 同 步 特 殊 情 况 控 制 传 输 中 的 数 据 切 换 在 控 制 传 输 中 要 使 用 数 据 切 换 序 列 保 证 主 机 和 目 标 设 备 在 整 个 传 输 过 程 中 保 持 同 步 准 备 事 务 以 一 个 DATA0 数 据 段 开 始, 每 下 一 个 数 据 段 都 要 在 DATTA0 和 DATA1 之 间 变 换, 如 图 8-9 所 示 准 备 阶 段 数 据 阶 段 状 态 阶 段 读 控 制 准 备 数 据 0 数 据 1 数 据 0 数 据 1 数 据 0 数 据 1 写 控 制 准 备 数 据 0 数 据 1 数 据 0 数 据 1 数 据 0 数 据 1 图 8-9 控 制 传 输 过 程 中 的 数 据 切 换 当 有 一 个 数 据 切 换 错 误 在 控 制 读 的 数 据 阶 段 中 的 最 后 一 个 数 据 事 务 中 出 现 时, 就 会 有 问 题 如 果 数 据 阶 段 的 最 后 一 个 IN 事 务 产 生 一 个 失 效 的 握 手 信 号 包, 目 标 设 备 就 认 为 根 集 线 器 没 有 成 功 接 收 最 后 这 个 IN 事 务, 等 待 着 被 调 度 重 传 目 标 设 备 也 不 会 转 换 它 的 切 换 位, 准 备 重 新 发 送 IN 数 据 而 根 集 线 器 端 口 无 错 误 地 接 受 了 数 据 阶 段 的 这 个 IN 事 务, 转 换 了 切 换 位, 并 通 过 发 送 一 个 OUT 事 务 进 入 了 状 态 阶 段 这 个 情 况 下, 数 据 切 换 过 程 失 败 了, 因 为 目 标 设 备 等 待 重 传, 而 根 集 线 器 已 经 进 入 了 OUT 状 态 阶 段 这 个 问 题 可 以 用 一 个 专 门 的 协 议 来 避 免, 该 协 议 要 求 主 机 在 成 功 接 收 数 据 阶 段 的 最 后 一 个 事 务 的 基 础 上, 再 发 送 OUT 令 牌 当 目 标 设 备 识 别 到 数 据 的 传 输 方 向 变 成 了 OUT, 它 就 把 这 个 主 机 的 动 作 解 释 为 对 最 后 一 个 IN 事 务 成 功 传 输 的 证 实 目 标 转 变 它 的 切 换 位, 和 根 集 线 器 一 样 进 入 状 态 阶 段 注 意, 控 制 传 输 的 状 态 阶 段 总 是 使 用 DATA1 前 面 的 讲 述 也 许 会 留 下 这 样 的 印 象, 如 果 最 后 一 个 事 务 是 DATA1, 那 么 状 态 段 就 会 使 用 DATA0, 这 是 不 对 的 设 备 串 扰 如 果 一 个 设 备 未 能 成 功 结 束 其 事 务, 那 么 总 线 就 会 出 现 失 效 ( 即, 总 线 不 停 的 发 生 串 扰 ) 109

128 第 8 章 这 种 无 终 止 的 串 扰 会 是 引 起 总 线 的 死 锁 潜 在 因 素, 因 此 必 须 阻 止 串 扰 在 每 个 帧 的 末 尾 检 测 到, 它 的 特 性 是 由 一 个 上 行 的 包 起 始 符 决 定 的, 如 果 串 扰 不 停 止, 就 会 继 续 越 过 帧 的 末 尾 如 果 上 行 的 数 据 包 由 于 设 备 串 扰 而 未 能 以 帧 尾 结 束, 串 扰 设 备 就 要 通 过 禁 用 它 连 接 的 集 线 器 端 口 被 隔 离 活 动 损 耗 (LOA) 另 一 个 总 线 的 潜 在 错 误 是 活 动 损 耗 LOA LOA 是 在 总 线 开 始 传 输 包 的 时 候 形 成 的 特 征, 接 下 来 是 连 续 的 J 和 K 状 态, 没 有 EOP LOA 和 串 扰 一 样 是 总 线 的 死 锁 潜 在 因 素, 必 须 防 止 同 样 和 串 扰 一 样,LOA 在 每 个 帧 的 末 尾 由 集 线 器 检 测 到 串 扰 和 LOA 的 检 测 和 恢 复 集 线 器 负 责 检 测 和 恢 复 总 线 的 串 扰 和 LOA 这 些 错 误 特 征 由 帧 末 尾 期 望 条 件 决 定 主 机 不 再 继 续 包 结 束 符 前 面 的 事 务, 这 样 来 保 证 帧 结 束 前 不 会 有 总 线 活 动 发 生 在 正 常 情 况 下, 最 后 一 个 事 务 以 EOP 结 束, 接 着 是 空 闲 状 态 如 果 集 线 器 转 发 器 没 有 在 帧 的 末 尾 检 测 到 EOP, 就 说 明 存 在 错 误 帧 定 时 器 集 线 器 要 跟 踪 每 个 帧, 以 及 每 帧 的 末 尾 附 近 的 抽 样 总 线 活 动 每 个 集 线 器 中 的 帧 定 时 器 被 每 个 帧 开 始 时 广 播 的 包 的 帧 开 始 符 同 步 这 些 帧 定 时 器 必 须 在 缺 少 两 个 连 续 的 帧 开 始 符 令 牌 时 仍 然 能 够 维 持 同 步 状 态 图 8-10 画 出 了 帧 末 尾 的 两 个 抽 样 窗 口 如 果 集 线 器 检 测 到 总 线 活 动 ( 串 扰 ) 或 者 发 现 总 线 在 帧 末 尾 1 时 停 滞 在 一 个 非 空 闲 状 态, 它 就 必 须 停 止 上 行 数 据 的 传 输, 并 且 洪 泛 (float) 到 总 线 这 样 所 有 上 行 方 向 的 集 线 器 就 会 探 测 到 EOP 然 而, 如 果 集 线 器 在 EOF2 样 值 点 检 测 EOP 失 败, 它 就 必 须 禁 用 检 测 到 冲 突 设 备 的 端 口 通 过 这 种 方 式, 集 线 器 保 证 在 下 一 个 帧 开 始 的 时 候 总 线 处 在 空 闲 状 态 帧 N 帧 N+1 主 机 集 线 器 时 间 偏 移 帧 开 始 符 帧 终 止 符 1 帧 终 止 符 2 主 机 到 集 线 器 的 相 位 偏 移 图 8-10 集 线 器 EOF 点 在 主 机 生 成 的 帧 和 集 线 器 帧 定 时 器 之 间 存 在 着 定 时 相 位 偏 移 (timing skew) 这 种 偏 移 的 110

129 错 误 恢 复 来 源 主 要 包 括 : 集 线 器 可 能 错 过 的 连 续 帧 开 始 符 信 号 达 到 两 个, 从 主 机 的 最 大 时 间 偏 移 为 ±3 个 时 钟 主 机 时 钟 每 个 帧 可 以 调 整 一 个 位 时 间, 导 致 偏 移 为 1+2+3=6 个 时 钟 这 个 调 整 是 主 客 户 端 程 序 要 求 的 希 望 通 过 调 整 时 钟 来 使 之 与 客 户 端 设 备 的 抽 样 时 钟 同 步 注 意,2.0 规 范 中 去 掉 了 这 种 功 能 这 导 致 最 大 的 主 机 到 集 线 器 的 相 位 偏 移 为 ±9 个 时 钟 为 了 支 持 检 测 串 扰 和 LOA 错 误 的 恢 复, 第 二 个 帧 的 结 束 点 必 须 和 下 一 个 帧 的 开 始 点 分 开 所 有 集 线 器 的 第 二 个 帧 结 束 符 必 须 在 下 一 个 帧 开 始 符 前 一 位 时 间 出 现, 如 果 因 为 相 位 偏 移 的 问 题, 一 个 下 行 的 包 结 束 符 在 检 测 第 二 个 帧 结 束 符 前 没 有 到 达 集 线 器, 一 个 疏 忽 错 误 就 会 被 集 线 器 检 测 到 图 8-11 描 述 了 和 集 线 器 发 出 的 包 结 束 符 相 关 的 帧 结 束 符 1 和 帧 结 束 符 2 的 范 围 规 范 定 义 帧 结 束 符 1 在 下 一 个 帧 开 始 符 前 的 32 位 出 现 集 线 器 可 以 开 始 发 送 包 结 束 符 的 最 早 时 间 是 在 一 个 帧 结 束 点 前 的 9 位, 或 者 41 位, 最 迟 在 23 位 出 现 这 个 包 结 束 符 必 须 在 下 一 个 帧 开 始 符 前 19 个 位 的 时 间 内 完 成, 或 者 在 第 二 个 帧 结 束 符 前 的 9 个 位 时 间 ( 相 当 于 在 帧 开 始 符 前 的 10 个 位 时 间 ) 帧 结 束 符 2 必 须 在 不 晚 于 帧 开 始 符 前 的 一 个 位 时 间 发 生 最 新 的 主 机 数 据 包 帧 终 止 符 1 帧 终 止 符 2 帧 开 始 符 帧 终 止 符 1 范 围 帧 终 止 符 2 范 围 图 8-11 EOF 时 间 范 围 集 线 器 转 发 器 状 态 机 图 8-12 给 出 了 集 线 器 转 发 器 的 状 态 机 注 意, 这 个 状 态 机 基 于 USB 2.0 规 范 串 扰 检 测 功 能 只 在 下 行 集 线 器 被 与 主 机 帧 同 步 时 起 作 用 复 位 之 后, 转 发 器 处 在 等 待 上 行 的 包 起 始 符 状 态 (WFSOPFU) 这 个 包 开 始 符 就 是 这 个 包 的 帧 开 始 符, 激 发 一 个 事 务, 转 到 等 待 上 行 包 终 止 符 状 态 (WFEOPFU) 当 一 个 上 行 的 包 终 止 符 出 现, 事 务 或 者 转 到 WFSOPFU 状 态, 或 者 到 等 待 开 始 符 状 态 WFSOP( 两 个 方 向 均 可 ) 如 果 集 线 器 的 帧 时 钟 没 有 同 步 或 者 没 有 被 锁 定 到 帧 开 始 符 时 钟, 这 个 事 务 就 返 回 到 WFSOPFU 状 态 当 创 建 锁 的 时 候, 就 转 换 到 WFSOP 状 态 111

130 第 8 章 复 位 等 待 上 行 方 向 的 包 开 始 符 上 行 方 向 包 开 始 符 等 待 上 行 方 向 包 终 止 符 上 行 方 向 包 终 止 符 图 8-12 集 线 器 转 发 器 的 状 态 转 换 接 近 帧 尾 部 时 的 集 线 器 行 为 对 于 LOA 和 串 扰 的 检 测 很 重 要 在 总 线 空 闲 时, 或 者 集 线 器 被 同 步 到 包 的 帧 开 始 符 时, 集 线 器 处 在 等 待 包 开 始 符 状 态 (WFSOP) 当 检 测 到 一 个 包 开 始 了, 如 果 包 是 下 行 的, 转 发 器 转 到 等 待 包 结 束 符 状 态 (WFEOP), 如 果 是 上 行 的, 转 到 等 待 上 行 包 终 止 符 状 态 (WFEOPFU) 当 一 个 包 终 止 符 出 现, 转 发 器 变 成 WFSOP 状 态 正 常 情 况 下, 一 个 包 在 帧 结 束 符 1 抽 样 点 结 束 这 个 例 子 中, 集 线 器 转 发 器 在 EOF1 出 现 时, 应 该 处 于 WFSOP 状 态, 并 转 到 等 待 上 行 包 开 始 符 状 态 (WFSOPFU) 然 而, 这 一 个 上 行 包 传 输 过 程 中, 如 果 EOP 没 有 在 EOF1 之 前 出 现, 集 线 器 必 须 在 它 的 上 行 端 口 发 送 EOP 信 号 这 里 存 在 两 种 可 能 性 : 如 果 包 在 EOF2 样 值 点 前 结 束, 转 发 器 变 成 WFSOP 状 态, 然 后 变 成 WFSOPFU 阶 段 如 果 EOF2 样 值 点 在 检 测 到 包 结 束 符 前 出 现, 集 线 器 转 到 WFSOPFU 状 态, 并 且 禁 用 初 始 化 上 行 数 据 包 的 端 口 这 个 动 作 隔 离 了 串 扰 设 备 或 者 总 线 活 动 中 断 的 设 备 一 旦 集 线 器 在 WFSOPFU 状 态, 在 集 线 器 检 测 到 下 一 帧 开 始, 即 下 一 个 下 行 包 的 开 始 前, 它 一 直 保 持 这 个 状 态, 使 其 转 换 到 WFEOPFU 状 态 传 输 ( 不 保 证 交 付 ) 同 步 传 输 特 性 要 求 数 据 要 以 平 稳 速 率 传 输, 因 此 在 同 步 事 务 执 行 时, 不 支 持 重 传 和 传 送 握 手 包 112

131 错 误 恢 复 中 断 传 输 的 错 误 恢 复 中 断 传 输 采 用 握 手 信 号 包 和 数 据 切 换 机 制 来 检 测 和 恢 复 错 误 传 输 的 数 据 如 果 指 定 的 中 断 传 输 失 败, 在 下 一 个 服 务 时 间 它 会 被 调 度 重 传 批 量 传 输 的 错 误 恢 复 批 量 传 输 采 用 握 手 信 号 包 和 数 据 切 换 机 制 来 检 测 和 恢 复 错 误 传 输 的 数 据 如 果 指 定 的 批 量 传 输 失 败, 在 下 一 个 服 务 时 间 它 会 被 调 度 重 传 控 制 传 输 的 错 误 恢 复 因 为 控 制 传 输 可 能 包 括 三 个 阶 段, 它 们 会 出 现 特 殊 的 错 误 恢 复 问 题 三 个 阶 段 都 正 常 握 手 信 号 包, 也 是 用 数 据 切 换 序 列 来 校 验 数 据 数 据 切 换 从 准 备 阶 段 开 始 一 直 持 续 到 状 态 阶 段 113

132 USB 节 电 模 式 USB 节 电 模 式 9 上 一 章 中 断 批 量 和 控 制 传 输 都 要 求 USB 检 验 成 功 传 输 的 数 据 CRC 和 其 他 的 错 误 检 测 方 法 被 应 用 到 错 误 检 测 中, 如 果 发 现 错 误, 就 要 重 传 上 一 章 就 是 讨 论 各 种 错 误 情 况 和 USB 识 别 错 误 所 使 用 的 机 制, 以 及 改 正 这 些 错 误 的 恢 复 方 法 本 章 USB 设 备 通 过 进 入 挂 起 状 态 支 持 节 电 模 式 本 章 我 们 讨 论 设 备 在 软 件 的 控 制 下 进 入 挂 起 状 态 途 径 也 讨 论 软 件 如 何 再 唤 醒 设 备, 以 及 类 似 调 制 解 调 器 这 样 的 设 备 如 何 初 始 化 一 个 远 程 唤 醒 下 一 章 下 一 章 我 们 会 简 单 地 介 绍 高 速 设 备 的 操 作 为 讨 论 高 速 环 境 打 下 一 个 基 础 节 电 模 式 挂 起 挂 起 会 在 软 件 控 制 下 减 少 总 电 量 的 消 耗 USB 支 持 两 种 类 型 的 挂 起 全 局 挂 起 所 有 的 USB 设 备 进 入 挂 起 状 态 选 择 挂 起 选 定 的 设 备 进 入 挂 起 状 态 当 一 个 设 备 进 入 挂 起 状 态 就 只 能 消 耗 低 于 500 微 安 的 电 流 在 总 线 3 毫 秒 没 有 动 作 时, 设 备 就 进 入 挂 起 状 态 正 常 时 的 设 备 不 会 进 入 挂 起 状 态, 因 为 它 们 在 每 个 1 毫 秒 帧 的 开 始 接 收 帧 开 始 令 牌, 甚 至 在 没 有 发 生 其 他 USB 传 输 时 也 不 例 外 然 而, 低 速 设 备 只 能 看 见 低 速 传 输, 意 味 着 它 们 看 不 到 包 的 帧 开 始 符 和 任 何 全 速 事 务 因 此, 集 线 器 必 须 在 3 毫 秒 的 时 间 内 发 送 一 个 空 闲 信 号 给 所 有 的 低 速 端 口 一 个 K 状 态 的 事 务, 来 阻 止 低 速 端 口 不 小 心 进 入 挂 起 状 态 最 后 规 范 要 求 集 线 器 在 每 个 帧 的 开 始 发 送 一 个 低 速 的 EOP 给 所 有 的 低 速 设 备 设 备 对 挂 起 的 响 应 当 设 备 进 入 挂 起 状 态 时, 它 们 必 须 保 留 自 己 的 状 态, 消 耗 不 超 过 500 微 安 的 电 流, 支 持 113

133 第 9 章 远 程 唤 醒 的 高 速 设 备 需 要 2.5 毫 安 具 体 的 电 流 不 能 超 过 1 毫 秒 平 均 下 来 的 电 流 限 制 一 个 瞬 时 电 流 的 峰 值 允 许 在 平 均 时 隙 内 配 置 设 备, 但 不 能 超 过 设 备 配 电 量 ( 配 置 符 中 最 大 电 量 字 段 规 定 ) 这 种 限 制 包 括 和 D+ 和 D- 线 上 的 上 拉 电 阻 和 下 拉 电 阻 相 关 的 电 流 有 些 设 备 需 要 唤 醒 系 统 来 响 应 一 个 外 部 事 件 例 如, 当 一 个 调 制 解 调 器 从 外 线 收 到 一 个 铃 声 指 示 就 会 唤 醒 系 统 然 后 就 通 知 系 统 软 件 注 意 调 制 解 调 器 信 号 集 线 器 对 挂 起 的 响 应 当 一 个 集 线 器 检 测 到 在 它 的 上 行 端 口 总 线 超 过 3 毫 秒 没 有 动 作, 它 也 必 须 进 入 挂 起 状 态 由 于 集 线 器 检 测 到 总 线 3 毫 秒 没 有 动 作, 所 以 3 毫 秒 没 有 动 作 会 被 广 播 到 集 线 器 下 行 端 口 所 有 的 下 行 端 口, 包 括 集 线 器 自 己, 会 在 几 乎 相 同 的 时 间 内 检 测 到 挂 起 状 态 检 测 到 挂 起, 集 线 器 就 采 取 下 面 的 动 作 : 设 置 它 的 转 发 器 到 等 待 包 开 始 符 (WFSOP) 状 态 洪 泛 (float) 到 所 有 的 输 出 设 备 保 持 所 有 控 制 和 状 态 位 的 数 据 值 为 所 有 的 下 行 端 口 保 留 当 前 状 态 信 息 所 有 的 内 部 时 钟 停 止, 集 线 器 功 能 消 耗 的 电 量 减 到 最 小 由 于 每 个 下 层 的 设 备 也 进 入 挂 起 状 态, 每 个 设 备 的 电 流 可 以 降 到 500 微 安 这 意 味 着 集 线 器 自 己 的 电 流 也 会 下 降 配 置 了 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 有 设 备 连 接 到 下 层 端 口 时 可 以 降 到 2.5 毫 安 没 有 配 置 的 集 线 器 和 没 有 配 置 的 设 备 一 样 必 须 限 制 电 流 在 500 微 安 还 有, 当 在 挂 起 状 态 时, 集 线 器 必 须 能 够 支 持 下 层 端 口 远 程 唤 醒 定 义 的 最 大 电 流 因 为, 设 备 在 挂 起 时 可 以 驱 动 总 线 来 唤 醒 系 统, 这 在 下 一 章 讨 论 全 局 挂 起 全 局 挂 起 时 USB 网 络 中 的 设 备 从 上 到 下 都 进 入 挂 起 状 态 这 样 USB 消 耗 的 电 流 最 小 总 线 长 时 间 的 没 有 动 作 时 主 机 会 初 始 化 一 个 全 局 挂 起 全 局 挂 起 初 始 化 从 根 集 线 器 开 始 的 所 有 下 行 传 输 终 止 时, 全 局 挂 起 就 被 初 始 化 了 这 是 在 软 件 控 制 下 通 过 发 送 一 个 全 局 挂 起 请 求 到 根 集 线 器 的 控 制 端 口 完 成 的 所 有 的 设 备 ( 集 线 器 和 功 能 设 备 ) 在 3 毫 秒 没 有 动 作 时, 就 自 动 进 入 挂 起 状 态 从 全 局 挂 起 状 态 恢 复 当 设 备 从 总 线 上 检 测 到 恢 复 信 号 时, 就 从 挂 起 状 态 中 被 唤 醒 恢 复 通 过 非 空 闲 状 态 (K 状 态 ) 发 信 号, 以 如 下 方 式 初 始 化 : 通 过 根 集 线 器, 激 励 一 个 恢 复 信 号 给 所 有 的 下 行 电 缆 段 114

134 USB 节 电 模 式 通 过 任 何 连 接 在 可 用 端 口 电 缆 上 的 设 备 反 射 信 号 到 它 的 端 口, 再 给 所 有 启 用 的 下 行 端 口, 以 及 上 层 的 根 集 线 器 通 过 设 备 连 接 通 过 设 备 断 开 通 过 复 位, 让 所 有 设 备 重 新 配 置 下 面 一 部 分 我 们 讨 论 挂 起 和 恢 复 的 处 理 主 机 初 始 化 的 恢 复 主 机 软 件 可 以 通 过 向 根 集 线 器 发 送 一 个 恢 复 请 求 来 初 始 化 USB 的 唤 醒 根 集 线 器 响 应 这 个 信 号, 把 唤 醒 发 送 到 所 有 启 动 的 端 口, 如 图 9-1 所 示 恢 复 信 号 必 须 持 续 20 毫 秒, 给 每 个 连 接 的 设 备 足 够 的 时 间 从 挂 起 状 态 恢 复 并 准 备 接 收 事 务 根 集 线 器 通 过 发 送 一 个 EOP 信 号 持 续 两 个 低 速 位 时 间 来 结 束 这 个 恢 复 信 号 收 到 20 毫 秒 恢 复 信 号 的 下 层 集 线 器 也 必 须 延 长 这 个 信 号 给 它 所 有 启 用 的 下 层 端 口, 如 图 9-1 所 示 PCI 总 线 主 机 发 送 大 于 20 毫 秒 的 信 号, 根 集 线 器 用 低 速 的 包 终 止 符 中 断 这 个 信 号 主 机 控 制 器, 根 集 线 器 禁 用 端 口 设 备 1 设 备 2 集 线 器 设 备 3 禁 用 端 口 设 备 4 设 备 5 设 备 6 设 备 7 下 行 方 向 信 号 恢 复 设 备 8 设 备 9 图 9-1 主 机 初 始 化 恢 复 115

135 第 9 章 来 自 设 备 的 远 程 唤 醒 一 个 处 在 挂 起 状 态 的 设 备 可 以 通 过 经 USB 向 主 机 发 送 一 个 信 号 唤 醒 系 统 来 响 应 一 个 外 部 事 件 设 备 发 送 一 个 K 状 态 ( 非 空 闲 ) 到 总 线 上 初 始 化 恢 复 信 号 集 线 器 采 取 的 动 作 如 下 : 发 送 恢 复 信 号 到 上 行 端 口 发 送 恢 复 信 号 到 所 有 启 动 的 下 行 端 口 将 恢 复 信 号 反 射 回 原 始 设 备 图 9-2 描 述 了 事 件 步 骤 和 设 备 初 始 化 恢 复 的 延 时 步 骤 和 延 时 如 下 : 116

136 USB 节 电 模 式 PCI 总 线 主 机 在 检 测 到 设 备 2 启 动 信 号 的 900 微 秒 之 内, 恢 复 大 于 20 毫 秒 的 信 号 到 所 有 的 启 用 端 口, 根 集 线 器 用 低 速 的 包 终 止 符 中 断 这 个 信 号 主 机 控 制 器, 根 集 线 器 禁 用 端 口 集 线 器 必 须 中 断 上 行 端 口 的 信 号, 转 换 连 通 性, 传 递 从 主 机 返 回 的 信 号 集 线 器 在 检 测 到 设 备 7 启 动 信 号 的 900 微 秒 之 内, 恢 复 到 所 有 的 启 用 端 口 和 他 的 上 行 端 口 设 备 2 设 备 1 设 备 3 集 线 器 禁 用 端 口 集 线 器 在 检 测 到 设 备 9 启 动 信 号 的 900 微 秒 之 内, 恢 复 到 所 有 的 启 用 端 口 设 备 4 设 备 5 设 备 6 设 备 7 集 线 器 上 行 方 向 恢 复 信 号 下 行 方 向 恢 复 信 号 主 机 开 始 恢 复 信 号 设 备 8 设 备 9 设 备 9 初 始 化 启 动 信 号 到 全 局 挂 起 的 集 线 器 端 口 根 集 线 器 集 线 器 2 端 口 2 3 和 根 集 线 器 7 端 口 1 和 根 集 线 器 2 开 始 恢 复 信 号 集 线 器 7 开 始 恢 复 信 号 设 备 9 开 始 远 程 唤 醒 集 线 器 2 反 转 连 接 集 线 器 7 反 转 连 接 设 备 9 图 9-2 目 标 设 备 发 出 唤 醒 信 号 后 的 全 局 恢 复 1. 设 备 向 集 线 器 端 口 发 送 K 状 态 信 号 (t0) 2. 端 口 检 测 到 恢 复 信 号 3. 恢 复 信 号 被 集 线 器 7 广 播 到 其 上 层 端 口 和 所 有 启 用 的 下 层 端 口, 这 要 在 收 到 恢 复 信 号 的 900 微 秒 内 完 成 (t1) 117

137 第 9 章 4. 在 收 到 从 集 线 器 7 来 的 恢 复 信 号 900 微 秒 内, 集 线 器 2 发 送 恢 复 信 号 给 它 所 有 启 用 的 端 口 5. 集 线 器 7 在 t0 的 1~15 毫 秒 内 终 止 上 行 方 向 的 恢 复 驱 动 信 号, 但 是 不 能 早 于 100 微 秒, 不 能 逆 向 连 接 这 就 是 t2 6. 在 收 到 从 集 线 器 7 来 的 恢 复 信 号 10 毫 秒 内, 集 线 器 2 终 止 上 行 方 向 的 恢 复 驱 动 信 号, 但 是 不 能 早 于 50 微 秒 7. 当 根 集 线 器 检 测 到 恢 复 信 号, 它 初 始 化 一 个 20 毫 秒 的 恢 复 信 号 发 送 到 下 层 端 口, 包 括 原 始 端 口 8. 根 集 线 器 通 过 发 送 两 个 低 速 EOP 来 终 止 恢 复 信 号 注 意, 在 t0 和 t2 之 间 主 机 必 须 开 始 从 上 行 方 向 驱 动 恢 复 信 号, 而 下 行 的 集 线 器 还 在 发 送 恢 复 信 号 由 于 可 以 让 总 线 两 端 的 状 态 一 致, 所 以 不 会 出 现 什 么 问 题 来 自 集 线 器 根 端 口 的 远 程 唤 醒 如 果 集 线 器 可 以 执 行 一 个 远 程 唤 醒, 远 程 唤 醒 信 号 就 可 以 由 集 线 器 发 出 这 种 情 况 下, 当 集 线 器 检 测 到 状 态 变 化 事 件 ( 集 线 器 端 口 状 态 寄 存 器 和 状 态 变 化 寄 存 器 都 被 设 置 了 一 个 位 ), 它 就 以 前 面 所 讲 的 同 样 方 式 向 系 统 发 送 一 个 唤 醒 信 号 参 见 端 口 状 态 字 段 和 端 口 变 化 字 段, 这 里 定 义 了 一 个 能 引 起 集 线 器 生 成 远 程 唤 醒 的 事 件 选 择 性 挂 起 这 允 许 软 件 挂 起 一 个 独 立 的 事 务 和 总 线 上 选 定 的 一 段 选 择 性 挂 起 是 在 指 定 的 集 线 器 端 口 挂 起 的 时 候 被 软 件 初 始 化 的 处 于 挂 起 状 态 的 端 口 阻 止 所 有 的 下 行 数 据 流, 允 许 下 行 设 备 在 3 毫 秒 内 没 有 检 测 到 活 动, 便 进 入 挂 起 状 态 选 择 性 挂 起 初 始 化 主 机 软 件 可 以 挂 起 一 个 独 立 的 设 备 或 者 连 接 到 指 定 总 线 段 的 一 组 设 备 选 择 性 挂 起 是 通 过 发 送 设 置 端 口 状 态 ( 端 口 挂 起 ) 命 令 的 控 制 传 输 实 现 的 收 到 这 个 请 求 的 集 线 器 设 置 指 定 的 端 口 为 挂 起 状 态 注 意, 在 包 传 输 的 过 程 中 集 线 器 不 会 被 挂 起 包 传 输 结 束, 端 口 被 挂 起 当 挂 起 时, 端 口 不 会 把 下 行 总 线 数 据 流 传 输 给 设 备, 这 不 包 括 端 口 设 置 (Port Reset) 请 求 相 应 的, 集 线 器 也 不 会 使 上 行 方 向 的 数 据 流 通 过 下 层 端 口 由 于 总 线 传 输 被 终 止, 连 接 在 总 线 上 下 行 方 向 所 有 被 挂 起 端 口 上 的 设 备 都 不 会 检 测 到 总 线 活 动,3 毫 秒 之 后 进 入 挂 起 状 态 选 择 性 挂 起 的 恢 复 选 择 性 挂 起 的 恢 复 可 以 由 主 机 系 统 初 始 化, 也 可 以 由 被 远 程 唤 醒 的 设 备 初 始 化 下 面 我 们 分 别 讨 论 这 两 种 方 式 主 机 初 始 化 的 选 择 性 挂 起 恢 复 主 机 向 挂 起 的 集 线 器 端 口 发 送 一 个 清 除 端 口 特 征 (PORT_SUSPEND) 的 命 令 来 初 始 化 选 择 性 恢 复 这 就 让 端 口 向 连 接 在 它 上 面 的 设 备 发 出 恢 复 信 号 的 请 求 来 唤 醒 设 备 恢 复 信 118

138 USB 节 电 模 式 号 至 少 要 持 续 20 毫 秒, 然 后 是 一 个 低 速 的 EOP 集 线 器 内 设 置 一 个 状 态 位 指 示 恢 复 的 完 成, 设 备 可 以 被 访 问 了 状 态 位 必 须 在 低 速 EOP 信 号 发 出 3 毫 秒 之 后 设 置 这 个 延 时 使 得 设 备 有 足 够 的 时 间 在 它 们 成 为 可 被 事 务 访 问 的 目 标 设 备 之 前 同 步 化 它 们 的 帧 时 钟 然 而, 恢 复 了 的 设 备 会 在 这 3 毫 秒 周 期 之 间 看 到 总 线 活 动 设 备 唤 醒 的 选 择 性 挂 起 和 全 局 挂 起 的 恢 复 一 样, 远 程 唤 醒 可 以 恢 复 选 择 性 挂 起 然 而, 在 选 择 性 挂 起 的 条 件 下, 就 如 同 是 其 他 设 备 被 唤 醒 来 接 收 总 线 数 据 流 全 局 挂 起 恢 复 和 选 择 性 挂 起 恢 复 的 实 质 差 别 在 集 线 器 设 备 仅 仅 知 道 它 在 3 毫 秒 之 间 没 有 检 测 到 总 线 活 动, 就 进 入 了 挂 起 状 态 集 线 器 意 识 到 它 的 一 个 端 口 进 入 了 挂 起 状 态, 然 而, 集 线 器 本 身 和 其 他 的 集 线 器 端 口 没 有 被 挂 起, 仍 接 收 总 线 数 据 流 结 果, 选 择 性 挂 起 的 设 备 接 收 恢 复 信 号 时 集 线 器 向 上 行 方 向 或 任 何 其 他 端 口 发 送 恢 复 信 号 实 际 上, 远 程 唤 醒 是 选 择 性 挂 起 的 设 备 和 选 择 性 挂 起 的 集 线 器 端 口 之 间 的 私 有 事 务 当 选 择 性 挂 起 的 集 线 器 端 口 检 测 到 设 备 发 出 的 远 程 唤 醒 信 号 ( 由 空 闲 变 为 K 状 态 ), 响 应 如 下, 参 见 图 9-3 PCI 总 线 主 机 控 制 器, 根 集 线 器 禁 用 端 口 设 备 1 禁 用 端 口 设 备 2 集 线 器 选 择 性 挂 起 的 端 口 设 备 3 集 线 器 在 检 测 到 设 备 9 启 动 信 号 的 100 微 秒 之 内, 发 送 唤 醒 信 号 到 所 有 的 设 备, 必 须 大 于 20 毫 秒 唤 醒 信 号 根 集 线 器 用 低 速 的 包 终 止 符 中 断 这 个 信 号 设 备 4 设 备 5 设 备 6 设 备 7 集 线 器 设 备 9 初 始 化 唤 醒 信 号 到 全 局 挂 起 的 集 线 器 端 口 上 行 方 向 恢 复 信 号 下 行 方 向 恢 复 信 号 设 备 8 设 备 9 图 9-3 目 标 设 备 发 出 选 择 性 恢 复 信 号 1. 将 从 这 个 设 备 收 到 的 恢 复 信 号 在 100 微 秒 之 内 返 回 给 设 备 2. 维 持 这 个 信 号 至 少 20 毫 秒 119

139 第 9 章 3. 以 一 个 EOP 终 止 这 个 恢 复 信 号 4. EOP 之 后 3 毫 秒, 集 线 器 设 备 恢 复 完 成 状 态 位 概 括 的 说, 选 择 性 挂 起 专 门 包 括 挂 起 的 集 线 器 端 口 和 连 接 到 其 上 的 目 标 设 备 没 有 其 他 的 设 备 被 通 知 唤 醒, 因 为 它 们 可 能 正 在 执 行 当 前 广 播 到 USB 的 事 务 恢 复 信 号 也 不 会 被 发 送 到 其 他 选 择 性 挂 起 的 设 备 因 为 这 种 情 况 下 的 选 择 性 挂 起 不 是 先 被 主 机 初 始 化 的, 主 机 必 须 定 期 检 测 ( 轮 询 ) 状 态 位 看 是 否 有 恢 复 发 生 ( 获 取 总 线 状 态 中 详 述 了 检 测 端 口 状 态 的 机 制 ) 如 果 是 因 为 设 备 的 连 接 或 分 离 而 唤 醒 端 口, 集 线 器 采 取 基 本 相 同 的 动 作, 除 了 恢 复 信 号 不 再 返 回 到 初 始 化 端 口 事 实 上, 端 口 的 输 出 缓 冲 区 被 设 置 成 高 阻 状 态, 端 口 状 态 位 的 变 化 反 映 设 备 的 连 接 或 者 断 开 当 集 线 器 挂 起 时 的 选 择 性 挂 起 在 一 个 独 立 的 集 线 器 端 口 被 挂 起 时, 主 机 软 件 可 以 接 着 挂 起 整 个 集 线 器 ( 或 者 是 全 局 挂 起, 或 者 是 局 部 挂 起 ) 集 线 器 要 求 的 行 动 可 能 有 以 下 三 种 情 况 : 设 备 当 前 连 接 到 发 出 恢 复 信 号 的 端 口 设 备 连 接 到 选 择 性 挂 起 的 端 口 设 备 从 选 择 性 挂 起 的 端 口 断 开 设 备 发 出 恢 复 信 号 如 果 一 个 连 接 到 挂 起 端 口 的 设 备 发 送 恢 复 信 号, 挂 起 的 集 线 器 会 有 以 下 的 动 作, 如 图 9-4 所 示 : 1. 恢 复 信 号 下 行 发 送 到 所 有 启 用 的 端 口, 并 返 回 挂 起 端 口 ( 集 线 器 必 须 在 从 设 备 检 测 到 恢 复 信 号 的 100 微 秒 之 内 发 出 信 号, 并 继 续 维 持 这 个 信 号 20 毫 秒 ) 注 意, 选 择 性 挂 起 的 端 口 不 管, 继 续 保 持 挂 起 状 态 2. 恢 复 信 号 上 行 发 送 到 根 端 口, 也 必 须 在 检 测 到 设 备 信 号 的 100 微 秒 之 内 完 成, 然 而 恢 复 信 号 必 须 被 释 放,10 毫 秒 内 转 到 连 通 状 态 3. 上 层 端 口 必 须 在 最 少 20 毫 秒 内 将 信 号 返 回 集 线 器, 恢 复 信 号 反 射 到 所 有 启 用 的 下 层 端 口, 也 包 括 初 始 化 唤 醒 的 设 备 4. 根 端 口 在 恢 复 信 号 结 束 时 恢 复 一 个 低 速 的 EOP, 集 线 器 进 入 等 待 包 开 始 符 状 态 (WFSOP) 5. 集 线 器 设 备 状 态 位 指 示 选 择 性 挂 起 的 端 口 已 经 被 唤 醒 设 置 这 个 指 示 位 不 早 于 3 毫 秒, 让 集 线 器 的 帧 定 时 器 可 以 和 主 机 同 步 注 意, 上 行 端 口 被 全 局 挂 起, 也 可 以 是 选 择 性 挂 起 全 局 挂 起 时, 恢 复 信 号 被 向 上 反 射 回 根 集 线 器 如 果 上 层 端 口 是 选 择 性 挂 起 的, 就 像 图 9-4 那 样, 那 么 恢 复 信 号 会 被 反 射 回 下 层 的 集 线 器, 但 是 不 发 送 到 其 他 端 口 标 号 为 2 的 集 线 器 没 有 被 挂 起, 但 是 端 口 4 被 选 择 挂 起 了 当 端 口 4 检 测 到 恢 复 信 号, 集 线 器 反 射 这 个 信 号 回 到 设 备 7, 但 是 不 采 取 进 一 步 的 行 动 120

140 USB 节 电 模 式 选 择 性 挂 起 的 端 口 主 机 控 制 器, 根 集 线 器 集 线 器 ( 设 备 2) 发 送 下 行 唤 醒 信 号 恢 复 大 于 20 毫 秒 的 信 号 到 所 有 的 启 用 端 口, 根 集 线 器 用 低 速 的 包 终 止 符 中 断 这 个 信 号 设 备 2 设 备 1 集 线 器 设 备 3 集 线 器 在 检 测 到 设 备 7 启 动 信 号 的 100 微 秒 之 内, 恢 复 到 所 有 的 启 用 端 口 和 他 的 上 行 端 口 禁 用 端 口 选 择 性 挂 起 的 端 口 集 线 器 在 检 测 到 设 备 9 启 动 信 号 的 900 微 秒 之 内, 恢 复 到 所 有 的 启 用 端 口 设 备 4 设 备 5 设 备 6 设 备 7 集 线 器 上 行 方 向 恢 复 信 号 下 行 方 向 恢 复 信 号 设 备 8 设 备 9 设 备 9 初 始 化 启 动 信 号 到 选 择 性 挂 起 的 集 线 器 端 口 图 9-4 设 备 初 始 化 挂 起 集 线 器 的 选 择 性 恢 复 集 线 器 收 到 连 接 和 断 开 信 号 如 果 一 个 选 择 性 挂 起 的 端 口 收 到 一 个 终 端 0(SE0) 到 空 闲 的 事 务 ( 设 备 连 接 ) 或 者 一 个 空 闲 到 SE0 的 事 务 ( 设 备 断 开 ), 恢 复 信 号 不 会 反 射 回 选 择 性 挂 起 的 端 口, 端 口 的 输 出 缓 冲 区 被 设 置 为 高 阻 状 态 集 线 器 设 置 状 态 位 指 示 连 接 或 者 断 开 事 件, 端 口 不 再 处 于 挂 起 状 态 选 择 性 挂 起 后 接 全 局 挂 起 考 虑 这 样 一 种 情 况, 几 个 设 备 在 全 局 挂 起 之 前 已 经 被 选 择 性 挂 起 图 9-5 描 述 了 这 样 一 个 情 况 根 集 线 器 的 端 口 1 端 口 1 上 的 设 备 2 和 端 口 2 上 的 设 备 7 被 选 择 性 挂 起 其 他 设 备 因 全 局 挂 起 而 处 于 挂 起 状 态 这 个 例 子 中, 当 设 备 9 发 出 远 程 唤 醒, 集 线 器 ( 设 备 7) 发 出 这 个 恢 复 信 号 到 其 他 的 端 口 和 根 端 口 设 备 2 意 识 到 恢 复 信 号, 并 且 发 送 恢 复 信 号 到 除 了 端 口 1 以 外 的 所 有 端 口, 因 为 端 口 1 被 选 择 性 挂 起 了 根 集 线 器 在 端 口 2 检 测 到 恢 复 信 号, 反 射 这 个 信 121

141 第 9 章 号 到 设 备 2, 但 是 不 到 端 口 1, 因 为 它 被 选 择 性 挂 起, 也 不 到 端 口 3, 因 为 它 被 禁 用 了 只 有 系 统 完 成 了 全 局 恢 复 过 程, 主 机 才 可 以 选 择 性 唤 醒 在 全 局 挂 起 前 被 选 择 性 挂 起 的 设 备 PCI 总 线 主 机 在 检 测 到 设 备 2 启 动 信 号 的 900 微 秒 之 内, 恢 复 大 于 20 毫 秒 的 信 号 到 所 有 的 启 用 端 口, 根 集 线 器 用 低 速 的 包 终 止 符 中 断 这 个 信 号 主 机 控 制 器, 根 集 线 器 选 择 性 挂 起 的 端 口 禁 用 端 口 集 线 器 必 须 中 断 上 行 端 口 的 信 号 10 毫 秒 以 上, 转 换 连 通 性, 传 递 从 主 机 返 回 的 信 号 集 线 器 必 须 在 检 测 到 设 备 7 的 唤 醒 信 号 100 微 秒 内, 发 送 恢 复 信 号 到 所 有 没 有 选 择 性 挂 起 的 启 用 端 口 和 它 的 根 端 口 设 备 2 设 备 1 集 线 器 设 备 3 选 择 性 挂 起 的 端 口 集 线 器 在 检 测 到 设 备 9 启 动 信 号 的 900 微 秒 之 内, 恢 复 到 所 有 的 启 用 端 口 设 备 4 设 备 5 设 备 6 设 备 7 集 线 器 上 行 方 向 恢 复 信 号 下 行 方 向 恢 复 信 号 设 备 8 设 备 9 设 备 9 初 始 化 启 动 信 号 到 全 局 挂 起 的 集 线 器 端 口 图 9-5 选 择 性 和 全 局 挂 起 的 恢 复 通 过 复 位 恢 复 当 一 个 挂 起 的 集 线 器 在 它 的 上 层 端 口 检 测 到 复 位 信 号 (SE0>2.5 微 秒 ) 时, 它 必 须 初 始 化 唤 醒 进 程 集 线 器 必 须 被 唤 醒, 并 在 收 到 复 位 信 号 10 毫 秒 之 内 完 成 复 位 复 位 完 成 后, 集 线 器 控 制 器 状 态 如 下 : 默 认 地 址 为 0 122

142 USB 节 电 模 式 控 制 位 设 成 默 认 值 集 线 器 转 发 器 在 WFSOP 状 态 所 有 下 行 端 口 处 在 电 源 关 状 态 ( 有 电 源 开 关 的 集 线 器 ) 所 有 下 行 端 口 处 在 断 开 状 态 ( 没 有 电 源 开 关 的 集 线 器 ) 一 个 包 含 有 电 源 开 关 端 口 的 总 线 不 能 保 证 主 机 初 始 化 的 复 位 能 够 发 送 到 所 有 下 行 的 路 径 这 是 因 为 一 个 支 持 电 源 开 关 的 上 层 集 线 器 在 复 位 之 后 会 变 成 电 源 关 状 态 因 此, 电 源 下 行 方 向 会 在 复 位 完 成 前 从 总 线 驱 动 的 集 线 器 和 设 备 上 撤 除 然 而 一 个 电 源 关 的 设 备 电 源 撤 除 足 够 长 时 间 之 后 会 有 效 复 位 注 意, 一 旦 执 行 复 位, 所 有 设 备 都 要 重 新 配 置 唤 醒 后 集 线 器 帧 定 时 器 当 处 在 挂 起 状 态 时, 集 线 器 关 闭 它 的 帧 定 时 器 减 少 电 量 消 耗 当 一 个 恢 复 出 现, 定 时 器 必 须 重 新 启 动, 并 且 用 一 定 的 时 间 根 据 包 的 帧 开 始 符 和 主 机 同 步 正 常 情 况 下, 集 线 器 在 帧 的 末 尾 检 测 总 线 状 态, 看 设 备 是 否 发 生 串 扰 或 者 总 线 死 锁 在 非 空 闲 状 态 然 而, 在 刚 脱 离 挂 起 状 态 时, 集 线 器 还 没 有 主 机 时 钟 概 念, 在 同 步 到 主 机 时 钟 之 前 不 能 检 测 到 这 些 可 能 发 生 的 错 误 所 有 的 集 线 器 在 检 测 到 两 个 包 的 帧 开 始 符 之 后, 必 须 和 主 机 帧 定 时 器 同 步 为 了 防 止 串 扰 和 LOA 挂 起 总 线, 集 线 器 在 它 收 到 包 的 帧 开 始 符 之 前 不 能 在 上 行 方 向 有 任 何 活 动 当 集 线 器 进 入 等 待 上 行 包 的 开 始 符 状 态 时, 上 行 的 数 据 流 被 集 线 器 阻 止 集 线 器 脱 离 挂 起 状 态, 就 进 入 WFSOPFU 状 态, 因 此 阻 止 了 上 行 的 总 线 传 输 被 唤 醒 后 集 线 器 在 收 到 包 的 第 一 个 帧 开 始 的 时 候 从 WFSOPFU 状 态 转 移 到 WFEOPFU 状 态 如 果 帧 定 时 器 没 有 被 锁 定 到 包 的 帧 开 始 符, 转 发 器 就 回 到 WFSOPFU 状 态 一 旦 帧 定 时 器 锁 定, 上 行 的 SOP 引 起 一 个 事 务, 并 从 WFEOPFU 转 到 WFSOP 状 态 ( 见 图 9-6) 注 意, 下 行 的 数 据 即 使 在 集 线 器 处 于 WFSOPFU 状 态 时 也 要 继 续 向 下 传 输 如 果 下 层 设 备 被 访 问, 它 们 就 会 通 过 给 主 机 返 回 数 据 包 来 响 应 由 于 包 的 传 输 被 集 线 器 阻 止, 主 机 会 检 测 到 一 个 超 时, 因 为 没 有 从 设 备 来 的 响 应 因 此, 规 范 推 荐, 主 机 不 要 访 问 刚 刚 从 挂 起 状 态 恢 复 的 总 线 段 上 的 设 备, 以 避 免 无 效 的 总 线 超 时 复 位 等 待 上 行 方 向 的 包 开 始 符 等 待 上 行 方 向 包 终 止 符 上 行 方 向 包 开 始 符 上 行 方 向 包 终 止 符 123

143 第 9 章 图 9-6 具 有 挂 起 和 恢 复 事 务 的 转 发 器 状 态 机 124

144 第 三 部 分 高 速 设 备 操 作 第 三 部 分 讨 论 高 速 的 USB 设 备 和 集 线 器 的 操 作 第 三 部 分 的 章 节 和 专 题 如 下 : 第 10 章 : 高 速 设 备 操 作 概 况 第 11 章 : 高 速 信 号 环 境 第 12 章 : 高 速 传 输 事 务 和 调 度 第 13 章 : 高 速 错 误 检 测 和 处 理 第 14 章 : 高 速 挂 起 和 恢 复 1

145 高 速 设 备 操 作 概 况 高 速 设 备 操 作 概 况 10 上 一 章 USB 设 备 通 过 进 入 挂 起 状 态 支 持 节 电 模 式 上 一 章 我 们 讨 论 设 备 在 软 件 的 控 制 下 进 入 挂 起 状 态 的 途 径 还 讨 论 了 软 件 如 何 再 唤 醒 设 备, 以 及 类 似 调 制 解 调 器 这 样 的 设 备 如 何 初 始 化 一 个 远 程 唤 醒 本 章 本 章 我 们 会 简 单 介 绍 高 速 设 备 的 操 作, 为 讨 论 高 速 环 境 打 下 一 个 基 础 下 一 章 高 速 性 能 的 设 备 必 须 也 能 在 全 速 信 号 环 境 中 通 信 高 速 设 备 为 在 全 速 环 境 操 作 附 加 了 许 多 扩 展 功 能, 使 其 可 以 以 480Mb/s 的 速 率 可 靠 地 发 送 信 号 下 一 章 我 们 主 要 介 绍 高 速 设 备 的 信 号 规 则 高 速 和 全 速 环 境 之 间 的 转 换 方 法 概 述 高 速 设 备 的 操 作 除 了 最 明 显 的 差 别 速 率 不 同 以 外, 还 在 很 多 其 他 方 面 都 和 低 速 以 及 全 速 设 备 有 着 差 别 也 许 最 大 的 差 别 在 于 低 速 和 全 速 设 备 必 须 以 高 速 和 全 速 操 作 这 确 保 了 高 速 设 备 在 USB 1.x 系 统 中 和 在 2.0 系 统 中 同 样 适 用 高 速 设 备 的 新 特 点 在 2.0 系 统 中 高 速 设 备 只 能 利 用 它 们 的 高 速 性 能 新 的 高 速 设 备 也 可 以 在 1.x 系 统 中 完 成 自 己 的 功 能, 但 是 不 需 要 全 部 的 功 能 下 面 是 高 速 设 备 的 一 些 新 特 点 和 与 高 速 性 能 相 关 的 主 要 变 化 需 要 使 用 新 的 主 机 控 制 器 要 求 包 括 USB 总 线 驱 动 程 序 和 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 的 新 系 统 软 件 支 持 高 速 设 备 要 求 有 新 的 高 速 设 备 的 客 户 端 驱 动 程 序 周 期 性 的 事 务 调 度 是 在 125 微 秒 ( 称 为 微 帧 ) 的 时 隙 中 完 成, 而 不 是 低 速 和 全 速 的 125

146 第 10 章 1 毫 秒 时 隙 为 同 步 传 输 批 量 传 输 和 中 断 传 输 定 义 了 新 的 最 大 有 效 载 荷 为 数 据 包 握 手 应 答 包 和 特 殊 类 型 的 包 定 义 了 新 的 包 类 型 为 同 步 终 点 和 中 断 终 点 定 义 了 高 带 宽 事 务 错 误 检 测 在 概 念 上 和 1.x 系 统 相 同, 但 是, 和 时 间 相 关 的 变 量 被 调 整 以 适 应 较 高 的 位 速 率 高 速 的 收 发 器 被 改 变 以 适 应 高 速 的 位 速 率, 但 是 还 要 保 持 与 全 速 和 低 速 信 号 的 兼 容 高 速 集 线 器 必 须 支 持 三 种 速 率 高 速 集 线 器 在 和 低 速 全 速 设 备 通 信 的 时 候 要 使 用 分 裂 事 务 的 技 术 增 加 了 新 的 设 备 描 述 符, 对 已 有 的 描 述 符 也 做 了 适 当 的 调 整 定 义 了 新 的 控 制 传 输 请 求 支 持 USB 1.x 系 统 USB 2.0 系 统 在 两 个 方 面 支 持 1.x 系 统 : 高 速 设 备 可 以 连 接 到 1.x 的 集 线 器 端 口, 并 以 全 速 访 问 低 速 和 全 速 设 备 可 以 连 接 到 高 速 集 线 器 端 口, 并 以 它 们 本 身 的 速 度 被 访 问 图 10-1 描 述 了 包 括 高 速 和 全 速 集 线 器 端 口 的 2.0 系 统 的 拓 扑 结 构 高 速 设 备 连 接 到 高 速 端 口 时 即 进 行 正 常 工 作 但 是, 当 高 速 设 备 连 接 到 1.x 集 线 器 端 口 时 则 只 能 以 全 速 工 作 注 意, 这 种 情 况 下, 设 备 可 以 没 有 全 部 的 功 能 高 速 2.0 主 机 控 制 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 2.0 集 线 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 低 速 设 备 USB 1.1 集 线 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 图 10-1 USB 2.0 拓 扑 结 构 示 例 126

147 高 速 设 备 操 作 概 况 当 1.0 或 者 1.1 设 备 连 到 一 个 高 速 性 能 的 设 备, 集 线 器 要 配 置 它 的 信 号 接 口 以 便 设 备 能 够 以 要 求 的 速 率 通 信 这 时, 高 速 性 能 的 集 线 器 端 口 提 供 完 全 和 旧 的 USB 设 备 的 兼 容 性 2.0 主 机 控 制 器 2.0 主 机 控 制 器 ( 带 有 扩 展 的 主 机 控 制 器 接 口 ) 的 规 范 在 编 写 本 书 的 过 程 中 还 未 公 布 在 公 布 之 后,MindShare 会 将 控 制 器 的 功 能 和 特 点 总 结 成 文 档, 并 且 放 在 上 以 供 大 家 下 载 127

148 第 11 章 11 高 速 信 号 环 境 上 一 章 上 一 章 我 们 简 单 地 介 绍 了 高 速 设 备 的 操 作, 为 讨 论 高 速 环 境 打 下 了 一 个 基 础 本 章 高 速 性 能 的 设 备 必 须 也 能 在 全 速 信 号 环 境 中 通 信 高 速 设 备 为 在 全 速 环 境 操 作 附 加 了 许 多 扩 展 功 能, 使 其 可 以 以 480Mb/s 的 速 率 可 靠 地 发 送 信 号 本 章 我 们 主 要 介 绍 高 速 设 备 的 信 号 规 则 和 高 速 全 速 环 境 之 间 的 转 换 方 法 下 一 章 下 一 章 我 们 主 要 介 绍 2.0 规 范 带 来 的 变 化 USB1.0 定 义 的 传 输 和 高 速 环 境 中 的 有 相 同 的 特 性, 然 而, 也 有 一 些 变 化, 例 如 包 的 大 小 一 些 新 的 特 点 也 被 加 到 了 高 速 环 境 中, 例 如 高 带 宽 的 传 输 和 PING 协 议 这 些 和 这 里 我 们 还 没 有 提 到 的 变 化 都 会 在 下 一 章 讲 述 概 述 高 速 设 备 应 该 在 全 速 和 高 速 环 境 下 都 能 操 作 这 个 能 力 保 证 了 任 何 连 接 到 1.x 端 口 ( 例 如 1.x 的 根 端 口 和 1.x 的 端 口 集 线 器 ) 的 高 速 设 备 都 可 以 正 常 工 作 这 个 要 求 对 于 兼 容 大 量 现 有 的 1.x 集 线 器 和 系 统 是 很 重 要 的 相 似 的, 高 速 集 线 器 也 必 须 支 持 连 接 到 它 下 层 端 口 的 低 速 全 速 高 速 设 备, 保 证 所 有 USB 设 备 的 兼 容 性 图 11-1 总 结 了 每 个 高 速 集 线 器 和 设 备 收 发 器 对 于 端 口 速 度 性 能 的 要 求 高 速 集 线 器 必 须 能 够 检 测 到 它 们 是 和 高 速 端 口 还 是 和 全 速 端 口 连 接, 并 且 能 以 相 应 的 速 度 正 确 操 作 当 高 速 集 线 器 连 接 到 高 速 端 口 时, 它 必 须 能 检 测 到 连 接 在 它 上 面 的 设 备 是 高 速 全 速 还 是 低 速 的, 并 且 能 以 设 备 的 速 度 运 行 高 速 信 号 接 口 必 须 包 括 必 要 的 特 征, 以 支 持 适 应 上 层 端 口 的 速 度, 并 且 支 持 不 同 的 信 号 事 件 高 速 接 口 必 须 有 以 下 能 力 : 不 同 速 率 接 口 之 间 的 动 态 传 输 高 速 设 备 检 测 ( 高 速 集 线 器 和 设 备 之 间 的 握 手 信 号 ) 128

149 高 速 信 号 环 境 高 速 设 备 断 开 检 测 ( 仅 集 线 器 端 口 ) 高 速 2.0 主 机 控 制 器 USB 2.0 根 集 线 器 端 口 必 须 以 低 速 / 全 速 / 高 速 运 行 高 速 集 线 器 高 速 设 备 全 速 设 备 低 速 设 备 高 速 / 全 速 / 低 速 设 备 所 有 的 高 速 设 备 必 须 以 低 速 / 全 速 / 高 速 运 行 图 11-1 高 速 端 口 必 须 支 持 所 有 速 率 发 送 信 号 ( 仅 集 线 器 端 口 ) 和 检 测 高 速 复 位 支 持 高 速 差 动 信 号 ( 包 括 阻 抗 匹 配 ) 发 送 和 检 测 高 速 包 开 始 信 号 发 送 和 检 测 高 速 包 结 束 信 号 支 持 挂 起 和 复 位 的 操 作 和 信 号 每 个 上 面 列 出 的 信 号 功 能 都 会 在 本 章 后 面 讲 述 图 11-2 显 示 了 高 速 收 发 器 的 接 口 有 灰 色 阴 影 的 接 口 组 件 在 1.x 收 发 器 中 使 用, 黑 色 阴 影 的 接 口 组 件 是 支 持 高 速 信 号 的 差 动 接 收 器 用 了 两 种 阴 影, 因 为 它 们 支 持 所 有 的 三 种 速 率 129

150 第 11 章 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 下 行 流 端 口 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 信 号 结 束 接 收 器 信 号 结 束 接 收 器 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 发 射 包 络 探 测 器 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 发 射 包 络 探 测 器 断 连 包 络 探 测 器 图 11-2 高 速 信 号 接 口 高 速 设 备 连 接 检 测 高 速 集 线 器 端 口 必 须 能 够 检 测 高 速 设 备 全 速 设 备 和 低 速 设 备 何 时 被 连 到 了 端 口 在 高 速 设 备 连 接 到 高 速 端 口 时 最 初 是 以 全 速 设 备 出 现 高 速 设 备 和 高 速 端 口 传 输 一 个 握 手 信 号 指 示 这 是 个 高 速 设 备 如 果 握 手 信 号 传 输 失 败, 那 么 就 默 认 为 这 是 个 全 速 设 备 事 件 序 列 如 图 11-3 所 示, 并 且 假 定 端 口 已 经 加 电 这 个 序 列 也 指 示 了 全 速 设 备 连 接 时 会 发 生 什 么, 但 设 备 复 位 时 会 出 现 的 握 手 信 号 ( 叫 做 线 性 调 频 脉 冲 序 列 ) 除 外 设 备 连 接 设 备 连 接 到 设 备 发 送 信 号 的 延 时 系 统 软 件 强 制 的 信 号 震 荡 总 线 复 位, 脉 冲 序 列 高 速 总 线 空 闲 图 11-3 设 备 连 接 到 高 速 操 作 系 统 的 事 件 序 列 130

151 高 速 信 号 环 境 初 始 化 设 备 检 测 全 速 和 高 速 设 备 在 D+ 线 上 都 有 一 个 1.5 千 欧 的 电 阻 当 设 备 连 接 时, 电 缆 设 备 和 D+ 线 上 的 上 拉 电 阻 都 被 加 电, 导 致 集 线 器 接 收 器 上 升 到 V1H 软 件 然 后 轮 询 集 线 器, 检 测 到 全 速 设 备 的 连 接 设 备 的 复 位 和 线 性 调 频 脉 冲 序 列 当 软 件 检 测 到 全 速 设 备 连 接 了, 就 会 通 过 复 位 端 口 (RESETPORT) 命 令 发 送 一 个 RESET 信 号 到 集 线 器, 让 集 线 器 驱 动 一 个 SE0 信 号 超 过 (D+ 和 D- 都 要 )10 毫 秒 如 果 连 接 的 是 高 速 设 备, 那 就 开 始 一 个 线 性 调 频 脉 冲 序 列 图 11-4 描 述 了 这 个 序 列 这 个 序 列 的 每 一 步 阐 述 如 下 : 1. 集 线 器 驱 动 RESET 信 号, 就 是 t0 中 的 线 性 调 频 脉 冲 序 列 2. 高 速 设 备 检 测 到 RESET, 发 送 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 源 电 流 通 过 高 速 电 流 驱 动 器 发 送 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 到 D- 线 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 必 须 发 送 大 于 1 毫 秒, 但 是 不 能 超 过 T0 之 后 的 7 毫 秒 3. 当 驱 动 一 个 全 速 的 RESET 信 号 时, 集 线 器 的 高 速 接 收 器 被 激 活 并 等 待 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 高 速 集 线 器 必 须 在 它 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 发 出 之 后 的 2.5 微 秒 之 内 检 测 到 它 注 意, 如 果 检 测 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 失 败, 那 么 就 完 成 全 速 设 备 的 复 位, 并 保 持 全 速 信 号 模 式 4. 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 从 设 备 终 端 出 来 的 100 微 秒 之 内, 集 线 器 必 须 回 复 一 个 交 替 的 线 性 调 频 脉 冲 序 列 和 线 性 调 频 脉 冲 序 列 J 这 个 序 列 有 如 下 特 征 : - 这 个 序 列 过 程 中 不 允 许 总 线 空 闲 - 必 须 在 500 微 秒 之 内 结 束, 并 且 不 晚 于 RESET 结 束 前 的 100 微 秒 - 每 个 线 性 调 频 脉 冲 序 列 K 和 J 时 间 应 该 大 于 40 微 秒 小 于 60 微 秒 5. 一 旦 复 位 结 束, 集 线 器 继 续 通 过 全 速 驱 动 程 序 驱 动 一 个 SE0 6. 在 设 备 检 测 到 6 个 线 性 调 频 脉 冲 序 列 (3 个 交 替 的 K 和 J 信 号 对 ) 后, 它 就 要 在 500 微 秒 之 内 转 变 成 高 速 设 备 转 换 要 求 : - 从 D+ 断 开 上 拉 电 阻 - 启 用 高 速 设 备 终 端 - 设 置 高 速 设 备 默 认 状 态 注 意, 高 速 设 备 必 须 在 自 己 发 出 线 性 调 频 脉 冲 序 列 之 后 的 1 到 2.5 毫 秒 之 间 检 测 到 返 回 的 有 效 线 性 调 频 脉 冲 序 列 对 如 果 没 有 检 测 到 线 性 调 频 脉 冲 序 列, 这 个 高 速 设 备 就 要 继 续 以 全 速 操 作 当 高 速 集 线 器 和 高 速 设 备 都 完 成 它 们 线 性 调 频 脉 冲 序 列 的 检 测 后, 它 们 就 进 入 到 高 速 操 作 信 号 模 式 131

152 第 11 章 集 线 器 信 号 设 备 信 号 脉 冲 序 列 K,J 脉 冲 序 列 设 备 转 换 为 高 速 信 号 图 11-4 检 测 高 速 设 备 所 用 的 线 性 调 频 脉 冲 序 列 高 速 接 口 空 闲 一 旦 线 性 调 频 脉 冲 序 列 结 束, 总 线 就 处 于 空 闲 状 态 全 速 驱 动 器 连 续 发 送 SE0 信 号 使 阻 抗 匹 配 高 速 差 动 信 号, 让 两 根 数 据 线 都 处 于 低 电 平 状 态 ( 参 见 阻 抗 匹 配 专 题 ) 这 也 标 识 了 全 速 信 号 环 境 使 用 SE0 事 件 的 变 化, 包 括 复 位 和 包 结 束 信 号 高 速 差 动 信 号 高 速 电 流 发 送 器 和 高 速 接 收 器 执 行 高 速 差 动 信 号 高 速 环 境 也 需 要 消 除 纵 波 的 影 响 ( 反 射 ) 在 以 480Mb/s 速 率 传 播 时, 如 果 路 径 没 有 按 照 性 能 要 求 的 阻 抗 结 束, 就 会 发 生 反 射 阻 抗 匹 配 在 传 输 高 速 信 号 时, 阻 抗 匹 配 可 以 消 除 不 希 望 看 到 的 信 号 反 射, 这 要 给 电 缆 匹 配 一 个 90 欧 姆 的 电 阻, 由 数 据 线 之 间 的 两 个 串 联 的 45 欧 姆 的 电 阻 构 成 当 全 速 设 备 发 送 SE0 信 号 ( 两 根 数 据 线 都 是 低 电 平 ) 时 完 成 匹 配 发 送 器 的 输 出 阻 抗 必 须 加 以 控 制, 这 样 当 发 送 器 是 开 的 时 候, 每 根 数 据 线 和 地 之 间 看 到 的 都 是 45 欧 姆 的 电 阻 合 成 的 90 欧 姆 差 动 电 阻 产 生 一 个 0 系 数 的 反 射 规 范 推 荐 在 COMS 缓 冲 区 使 用 低 输 出 阻 抗 和 一 个 串 联 电 阻 相 结 合 的 方 式 在 电 路 的 终 端 形 成 一 个 45 欧 姆 的 阻 抗 集 线 器 的 全 速 驱 动 器 和 设 备 的 全 速 驱 动 器 在 功 能 上 成 为 电 阻, 每 个 都 是 所 要 求 的 90 欧 姆 电 阻 的 一 半 图 11-5 显 示 了 这 种 实 现 132

153 高 速 信 号 环 境 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 下 行 流 端 口 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 下 行 流 端 口 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 图 11-5 高 速 电 缆 终 端 负 载 规 范 要 求 全 速 驱 动 器 的 输 出 阻 抗 控 制 在 45 欧 姆 ±10%(40.5 到 49.5 欧 姆 ), 以 符 合 高 速 性 能 收 发 器 的 需 要 规 范 也 要 求 全 速 驱 动 器 必 须 有 一 个 在 28 到 44 欧 姆 间 的 输 出 阻 抗 来 满 足 非 高 速 设 备 的 需 要 由 于 高 速 设 备 要 求 在 高 速 和 全 速 信 号 环 境 下 都 能 正 常 操 作, 所 以 高 速 性 能 的 设 备 要 不 得 不 受 限 于 全 速 设 备 的 规 范, 这 也 很 有 意 思 规 范 在 这 个 区 别 上 没 有 给 出 详 细 的 参 考, 因 此 作 者 解 释 一 下, 当 高 速 性 能 的 设 备 以 全 速 模 式 操 作 时, 可 能 产 生 的 5.5 欧 姆 的 差 别 不 会 在 全 速 信 号 环 境 下 引 起 什 么 问 题 高 速 驱 动 器 特 性 高 速 数 据 传 输 和 低 速 全 速 数 据 传 输 一 样, 数 据 流 以 双 向 不 归 零 码 编 码, 在 电 缆 上 以 差 动 信 号 传 输 差 动 变 换 的 时 候 表 示 一 个 逻 辑 的 0, 给 定 的 位 时 间 内 没 有 变 换 的 就 是 逻 辑 的 1 相 似 的, 差 动 信 号 的 状 态 也 有 K 和 J 两 种 状 态, 与 低 速 和 全 速 环 境 中 一 样 图 11-6 描 述 了 发 送 高 速 差 动 信 号 的 基 本 组 件 发 送 高 速 信 号 是 由 电 流 驱 动 器 完 成 的, 驱 动 器 向 D+ 和 D- 信 号 线 分 别 发 送 直 流 电, 分 别 表 示 高 速 的 K 和 J 信 号 电 流 一 般 在 毫 安, 通 过 一 个 22.5 欧 姆 的 负 载 ( 两 个 45 欧 姆 的 负 载 并 联 ) 接 地 根 据 电 流 是 发 送 到 D+ 还 是 D- 信 号 线, 产 生 一 个 近 似 于 ±400 毫 伏 的 电 压 133

154 第 11 章 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 下 行 流 端 口 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 图 11-6 发 送 高 速 差 动 信 号 时 的 接 口 元 件 规 范 推 荐 在 高 速 信 号 发 送 之 前 保 持 高 速 驱 动 器 的 禁 用 状 态, 但 是 可 以 想 见 这 样 对 于 时 间 同 步 和 满 足 振 幅 要 求 会 很 困 难, 因 为 我 们 要 求 开 始 包 的 传 输 不 能 丢 失 第 一 位 因 此 规 范 允 许 一 个 较 低 电 源 效 率 的 解 决 方 案, 驱 动 器 可 以 在 没 有 信 号 传 输 的 时 候 也 保 持 开 的 状 态 并 且 可 以 向 接 地 端 发 送 电 流 图 11-6 是 一 个 输 入 端 标 记 着 高 速 电 流 可 用 高 速 驱 动 可 用 高 速 传 输 数 据 记 号 的 电 流 驱 动 器 在 这 个 例 子 中, 当 没 有 信 号 传 输 时, 高 速 电 流 可 用 的 输 入 激 活 电 流 驱 动 器, 但 高 速 驱 动 可 用 就 发 送 电 流 到 接 地 端 通 过 禁 用 高 速 驱 动 可 用 和 触 发 高 速 Xmt 数 据 输 入 来 发 送 差 动 信 号, 将 电 流 送 到 D+ 和 D- 端 高 速 空 闲 图 11-6 清 晰 的 显 示 了 没 有 信 号 在 总 线 上 发 送 时 总 线 的 状 态 这 种 情 况 下, 每 条 电 路 末 端 的 45 欧 姆 电 阻 都 使 电 流 保 持 在 低 电 平, 指 示 总 线 空 闲 高 速 总 线 的 空 闲 一 般 只 维 持 很 短 的 一 段 周 期 ( 不 超 过 125 微 秒 ) 没 有 高 速 事 务 在 总 线 上 传 输 时, 才 会 出 现 长 时 间 的 空 闲 即 使 在 这 种 状 况 下, 在 每 个 微 帧 开 始 的 时 候, 主 机 也 要 传 送 一 个 包 的 微 帧 开 始 信 号, 这 个 包 被 传 输 到 所 有 启 动 的 端 口, 这 样 保 证 高 速 设 备 可 以 周 期 性 地 检 测 到 总 线 活 动 然 而, 以 下 几 种 原 因 也 可 能 发 生 总 线 空 闲 : 微 帧 开 始 包 丢 失, 引 起 总 线 空 闲 时 间 超 过 125 微 秒 设 备 复 位, 这 要 发 送 一 个 SE0 信 号 维 持 10 到 20 毫 秒 设 备 挂 起, 这 就 表 示 出 现 大 于 3 毫 秒 的 总 线 空 闲 高 速 差 动 接 收 器 高 速 差 动 接 收 器 在 总 线 空 闲 时 保 持 非 活 动 ( 清 除 噪 声 ) 状 态, 直 到 检 测 到 包 开 始 信 号 这 样 在 低 电 压 信 号 环 境 中, 可 以 避 免 不 小 心 探 测 到 电 缆 的 噪 声 信 号 图 11-7 突 出 显 示 了 差 动 包 络 检 测 器, 它 会 激 发 高 速 差 动 接 收 器 在 检 测 到 包 络 和 启 动 接 收 器 之 间 最 多 可 能 出 现 最 多 4 位 的 延 时 这 个 延 时 不 是 很 显 著, 因 为 每 个 包 由 一 个 同 步 序 列 开 始, 从 这 个 序 列 中 丢 失 四 个 时 钟 不 是 很 严 重 134

155 高 速 信 号 环 境 注 意, 接 收 器 的 电 气 特 性 由 眼 图 描 述, 参 见 眼 图 测 试 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 下 行 流 端 口 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 信 号 结 束 接 收 器 信 号 结 束 接 收 器 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 发 射 包 络 探 测 器 发 射 包 络 探 测 器 断 连 包 络 探 测 器 高 速 接 收 器 被 压 制 : 差 动 电 压 小 于 100 毫 伏 差 动 包 络 极 限 电 压 : 大 于 100, 小 于 150 毫 伏 图 11-7 包 开 始 检 测 高 速 驱 动 器 / 接 收 器 的 兼 容 性 检 测 USB 2.0 规 范 定 义 了 一 系 列 高 速 设 备 ( 包 括 主 机 控 制 器 和 高 速 集 线 器 ) 必 须 支 持 的 兼 容 性 测 试 的 测 试 模 式 这 些 测 试 模 式 通 过 请 求 给 端 口 收 发 器 设 置 测 试 模 式 的 控 制 传 输 来 定 义, 主 要 包 括 以 下 模 式 : TEST_SE0_NAK 这 个 模 式 让 选 定 的 端 口 ( 上 行 下 行 端 口 都 包 括 ) 进 入 高 速 接 收 状 态 可 以 测 试 输 出 阻 抗 低 电 平 输 出 电 压 负 载 特 性 TEST_J 这 个 模 式 通 过 切 换 电 流 到 D+ 线 来 转 换 到 J 状 态 可 以 测 试 D+ 的 驱 动 电 平 TEST_K 这 个 模 式 通 过 切 换 电 流 到 D- 线 来 转 换 到 K 状 态 可 以 测 试 D- 的 驱 动 电 平 135

156 第 11 章 TEST_PACKET 这 个 模 式 让 设 备 传 输 一 个 重 复 的 字 符 串 这 个 模 式 用 来 测 试 眼 图, 验 证 最 合 适 的 传 输 特 性 和 接 收 器 的 敏 感 度 激 发 测 试 模 式 可 以 在 设 备 默 认 状 态 被 访 问 状 态 或 者 配 置 状 态 激 活 测 试 模 式 控 制 传 输 将 设 备 定 位 为 某 种 测 试 模 式 控 制 传 输 的 准 备 阶 段, 给 设 备 发 送 一 个 设 置 性 能 的 请 求, 在 传 输 的 状 态 阶 段 完 成 的 3 毫 秒 之 内 设 备 进 入 测 试 模 式 表 11-1 显 示 了 在 准 备 事 务 中 传 送 给 设 备 的 8 位 的 格 式, 索 引 字 段 包 括 测 试 选 择 定 义 要 执 行 测 试 为 了 退 出 测 试 模 式, 设 备 的 电 源 必 须 重 新 加 电 测 试 选 择 的 值 在 表 11-2 中 定 义 表 11-1 设 备 进 入 测 试 模 式 的 命 令 格 式 请 求 类 型 请 求 值 ( 特 征 ) 索 引 长 度 数 据 B 设 定 特 性 (00) 端 口 测 试 2 测 试 选 择 0 无 表 11-2 测 试 选 择 值 描 述 选 择 值 TEST J TEST K TEST_SE0_NAK TEST_PACKET TEST_FORCE_ENABLE 标 准 测 试 保 留 保 留 特 殊 厂 商 保 留 的 测 试 选 择 01h 02h 03h 04h 05h 06-3Fh 40-BFh C0-FFh 测 试 准 备 USB 规 范 定 义 了 一 个 测 试 工 具, 提 供 接 口 给 可 以 测 试 输 出 波 形 和 电 压 的 差 动 示 波 器, 或 者 给 测 试 接 收 器 敏 感 度 的 源 波 形 数 据 发 生 器 图 11-8 给 出 了 两 组 测 试 点, 反 映 设 备 如 何 连 接 到 电 缆,1) 设 备 有 电 缆 连 接 器,2) 设 备 永 久 连 接 到 电 缆 ( 即 固 定 式 电 缆 ) 第 一 个 是 设 备 有 可 分 离 电 缆 的 情 况 136

157 高 速 信 号 环 境 示 波 器 ( 传 输 测 试 ) 或 者 数 据 生 成 器 ( 接 受 测 试 ) 收 发 器 集 线 器 线 路 板 收 发 器 设 备 线 路 板 示 波 器 ( 传 输 测 试 ) 或 者 数 据 生 成 器 ( 接 受 测 试 ) 收 发 器 集 线 器 线 路 板 收 发 器 设 备 线 路 板 图 11-8 测 试 点 眼 图 测 试 USB 规 范 用 一 系 列 眼 图 定 义 了 高 速 设 备 发 送 器 和 接 收 器 的 特 性 这 些 眼 图 用 来 测 试 在 动 态 信 号 环 境 下 高 速 设 备 发 送 器 和 接 收 器 的 特 性 这 些 眼 图 定 义 了 一 些 最 小 值 : 在 最 近 的 连 接 器 要 求 的 集 线 器 和 设 备 的 输 出 波 形 的 最 小 值 发 送 器 的 输 出 波 形 定 义 最 小 的 上 升 沿 和 下 降 沿 时 间 和 发 送 器 的 输 出 强 度 在 测 试 出 的 输 入 波 形 应 用 到 最 近 的 连 接 器 时, 集 线 器 和 设 备 输 入 波 形 要 求 的 最 小 值 接 收 器 的 输 入 波 形 定 义 最 小 的 输 入 敏 感 度 做 下 面 的 一 些 测 试 : 集 线 器 传 输 在 TP2 检 测 的 测 试 波 形 设 备 传 输 在 TP3 检 测 的 测 试 波 形 集 线 器 接 收 器 敏 感 度 在 测 试 波 形 应 用 到 TP2 时 检 测 设 备 接 收 器 敏 感 度 在 测 试 波 形 应 用 到 TP3 时 检 测 第 二 个 例 子 是 设 备 有 捕 获 电 缆 时 的 测 试 情 况 : 设 备 传 输 测 试 波 形 在 TP2 检 测 设 备 接 收 器 敏 感 度 在 测 试 波 形 应 用 到 TP2 时 检 测 传 送 眼 图 测 试 这 个 测 试 要 求 被 测 试 的 设 备 定 位 在 TEST_PACKET 模 式, 这 时 设 备 重 复 地 传 送 测 试 包, 图 11-9 中 是 测 试 包 的 格 式 注 意, 这 里 规 定 的 测 试 样 本 是 在 总 线 上 传 输 的 双 向 不 归 零 位 模 式, 包 括 填 充 位 用 来 测 试 传 输 特 性 的 示 波 器 必 须 放 在 无 限 连 续 模 式 来 捕 获 传 输 过 程 中 的 波 形 成 功 的 测 试 要 求 捕 获 的 波 形 是 一 个 眼 睛 轮 廓 的 波 形 ( 眼 图 ) 137

158 第 11 章 16 个 JJKK 序 列 8 个 JJJJJJJKKKKKKK 序 列 10 个 JKKKKKKK 序 列 同 步 数 据 0 模 式 1 模 式 2 模 式 3 模 式 4 模 式 5 模 式 6 16 位 CRC 校 验 码 包 终 止 符 36 对 JK 8 个 JJJJKKKK 8 个 JJJJJJJK 图 11-9 测 试 包 的 内 容 图 是 规 范 中 眼 图 的 模 型 指 出 了 集 线 器 在 TP2 测 出 的 最 小 波 形 要 求, 或 者 有 可 分 离 电 缆 的 设 备 在 TP3 时 测 到 的 注 意, 这 个 模 板 也 给 出 了 最 小 上 升 沿 和 下 降 沿 时 间 和 最 小 的 输 出 电 压 电 平 1 抽 样 点 3 抽 样 点 毫 伏 差 动 电 压 抽 样 点 1 抽 样 点 2 0 毫 伏 差 动 电 压 电 平 2 抽 样 点 5 单 位 时 间 间 隔 抽 样 点 毫 伏 差 动 电 压 图 传 输 测 试 的 眼 图 示 例 接 收 器 眼 图 测 试 这 个 测 试 要 求 数 据 发 生 器 设 置 到 传 送 测 试 图 样 的 模 式, 如 图 11-9 所 示 波 形 必 须 符 合 规 范 中 定 义 的 眼 图 的 传 输 特 性 测 试 包 也 被 应 用 到 接 收 器 来 验 证 输 入 的 敏 感 度 复 合 规 范 要 求 设 备 被 置 为 TEST_SE0_NAK 模 式, 启 用 高 速 接 收 器 当 包 被 传 送 时, 如 果 正 确 接 收 了 包, 设 备 要 以 一 个 NAK 握 手 信 号 响 应 图 是 一 个 有 固 定 式 电 缆 的 设 备 的 眼 图 模 板, 被 测 试 包 应 用 于 TP2 这 种 情 况 下 定 义 的 波 形 要 在 TP2 时 由 数 据 发 生 器 传 输, 来 验 证 接 收 器 能 够 接 受 的 最 小 输 入 敏 感 度 138

159 高 速 信 号 环 境 电 平 1 抽 样 点 3 抽 样 点 毫 伏 差 动 电 压 抽 样 点 1 抽 样 点 2 0 毫 伏 差 动 电 压 抽 样 点 5 抽 样 点 毫 伏 差 动 电 压 电 平 2 单 位 时 间 间 隔 图 接 收 器 敏 感 度 测 试 的 眼 图 示 例 高 速 开 始 包 和 同 步 序 列 每 个 包 开 始 的 时 候 都 要 传 送 一 串 时 钟 信 号, 以 使 接 收 器 的 输 入 能 够 和 输 入 的 包 同 步 同 步 序 列 包 括 一 连 串 的 K 和 J 的 转 换 主 机 或 者 响 应 设 备 产 生 同 步 序 列 的 时 间 是 32 位 时 间 参 见 图 高 速 同 步 序 列,32 位 图 高 速 同 步 序 列 和 包 开 始 符 这 个 同 步 序 列 在 最 后 被 设 备 或 者 主 机 接 收 时 可 能 小 于 32 位 这 种 情 况 在 包 穿 过 集 线 器 时 会 发 生 图 说 明 了 通 过 传 输 包 络 检 测 器 检 验 包 开 始 和 启 用 接 收 器 之 间 的 延 时 这 会 使 集 线 器 在 转 发 这 个 同 步 包 时 最 多 丢 失 4 位 拓 扑 结 构 严 格 规 定 了 在 主 机 和 下 层 设 备 之 间 最 多 能 够 连 接 的 集 线 器 数 目 因 此 最 多 穿 过 了 5 个 集 线 器 的 同 步 序 列 可 能 只 剩 下 12 位 139

160 第 11 章 数 据 传 输 包 络 检 测 接 受 使 能 图 噪 声 清 除 检 测 可 能 使 集 线 器 从 同 步 传 输 序 列 丢 失 最 多 4 位 高 速 包 结 束 符 如 图 所 示, 每 个 包 都 以 EOP 序 列 结 束 除 了 在 包 在 帧 开 始 符 后 面 的 EOP 之 外 EOP 都 是 8 位 这 种 情 况 下 EOP 可 以 扩 展 到 40 位 8 位 的 结 束 符 是 由 NRZI 编 码 的 b 组 成, 不 包 括 填 充 位 接 收 器 检 测 到 一 个 有 意 的 填 充 错 误 序 列, 就 知 道 包 结 束 高 速 设 备 只 要 检 测 到 位 填 充 错 误 就 认 为 包 结 束, 即 使 是 这 个 不 是 一 个 EOP, 是 一 个 真 的 位 填 充 错 误 也 不 例 外 高 速 包 结 束 符, 通 常 1 字 节 数 据 有 意 的 位 填 充 错 误 在 包 结 束 符 后 面, 数 据 线 返 回 到 SE0, 接 收 器 被 压 制 通 常 高 速 数 据 进 行 双 向 不 归 零 编 码, 和 比 特 填 充 不 归 零 编 码, 没 有 位 填 充 位 填 充 错 误, 指 示 包 结 束 图 高 速 包 结 束 符 检 测 高 速 设 备 断 开 检 测 高 速 终 端 电 阻 使 D+ 和 D- 线 在 没 有 差 动 信 号 的 时 候 保 持 低 电 平 当 一 个 设 备 断 开 时, 线 上 不 会 检 测 到 明 显 的 变 化, 因 为 上 拉 电 阻 会 在 集 线 器 接 口 出 现, 保 持 数 据 线 处 于 空 闲 状 态 检 测 高 速 设 备 断 开 的 方 法 是 利 用 D+ 和 D- 线 相 反 端 点 的 电 阻 的 消 失 当 高 速 设 备 断 开 时, 高 速 包 还 在 从 原 来 设 备 连 接 的 端 口 传 输 当 这 个 指 示 波 到 达 没 有 负 载 的 路 径 端 点, 一 个 很 大 的 反 射 会 回 到 集 线 器 接 口, 引 起 将 近 两 倍 的 信 号 放 大 这 对 集 线 器 接 口 没 有 什 么 影 响, 因 为 在 两 倍 的 放 大 信 号 出 现 时, 它 的 收 发 器 处 在 传 输 模 式 集 线 器 利 用 这 个 现 象 检 测 到 设 备 不 再 和 端 口 连 接 了 140

161 高 速 信 号 环 境 集 线 器 在 每 个 包 开 始 微 帧 的 末 尾 检 测 设 备 的 断 开, 参 见 图 包 的 微 帧 开 始 符 断 开 检 测 包 的 微 帧 开 始 符 同 步 序 列 包 标 识 符 帧 号 CRC 校 验 码 40 个 位 的 包 结 束 符 图 设 备 的 断 开 在 包 开 始 符 微 帧 的 末 尾 检 测 面 向 集 线 器 端 口 的 下 层 设 备 包 括 一 个 断 开 的 接 收 器, 该 接 收 器 观 测 到 一 个 差 动 信 号 明 显 大 于 正 常 的 400 毫 伏 图 11-6 说 明 了 集 线 器 接 口 和 断 连 包 络 检 测 器 当 差 动 电 压 到 达 625 毫 伏 时, 接 收 器 有 一 个 输 出 这 仅 仅 在 由 于 设 备 断 开 而 使 电 缆 终 端 的 电 阻 消 失 的 时 候 才 会 出 现 上 行 流 端 口 ( 集 线 器 ) 电 缆 段 差 动 接 收 器 ( 高 速, 全 速, 低 速 ) 差 动 发 送 器 ( 全 速, 低 速 ) 串 行 A 连 接 器 串 行 B 连 接 器 信 号 结 束 接 收 器 电 流 驱 动 器 ( 高 速 ) 发 射 包 络 探 测 器 断 连 包 络 探 测 器 当 差 动 电 压 大 于 625 毫 伏 的 时 候, 产 生 一 个 输 出 图 断 连 包 络 检 测 高 速 包 结 束 符 的 第 一 个 位 会 在 数 据 流 中 强 制 进 行 一 个 转 换 在 下 一 个 包 出 现 前 没 有 其 他 传 输 EOP 是 检 测 设 备 断 开 的 一 个 方 便 的 机 制, 因 为 在 包 开 始 阶 段 可 以 断 定 一 个 传 输, 但 是 141

162 第 11 章 在 下 一 个 包 开 始 前 没 有 进 一 步 动 作 这 个 传 输 引 起 一 个 入 射 波, 它 的 反 射 波 放 大 入 射 波 的 电 压 为 原 来 的 两 倍, 然 后 就 会 检 测 到 设 备 断 开 的 波 的 包 络 图 也 说 明 设 备 可 以 在 外 围 被 断 开 这 很 重 要, 因 为 从 电 缆 来 回 传 输 会 存 在 着 传 播 延 时 由 于 电 缆 在 两 个 方 向 的 最 大 时 延 是 26 纳 秒, 加 上 集 线 器 和 连 接 器 的 延 时, 接 收 器 可 能 看 不 到 信 号 的 放 大, 因 为 加 上 反 射 延 时 可 能 要 达 到 60 纳 秒 所 以 一 个 包 结 束 符 的 微 帧 开 始 符 可 能 要 扩 大 到 40 位, 保 证 断 连 包 络 检 测 器 能 够 在 包 结 束 符 的 末 尾 观 察 到 反 射 高 速 复 位 和 挂 起 设 备 的 复 位 和 挂 起 都 是 发 送 一 个 大 于 3 毫 秒 的 总 线 空 闲 信 号 高 速 设 备 必 须 能 够 区 分 这 两 个 事 件 另 一 个 高 速 挂 起 和 复 位 的 普 遍 特 征 是 设 备 必 须 传 送 全 速 信 号 这 是 挂 起 和 复 位 的 相 同 特 性 下 面 一 部 分 我 们 就 对 复 位 和 挂 起 的 区 别 作 一 个 讲 解 复 位 信 号 当 软 件 向 集 线 器 发 送 一 个 端 口 复 位 命 令 时, 集 线 器 发 送 一 个 复 位 信 号 这 使 得 集 线 器 发 送 SE0 信 号 ( 大 于 10 毫 秒 小 于 20 毫 秒 ) 由 于 高 速 空 闲 状 态 由 SE0 指 示, 设 备 就 要 判 断 如 此 长 周 期 的 空 闲 状 态 是 不 是 由 复 位 引 起 的 当 高 速 设 备 复 位, 它 们 必 须 以 全 速 模 式 传 送 信 号 设 备 禁 用 它 的 高 速 电 阻 ( 即, 在 全 速 驱 动 器 禁 用 SE0), 并 且 重 新 在 D+ 线 上 连 接 1.5 千 欧 的 电 阻 由 于 集 线 器 发 送 了 复 位 信 号, 设 备 继 续 检 测 SE0 挂 起 信 号 集 线 器 可 以 通 过 不 再 向 挂 起 的 端 口 传 送 任 何 包 来 全 部 或 者 选 择 性 挂 起 端 口 一 个 挂 起 状 态 可 以 持 续 很 长 时 间 来 节 电 当 软 件 向 指 定 的 集 线 器 发 出 挂 起 端 口 命 令, 端 口 就 被 挂 起, 或 者 当 主 机 控 制 器 挂 起 全 部 USB 网 络 的 设 备, 端 口 也 被 挂 起, 这 就 是 全 局 挂 起 不 论 哪 种 情 况, 连 接 到 挂 起 端 口 的 设 备 再 看 不 见 任 何 数 据 流, 包 括 所 有 的 包 的 帧 开 始 符 设 备 在 检 测 到 总 线 空 闲 3 毫 秒 后 进 入 挂 起 状 态 在 空 闲 过 程 中, 高 速 设 备 必 须 转 换 到 全 速 信 号 环 境, 这 要 断 开 高 速 电 阻 并 且 重 新 在 D+ 线 上 连 接 1.5 千 欧 的 电 阻 集 线 器 然 后 禁 用 高 速 终 端 负 载 转 达 全 速 操 作 状 态 这 些 活 动 设 置 总 线 为 全 速 空 闲 状 态 (D+ 上 拉,D- 下 拉 ), 这 和 全 速 挂 起 相 兼 容 复 位 和 挂 起 信 号 一 个 高 速 设 备 必 须 在 3 到 毫 秒 的 高 速 空 闲 之 间 转 换 为 全 速 模 式 然 后, 设 备 判 断 延 长 的 空 闲 状 态 是 由 挂 起 还 是 复 位 引 起 的 设 备 抽 样 D+ 和 D- 线 来 判 断 空 闲 的 原 因 : 设 备 在 转 换 成 全 速 模 式 100 微 秒 之 后 875 微 秒 之 前 抽 样 D+ 和 D- 线 如 果 D+ 和 D- 线 都 是 低 电 平, 集 线 器 就 是 复 位, 执 行 线 性 调 频 脉 冲 序 列 如 果 D+ 高 ( 上 拉 ),D- 低 ( 下 拉 ), 集 线 器 继 续 发 送 全 速 空 闲 信 号, 设 备 进 入 挂 起 142

163 高 速 信 号 环 境 状 态 注 意, 设 备 的 恢 复 会 使 设 备 回 到 高 速 信 号 环 境 143

164 第 12 章 12 高 速 传 输 事 务 和 调 度 上 一 章 高 速 性 能 的 设 备 必 须 也 能 在 全 速 信 号 环 境 中 通 信 高 速 设 备 为 在 全 速 环 境 操 作 附 加 了 许 多 扩 展 功 能, 使 其 可 以 以 480Mb/s 的 速 率 可 靠 的 发 送 信 号 上 一 章 我 们 主 要 介 绍 高 速 设 备 的 信 号 规 则 和 高 速 全 速 环 境 之 间 的 转 换 方 法 本 章 本 章 我 们 主 要 介 绍 2.0 规 范 带 来 的 变 化 USB1.0 定 义 的 传 输 和 高 速 环 境 中 的 有 相 同 的 特 性, 然 而, 也 有 一 些 变 化, 例 如 包 的 大 小 一 些 新 的 特 点 也 被 加 到 了 高 速 环 境 中, 例 如 高 带 宽 的 传 输 和 PING 协 议 这 些 和 这 里 我 们 还 没 有 提 到 的 变 化 都 会 在 本 章 讲 述 下 一 章 高 速 环 境 中 的 错 误 检 测 和 处 理 与 全 速 和 低 速 环 境 非 常 相 似 然 而, 因 为 高 速 的 时 钟 速 率, 有 些 时 间 变 量 必 须 改 变 以 支 持 错 误 检 测, 例 如 超 时 值 和 串 扰 检 测 这 些 问 题 我 们 会 在 下 一 章 介 绍 概 述 高 速 传 输 类 型 和 全 速 低 速 使 用 的 类 型 都 是 一 样 的 : 同 步 传 输 中 断 传 输 批 量 传 输 控 制 传 输 虽 然 这 些 传 输 和 USB 1.x 系 统 定 义 的 一 样, 但 高 速 事 务 也 有 一 些 新 的 特 点 来 提 高 性 能 还 要 注 意, 在 以 下 方 面 高 速 包 和 全 速 也 不 同 : 每 个 包 开 始 的 同 步 序 列 是 4 个 字 节 而 不 是 1 个 字 节 包 结 束 符 是 一 个 字 节 不 是 两 位 因 此, 高 速 事 务 包 的 总 开 销 要 大 些 142

165 高 速 传 输 事 务 和 调 度 这 一 章 我 们 讲 解 高 速 传 输 和 事 务 的 特 点, 和 它 们 的 调 度 执 行 机 制 由 于 同 步 和 中 断 传 输 有 着 共 同 的 重 要 特 点, 我 们 会 在 周 期 传 输 中 讲 解 而 批 量 和 控 制 传 输 在 非 周 期 传 输 中 讲 解 高 速 事 务 调 度 连 接 到 同 一 个 控 制 器 端 口 的 高 速 设 备 要 分 享 总 线 带 宽, 高 速 事 务 也 像 在 全 速 和 低 速 事 务 中 一 样 要 使 用 令 牌 数 据 和 握 手 协 议 软 件 计 算 事 务 要 执 行 的 时 间, 并 在 每 个 微 帧 内 完 成 调 度 的 事 务 微 帧 高 速 带 宽 被 软 件 以 125 微 秒 为 基 数 ( 称 为 微 帖 ) 分 配 周 期 性 传 输 使 用 不 超 过 80% 的 125 微 秒 带 宽, 控 制 传 输 不 超 过 20% 不 为 批 量 传 输 保 留 带 宽, 它 会 在 在 当 前 微 帧 内 所 有 已 调 度 的 传 输 和 所 有 的 控 制 传 输 完 成 后 再 执 行 理 论 高 速 带 宽 480Mbit/s 的 高 速 速 率 提 供 了 比 12Mbit/s 全 速 传 输 大 40 倍 的 带 宽 高 速 传 输 的 特 点 包 括 以 下 方 面 : 大 约 2.08 纳 秒 位 时 间 位 时 间 / 微 帧 (7500 字 节 ) 位 时 间 /1 毫 秒 帧 (60000 字 节 ), 或 者 60MBs 图 12-1 显 示 了 高 速 和 全 速 信 号 环 境 带 宽 的 区 别 一 个 125 微 秒 的 微 帧 可 以 传 送 一 个 1 毫 秒 帧 的 5 倍 的 数 据 量 1.5KB/ 帧 包 的 微 帧 开 始 符 7.5KB/ 微 帧 包 的 微 帧 开 始 符 图 12-1 高 速 微 帧 和 全 速 帧 带 宽 的 不 同 60MB/s 的 理 想 高 速 带 宽 当 然 要 大 于 实 际 的 数 据 带 宽 然 而, 可 以 通 过 包 有 效 载 荷 的 增 加 和 高 速 定 义 的 新 事 务 来 提 高 高 速 总 线 的 负 载 和 效 率 注 意, 全 速 全 速 和 低 速 事 务 使 用 143

166 第 12 章 相 同 的 基 本 包, 这 样 包 自 身 的 负 载 保 持 相 同 每 种 传 输 类 型 的 带 宽 问 题 会 在 本 章 相 应 部 分 讲 解 周 期 传 输 同 步 和 中 断 传 输 必 须 基 于 周 期 调 度 同 步 事 务 每 个 微 帧 都 会 被 调 度, 中 断 传 输 在 指 定 的 轮 询 周 期 被 调 度 这 些 传 输 类 型 保 证 周 期 速 率 的 吞 吐 量, 使 它 们 能 为 需 要 一 定 带 宽 才 能 正 确 执 行 的 USB 应 用 所 利 用 高 速 同 步 传 输 同 步 传 输 类 型 的 几 个 变 化 是 : 最 大 的 包 从 1023 变 到 了 1024 字 节 高 带 宽 性 能 在 高 带 宽 传 输 中 使 用 新 的 数 据 包 类 型 下 面 部 分 我 们 讨 论 高 速 传 输 类 型 的 新 特 点 并 对 其 进 行 总 结 归 纳 最 大 包 值 高 速 同 步 事 务 的 最 大 包 值 是 1024 字 节 全 速 同 步 事 务 的 最 大 包 值 是 1023 字 节 注 意, 2.0 的 规 范 不 支 持 0 字 节 的 同 步 数 据 传 输 请 求, 但 是 把 包 值 大 小 为 0 的 编 码 给 包 值 大 小 为 1024 的 使 用 同 步 带 宽 / 性 能 在 标 准 应 用 中, 一 个 单 独 的 微 帧 中 每 个 终 端 点 允 许 单 独 的 同 步 传 输 一 个 同 步 传 输 的 最 大 数 据 率 是 一 个 函 数, 关 于 : 同 步 事 务 的 包 最 大 负 载 每 个 包 的 传 播 时 间 ( 主 机 和 目 标 设 备 之 间 ) 设 备 响 应 时 间 数 据 有 效 载 荷 的 大 小 图 12-2 说 明 了 包 的 负 载 和 和 传 播 延 时 相 关 联 的 负 载 令 牌 包 和 数 据 包 的 最 大 负 载 均 为 8 个 字 节 : 144

167 高 速 传 输 事 务 和 调 度 空 闲 4 字 节 同 步 序 列 类 型 字 段 开 销 =8 个 字 节 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 地 址 CRC 校 验 1 字 节 (min) 包 终 止 符 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 数 据 字 段 4 字 节 字 节 空 闲 同 步 序 列 等 时 传 输 总 开 销 包 的 开 销 =16 字 节 内 部 包 开 销 =22 字 节 总 开 销 =38 字 节 图 12-2 同 步 包 开 销 CRC 校 验 1 字 节 (min) 包 终 止 符 令 牌 数 据 4 个 字 节 同 步 序 列 4 个 字 节 同 步 序 列 1 个 字 节 包 标 识 符 1 个 字 节 包 标 识 符 2 个 字 节 的 地 址 + 终 端 点 数 目 +CRC 校 验 码 2 字 节 CRC 校 验 码 1 个 字 节 的 包 结 束 符 1 个 字 节 的 包 结 束 符 内 部 包 延 时 包 括 包 从 主 机 传 送 到 设 备 的 时 间, 加 上 主 机 控 制 器 恢 复 时 间 ( 在 OUT 事 务 时 ) 或 者 设 备 的 响 应 时 间 ( 在 IN 事 务 时 ) 位 填 充 时 间 没 有 加 入 负 载 的 计 算 给 定 微 帧 时 间 内 同 步 传 输 可 获 得 的 带 宽 见 表 12-1, 这 个 表 提 供 了 如 下 信 息 : 第 一 列 给 出 不 同 大 小 的 负 载, 从 1 个 字 节 到 最 大 的 1024 字 节 第 二 列 给 出 在 第 一 列 负 载 情 况 下 一 个 独 立 的 事 务 使 用 的 总 线 带 宽 的 百 分 比 第 三 列 给 出 在 一 个 125 微 秒 的 微 帧 时 隙 中 理 论 上 能 够 完 成 的 事 务 数 目 这 些 附 加 的 事 务 只 有 在 给 定 这 么 多 终 点 时, 才 能 在 一 个 微 帧 时 隙 完 成 第 四 列 给 出 在 一 个 微 帧 时 隙 中 同 步 事 务 消 耗 的 最 大 带 宽 表 12-1 同 步 传 输 带 宽 数 据 有 效 载 荷 带 宽 百 分 比 / 传 输 最 大 事 务 数 / 帧 最 大 带 宽 1 1% MB/s 2 1% MB/s 4 1% MB/s 8 1% MB/s 16 1% MB/s 32 1% MB/s 64 1% MB/s 126 2% MB/s 256 4% MB/s 145

168 第 12 章 512 7% MB/s % MB/s 同 步 事 务 错 误 同 步 传 输 协 议 没 有 包 含 USB 专 用 的 机 制 来 验 证 数 据 的 传 送 ( 即, 没 有 握 手 包 或 者 数 据 开 关 ) 然 而, 包 的 错 误 检 测 还 是 要 执 行 并 报 告 给 设 备 或 者 应 用 层 软 件 任 何 错 误 的 恢 复 都 必 须 是 设 备 专 用 的 高 速 中 断 传 输 高 速 中 断 传 输 提 供 和 同 步 传 输 一 样 的 高 性 能 带 宽 保 证, 但 是 和 同 步 传 输 不 同 的 是, 中 断 传 输 中 USB 要 通 过 握 手 信 号 验 证 数 据 是 否 成 功 传 输 这 样 传 输 就 既 满 足 带 宽 要 求, 又 满 足 数 据 正 确 率 要 求 下 一 部 分 描 述 中 断 传 输 的 特 性 最 大 包 值 高 速 中 断 事 务 的 最 大 包 值 是 1024 字 节 对 比 一 下, 全 速 中 断 事 务 的 最 大 包 值 是 64 字 节 低 速 中 断 事 务 是 8 个 字 节 中 断 带 宽 / 性 能 在 标 准 应 用 中, 一 个 单 独 的 微 帧 中 每 个 终 点 允 许 单 独 的 同 步 传 输 这 样 高 速 终 端 点 可 以 在 每 帧 以 最 大 包 负 载 1024 字 节 传 输 数 据 一 个 同 步 传 输 的 最 大 数 据 率 是 一 个 函 数, 该 函 数 与 以 下 值 有 关 : 中 断 事 务 的 包 最 大 负 载 每 个 包 的 传 播 时 间 ( 主 机 和 目 标 设 备 之 间 ) 设 备 响 应 时 间 数 据 有 效 载 荷 的 大 小 图 12-3 说 明 了 包 的 负 载 和 和 传 播 延 时 相 关 联 的 负 载 位 填 充 时 间 没 有 加 入 负 载 的 计 算 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 地 址 CRC 校 验 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 1 字 节 (min) 包 终 止 符 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 数 据 字 段 4 字 节 字 节 空 闲 同 步 序 列 开 销 =6 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 CRC 校 验 中 断 传 输 总 开 销 1 字 节 (min) 包 终 止 符 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 1 字 节 (min) 包 终 止 符 包 的 开 销 =22 字 节 内 部 包 开 销 =33 字 节 总 开 销 =55 字 节 146

169 高 速 传 输 事 务 和 调 度 图 12-3 中 断 传 输 包 开 销 表 12-2 列 出 了 给 定 微 帧 时 间 内 中 断 传 输 可 获 得 的 带 宽, 这 个 表 提 供 了 如 下 信 息 : 第 一 列 给 出 不 同 大 小 的 负 载, 从 1 个 字 节 到 最 大 的 1024 字 节 第 二 列 给 出 在 第 一 列 负 载 情 况 下 一 个 独 立 的 事 务 使 用 的 总 线 带 宽 的 百 分 比 第 三 列 给 出 在 一 个 125 微 秒 的 微 帧 时 隙 中 理 论 上 能 够 完 成 的 事 务 数 目 这 些 附 加 的 事 务 只 有 在 给 定 这 么 多 终 点 时, 才 能 在 一 个 微 帧 时 隙 完 成 第 四 列 给 出 在 一 个 微 帧 时 隙 中 中 断 事 务 消 耗 的 最 大 带 宽 表 12-2 中 断 传 输 带 宽 数 据 有 效 载 荷 带 宽 百 分 比 / 传 输 最 大 事 务 数 / 帧 最 大 带 宽 1 1% MB/s 2 1% MB/s 4 1% MB/s 续 表 数 据 有 效 载 荷 带 宽 百 分 比 / 传 输 最 大 事 务 数 / 帧 最 大 带 宽 8 1% MB/s 16 1% MB/s 32 1% MB/s 64 2% MB/s 126 2% MB/s 256 4% MB/s 512 8% MB/s % MB/s 中 断 传 输 差 错 控 制 高 速 中 断 传 输 的 差 错 检 测 和 恢 复 机 制 与 低 速 全 速 环 境 中 的 机 制 相 同 高 带 宽 事 务 要 求 使 用 8MB/s 到 24MB/s 速 率 的 应 用 现 在 可 以 使 用 高 带 宽 终 端 高 速 同 步 终 端 和 高 速 中 断 终 端 都 支 持 高 带 宽 传 输 正 常 的 同 步 和 中 断 传 输 在 一 个 微 帧 里 只 能 传 输 一 个 数 据 包, 但 是 高 带 宽 同 步 和 中 断 终 端 可 以 在 每 个 微 帧 接 收 多 达 三 个 事 务 检 测 高 带 宽 终 端 和 包 的 大 小 在 同 步 和 中 断 终 端 描 述 符 的 最 大 包 值 字 段 规 定 一 个 新 的 位 来 指 示 终 端 是 否 支 持 高 带 宽, 如 果 可 以, 指 出 一 个 单 独 的 微 帧 里 能 支 持 的 附 加 事 务 的 数 目 表 12-3 给 出 了 终 端 描 述 符 的 最 大 包 值 字 段 的 定 义 表 指 出 终 端 是 否 支 持 高 带 宽 传 输, 如 果 是 0 就 不 支 持, 其 他 的 值 就 定 义 一 个 单 独 的 微 帧 里 能 支 持 的 附 加 事 务 的 数 目 表 12-3 终 端 描 述 符 最 大 包 值 定 义 147

170 第 12 章 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 4 最 大 包 值 2 数 字 选 定 配 置 后, 这 个 终 端 能 够 发 送 和 接 收 的 最 大 包 值 位 定 义 : 位 10:0 最 大 包 值 位 12:11 附 加 事 务 / 帧 00 0 个 (1 个 事 务 / 帧 ) 00 一 个 附 加 事 务 10 两 个 附 加 事 务 11 保 留 位 15:13 保 留 ( 置 零 ) 最 大 包 值 字 段 定 义 11 位 来 指 定 这 个 终 端 能 够 传 输 的 最 大 包 这 个 值 必 须 被 每 个 微 帧 中 能 执 行 的 事 务 数 相 乘, 来 决 定 终 端 点 所 要 求 的 总 带 宽 规 范 也 规 定 了 终 端 描 述 符 最 大 包 值 字 段 能 报 告 的 最 大 数 值 然 而, 通 常 在 单 独 的 高 带 宽 事 务 中 限 制 可 传 输 数 据 量 1 事 务, 字 节 数 据 2 事 务, 字 节 数 据 数 据 传 输 大 小, 字 节 ( 基 于 整 个 数 据 包 ) 3 事 务 字 节 数 据 数 据 数 据 传 输 大 小 字 节 ( 基 于 整 个 数 据 包 ) 图 12-4 高 带 宽 传 输 最 大 和 最 小 包 值 同 步 高 带 宽 调 度 和 协 议 在 正 常 的 同 步 事 务 终 点 每 个 微 帧 都 使 用 DATA0 然 而, 高 带 宽 同 步 传 输 每 个 微 帧 有 两 个 或 者 三 个 事 务 特 定 的 包 序 列 可 以 检 测 每 个 微 帧 中 是 否 存 在 包 的 丢 失 和 破 坏 数 据 包 的 序 列 是 由 USB 2.0 定 义 的 两 种 新 类 型 的 数 据 组 成, 我 们 会 在 本 章 后 面 讲 解 在 终 点 描 述 符 最 大 包 值 字 段, 主 机 给 出 每 个 微 帧 中 能 够 执 行 的 事 务 数 目 然 而 主 机 能 处 理 的 错 误 会 少 于 在 给 定 的 帧 内 能 够 执 行 的 事 务 数 主 机 和 终 点 的 基 本 要 求 如 下 : 每 个 事 务 在 一 帧 内 必 须 有 最 大 有 效 载 荷 ( 由 终 点 描 述 符 指 定 ), 只 要 数 据 足 够 当 数 据 少 于 这 个 终 端 规 定 的 最 大 包 值, 这 个 短 包 就 是 这 个 帧 中 的 最 后 一 个 包 主 机 发 送 两 个 连 续 的 事 务 到 高 带 宽 终 端, 中 间 可 以 有 也 可 以 没 有 其 他 被 调 度 的 事 务 高 带 宽 同 步 IN 事 务 高 带 宽 同 步 IN 事 务 中 终 端 返 回 的 数 据 包 序 列 如 图 12-5 所 示, 第 一 个 数 据 包 规 定 这 个 序 148

171 高 速 传 输 事 务 和 调 度 列 中 要 返 回 的 数 据 包 数 目, 每 个 微 帧 中 的 最 后 一 个 数 据 包 一 定 是 DATA0 每 个 连 续 的 微 帧 发 送 同 样 序 列 的 数 据, 直 到 传 输 结 束 等 时 IN 事 务 1 事 务 数 据 0 2 事 务 数 据 1 数 据 0 3 事 务 数 据 1 数 据 1 数 据 0 图 12-5 高 带 宽 同 步 IN 事 务 中 使 用 的 数 据 包 序 列 主 机 把 短 数 据 包 ( 就 是 不 足 最 大 包 值 的 数 据 包 ) 视 作 当 前 同 步 传 输 的 结 束, 也 是 这 个 IN 事 务 的 结 束 多 个 帧 传 送 的 最 后 一 个 事 务 也 许 是 这 个 传 输 中 最 后 一 个 帧 发 送 单 独 的 一 个 DATA0 包 这 会 在 传 输 数 据 量 不 符 合 高 带 宽 数 据 大 小 时 发 生 高 带 宽 同 步 OUT 事 务 高 带 宽 同 步 IN 事 务 中 要 求 的 数 据 包 序 列 如 图 12-6 所 示 这 个 序 列 当 后 面 有 其 他 数 据 包 时 以 MDATA 开 始 这 个 序 列 的 最 后 一 个 数 据 包 报 告 前 面 已 经 发 送 的 包 的 数 目 等 时 OUT 事 务 1 事 务 数 据 0 2 事 务 MData 数 据 1 3 事 务 MData MData 数 据 2 图 12-6 高 带 宽 同 步 OUT 事 务 中 使 用 的 数 据 包 序 列 主 机 控 制 器 必 须 知 道 传 输 数 据 所 要 求 的 事 务 数 目 只 要 数 据 量 足 够, 每 个 事 务 都 要 用 终 点 描 述 符 所 规 定 的 最 大 值 来 传 送 数 据 包 高 带 宽 中 断 事 务 高 带 宽 中 断 事 务 和 高 带 宽 同 步 事 务 在 包 值 和 吞 吐 量 上 一 样, 但 是 实 际 的 协 议 不 同 中 断 事 务 在 传 输 数 据 的 时 候 使 用 数 据 切 换 ( 数 据 开 关 ) 序 列, 而 不 是 新 的 同 步 高 带 宽 事 务 那 样 的 数 据 包 和 序 列 高 带 宽 中 断 传 输 使 用 正 常 的 DATA0 和 DATA1 切 换 序 列 如 果 在 一 个 事 务 中 从 终 点 收 到 149

172 第 12 章 了 NAK, 主 机 终 止 这 个 微 帧 中 的 序 列, 在 这 个 终 点 下 一 个 时 隙 中 重 新 调 度 如 果 事 务 中, 终 点 超 时, 主 机 在 当 前 微 帧 中 重 传 USB 规 范 推 荐 立 即 重 传 以 减 轻 带 宽 敏 感 设 备 压 力 然 而, 这 个 微 帧 中 最 大 的 事 务 已 经 到 达 了 终 端, 那 么 重 传 必 须 在 下 一 个 轮 询 周 期 中 进 行 高 带 宽 吞 吐 量 表 12-4 列 出 了 支 持 高 带 宽 同 步 和 中 断 传 输 的 高 速 总 线 性 能 表 12-4 中 的 数 字 包 括 最 大 包 值, 但 是 可 以 使 用 小 一 些 的 包, 还 要 注 意, 三 个 1024 字 节 事 务 的 传 输 要 求 带 宽 的 百 分 比 在 同 步 传 输 是 41%, 在 中 断 传 输 是 42% 这 个 区 别 是 因 为 中 断 事 务 中 包 括 握 手 包 注 意 第 四 列 中 中 断 传 输 保 留 字 节 数 要 相 对 少 些, 因 为 它 们 有 较 大 的 总 开 销 表 12-4 高 带 宽 同 步 和 中 断 事 务 的 特 性 数 据 有 效 载 荷 带 宽 百 分 比 / 传 输 最 大 事 务 数 / 帧 遗 留 载 荷 字 节 数 最 大 带 宽 % (1191) MB/s (42)% (1246) MB/s 非 周 期 传 输 控 制 传 输 每 个 微 帧 可 以 被 分 配 20% 的 带 宽 然 而, 一 个 控 制 传 输 可 以 不 在 一 个 微 帧 内 完 成 批 量 传 输 没 有 保 留 带 宽, 而 是 在 其 他 的 周 期 传 输 和 控 制 传 输 完 成 之 后 才 执 行 批 量 传 输 和 控 制 传 输 的 大 部 分 特 性 和 全 速 低 速 环 境 中 是 一 样 的 明 显 的 区 别 在 于 高 的 数 据 传 输 速 率 和 数 据 吞 吐 量 为 了 支 持 和 OUT 事 务 相 关 联 的 PING 事 务, 非 周 期 传 输 加 入 了 一 个 新 特 征 参 见 PING 事 务 高 速 批 量 传 输 高 速 批 量 传 输 的 大 部 分 特 性 和 全 速 环 境 中 一 样, 只 是 最 大 数 据 载 荷 不 同 这 部 分 我 们 给 出 最 大 数 据 包 值 传 输 开 销 和 高 速 环 境 中 最 大 的 带 宽 最 大 包 值 高 速 批 量 事 务 终 端 点 的 最 大 包 值 从 64 字 节 增 加 到 了 512 字 节 批 量 传 输 带 宽 / 性 能 一 个 批 量 传 输 终 端 可 以 在 同 一 个 微 帧 中 被 多 次 访 问, 因 此, 增 加 了 批 量 传 输 终 端 点 的 潜 在 吞 吐 量 图 12-7 说 明 了 和 高 速 批 量 传 输 相 关 的 系 统 开 销 150

173 高 速 传 输 事 务 和 调 度 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 地 址 CRC 校 验 空 闲 4 字 节 同 步 序 列 1 字 节 (min) 包 终 止 符 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 数 据 字 段 CRC 校 验 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 1 字 节 (min) 包 终 止 符 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 开 销 =6 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 1 字 节 (min) 包 终 止 符 中 断 传 输 总 开 销 包 的 开 销 =22 字 节 内 部 包 开 销 =33 字 节 总 开 销 =55 字 节 图 12-7 批 量 事 务 开 销 表 12-5 列 出 了 给 定 微 帧 时 间 内 批 量 传 输 的 带 宽 性 能, 这 个 表 提 供 了 如 下 信 息 : 第 一 列 给 出 不 同 大 小 的 负 载, 从 1 个 字 节 到 最 大 的 512 字 节 第 二 列 给 出 在 第 一 列 负 载 情 况 下 一 个 独 立 的 事 务 使 用 的 总 线 带 宽 的 百 分 比 第 三 列 给 出 在 一 个 125 微 秒 的 微 帧 时 隙 中 理 论 上 能 够 完 成 的 事 务 数 目 这 些 附 加 的 事 务 可 以 在 同 一 个 帧 中 访 问 同 一 个 终 端, 也 可 以 访 问 多 个 终 端 第 四 列 给 出 在 一 个 微 帧 时 隙 中 批 量 事 务 消 耗 的 最 大 带 宽 表 12-5 高 速 批 量 传 输 带 宽 数 据 有 效 载 荷 带 宽 百 分 比 / 传 输 最 大 事 务 数 / 帧 最 大 带 宽 1 1% MB/s 2 1% MB/s 4 1% MB/s 8 1% MB/s 16 1% MB/s 32 1% MB/s 64 2% MB/s 126 2% MB/s 256 4% MB/s 512 8% MB/s 批 量 传 输 差 错 控 制 高 速 批 量 传 输 的 差 错 检 测 和 恢 复 机 制 与 低 速 全 速 环 境 中 的 机 制 相 同 151

174 第 12 章 高 速 控 制 传 输 高 速 控 制 传 输 和 全 速 控 制 传 输 使 用 相 同 的 数 据 包 相 同 的 最 大 包 值 相 同 的 错 误 检 测 和 恢 复 机 制 同 样 也 有 准 备 阶 段, 数 据 阶 段 和 状 态 阶 段 这 部 分 新 的 内 容 只 是 和 高 带 宽 相 关 的 高 速 率 事 务 高 速 控 制 传 输 的 带 宽 图 说 明 了 高 速 控 制 传 输 中 使 用 的 包, 概 括 了 和 控 制 传 输 相 关 的 总 开 销 图 12-8 是 准 备 阶 段 的 细 节, 图 12-9 是 数 据 阶 段 的 开 销, 数 据 阶 段 根 据 请 求 的 不 同 可 以 包 括 一 个 或 者 多 个 IN 或 者 OUT 事 务 然 而 这 个 例 子 只 描 述 了 一 个 简 单 的 数 据 传 输 图 是 状 态 阶 段 的 细 节 开 销 =8 个 字 节 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 地 址 CRC 校 验 1 字 节 (min) 包 终 止 符 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 类 型 字 段 开 销 =16 个 字 节 检 查 字 段 数 据 字 段 CRC 校 验 1 字 节 (min) 包 终 止 符 开 销 =6 个 字 节 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 类 型 字 段 检 查 字 段 1 字 节 (min) 包 终 止 符 准 备 阶 段 总 开 销 30 字 节 图 12-8 控 制 传 输 开 销 准 备 阶 段 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 终 点 地 址 CRC 校 验 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 1 字 节 (min) 包 终 止 符 空 闲 4 字 节 同 步 序 列 类 型 字 段 开 销 =8 个 字 节 检 查 字 段 数 据 字 段 CRC 校 验 1 字 节 (min) 包 终 止 符 开 销 =6 个 字 节 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 类 型 字 段 检 查 字 段 1 字 节 (min) 包 终 止 符 准 备 阶 段 总 开 销 22 字 节 图 12-9 控 制 传 输 开 销 数 据 阶 段 152

175 高 速 传 输 事 务 和 调 度 开 销 =8 个 字 节 类 型 字 段 检 查 字 段 设 备 地 址 端 点 地 址 CRC 校 验 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 1 字 节 (min) 包 终 止 符 4 字 节 类 型 字 段 开 销 =8 个 字 节 检 查 字 段 CRC 校 验 空 闲 同 步 序 列 开 销 =6 个 字 节 准 备 阶 段 总 开 销 22 字 节 4 字 节 空 闲 同 步 序 列 类 型 字 段 检 查 字 段 1 字 节 (min) 包 终 止 符 中 断 传 输 总 开 销 包 的 开 销 =74 字 节 内 部 包 开 销 =99 字 节 总 开 销 =173 字 节 图 控 制 传 输 开 销 状 态 阶 段 Data Payload 表 12-6 总 结 了 控 制 传 输 的 可 能 带 宽 Percentage of Frame Bandwidth/ Transfer Max Xfers/ Frame Maximum Bandwidth 1 2% 43 43KB/s 2 2% KB/s 4 2% MB/s 8 2% MB/s 16 3% MB/s 32 3% MB/s 64 3% MB/s PING 事 务 在 USB 2.0 规 范 中 定 义 了 一 个 新 的 事 务 类 型 叫 做 PING 事 务, 用 来 在 高 速 环 境 中 消 除 低 速 全 速 环 境 中 存 在 的 总 线 效 率 问 题 问 题 在 一 个 发 送 到 批 量 传 输 和 控 制 传 输 终 点 的 OUT 事 务 之 后, 终 点 必 须 处 理 刚 刚 接 收 的 数 据 终 点 也 许 需 要 相 当 长 的 时 间 来 处 理 数 据 清 空 FIFO( 先 进 先 出 ) 队 列 如 果 在 上 一 个 处 理 完 成 之 前, 下 一 个 令 牌 包 就 到 了 这 个 终 点, 那 么 这 个 终 点 就 要 丢 弃 这 个 包, 并 返 回 NAN 握 手 信 号, 等 待 主 机 重 传 这 个 事 务 主 机 控 制 器 会 抱 怨 设 备 : 你 为 什 么 不 告 诉 我 你 不 能 接 收 数 据? 设 备 会 响 应 : 你 没 问 我 PING 协 议 就 是 解 决 这 个 问 题 的, 提 供 一 种 主 机 询 问 设 备 并 得 到 答 案 的 方 法 解 决 问 题 图 是 收 到 NAK 握 手 信 号 和 收 到 NAK 的 PING 事 务 的 对 比 不 再 会 有 浪 费 总 线 资 153

176 第 12 章 源 传 送 的 数 据 包 最 后 被 丢 掉 的 情 况 发 生,PING 事 务 可 以 在 发 送 数 据 包 之 前 有 效 地 检 测 设 备 是 否 能 够 接 收 数 据 OUT 事 务 最 多 可 以 用 530 个 字 节 的 总 线 时 间, 加 上 两 个 内 部 包 的 传 输 两 种 情 况 下, 设 备 都 返 回 NAK 握 手 信 号 指 示 没 有 空 间 可 以 容 纳 数 据 当 返 回 是 ACK 时, 主 机 知 道 设 备 有 空 间 可 以 接 收 数 据, 就 发 送 OUT 事 务 PING 事 务 和 返 回 NAK 的 OUT 事 务 内 部 包 延 时 OUT 令 牌 数 据 NAK 8 字 节 最 大 520 字 节, ( 数 据 最 多 512 字 节, 包 括 开 销 ) 2 字 节 内 部 包 延 时 PING 2 字 节 NAK 2 字 节 图 对 比 PING 事 务 和 OUT 事 务 PING 协 议 所 有 的 批 量 传 输 和 控 制 传 输 终 端 都 要 支 持 PING 协 议 然 而, 控 制 传 输 的 准 备 阶 段 总 是 要 返 回 ACK, 因 此 这 些 事 务 不 支 持 PING 协 议 下 面 我 们 讨 论 在 PING 协 议 终 点 的 帮 助 下 主 机 和 设 备 之 间 的 OUT 事 务 图 是 从 设 备 终 端 收 到 不 同 响 应 时 发 生 事 件 的 序 列 图 描 述 了 目 标 终 端 在 PING 处 理 时 采 取 的 行 动 行 动 的 步 骤 很 大 程 度 上 取 决 于 设 备 是 否 有 足 够 的 空 间 容 纳 数 据 Ping Out 或 Data 0/1 更 多 的 空 间, 前 进 到 下 一 个 事 务 图 主 机 PING 过 程 概 况 154

177 高 速 传 输 事 务 和 调 度 有 可 利 用 空 间 有 可 利 用 空 间 无 可 利 用 空 间 或 有 可 利 用 空 间 接 受 数 据 无 可 利 用 空 间 图 终 端 PING 过 程 PING 包 握 手 响 应 当 主 机 发 送 一 个 PING 包 到 终 端 设 备, 两 种 可 能 的 非 错 误 响 应 可 能 返 回 主 机 :NAK( 不 确 认 ) 和 ACK( 确 认 ) 一 个 NAK 握 手 信 号 表 明 主 机 设 备 没 有 空 间 容 纳 最 大 的 数 据 包 当 设 备 返 回 NAK, 主 机 继 续 发 送 PING 事 务 就 知 道 设 备 没 有 空 间 容 纳 数 据 然 而, 主 机 应 该 使 用 PING 协 议 来 提 高 总 线 效 率 例 如, 设 备 终 点 返 回 NAK 握 手 指 示 它 没 有 空 间 容 纳 OUT 事 务 的 数 据, 主 机 控 制 器 应 该 延 时 下 一 个 给 这 个 终 点 的 PING 包, 而 去 执 行 其 他 终 点 的 事 务 这 样, 当 这 个 设 备 在 清 理 FIFO 队 列 的 时 候, 总 线 时 间 就 被 用 来 给 其 他 设 备 传 输 数 据 从 设 备 返 回 的 PING 过 的 ACK 信 号 表 明 设 备 有 足 够 的 空 间 来 容 纳 最 大 包 的 数 据 响 应 ACK, 主 机 就 要 发 送 OUT 事 务 作 为 下 一 个 给 终 端 的 事 务 然 而, 主 机 可 以 在 收 到 ACK 和 发 送 这 个 设 备 的 下 一 个 事 务 之 间, 执 行 发 往 其 他 设 备 的 事 务 PING 确 认 后 面 的 OUT 事 务 可 以 有 三 种 非 错 误 响 应 : ACK 也 证 明 了 OUT 事 务 的 成 功 传 输, 终 点 有 足 够 的 空 间 来 容 纳 下 一 个 最 大 包 长 的 数 据 因 此 主 机 可 以 发 送 下 一 个 OUT 事 务 NYET 这 个 信 号 证 实 设 备 没 有 差 错 地 收 到 了 OUT 事 务, 但 是 没 有 足 够 的 空 间 容 纳 下 一 个 最 大 包 长 的 事 务 因 此 主 机 恢 复 终 点 的 PING 过 程 NAK 希 望 看 到 这 个 信 号, 因 为 从 PING 终 点 来 的 ACK 响 应 指 示 终 端 有 足 够 的 空 间 容 纳 数 据, 但 是 设 备 返 回 NAK, 表 明 设 备 没 有 足 够 的 空 间 这 个 响 应 表 明 设 备 返 回 一 个 矛 盾 的 握 手 信 号, 或 者 是 终 端 变 得 很 忙 暂 时 不 能 响 应 高 速 批 量 传 输 和 控 制 终 点 必 须 限 制 发 送 NAK 的 数 目 特 别 的, 一 个 终 点 最 多 在 终 点 描 述 规 定 的 时 隙 中 允 许 发 送 一 次 NAK, 见 表 12-7 间 隔 为 0 表 示 终 端 从 来 不 发 送 NAK 不 发 送 NAK 的 终 点 也 要 能 响 应 PING 包 表 12-7 非 周 期 传 输 中 终 端 描 述 符 间 隔 字 段 定 义 的 NAK 额 度 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 6 b 间 隔 1 数 字 高 速 批 量 和 控 制 传 输 定 义 b 间 隔 作 为 终 点 的 NAK 额 度 b 间 隔 是 微 帧 /NAK(0~255) 的 数 目 0 值 表 示 终 端 从 来 不 发 送 NAK 信 号 155

178 第 13 章 13 高 速 错 误 检 测 和 处 理 上 一 章 上 一 章 我 们 主 要 介 绍 2.0 规 范 带 来 的 变 化 USB 1.0 定 义 的 传 输 和 高 速 环 境 中 的 有 相 同 的 特 性, 然 而, 也 有 一 些 变 化, 例 如 包 的 大 小 一 些 新 的 特 点 也 被 加 到 了 高 速 环 境 中, 例 如 高 带 宽 的 传 输 和 PING 协 议 这 些 和 这 里 我 们 还 没 有 提 到 的 变 化 都 在 上 一 章 讲 述 过 本 章 高 速 环 境 中 的 错 误 检 测 和 处 理 与 全 速 和 低 速 环 境 非 常 相 似 然 而, 因 为 高 速 的 时 钟 速 率, 有 些 时 间 变 量 必 须 改 变 以 支 持 错 误 检 测, 例 如 超 时 值 和 串 扰 检 测 这 些 问 题 我 们 会 在 本 章 介 绍 下 一 章 这 一 章 我 们 讲 述 为 了 使 用 全 速 挂 起 和 恢 复 协 议 和 信 号 习 惯, 高 速 设 备 要 发 生 的 变 化 概 述 高 速 环 境 中 的 错 误 检 测 和 恢 复 可 以 归 纳 为 如 下 几 点 : 和 低 速 全 速 环 境 相 同 的 包 错 误 检 测 事 务 的 超 时 同 样 包 括 环 路 延 时, 但 是 一 些 延 时 已 经 变 化 了, 延 时 时 间 由 高 速 传 输 位 时 间 计 算, 而 不 是 原 来 的 低 速 和 全 速 计 算 方 法 EOF1 和 EOF2 串 扰 设 备 检 测 和 1.x 系 统 使 用 相 同 的 原 则, 但 是 EOF 抽 样 点 要 参 考 高 速 位 时 间 包 检 测 和 报 告 由 于 要 支 持 分 解 传 输 而 进 行 必 要 的 调 整 高 速 总 线 超 时 像 1.x 环 境 一 样, 高 速 设 备 也 采 用 在 本 应 响 应 的 时 候 保 持 沉 默 来 报 告 包 的 错 误 没 有 响 应 是 设 备 等 待 传 输 错 误 的 数 据 包 返 回 的 消 极 指 示 在 检 测 到 错 误 前 可 以 等 待 的 时 间 由 在 主 机 156

179 高 速 错 误 检 测 和 处 理 和 设 备 之 间 的 最 坏 环 路 延 时 决 定 图 13-1 说 明 了 最 坏 环 路 延 时 的 拓 扑 结 构 环 路 延 时 由 高 速 位 时 间 定 义, 基 于 如 下 的 方 面 : 36 位 时 间 +4 纳 秒 总 延 时 =721 个 高 速 位 时 间 26ns 36 位 时 间 +30 纳 秒 主 机 控 制 器 集 线 器 1 集 线 器 2 集 线 器 3 集 线 器 4 集 线 器 5 功 能 设 备 总 的 电 缆 延 时 = 或 529 个 高 速 位 时 间 192 高 速 位 时 间 图 13-1 主 机 和 功 能 设 备 之 间 最 坏 的 环 路 时 延 主 机 和 设 备 之 间 的 最 大 电 缆 跳 数 =6 最 大 集 线 器 数 =5 功 能 设 备 最 大 响 应 时 间 =192 纳 秒 最 大 电 缆 传 播 时 延 =26 纳 秒 最 大 集 线 器 时 延 =36 位 时 间 +4 纳 秒 总 的 环 路 延 时 计 算 如 下 : 12 个 电 缆 段 26 纳 秒 =312 纳 秒 ( 约 为 150 个 高 速 位 时 间 ) 10 个 集 线 器 跨 越 36 个 位 时 间 +4 纳 秒 =360 个 位 时 间 +40 纳 秒 ( 约 为 379 个 高 速 位 时 间 ) 功 能 设 备 最 大 反 映 时 间 =192 个 高 速 位 时 间 总 延 时 =712 个 高 速 位 时 间 规 范 要 求 在 736 个 位 时 间 没 有 响 应 就 要 发 出 总 线 超 时 信 号, 并 且 信 号 不 晚 于 816 个 高 速 位 时 间 发 出 如 果 主 机 或 者 设 备 传 输 一 个 包, 要 求 一 个 响 应, 则 当 一 个 包 完 成 传 输 的 时 候 计 时 器 启 动, 当 返 回 包 被 检 测 到 时 计 时 器 停 止 当 数 据 线 回 到 无 噪 电 位 指 示 包 结 束 时, 计 时 器 启 动, 当 数 据 线 离 开 无 噪 电 位 指 示 包 开 始 时, 计 时 器 停 止 如 果 计 时 器 超 过 了 规 定 的 超 时 周 期, 那 么 就 标 记 一 个 错 误 在 此 之 后 的 活 动 和 低 速 全 速 环 境 中 是 相 同 的 错 误 的 包 结 束 符 高 速 的 包 结 束 符 其 实 是 检 测 到 一 个 位 填 充 错 误 规 范 指 出, 接 收 器 需 要 将 任 何 位 填 充 错 误 解 释 为 包 的 结 束 如 果 在 事 务 产 生 了 一 个 非 包 结 束 符 的 位 填 充 错 误, 那 么 就 会 检 测 到 一 个 CRC 错 误 和 错 误 的 包 结 束 符 作 为 包 结 束 符 错 误 的 响 应 是 和 低 速 全 速 环 境 一 样 的, 只 是 主 机 检 测 到 错 误 包 结 束 符 后 的 行 为 不 同 下 面 总 结 一 下 主 机 检 测 到 错 误 包 结 束 符 后 在 低 速 全 速 环 境 和 在 高 速 环 境 中 的 157

180 第 13 章 不 同 行 为 在 低 速 和 全 速 环 境 中, 当 检 测 到 一 个 错 误 的 包 结 束 符, 主 机 等 待 包 结 束 然 后 等 待 16 位 时 间 发 送 下 一 个 数 据 包 这 16 位 时 间 的 延 时 可 以 让 设 备 检 测 到 超 时, 识 别 刚 刚 传 送 的 数 据 包 有 错 误 在 高 速 环 境 中, 如 果 主 机 收 到 一 个 破 坏 了 的 高 速 数 据 包 ( 包 括 包 结 束 符 ), 它 会 忽 略 任 何 数 据, 直 到 数 据 线 回 到 无 噪 电 压 检 测 到 无 噪 状 态, 带 有 正 常 的 内 部 延 时 的 下 一 个 令 牌 包 就 可 以 立 即 发 送 注 意, 在 高 速 操 作 时, 主 机 在 发 下 一 个 包 之 前 不 需 要 等 待 设 备 检 测 到 超 时 这 种 情 况 下, 设 备 传 输 数 据 到 主 机 但 是 不 知 道 出 现 了 错 误, 所 以 设 备 等 待 握 手 应 答 信 号 确 认 包 已 经 被 正 确 传 输 了 但 是 主 机 发 送 的 下 一 个 包 是 令 牌 包, 没 有 命 中 等 待 握 手 信 号 的 设 备 由 于 没 有 收 到 握 手 信 号, 设 备 就 假 定 先 前 的 包 没 有 被 正 确 传 输 高 速 设 备 串 扰 检 测 串 扰 的 高 速 设 备 和 活 动 丢 失 的 设 备 可 以 通 过 应 用 与 全 速 环 境 中 相 同 的 原 则 检 测 然 而, 高 速 的 传 输 速 率 和 不 同 的 信 号 引 起 了 一 些 变 化 图 13-2 描 述 了 一 个 集 线 器 的 微 帧 队 列 集 线 器 定 时 器 因 为 电 缆 和 转 发 器 的 时 延 发 生 相 位 偏 移 这 可 确 保 每 个 下 层 集 线 器 的 EOF1 抽 样 点 处 于 相 邻 的 上 层 集 线 器 的 EOF1 和 EOF2 抽 样 点 之 间 规 范 指 出, 当 任 何 一 个 集 线 器 到 达 EOF1 抽 样 点, 它 会 毁 坏 上 层 的 连 通 性 如 果 一 个 上 行 的 数 据 包 在 EOF1 点 被 传 输, 那 么 上 层 端 口 会 检 测 到 突 然 的 包 终 止, 因 而 保 证 不 会 在 EOF2 到 来 时 发 现 任 何 上 行 的 包 注 意, 连 接 着 串 扰 设 备 的 集 线 器 端 口 会 在 EOF2 点 从 串 扰 设 备 检 测 到 上 行 数 据 集 线 器 必 须 禁 用 这 个 端 口 阻 止 它 继 续 干 扰 下 一 个 微 帧 帧 开 始 帧 结 束 1 帧 结 束 2 根 集 线 器 集 线 器 1 集 线 器 2 集 线 器 3 集 线 器 4 集 线 器 5 设 备 216 个 高 速 比 特 时 间 + 抖 动 最 大 电 缆 延 时 =30 纳 秒 最 大 集 线 器 延 时 158

181 高 速 错 误 检 测 和 处 理 图 13-2 设 备 串 扰 检 测 模 型 注 意, 集 线 器 之 间 合 适 的 时 间 关 系 对 于 检 测 设 备 串 扰 非 常 重 要 集 线 器 设 计 者 必 须 保 证 和 SOF 解 码 相 关 的 延 时 必 须 和 能 够 通 过 提 前 EOF 抽 样 点 来 弥 补, 这 样 EOF1 点 之 间 的 时 间 增 量 就 只 和 电 缆 和 集 线 器 延 时 有 关 EOF1 和 EOF2 抽 样 点 的 位 置 规 定 如 下 : EOF1= 微 帧 结 束 前 的 560 个 高 速 位 时 间 EOF2= 微 帧 结 束 前 的 64 个 高 速 位 时 间 图 13-3 描 述 了 EOF 抽 样 点 的 分 离 规 范 要 求 一 个 在 EOF1 之 前 开 始 的 上 行 数 据 必 须 在 所 有 上 层 集 线 器 到 达 EOF2 抽 样 点 之 前 到 达 这 些 集 线 器 对 于 数 据 包 通 过 5 个 集 线 器 和 6 段 电 缆, 这 要 求 216 个 高 速 位 时 间 根 集 线 器 帧 结 束 帧 结 束 2 64 集 线 器 1 集 线 器 2 集 线 器 3 集 线 器 4 集 线 器 个 位 时 间 240 个 位 时 间 图 13-3 EOF 包 抽 样 点 的 分 离 159

182 第 13 章 14 高 速 的 挂 起 和 恢 复 上 一 章 高 速 环 境 中 的 错 误 检 测 和 处 理 与 全 速 和 低 速 环 境 非 常 相 似 然 而, 因 为 高 速 的 时 钟 速 率, 有 些 时 间 变 量 必 须 改 变 以 支 持 错 误 检 测, 例 如 超 时 值 和 串 扰 检 测 这 些 问 题 我 们 已 经 在 上 一 章 介 绍 本 章 本 章 我 们 讲 述 为 了 使 用 全 速 挂 起 和 恢 复 协 议 和 信 号 习 惯, 高 速 设 备 要 发 生 的 变 化 下 一 章 这 一 章 我 们 讲 述 高 速 集 线 器 的 基 本 特 性 它 必 须 在 连 接 高 速 和 全 速 端 口 时 都 能 正 确 操 作, 而 且 还 要 支 持 所 有 速 率 的 设 备 概 述 高 速 设 备 使 用 全 速 机 制 进 行 挂 起 和 恢 复 为 了 使 用 全 速 恢 复 信 号, 高 速 设 备 必 须 在 进 入 挂 起 状 态 时 转 换 成 全 速 操 作, 并 且 在 回 到 高 速 操 作 时 自 动 恢 复 高 速 信 号 这 一 章 我 们 讨 论 高 速 到 全 速 的 转 换 和 恢 复 进 入 设 备 挂 起 在 检 测 到 3 毫 秒 的 总 线 空 闲 后, 高 速 设 备 进 入 挂 起 状 态, 这 和 全 速 环 境 一 样 然 而 由 于 总 线 空 闲 和 设 备 复 位 都 通 过 信 号 端 0 发 送 信 号 (SE0), 因 此 必 须 使 用 附 加 的 逻 辑 判 断 到 底 是 哪 一 种 情 况 另 一 个 高 速 挂 起 和 复 位 的 共 同 特 点 是 设 备 必 须 传 送 全 速 信 号 : 挂 起 检 测 设 备 在 检 测 到 3 毫 秒 的 总 线 空 闲 时, 它 知 道 或 者 被 挂 起 或 者 被 复 位 如 果 是 一 个 挂 起 信 号, 集 线 器 端 口 就 会 发 送 全 速 空 闲 信 号 (D+ 上 拉,D- 下 拉 ) 复 位 检 测 回 顾 一 下 全 速 设 备 中 检 测 复 位 信 号, 是 在 观 察 到 SE0 大 于 2.5 微 秒 后 进 行 的, 这 和 挂 起 信 号 并 不 冲 突, 因 为 总 线 空 闲 和 复 位 的 信 号 不 同 高 速 设 备 不 能 160

183 高 速 的 挂 起 和 恢 复 在 SE0 发 现 2.5 微 秒 之 后 检 测 为 复 位, 因 为 有 可 能 是 一 个 挂 起 信 号 如 果 集 线 器 端 口 发 送 的 是 复 位 信 号, 那 么 SE0 会 持 续 大 于 10 毫 秒 小 于 20 毫 秒 的 时 间 图 14-1 说 明 了 判 断 一 个 设 备 是 挂 起 还 是 复 位 的 过 程 转 换 到 挂 起 过 程 的 步 骤 如 下 : 1. 高 速 设 备 在 观 察 到 总 线 空 闲 3 毫 秒 和 毫 秒 之 间 进 入 全 速 操 作 状 态 设 备 连 接 上 拉 电 阻 到 D+ 线, 关 闭 它 的 全 速 驱 动 器 ( 因 此 也 就 断 开 了 高 速 电 阻 ) 2. 转 换 到 全 速 环 境 不 早 于 100 毫 秒, 不 短 于 875 毫 秒 时, 设 备 抽 样 D+ 和 D- 线 来 决 定 是 挂 起 还 是 复 位 如 果 全 速 总 线 处 于 空 闲 状 态 (J 状 态 ), 那 么 设 备 进 入 挂 起 状 态, 并 减 少 电 流 降 如 果 全 速 总 线 在 SE0 状 态, 设 备 就 检 测 到 复 位 信 号 并 发 送 线 性 调 频 脉 冲 序 列 设 备 转 换 为 全 速 信 号 设 备 抽 样 信 号 线 的 状 态, 进 入 挂 起 状 态 全 速 设 备 高 速 空 闲 图 14-1 设 备 检 测 并 进 入 挂 起 状 态 设 备 恢 复 一 个 设 备 进 入 挂 起 状 态 后, 必 须 记 得 它 是 在 高 速 环 境 中 操 作 的, 这 样 恢 复 后 才 能 重 新 正 常 工 作 当 一 个 设 备 检 测 到 恢 复 信 号 ( 大 于 20 毫 秒 的 全 速 K 信 号, 接 着 是 低 速 的 EOP), 它 就 会 转 换 回 高 速 的 操 作 环 境, 可 以 使 从 总 线 获 取 的 电 流 升 到 配 置 描 述 符 所 规 定 的 最 大 值 161

184 . 第 四 部 分 USB2.0 集 线 器 在 低 速 全 速 高 速 中 的 操 作 第 四 部 分 讨 论 高 速 集 线 器 的 操 作 由 于 USB 2.0 可 以 向 后 兼 容 低 速 全 速 高 速 设 备 的 操 作, 关 系 到 维 持 USB 设 备 性 能 的 问 题 也 会 在 第 四 部 分 讨 论 第 四 部 分 包 括 的 章 节 如 下 : 第 15 章 :USB 2.0 集 线 器 概 况 第 16 章 : 高 速 事 务 中 的 集 线 器 行 为 第 17 章 : 低 速 和 全 速 设 备 中 的 集 线 器 行 为 146

185 高 速 集 线 器 概 况 高 速 集 线 器 概 况 15 上 一 章 上 一 章 我 们 讲 述 为 了 使 用 全 速 挂 起 和 恢 复 协 议 和 信 号 习 惯, 高 速 设 备 要 发 生 的 变 化 本 章 本 章 我 们 讲 述 高 速 集 线 器 的 基 本 特 性 它 必 须 在 连 接 高 速 和 全 速 端 口 时 都 能 正 确 操 作, 而 且 还 要 支 持 所 有 速 率 的 设 备 下 一 章 下 一 章 我 们 讨 论 当 2.0 集 线 器 在 它 的 上 层 下 层 端 口 收 到 高 速 数 据 包 时 的 行 为 这 章 也 细 致 讲 述 高 速 转 发 器 和 通 过 集 线 器 向 前 传 输 高 速 数 据 包 的 延 时 问 题 概 述 一 个 2.0 的 操 作 依 赖 于 它 连 接 的 上 层 端 口 的 速 度 如 果 它 连 接 到 一 个 高 速 端 口, 就 启 用 它 的 高 速 转 发 器 和 事 务 转 换 逻 辑 转 发 器 将 所 有 的 高 速 包 转 发 到 连 接 在 它 下 层 端 口 的 高 速 设 备 事 务 翻 译 器 处 理 所 有 目 标 为 连 接 到 集 线 器 下 层 端 口 的 全 速 和 低 速 设 备 的 事 务 如 果 集 线 器 连 接 到 全 速 端 口, 它 就 必 须 按 照 兼 容 全 速 的 集 线 器 操 作, 高 速 转 发 器 禁 用, 低 速 和 全 速 转 发 器 可 用 这 种 模 式 下, 事 务 翻 译 器 也 禁 用 连 接 到 高 速 端 口 的 2.0 集 线 器 在 高 速 模 式 下, 集 线 器 必 须 支 持 低 速 全 速 和 高 速 设 备 图 15-1 是 全 速 设 备 连 接 到 高 速 性 能 的 集 线 器 的 USB 2.0 拓 扑 结 构 这 个 拓 扑 结 构 的 第 三 层 是 低 速 和 全 速 设 备 层, 因 为 第 三 层 可 用 的 端 口 是 连 接 到 高 速 集 线 器 上 的 USB 1.x 集 线 器 提 供 的 高 速 集 线 器 检 测 每 个 设 备 的 连 接 和 速 度, 并 且 转 换 端 口 接 口 来 支 持 连 接 到 其 上 的 指 定 设 备 图 15-2 是 支 持 三 种 速 度 的 四 个 主 要 功 能 块 集 线 器 控 制 器 收 集 每 个 端 口 的 状 态 信 息, 并 且 让 能 够 检 测 连 接 到 集 线 器 端 口 设 备 的 165

186 第 15 章 速 度 的 软 件 知 道 这 些 信 息 转 发 器 将 所 有 的 高 速 数 据 包 转 发 到 高 速 性 能 的 设 备 事 务 翻 译 器 接 收 高 速 分 解 事 务, 执 行 目 标 设 备 为 低 速 和 全 速 设 备 的 请 求 操 作 路 由 逻 辑 器 连 接 转 发 器 到 所 有 高 速 设 备 连 接 的 端 口, 连 接 事 务 翻 译 器 到 所 有 全 速 和 低 速 设 备 连 接 的 端 口 高 速 2.0 主 机 控 制 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 2.0 集 线 器 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 集 线 器 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 低 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 图 15-1 有 新 旧 两 种 集 线 器 的 USB 2.0 拓 扑 结 构 上 行 端 口 事 务 发 送 器 集 线 器 转 发 器 集 线 器 控 制 器 线 路 逻 辑 下 行 端 口 图 15-2 高 速 集 线 器 数 据 包 路 由 选 择 166

187 高 速 集 线 器 概 况 高 速 事 务 高 速 集 线 器 转 发 器 传 递 所 有 的 高 速 数 据 包 到 高 速 端 口, 包 括 高 速 分 解 事 务 这 些 包 在 没 有 经 过 解 码 的 情 况 下 被 传 递 每 个 包 重 新 和 下 层 端 口 锁 定 速 率 第 16 章 高 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 会 详 细 讲 述 转 发 高 速 包 时 集 线 器 的 操 作 低 速 和 全 速 事 务 主 机 发 送 高 速 分 解 事 务 访 问 连 接 到 根 集 线 器 下 层 的 高 速 集 线 器 端 口 的 低 速 和 全 速 设 备 ( 见 图 15-3) 主 机 通 过 向 集 线 器 传 送 令 牌 包 的 开 始 分 解 事 务 来 初 始 化 这 个 事 务, 并 且 指 示 集 线 器 和 端 口 被 这 个 事 务 命 中 集 线 器 发 送 正 常 的 低 速 和 全 速 事 务 到 终 端 设 备 这 由 正 常 的 令 牌 数 据 和 握 手 包 序 列 组 成 根 据 事 务 是 IN 事 务 还 是 OUT 事 务, 主 机 调 度 一 个 完 成 分 解 (complete-split) 事 务 来 获 取 数 据 或 者 是 完 成 状 态 ( 握 手 信 号 ) 第 17 章 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 会 详 细 讲 解 集 线 器 执 行 分 解 事 务 时 的 操 作 PCI 总 线 2.0 主 机 控 制 器 高 速 开 始 分 解 高 速 完 全 分 解 2.0 集 线 器 令 牌 / 数 据 / 握 手 信 号 序 列 低 速 设 备 全 速 设 备 图 15-3 请 求 分 解 事 务 访 问 连 接 到 高 速 集 线 器 的 低 速 和 全 速 设 备 连 接 到 全 速 端 口 的 USB 2.0 集 线 器 高 速 集 线 器 连 接 到 全 速 端 口 时 必 须 注 意 操 作 的 合 法 当 在 全 速 模 式 时, 它 们 必 须 像 1.x 集 线 器 那 样 支 持 和 完 成 全 速 和 低 速 设 备 的 操 作 在 USB 2.0 中, 连 接 到 可 用 端 口 设 备 的 模 式 可 以 影 响 独 立 设 备 在 USB 中 的 性 能 例 如 : 一 个 用 户 保 留 了 2.0 和 1.1 集 线 器, 就 像 图 15-4 那 样, 那 么 2.0 集 线 器 就 要 连 接 到 全 速 端 口, 而 且 仅 仅 支 持 连 接 到 下 层 端 口 的 全 速 和 低 速 设 备 这 个 例 子 中, 惟 一 的 要 按 高 速 操 作 的 设 备 是 两 个 连 接 到 到 根 集 线 器 端 口 的 高 速 设 备 软 件 要 可 以 检 测 到 并 报 告 这 些 问 题 167

188 第 15 章 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 低 速 设 备 高 速 2.0 主 机 控 制 器 USB 2.0 集 线 器 USB 1.1 集 线 器 USB 1.1 全 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 2.0 高 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 USB 1.1 全 速 设 备 高 速 设 备 以 全 速 运 行 USB 1.1 全 速 设 备 图 15-4 设 备 非 理 想 操 作 的 拓 扑 示 例 168

189 高 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 高 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 16 上 一 章 上 一 章 我 们 讲 述 高 速 集 线 器 的 基 本 特 性 它 必 须 在 连 接 高 速 和 全 速 端 口 时 都 能 正 确 操 作, 而 且 还 要 支 持 所 有 速 率 的 设 备 本 章 本 章 我 们 讨 论 当 2.0 集 线 器 在 它 的 上 层 下 层 端 口 收 到 高 速 数 据 包 时 的 行 为 本 章 也 细 致 讲 述 高 速 转 发 器 和 通 过 集 线 器 转 发 高 速 数 据 包 的 延 时 问 题 下 一 章 这 章 介 绍 允 许 高 速 集 线 器 支 持 低 速 和 全 速 设 备 而 不 需 要 牺 牲 大 量 的 总 线 时 间 访 问 慢 速 设 备 的 分 解 事 务 讲 述 事 务 翻 译 器 的 操 作, 分 解 事 务 的 不 同 形 式 和 每 一 种 要 求 的 特 定 序 列 概 述 当 USB 2.0 集 线 器 连 接 到 高 速 端 口, 并 且 有 一 个 或 者 多 个 高 速 设 备 连 接 到 它 的 下 层 端 口 时, 它 直 接 在 两 个 方 向 上 执 行 转 发 功 能 这 个 概 念 上 2.0 集 线 器 的 功 能 和 1.x 集 线 器 没 有 什 么 区 别 然 而, 在 两 种 方 式 上 存 在 着 几 个 主 要 的 差 别 : 检 测 到 高 速 包 之 前,2.0 集 线 器 会 进 行 静 噪 这 样 要 求 一 定 的 时 间 来 启 用 接 收 器, 会 从 开 始 包 中 丢 失 一 些 位 当 2.0 集 线 器 收 到 一 个 数 据 包, 它 向 下 一 个 设 备 发 送 数 据 的 时 候 要 重 新 锁 定 时 钟 重 新 锁 定 数 据 要 求 缓 存 一 些 数 据 包 高 速 集 线 器 转 发 器 图 16-1 提 供 了 一 个 接 收 器 转 发 器 和 传 输 路 径 的 概 念 化 视 图 后 面 我 们 将 逐 个 讨 论 这 些 功 能 块 注 意, 通 过 缓 冲 区 的 最 大 传 播 延 时 是 36 位 时 间 接 收 器 静 噪 如 同 11 章 所 述, 高 速 接 收 器 电 流 当 总 线 空 闲 时 处 于 静 噪 状 态, 当 一 个 150 毫 伏 的 差 动 信 169

190 第 16 章 号 被 包 络 检 测 器 检 测 到 的 时 候 再 启 动 集 线 器 规 范 规 定 在 检 测 到 包 和 启 动 接 收 器 之 间 最 多 有 4 位 时 间 这 样, 每 个 包 最 初 的 4 位 可 能 被 集 线 器 跳 过 这 样 同 步 时 钟 减 少 4 位 由 于 任 何 USB 设 备 和 根 集 线 器 之 间 最 多 有 5 个 集 线 器, 所 以 源 点 生 成 的 32 位 中 可 能 最 多 有 20 位 被 丢 掉 数 据 包 络 检 测 器 端 口 选 择 状 态 机 ( 有 效 包 检 波 ) 数 据 高 速 发 送 器 数 据 恢 复 24 位 弹 性 缓 冲 区 高 速 接 收 器 接 收 时 钟 发 送 时 钟 图 16-1 集 线 器 的 转 发 功 能 影 响 包 的 末 尾 的 也 是 4 个 位 时 间 当 接 收 端 口 返 回 到 空 闲 状 态, 转 发 器 被 禁 用, 然 而 可 能 要 花 费 4 个 位 的 时 间 来 在 EOP 之 后 禁 用 转 发 器 这 会 最 多 随 机 产 生 4 个 位 加 到 包 的 末 尾 这 些 位 叫 做 滴 落 位, 但 是 对 接 收 器 检 测 包 没 有 什 么 负 面 影 响 在 每 个 集 线 器 都 会 累 积 这 个 位 数, 因 此 在 第 5 个 集 线 器 可 以 发 送 一 个 最 多 带 有 20 个 滴 落 位 的 包 当 这 个 包 的 接 收 器 检 测 到 EOP( 带 有 一 个 故 意 的 位 填 充 错 误 ), 它 会 检 验 CRC 来 决 定 有 效 值, 后 面 的 滴 落 位 就 会 简 单 的 扔 掉 数 据 包 重 新 锁 定 要 重 新 锁 定 数 据 包 是 为 了 减 少 接 收 器 看 到 的 抖 动, 限 制 抖 动 在 规 范 要 求 的 范 围 内 重 新 锁 定 要 从 收 到 的 NRZI 码 数 据 流 中 提 取 出 数 据, 然 后 使 用 集 线 器 的 本 地 时 钟 重 新 传 送 端 口 选 择 状 态 机 这 个 功 能 块 表 示 了 验 证 数 据 包 的 有 效 性 的 集 线 器 状 态 机 这 个 状 态 机 检 测 静 噪 的 结 束 ( 也 可 能 是 噪 声 引 起 的 ), 等 待 弹 性 缓 冲 区 的 启 动 状 态 机 然 后 在 弹 性 缓 冲 区 检 测 重 复 的 数 据 样 本 KJ 或 者 JK, 指 示 同 步 序 列 和 一 个 有 效 的 包 如 果 没 有 检 测 到 重 复 样 本, 那 么 发 到 下 层 端 口 的 包 传 输 就 不 能 进 行 170 弹 性 缓 冲 区 弹 性 缓 冲 区 处 理 从 接 收 包 来 的 接 收 时 钟 和 集 线 器 产 生 的 本 地 时 钟 的 频 率 的 不 同 问 题 规

191 高 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 范 允 许 时 钟 容 忍 500ppm( 每 分 钟 脉 冲 数 ), 这 使 接 收 和 发 送 时 钟 之 间 最 大 相 差 1000ppm 弹 性 缓 冲 区 必 须 能 够 处 理 接 收 时 钟 快 于 发 送 时 钟 的 情 况, 反 之 亦 然 为 了 处 理 两 种 情 况, 缓 冲 区 在 数 据 出 缓 冲 区 之 前, 必 须 先 被 填 充 一 半 ( 启 动 ) 这 样, 如 果 数 据 出 缓 冲 区 比 进 入 缓 冲 区 快, 就 不 会 发 生 欠 载 运 行 缓 冲 区 空 间 也 足 够 避 免 数 据 进 比 出 快 的 溢 出 现 象 缓 冲 区 的 一 半 的 深 度 必 须 等 于 最 长 的 包 在 不 同 时 钟 速 率 下 产 生 的 最 大 差 别 缓 冲 区 一 半 的 深 度 计 算 如 下 : 指 定 最 大 的 时 钟 差 别 是 1000ppm 最 大 包 的 长 度 :1024 字 节 数 据 有 效 载 荷 + 总 开 销, 包 括 20 个 滴 落 位 =9644 位 最 大 的 过 载 和 欠 载 近 似 为 10 位 (1000ppm 9644=9.644 位 ) 规 范 要 求 缓 冲 区 一 半 的 深 度 是 12 位, 有 两 位 的 余 量 转 发 器 状 态 机 集 线 器 转 发 器 的 状 态 在 低 速 全 速 和 高 速 集 线 器 操 作 中 都 相 同 ( 见 图 16-2) 然 而, 当 集 线 器 以 高 速 操 作 时, 它 只 转 发 高 速 包 高 速 状 态 机 包 括 以 下 几 个 特 点 : 复 位 等 待 上 行 方 向 的 包 开 始 符 等 待 上 行 方 向 包 终 止 符 上 行 方 向 的 包 开 始 符 上 行 方 向 包 终 止 符 图 16-2 转 发 器 状 态 机 在 检 测 到 高 速 包 开 始 符 (SOHP) 时 建 立 连 通 当 端 口 选 择 器 状 态 机 确 认 检 测 到 了 有 效 的 包,SOHP 就 使 传 输 发 生 如 图 16-1 所 示 在 检 测 到 高 速 包 结 束 符 (EOHP) 时 连 通 被 切 断 状 态 转 变 在 集 线 器 转 发 最 后 一 位 到 弹 性 缓 冲 区 后 发 生 每 个 状 态 转 换 如 下 所 述 : WFSOPFU( 等 待 上 行 包 开 始 符 ) 复 位 和 帧 结 束 (EOF1 或 者 EOF2) 时 进 入 这 个 状 态 这 样, 每 个 微 帧 以 转 发 器 在 WFSOPFU 状 态 开 始, 从 上 行 来 的 SOP 被 认 为 是 包 的 帧 开 始 后 面 是 从 主 机 来 的 包 SOF, 如 果 集 线 器 没 有 和 SOF 的 时 钟 同 步, 集 线 器 回 到 WFSOPFU 状 态 171

192 第 16 章 WFEOPFU( 等 待 上 行 包 结 束 符 ) 当 从 上 层 检 测 到 包 的 开 始 (SOP_FU) 时 进 入 这 个 状 态 这 可 以 从 WFSOPFU 或 者 WFSOP 状 态 进 入 WFSOP( 等 待 包 开 始 ) 这 种 状 态 下 集 线 器 等 待 上 行 和 下 行 包 当 从 上 行 或 者 下 行 包 检 测 到 EOP 时 转 换 到 这 种 状 态 当 等 待 包 开 始 的 时 候, 如 果 检 测 到 帧 尾 (EOF1), 集 线 器 进 入 WFSOPFU 状 态 WFEOP( 等 待 包 尾 ) 在 这 种 情 况 下 集 线 器 等 待 上 行 包 如 果 在 EOF2 时 还 没 有 检 测 到 EOP, 那 么 转 换 到 WFSOPFU 状 态, 和 上 层 建 立 了 连 通 的 下 层 端 口 被 禁 用 172

193 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 低 速 和 全 速 事 务 中 17 的 2.0 集 线 器 上 一 章 上 一 章 我 们 讨 论 当 2.0 集 线 器 在 它 的 上 层 下 层 端 口 收 到 高 速 数 据 包 时 的 行 为 这 章 也 细 致 讲 述 高 速 转 发 器 和 通 过 集 线 器 转 发 高 速 数 据 包 的 延 时 问 题 本 章 本 章 介 绍 允 许 高 速 集 线 器 支 持 低 速 和 全 速 设 备 而 不 需 要 牺 牲 大 量 的 总 线 时 间 访 问 慢 速 设 备 的 分 解 事 务 讲 述 事 务 翻 译 器 的 操 作, 分 解 事 务 的 不 同 形 式 和 每 一 种 要 求 的 特 定 序 列 下 一 章 这 一 章 我 们 讲 述 配 置 过 程 的 概 况 每 个 USB 设 备 配 置 的 主 要 步 骤 都 仔 细 讲 解 概 述 如 前 所 述, 高 速 集 线 器 必 须 将 分 解 事 务 转 换 为 低 速 或 者 高 速 事 务 这 章 我 们 讨 论 集 线 器 的 操 作, 尤 其 是 处 理 高 速 事 务 到 低 速 和 全 速 事 务 的 事 务 翻 译 器 图 17-1 是 包 通 过 下 层 端 口 连 上 行 端 口 事 务 发 送 器 集 线 器 转 发 器 集 线 器 控 制 器 LS/FS HS 线 路 逻 辑 下 行 端 口 173

194 第 17 章 图 17-1 包 通 过 连 接 着 低 速 / 全 速 和 高 速 设 备 的 集 线 器 的 流 程 接 着 低 速 和 全 速 设 备 的 高 速 集 线 器 的 过 程 分 解 事 务 由 事 务 翻 译 器 处 理, 生 成 发 到 目 标 端 口 的 低 速 或 者 全 速 事 务, 而 所 有 的 高 速 包 ( 包 括 分 解 事 务 ) 要 转 发 到 高 速 端 口 分 解 事 务 的 结 构 主 机 软 件 发 送 分 解 事 务 到 连 接 在 高 速 集 线 器 端 口 的 低 速 和 全 速 设 备 ( 但 不 是 根 集 线 器 ) 分 解 事 务 只 用 来 在 主 机 控 制 器 和 高 速 集 线 器 之 间 通 信 分 解 事 务 的 实 际 接 收 者 是 事 务 翻 译 器, 由 它 来 将 高 速 分 解 事 务 转 换 为 设 备 所 要 求 的 低 速 或 者 全 速 事 务 分 解 事 务 执 行 时 有 两 个 类 型 : 开 始 分 解 和 完 成 分 解 下 面 的 例 子 是 两 个 作 为 同 步 传 输 一 部 分 的 分 解 事 务, 不 要 求 验 证 数 据 传 输 第 二 个 例 子 是 要 求 数 据 验 证 的 分 解 事 务, 因 为 它 们 或 者 是 中 断 传 输, 或 者 是 批 量 传 输, 或 者 是 控 制 传 输 的 一 部 分 同 步 分 解 事 务 举 例 下 面 的 两 个 例 子 说 明 了 执 行 带 着 相 对 很 大 的 数 据 包 的 同 步 分 解 事 务 时, 主 机 使 用 的 包 序 列 两 种 情 况 下, 数 据 有 效 载 荷 足 够 大, 要 求 在 多 个 微 帧 中 完 成 数 据 传 输 第 一 个 是 同 步 OUT 分 解 事 务 的 例 子, 第 二 个 是 同 步 IN 事 务 的 例 子 同 步 OUT 事 务 分 解 举 例 图 17-2 描 述 了 一 个 长 的 同 步 分 解 OUT 事 务 开 始 事 务 的 数 据 包 序 列 第 一 个 分 解 初 始 化 这 个 事 务, 传 输 第 一 块 数 据 每 个 微 帧 高 速 传 送 数 据, 主 机 在 下 一 个 微 帧 时 隙 要 把 这 些 数 据 传 送 到 全 速 总 线 上 数 据 为 了 在 紧 接 着 的 微 帧 中 在 全 速 总 线 上 传 输 而 被 及 时 送 到 集 线 器 这 个 传 送 数 据 的 方 法 有 两 个 好 处 : 1. 集 线 器 内 的 缓 冲 区 可 以 比 较 小 2. 让 数 据 分 配 在 多 个 微 帧 中 可 以 保 持 总 线 在 这 些 微 帧 中 比 较 平 稳, 因 此 其 他 周 期 性 事 务 可 以 获 得 更 多 的 可 利 用 带 宽 满 足 全 速 总 线 的 需 要 因 为 在 同 步 事 务 中 不 需 要 数 据 传 输 的 验 证, 这 种 情 况 不 需 要 完 成 分 解 事 务 174

195 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 全 速 等 时 OUT 事 务 微 帧 开 始 SS= 开 始 分 解 全 速 总 线 图 17-2 同 步 OUT 分 解 事 务 示 例 同 步 IN 事 务 分 解 举 例 图 17-3 是 完 成 一 个 长 的 同 步 IN 事 务 所 需 的 开 始 分 解 和 完 成 分 解 事 务 开 始 分 解 事 务 初 始 化 一 个 全 速 的 IN 事 务 然 后, 主 机 调 度 一 系 列 的 附 加 完 成 分 解 事 务 读 取 从 IN 终 端 返 回 的 数 据 集 线 器 缓 冲 区 在 每 个 微 帧 读 取 数 据, 并 在 下 一 个 微 帧 通 过 一 个 完 成 分 解 事 务 把 这 个 数 据 传 送 给 主 机 全 速 等 时 IN 事 务 微 帧 开 始 SS= 开 始 分 解 CS= 结 束 分 解 全 速 总 线 图 17-3 同 步 IN 分 解 事 务 示 例 带 有 数 据 验 证 的 分 解 事 务 举 例 下 面 的 示 例, 更 多 的 解 释 了 带 有 数 据 传 送 验 证 的 分 解 事 务 这 个 示 例 事 务 的 目 标 可 以 是 控 制 终 端 批 量 传 输 终 端 和 中 断 传 输 终 端 因 为 这 三 种 传 输 的 最 大 包 值 在 全 速 下 都 是 64 字 节, 在 低 速 下 都 是 8 字 节, 数 据 传 输 可 以 在 125 微 秒 内 完 成 (64 字 微 秒 ) OUT 分 解 序 列 图 17-4 是 一 个 OUT 分 解 序 列 事 务 开 始 于 主 机 传 输 一 个 高 速 开 始 分 解 事 务 这 个 事 务 175

196 第 17 章 含 有 如 下 序 列 的 三 个 包 : 高 速 2.0 主 机 1 开 始 分 解 OUT 令 牌 数 据 X 3 结 束 分 解 OUT 令 牌 ACK 高 速 2.0 集 线 器 2 OUT 令 牌 数 据 X ACK 全 速 / 低 速 1.1 设 备 图 17-4 带 有 数 据 传 送 验 证 的 OUT 分 解 事 务 1. 开 始 分 解 包 2. OUT 令 牌 包 3. DATA0 包 OUT 令 牌 包 和 DATA 数 据 包 将 被 最 终 传 给 目 标 设 备 事 务 翻 译 器 解 码 开 始 分 解 包, 决 定 设 备 是 否 连 接 到 一 个 端 口 如 果 是, 事 务 翻 译 器 储 存 这 个 OUT 令 牌 和 数 据, 开 始 传 送 到 目 标 设 备 的 事 务 这 个 序 列 按 照 的 典 型 顺 序 执 行 : OUT 令 牌 DataX(x=0 或 者 1) 确 认 握 手 信 号 主 机 发 送 一 个 完 成 分 解 事 务 从 目 标 设 备 获 得 完 成 状 态 完 成 分 解 事 务 包 后 面 是 OUT 令 牌 包, 所 以 集 线 器 可 以 为 容 纳 事 务 的 结 果 数 据 匹 配 一 个 缓 冲 区 IN 分 解 序 列 图 17-5 是 一 个 IN 分 解 序 列 事 务 开 始 于 主 机 传 输 一 个 高 速 开 始 分 解 事 务 这 个 事 务 含 有 如 下 序 列 的 两 个 包 : 1. 开 始 分 解 包 2. IN 令 牌 包 IN 令 牌 包 将 被 最 终 传 给 目 标 设 备 事 务 翻 译 器 解 码 开 始 分 解 包, 决 定 设 备 是 否 连 接 到 一 个 端 口 如 果 是, 事 务 翻 译 器 储 存 这 个 IN 令 牌 和 数 据, 开 始 传 送 到 目 标 设 备 的 事 务 这 个 序 列 按 照 的 典 型 顺 序 执 行 : IN 令 牌 DataX(x=0 或 者 1) 确 认 握 手 信 号 主 机 发 送 一 个 完 成 分 解 事 务 从 目 标 设 备 获 得 完 成 状 态 一 个 单 独 的 完 成 分 解 事 务 包 后 面 可 以 完 成 所 有 数 据 的 传 送, 因 为 最 大 的 包 值 是 64 个 字 节 176

197 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 高 速 2.0 主 机 1 开 始 分 解 IN 令 牌 3 结 束 分 解 IN 令 牌 数 据 X 高 速 2.0 集 线 器 2 IN 令 牌 数 据 X ACK 全 速 / 低 速 1.1 设 备 图 17-5 带 有 数 据 传 送 验 证 的 IN 分 解 事 务 分 解 令 牌 包 图 17-6 说 明 了 分 解 令 牌 包 的 格 式 和 定 义 字 段 的 名 字 这 个 包 在 所 有 分 解 事 务 的 开 始 被 发 送 当 完 成 一 个 分 解 事 务 的 时 候 也 要 使 用 令 牌 包 这 个 分 解 令 牌 包 有 下 面 几 个 字 段 : 分 解 包 标 识 符 (SPLIT PID) 这 个 8 位 的 字 段 是 包 的 标 识 符, 有 4 个 位 编 码 定 义 这 个 包 是 分 解 令 牌 包 集 线 器 地 址 这 个 7 位 字 段 指 出 必 须 解 码 并 且 处 理 这 个 分 解 事 务 的 集 线 器 的 设 备 地 址 开 始 或 者 结 束 (SC) 这 个 位 字 段 定 义 这 个 包 是 开 始 分 解 包 还 是 完 成 分 解 包 端 口 这 个 7 位 字 段 定 义 分 解 事 务 命 中 的 端 口 号 系 统 软 件 必 须 知 道 拓 扑 结 构 来 指 明 集 线 器 和 端 口 号, 说 明 通 过 哪 些 集 线 器 和 端 口 数 据 可 以 被 送 到 指 定 的 目 标 设 备 速 度 (S) 这 个 位 字 段 在 终 端 是 控 制 终 点 中 断 终 点 或 者 批 量 传 输 终 点 时, 定 义 事 务 的 速 率 ( 低 速 或 者 全 速 ) 在 同 步 OUT 分 解 事 务 中 ( 例 如, 终 端 类 型 = 同 步, 方 向 =OUT,SC= 开 始 分 解 ), 速 度 位 和 结 束 位 (E) 定 义 四 个 开 始 分 解 包 中 的 一 个 类 型, 如 表 17-6 所 列 细 节 问 题 参 见 同 步 OUT 分 解 事 务 序 列 终 止 (End) 这 个 位 字 段 和 S(speed) 位 相 关, 定 义 在 同 步 OUT 事 务 传 输 到 目 标 设 备 时, 主 机 发 送 的 开 始 分 解 包 的 类 型 终 端 类 型 (ET) 这 个 2 位 字 段 指 出 终 端 类 型 : 控 制 同 步 批 量 中 断 CRC5 这 是 5 位 的 CRC 码, 检 验 跟 在 分 解 包 标 识 符 后 的 包 里 剩 下 的 19 位 177

198 第 17 章 类 型 字 段 检 查 字 段 集 线 器 地 址 端 口 地 址 CRC 校 验 同 步 序 列 空 闲 包 结 束 符 分 解 令 牌 包 标 识 符 开 始 分 解 =0 结 束 分 解 =1 全 速 =0 低 速 =1 开 始 分 解 中 间 =00 开 始 分 解 结 束 =01 开 始 分 解 开 始 =10 开 始 分 解 完 全 =11 注 意, 以 上 编 码 是 全 速 等 时 OUT 开 始 分 解 控 制 传 输 =00 同 步 传 输 =01 批 量 传 输 =10 中 断 传 输 =11 图 17-6 分 解 令 牌 包 的 定 义 事 务 翻 译 器 当 集 线 器 连 接 到 高 速 端 口, 下 面 的 端 口 有 低 速 或 者 全 速 设 备 连 接 时, 事 务 翻 译 器 是 可 选 的 路 由 逻 辑 建 立 一 个 从 事 务 翻 译 器 到 低 速 和 全 速 设 备 的 数 据 包 流 在 操 作 过 程 中, 事 务 翻 译 器 解 码 所 有 主 机 来 的 高 速 包, 检 测 分 解 令 牌 包 事 务 翻 译 器 然 后 检 测 每 个 分 解 令 牌 包 的 集 线 器 地 址 字 段 作 为 结 果 的 低 速 或 者 全 速 事 务 被 送 往 目 标 设 备 事 务 翻 译 器 包 括 所 有 当 前 在 这 个 集 线 器 端 口 处 理 的 事 务 每 个 分 解 事 务 均 被 事 务 翻 译 器 跟 踪, 当 结 束 的 时 候, 缓 冲 区 被 释 放 给 下 一 个 分 解 事 务 使 用 事 务 翻 译 器 的 主 要 组 件 图 17-7 画 出 了 事 务 翻 译 器 的 主 要 组 件 这 一 部 分 我 们 讲 解 每 个 组 件 和 它 们 要 做 的 基 本 工 作 上 行 端 口 高 速 处 理 器 同 步 / 中 断 传 输 开 始 分 解 缓 冲 区 同 步 / 中 断 传 输 分 解 结 束 缓 冲 区 批 量 / 控 制 传 输 缓 冲 批 量 / 控 制 传 输 缓 冲 周 期 传 输 非 周 期 传 输 低 速 / 全 速 处 理 器 下 行 端 口 图 17-7 事 务 翻 译 器 的 主 要 组 件 178

199 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 高 速 处 理 器 高 速 处 理 器 是 事 务 翻 译 器 和 下 层 高 速 端 口 的 接 口 高 速 处 理 器 的 责 任 是 : 包 错 误 检 测 ( 包 括 CRC 校 验 ), 检 测 从 主 机 收 到 的 高 速 分 解 事 务 为 一 些 送 到 主 机 的 包 生 成 CRC 检 验 码 储 存 开 始 分 解 事 务 到 它 的 开 始 分 解 缓 冲 区 ( 同 步 和 中 断 传 输 中 ) 或 者 批 量 / 控 制 缓 冲 区 从 完 成 分 解 缓 冲 区 ( 同 步 和 中 断 传 输 中 ) 或 者 批 量 / 控 制 缓 冲 区 取 数 据 或 者 状 态 信 息, 响 应 主 机 的 完 成 分 解 事 务 周 期 传 输 的 开 始 分 解 缓 冲 区 这 个 缓 冲 区 容 纳 同 步 或 者 中 断 传 输 开 始 分 解 事 务 的 内 容 这 个 缓 冲 区 由 高 速 处 理 器 填 充, 由 低 速 / 全 速 处 理 器 读 取 这 个 缓 冲 区 可 以 存 储 多 个 事 务 周 期 传 输 的 完 成 分 解 缓 冲 区 这 个 缓 冲 区 存 放 低 速 / 全 速 事 务 的 结 果 : 或 者 是 数 据, 或 者 是 状 态 ( 同 步 传 输 除 外 ) 这 个 缓 冲 区 由 低 速 / 全 速 处 理 器 填 充, 由 高 速 处 理 器 清 空, 来 响 应 完 成 分 解 事 务 这 个 缓 冲 区 也 可 以 处 理 多 个 事 务 批 量 / 控 制 缓 冲 区 规 范 要 求 每 个 事 务 翻 译 器 中 为 这 两 种 传 输 保 留 两 者 中 的 最 小 值 每 个 批 量 / 控 制 缓 冲 区 只 能 为 单 个 事 务 使 用, 这 样 图 17-7 的 例 子 只 能 运 行 两 个 当 前 的 批 量 / 控 制 事 务 每 个 缓 冲 区 储 存 开 始 分 解 和 完 成 分 解 信 息 高 速 处 理 器 以 开 始 分 解 填 充 这 个 缓 冲 区, 低 速 / 全 速 处 理 器 以 数 据 或 者 状 态 信 息 填 充 它 主 机 发 送 完 成 分 解 事 务 时 从 中 取 出 事 务 的 结 果 低 速 / 全 速 处 理 器 这 个 处 理 器 是 事 务 翻 译 器 和 下 层 低 速 / 全 速 端 口 的 接 口, 要 经 过 路 由 器 这 个 处 理 器 的 主 要 责 任 有 : 根 据 事 务 类 型 从 开 始 分 解 缓 冲 区 或 者 批 量 / 控 制 缓 冲 区 取 出 即 将 执 行 的 开 始 分 解 事 务 按 照 从 开 始 分 解 缓 冲 区 取 出 的 信 息, 初 始 化 低 速 / 全 速 事 务 从 开 始 分 解 缓 冲 区 或 者 批 量 / 控 制 缓 冲 区 取 出 数 据, 在 OUT 事 务 中 把 数 据 送 到 目 标 设 备 当 收 到 数 据 或 者 状 态 信 息 时, 填 充 完 成 分 解 缓 冲 区 或 者 批 量 / 控 制 缓 冲 区 对 从 设 备 收 到 的 包 进 行 CRC 检 测 为 经 过 一 个 或 者 多 个 微 帧 的 包 生 成 CRC 校 验 码 处 理 从 缓 冲 区 取 出 的 请 求 时 维 持 正 确 的 顺 序 例 如, 低 速 / 全 速 处 理 器 先 从 周 期 性 缓 冲 区 取 所 有 的 开 始 分 解 事 务, 然 后 再 从 非 周 期 性 缓 冲 区 取 开 始 分 解 事 务 分 解 事 务 的 调 度 分 解 事 务 被 2.0 系 统 软 件 调 度 来 访 问 连 接 到 下 层 高 速 集 线 器 的 低 速 或 者 全 速 设 备 软 件 将 分 解 事 务 作 为 微 帧 内 高 速 总 线 数 据 流 的 一 部 分 进 行 调 度 系 统 软 件 可 以 为 周 期 事 务 在 一 个 179

200 第 17 章 微 帧 的 时 间 内 调 用 80% 的 总 线 带 宽 ( 同 步 和 中 断 事 务 ) 如 果 需 要 的 时 候, 软 件 为 控 制 传 输 保 留 20% 的 总 线 带 宽 批 量 传 输 在 其 他 类 型 事 务 完 成 后 获 得 带 宽 分 解 事 务 在 高 速 总 线 上 向 连 接 到 高 速 端 口 的 低 速 / 全 速 设 备 传 送 同 步 中 断 批 量 和 控 制 事 务 因 此 带 有 周 期 性 事 务 的 分 解 事 务 要 被 作 为 使 用 80% 带 宽 的 周 期 性 事 务 的 一 部 分 进 行 调 度, 而 访 问 控 制 终 端 的 分 解 事 务 可 以 使 用 为 控 制 传 输 保 留 的 20% 带 宽 进 行 调 度 分 解 事 务 的 调 度 示 例 图 17-8 到 图 描 述 了 两 个 分 解 事 务 在 同 一 个 1 毫 秒 帧 时 隙 内 的 事 件 序 列 这 两 个 事 务 是 有 1024 个 字 节 的 全 速 同 步 IN 事 务 和 有 64 个 字 节 的 低 速 中 断 OUT 事 务 2.0 主 机 控 制 器 高 速 帧 开 始 2.0 集 线 器 低 速 设 备 全 速 设 备 图 17-8 分 解 事 务 序 列 第 一 步 这 个 分 解 事 务 序 列 例 子 中, 根 端 口 被 标 记 为 端 口 1, 下 层 的 集 线 器 端 口 被 标 记 为 端 口 2 和 端 口 3 这 个 习 惯 只 是 为 了 方 便 讲 解 每 个 块 图 下 面 给 出 了 这 个 端 口 可 以 见 到 的 活 动 然 而 要 注 意, 这 里 并 没 有 把 两 个 端 口 的 时 间 关 系 ( 例 如 传 播 延 时 ) 展 示 出 来 帧 开 始 包 如 图 17-9 所 示, 这 个 序 列 开 始 于 主 机 发 送 一 个 微 帧 开 始 包 这 个 微 帧 开 始 包 被 传 送 给 高 速 集 线 器, 集 线 器 通 过 端 口 3 传 送 这 个 包 到 全 速 设 备 注 意, 主 机 在 每 个 微 帧 开 始 的 时 候 传 送 微 帧 开 始 包 这 些 帧 开 始 包 和 主 机 的 微 帧 定 时 器 保 持 同 步 帧 开 始 包 和 微 帧 0~7 有 着 相 同 的 帧 号, 这 是 在 1 毫 秒 中 排 列 的 180

201 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 2.0 主 机 控 制 器 开 始 分 解 全 速 IN 高 速 分 解 开 始 ;IN; 端 口 集 线 器 低 速 设 备 全 速 设 备 同 步 包 终 止 符 1023 字 节 图 17-9 分 解 事 务 序 列 第 二 步 主 机 发 送 同 步 开 始 分 解 事 务 主 机 软 件 在 第 一 个 微 帧 ( 微 帧 0) 发 送 第 一 个 同 步 时 开 始 分 解 事 务 图 17-9 是 一 个 开 始 分 解 包 后 面 跟 着 IN 令 牌 包 时 的 内 容 这 个 开 始 分 解 包 规 定 集 线 器 的 地 址 端 口 3 全 速 事 务 和 同 步 传 输 类 型 等 信 息 事 务 翻 译 器 将 事 务 送 入 周 期 缓 冲 区, 并 且 在 下 一 个 微 帧 中 开 始 全 速 事 务 注 意, 这 个 终 点 最 大 的 包 值 为 1023 字 节 主 机 发 送 中 断 开 始 分 解 事 务 主 机 软 件 在 第 一 个 微 帧 ( 微 帧 0) 发 送 第 二 个 开 始 分 解 事 务 图 是 一 个 开 始 分 解 令 牌 包 一 个 OUT 令 牌 包 一 个 数 据 包 时 的 内 容 注 意, 这 个 终 点 最 大 的 包 值 为 8 字 节, 数 据 包 也 只 有 8 个 字 节 的 有 效 载 荷 这 个 开 始 分 解 包 规 定 这 个 集 线 器 的 设 备 地 址 端 口 2 传 送 到 目 标 设 备 的 低 速 事 务 和 中 断 传 输 类 型 等 信 息 事 务 翻 译 器 将 事 务 送 入 周 期 缓 冲 区, 并 且 在 下 一 个 微 帧 中 开 始 全 速 事 务 全 速 和 低 速 事 务 开 始 主 机 在 第 二 个 微 帧 时 间 ( 微 帧 1) 传 送 另 一 个 微 帧 开 始 包 到 集 线 器, 集 线 器 开 始 在 端 口 3 进 行 同 步 IN 传 输, 在 端 口 2 开 始 低 速 的 中 断 OUT 事 务, 如 图 所 示 181

202 第 17 章 开 始 分 解 低 速 OUT 数 据 2.0 主 机 控 制 器 高 速 分 解 开 始 ;OUT; 端 口 集 线 器 中 断 OUT 8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 图 分 解 事 务 序 列 第 三 步 2.0 主 机 控 制 器 集 线 器 执 行 全 速 中 断 事 务 数 据 2.0 集 线 器 高 速 帧 开 始 集 线 器 开 始 同 步 IN 事 务 数 据 中 断 OUT8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 等 时 IN 1023 字 节 图 分 解 事 务 序 列 第 四 步 这 个 同 步 传 输 包 括 一 个 IN 令 牌, 后 面 是 从 终 点 设 备 返 回 的 最 大 长 度 的 数 据 包, 并 且 放 到 完 成 分 解 缓 冲 区 1023 字 节 的 数 据 包 只 有 一 小 部 分 会 在 微 帧 1 返 回 到 事 务 翻 译 器 在 端 口 2 开 始 的 中 断 事 务 包 括 OUT DATA ACK 序 列 集 线 器 传 输 OUT 令 牌 包, 后 面 是 8 个 字 节 的 数 据 包, 目 标 设 备 返 回 握 手 信 号 给 集 线 器, 作 为 第 二 个 输 入 项 储 存 在 完 成 分 解 缓 冲 区 主 机 发 送 完 成 分 解 事 务 获 取 同 步 IN 数 据 主 机 软 件 知 道 集 线 器 已 经 在 微 帧 1 开 始 了 同 步 的 IN 事 务, 并 且 1023 字 节 包 的 一 小 部 分 已 经 返 回 到 集 线 器 的 完 成 分 解 缓 冲 区, 如 图 所 示 182

203 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 结 束 分 解 全 速 IN 数 据 2.0 主 机 控 制 器 2.0 集 线 器 IN 数 据 中 断 OUT8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 同 步 IN 1023 字 节 162 字 节 图 分 解 事 务 序 列 第 五 步 主 机 发 送 完 成 分 解 事 务 到 集 线 器, 从 完 成 分 解 缓 冲 区 获 取 同 步 IN 数 据 完 成 分 解 事 务 包 括 从 主 机 发 出 的 分 解 包 和 IN 令 牌 包, 还 有 从 集 线 器 返 回 的 数 据 包 集 线 器 使 用 IN 令 牌 包 在 完 成 分 解 缓 冲 区 中 匹 配 合 适 的 输 入 项 这 个 例 子 中 的 数 据 包 有 162 个 字 节 已 经 在 微 帧 1 从 同 步 终 端 被 读 取 了 注 意, 高 速 处 理 器 必 须 生 成 16 个 CRC 校 验 码 来 校 验 传 送 到 主 机 的 162 个 字 节 数 据 主 机 获 取 中 断 OUT 完 成 状 态 主 机 软 件 知 道 集 线 器 在 微 帧 1 已 经 完 成 了 中 断 OUT 事 务, 一 个 握 手 信 号 返 回 到 集 线 器 完 成 分 解 缓 冲 区 主 机 发 送 完 成 分 解 事 务 到 集 线 器 获 取 完 成 状 态, 如 图 所 示 这 个 例 子 中, 事 务 正 常 完 成,ACK 包 作 为 完 成 分 解 事 务 的 最 后 一 个 包 被 传 送 到 主 机 结 束 分 解 低 速 OUT ACK 2.0 主 机 控 制 器 中 断 OUT 事 务 被 推 后 2.0 集 线 器 IN 数 据 中 断 OUT8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 同 步 IN 1023 字 节 ACK 图 分 解 事 务 序 列 第 六 步 183

204 第 17 章 主 机 继 续 获 取 同 步 IN 数 据 一 个 微 帧 内 能 传 送 的 最 长 全 速 数 据 是 字 节 在 每 个 连 续 的 微 帧 中 主 机 发 送 另 一 个 完 成 分 解 事 务 从 集 线 器 获 取 下 一 个 187 字 节 的 数 据, 直 到 数 据 全 部 传 输 完 毕 要 传 送 1023 个 字 节 到 主 机 需 要 6 个 微 帧 的 时 间 图 显 示 了 通 过 完 成 分 解 事 务 微 帧 3 中 传 送 187 字 节 数 据 的 情 况 其 他 的 187 字 节 数 据 可 以 在 微 帧 中 被 传 输, 在 微 帧 7 中 留 下 少 量 的 数 据 结 束 分 解 全 速 IN 数 据 2.0 主 机 控 制 器 2.0 集 线 器 IN 数 据 中 断 OUT8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 同 步 IN 1023 字 节 187 字 节 图 分 解 事 务 序 列 第 七 步 事 务 结 束 全 速 总 线 上 的 同 步 IN 事 务 在 微 帧 6 结 束 注 意, 全 速 处 理 器 要 进 行 CRC 校 验, 这 个 例 子 中 没 有 错 误 出 现 参 见 同 步 IN 事 务 分 解 序 列 了 解 更 多 的 关 于 同 步 IN 分 解 事 务 中 出 现 错 误 的 情 况 主 机 调 度 最 后 一 个 完 成 分 解 事 务 获 取 最 后 一 块 数 据, 图 描 述 了 最 后 一 个 完 成 分 解 事 务, 集 线 器 返 回 最 后 113 字 节 的 数 据 184

205 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 结 束 分 解 全 速 IN 数 据 2.0 主 机 控 制 器 2.0 集 线 器 中 断 OUT8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 同 步 IN 1023 字 节 113 字 节 图 分 解 事 务 序 列 第 八 步 高 速 调 度 可 以 包 括 其 他 事 务 分 解 事 务 保 持 高 速 带 宽 不 被 要 求 相 对 较 多 时 间 传 输 数 据 的 低 速 和 全 速 设 备 占 用 高 速 集 线 器 从 高 速 总 线 上 隔 离 这 些 效 率 较 低 的 设 备, 保 证 它 们 的 慢 速 传 输 不 会 影 响 高 速 总 线 带 宽 图 描 述 了 在 分 解 事 务 之 间, 系 统 软 件 可 以 调 度 其 他 事 务 到 高 速 设 备, 因 此 使 总 线 效 率 更 高 注 意, 一 个 187 字 节 数 据 包 的 分 解 完 成 事 务, 在 每 个 微 帧 中, 大 约 占 用 可 利 用 总 线 带 宽 的 3.4% 2.0 主 机 控 制 器 高 速 设 备 2.0 集 线 器 高 速 设 备 中 断 OUT8 字 节 低 速 设 备 全 速 设 备 同 步 IN 1023 字 节 其 他 高 速 事 务 可 以 执 行 图 分 解 事 务 序 列 第 九 步 单 个 和 多 个 事 务 转 换 器 这 个 例 子 是 基 于 每 个 端 口 有 专 用 的 事 务 转 换 器 然 而, 应 用 者 可 以 在 所 有 的 端 口 使 用 一 个 事 务 转 换 器, 如 图 所 示, 集 线 器 在 它 的 描 述 符 中 要 报 告 它 有 一 个 还 是 多 个 事 务 转 换 器 185

206 第 17 章 上 行 端 口 事 务 发 送 器 下 行 端 口 上 行 端 口 事 务 发 送 器 事 务 发 送 器 事 务 发 送 器 下 行 端 口 图 单 个 或 多 个 事 务 转 换 器 周 期 分 解 事 务 目 标 为 全 速 同 步 终 点 和 低 速 中 断 终 点 的 事 务 要 求 在 指 定 的 1 毫 秒 帧 内 执 行, 因 此 叫 做 周 期 事 务 这 些 终 点 在 每 个 帧 里 只 能 被 访 问 一 次 因 此, 在 它 们 被 主 机 调 度 的 帧 里 对 它 们 的 操 作 要 仔 细 基 于 这 个 原 因, 事 务 转 换 器 对 待 周 期 分 解 事 务 的 优 先 级 高 于 控 制 和 批 量 事 务 周 期 分 解 事 务 流 水 线 图 是 和 周 期 传 输 相 关 的 分 解 事 务 流 水 线 这 个 流 水 线 处 理 多 个 周 期 事 务, 当 然 要 受 到 提 供 的 缓 冲 区 数 量 的 限 制 这 个 流 水 线 的 主 要 组 件 有 : 高 速 处 理 器 开 始 分 解 事 务 缓 冲 区 低 速 处 理 器 完 成 分 解 事 务 缓 冲 区 下 面 我 们 讨 论 典 型 的 通 过 流 水 线 组 件 进 行 的 全 速 中 断 事 务 的 主 要 流 程 186

207 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 开 始 处 理 器 结 束 处 理 器 开 始 分 解 先 进 先 出 结 束 分 解 先 进 先 出 低 速 / 全 速 处 理 器 低 速 / 全 速 设 备 图 周 期 分 解 事 务 流 水 线 高 速 处 理 器 收 到 开 始 分 解 事 务 事 务 翻 译 器 检 测 到 开 始 分 解 事 务, 并 检 测 包 错 误 如 果 检 测 到 包 错 误, 包 就 被 扔 掉 事 务 转 换 器 验 证 开 始 分 解 事 务 是 否 是 打 算 到 这 个 集 线 器 的, 这 通 过 检 查 集 线 器 地 址 和 端 口 号 确 定 如 果 集 线 器 被 开 始 分 解 事 务 命 中, 那 么 这 个 事 务 被 接 收 开 始 分 解 缓 冲 区 开 始 分 解 缓 冲 区 容 纳 从 开 始 分 解 事 务 来 的 信 息, 这 些 信 息 对 于 事 务 转 换 器 正 确 执 行 事 务 的 请 求 而 言 是 必 要 的, 这 些 信 息 包 括 : 目 的 端 口 号 事 务 速 度 传 输 类 型 ( 同 步 或 者 中 断 ) 令 牌 包 数 据 (OUT 事 务 中 ) 开 始 分 解 缓 冲 区 可 以 容 纳 多 个 开 始 分 解 事 务, 但 是 事 务 转 换 器 必 须 按 它 们 从 主 机 接 收 事 务 的 顺 序 执 行 事 务 事 务 转 换 器 也 要 从 开 始 分 解 缓 冲 区 中 获 取 和 执 行 所 有 开 始 分 解 事 务, 先 于 从 批 量 / 控 制 缓 冲 区 中 获 取 和 执 行 事 务 低 速 / 全 速 处 理 器 低 速 / 全 速 处 理 器 从 开 始 分 解 缓 冲 区 获 取 开 始 分 解 事 务, 初 始 化 指 定 端 口 的 周 期 事 务 注 意, 低 速 处 理 器 只 处 理 中 断 事 务, 因 为 同 步 事 务 只 能 全 速 运 行 在 中 断 或 者 同 步 的 OUT 事 务 中, 但 数 据 载 荷 被 传 送 到 端 口 时, 处 理 器 也 可 以 生 成 CRC16 处 理 器 也 可 以 接 收 从 目 标 终 点 返 回 的 数 据 和 握 手 信 号 包, 并 且 把 它 们 传 送 到 完 成 分 解 缓 冲 区 中 在 IN 事 务 中, 处 理 器 通 过 CRC 校 验 检 查 数 据 包 完 成 分 解 缓 冲 区 这 个 缓 冲 区 存 储 OUT 事 务 的 完 成 状 态 和 IN 事 务 的 数 据 它 由 低 速 / 全 速 处 理 器 填 充, 由 高 速 处 理 器 清 空 像 开 始 分 解 缓 冲 区 一 样, 这 个 缓 冲 区 也 可 以 有 多 个 输 入 项 187

208 第 17 章 同 步 OUT 分 解 事 务 序 列 前 面 我 们 集 中 讨 论 了 成 功 传 输 事 务 的 事 件 这 部 分 我 们 会 讨 论 一 些 会 妨 碍 事 务 成 功 传 输 的 情 况, 以 及 每 种 情 况 下 必 须 采 取 的 事 件 序 列 同 步 OUT 开 始 分 解 同 步 OUT 包 含 一 个 到 六 个 开 始 分 解 事 务, 用 来 传 送 数 据 到 设 备 注 意, 不 使 用 完 成 分 解 事 务 图 描 述 了 同 步 OUT 开 始 分 解 事 务 的 序 列 开 始 分 解 开 始 分 解 完 全 包 开 始 分 解 开 始 包 开 始 分 解 中 间 包 开 始 分 解 结 束 包 没 有 错 误 ( 事 务 发 送 器 接 收 开 始 分 解 和 数 据 ) OUT 令 牌 包 DATA 0 包 进 入 完 成 分 解 事 务 错 误 事 务 发 送 器 忽 略 开 始 分 解 事 务 错 误 图 同 步 开 始 分 解 包 序 列 图 描 述 了 分 解 包 的 格 式, 列 出 了 不 同 定 义 类 型 的 开 始 分 解 包 的 编 码 开 始 分 解 包 使 用 哪 种 类 型 取 决 于 传 送 到 同 步 终 端 的 数 据 量 系 统 软 件 能 够 在 一 个 开 始 分 解 包 中 传 输 的 最 大 数 据 量 是 188 个 字 节 这 足 够 使 一 个 帧 内 的 全 速 总 线 保 持 忙 状 态 全 速 总 线 在 一 个 微 帧 时 隙 内 能 够 传 送 的 最 大 数 据 量 是 字 节, 因 此 每 个 微 帧 传 送 188 个 字 节 到 缓 冲 区 是 必 要 的, 能 够 保 证 事 务 继 续 平 稳 运 行 数 据 载 荷 大 于 188 字 节 的 会 在 2 到 6 个 微 帧 完 成 不 同 的 开 始 分 解 包 用 于 指 示 是 否 有 下 一 个 开 始 分 解 包 要 传 出 定 义 和 使 用 方 法 如 下 : 类 型 字 段 检 查 字 段 集 线 器 地 址 端 口 地 址 CRC 校 验 同 步 序 列 空 闲 包 终 止 符 分 解 令 牌 包 标 识 符 开 始 分 解 0 结 束 分 解 1 全 速 0 低 速 1 SSplit middle =00 SSplit end =01 SSplit begin =10 SSplit all =11 控 制 传 输 =00 同 步 传 输 =01 批 量 传 输 =10 中 断 传 输 =11 注 意, 以 上 编 码 是 全 速 同 步 OUT 开 始 分 解 188

209 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 图 同 步 OUT 事 务 的 开 始 分 解 编 码 SSplit all 这 个 包 指 示 所 有 需 要 传 输 的 数 据 在 一 个 开 始 分 解 事 务 中 就 可 以 完 成 ( 即 数 据 载 荷 是 188 或 者 更 少 的 情 况 ) SSplit begin 这 是 个 多 开 始 分 解 序 列 中 的 开 始 包 一 个 或 者 多 个 附 加 的 开 始 分 解 包 会 在 下 面 的 微 帧 中 传 输 SSplit middle 当 至 少 有 两 个 附 加 开 始 分 解 包 要 送 到 主 机 时, 这 个 包 在 SSplit begin 包 之 后 传 输 它 指 示 至 少 还 有 一 个 或 者 更 多 的 开 始 分 解 包 要 被 传 输 SSplit end 这 个 包 是 当 前 分 解 同 步 OUT 事 务 中 传 输 的 最 后 一 个 包 每 个 开 始 分 解 包 后 面 是 一 个 OUT 令 牌 包 在 第 一 个 开 始 分 解 事 务 序 列 中 传 输 的 OUT 令 牌 包, 是 事 务 转 换 器 要 送 到 目 标 设 备 的 令 牌 包 在 第 二 个 和 以 后 的 开 始 分 解 事 务 中 送 出 的 令 牌 包 被 用 来 作 一 个 标 志 位, 匹 配 分 解 缓 冲 区 的 正 确 输 入 项 OUT 令 牌 包 后 面 是 一 个 最 多 有 188 个 字 节 的 DATA0 数 据 包 主 机 为 每 个 发 送 的 包 产 生 一 个 CRC16, 高 速 处 理 器 要 进 行 CRC16 的 校 验 无 错 误 接 收 的 开 始 分 解 事 务 如 果 一 个 开 始 分 解 事 务 序 列 被 无 错 误 接 收, 高 速 处 理 器 就 将 这 个 事 务 送 入 开 始 分 解 缓 冲 区 有 错 误 的 开 始 分 解 事 务 高 速 处 理 器 在 同 步 OUT 事 务 中 跟 踪 输 入 的 开 始 分 解 事 务, 保 证 数 据 按 照 调 度 情 况 传 输 一 旦 SSplit begin 成 功 被 事 务 转 换 器 接 收, 就 会 在 开 始 分 解 缓 冲 区 有 一 个 输 入 项, 这 个 事 务 被 提 交 为 了 继 续 事 务, 数 据 必 须 在 每 个 连 续 的 微 帧 内 被 传 输 如 果 一 个 开 始 分 解 事 务 的 包 被 丢 失 了, 或 者 发 现 了 一 个 CRC 检 验 错 误, 处 理 器 就 会 通 知 全 速 错 误 处 理 器, 强 制 将 一 个 位 填 充 错 误 放 到 被 传 输 的 包 中, 向 同 步 终 点 报 告 出 现 了 错 误 一 旦 高 速 处 理 器 检 测 到 错 误, 它 就 会 忽 略 发 送 到 相 同 终 端 的 SSplit middle 和 SSplit end 事 务, 直 到 检 测 到 下 一 个 SSplit begin 或 者 SSplit all, 这 表 示 新 的 事 务 开 始 了 分 解 同 步 OUT 事 务 不 需 要 完 成 分 解 事 务, 因 为 USB 在 同 步 事 务 中 不 提 供 数 据 验 证 或 者 重 传 分 解 同 步 OUT 事 务 中 的 CRC16 处 理 目 标 是 全 速 终 端 的 同 步 OUT 事 务 可 以 有 最 大 1023 字 节 的 包 这 些 大 数 据 包 被 截 成 188 字 节 的 小 段 在 每 个 微 帧 中 传 输 到 事 务 转 换 器 主 机 为 每 个 高 速 数 据 包 生 成 CRC16, 这 个 事 务 转 换 器 的 高 速 处 理 器 检 查 CRC 码 当 全 速 处 理 器 传 送 数 据 包 时, 必 须 为 所 有 的 数 据 生 成 CRC16 同 步 IN 分 解 事 务 序 列 同 步 IN 事 务 包 括 一 个 单 独 的 开 始 分 解 事 务, 和 1 到 6 个 向 主 机 返 回 数 据 的 完 成 分 解 事 务 可 能 的 错 误 情 况 和 响 应 在 下 面 两 个 部 分 讲 述 同 步 IN 开 始 分 解 图 是 包 含 开 始 分 解 包 和 IN 令 牌 包 的 开 始 分 解 事 务 序 列 当 事 务 无 错 接 收 时, 高 速 处 理 器 把 这 个 事 务 放 入 开 始 分 解 缓 冲 区, 全 速 处 理 器 在 合 适 的 时 间 取 出 和 处 理 这 个 事 务 数 据 在 完 成 分 解 缓 冲 区 累 积, 主 机 通 过 完 成 分 解 事 务 取 数 据 189

210 第 17 章 开 始 分 解 开 始 分 解 令 牌 包 事 务 错 误 IN 令 牌 包 没 有 错 误 ( 事 务 发 送 器 接 收 开 始 分 解 和 数 据 ) 进 入 完 成 分 解 错 误 事 务 发 送 器 忽 略 开 始 分 解 事 务 图 如 果 在 开 始 分 解 包 中 检 测 到 错 误, 事 务 就 被 扔 掉, 因 为 规 定 的 目 标 集 线 器 和 端 口 不 可 靠 IN 令 牌 包 上 不 执 行 检 测 目 标 设 备 会 检 测 到 和 IN 令 牌 包 相 关 的 错 误, 并 且 不 返 回 数 据 响 应 这 种 情 况 包 括 在 下 面 一 部 分 介 绍 的 完 成 分 解 错 误 中 同 步 IN 完 成 分 解 一 个 完 成 分 解 事 务 序 列 会 使 高 速 处 理 器 在 完 成 分 解 缓 冲 区 搜 索 匹 配 的 输 入 项 如 果 找 到 了, 事 务 转 换 器 返 回 数 据 或 者 是 握 手 信 号, 这 由 输 入 项 的 状 态 决 定 图 是 事 件 的 序 列, 也 列 出 了 完 成 分 解 同 步 IN 事 务 的 可 能 结 果 完 成 分 解 事 务 包 括 完 成 分 解 包, 后 面 是 IN 令 牌 包, 一 般 以 传 输 数 据 到 主 机 结 束 可 能 会 有 一 个 到 六 个 完 成 分 解 事 务 被 请 求 用 来 传 输 同 步 终 端 发 给 主 机 的 所 有 数 据 数 据 返 回 时, 当 后 面 有 一 个 或 多 个 包 时 使 用 MDATA 包 开 头, 使 用 正 常 的 DATA0 包 结 尾 然 而, 当 出 现 错 误 的 时 候 会 有 其 他 的 响 应 发 送 到 主 机 每 个 可 能 的 响 应 在 下 面 一 部 分 讲 解 完 成 分 解 包 错 误 可 能 发 生 的 第 一 个 错 误 和 完 成 分 解 包 的 传 输 有 关 如 果 高 速 处 理 器 检 测 到 一 个 包 错 误, 它 就 忽 略 这 个 包, 没 有 数 据 返 回 主 机 主 机 等 待 在 IN 令 牌 包 后 返 回 一 个 数 据 包, 当 没 有 数 据 返 回 时, 主 机 检 测 到 超 时, 通 知 指 定 设 备 的 应 用 软 件 发 生 了 错 误 因 为 USB 在 同 步 传 输 过 程 中 不 支 持 重 传, 从 同 步 终 点 发 出 的 数 据 就 会 丢 失 190

211 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 结 束 分 解 结 束 分 解 令 牌 包 IN 令 牌 包 DATA 0 MDATA NYET 事 务 错 误 错 误 ( 超 时 ) 到 下 一 个 命 令 请 求 下 一 个 结 束 分 解 重 传 结 束 分 解 低 速 / 全 速 错 误 图 同 步 IN 完 成 分 解 事 务 序 列 完 成 分 解 的 MDATA 包 当 有 效 数 据 返 回 到 主 机, 而 且 终 点 还 有 数 据 要 传 到 完 成 分 解 缓 冲 区 时, 就 会 返 回 MDATA 包 完 成 分 解 的 DATA0 这 个 数 据 包 表 明 这 个 同 步 IN 事 务 中 再 没 有 数 据 要 传 给 主 机 了 完 成 分 解 的 NYET 如 果 在 完 成 分 解 缓 冲 区 没 有 发 现 匹 配 的 输 入 项,NOT YET 包 就 会 返 回 到 主 机 当 一 个 事 务 转 换 器 得 知 事 务 仍 然 在 低 速 或 者 全 速 总 线 上, 或 者 完 成 分 解 缓 冲 区 里 的 数 据 太 少 或 者 没 有, 就 会 发 送 这 个 包 如 果 在 每 个 微 帧 结 束 时 只 收 到 三 个 或 者 更 少 字 节 的 低 速 / 全 速 数 据, 那 么 事 务 转 换 器 就 要 发 送 NYET 来 响 应 高 速 完 成 分 解 当 收 到 NYET 时, 主 机 可 能 会 采 取 以 下 步 骤 : 1. 如 果 数 据 仍 在 待 处 理 状 态, 那 么 主 机 就 会 在 下 一 个 微 帧 中 发 送 完 成 分 解 事 务 2. 如 果 在 1 毫 秒 帧 中 的 最 后 一 个 微 帧 出 现 NYET 握 手 信 号, 事 务 结 束, 错 误 被 报 告 给 主 机 软 件 带 有 错 误 的 完 成 分 解 当 一 个 错 误 在 低 速 / 全 速 总 线 上 出 现, 就 会 有 一 个 ERROR 包 返 回 主 机 主 机 把 这 个 错 误 通 知 设 备 软 件 分 解 同 步 IN 事 务 中 的 CRC16 处 理 同 步 终 端 只 在 数 据 包 的 末 尾 返 回 一 个 CRC16 全 速 处 理 器 要 求 奇 偶 校 验, 通 过 同 步 完 成 分 解 事 务 的 超 时 报 告 CRC 错 误 许 多 情 况 下, 一 个 同 步 IN 数 据 包 经 过 好 几 个 微 帧 边 界, 就 要 求 同 样 多 的 完 成 分 解 事 务 取 出 从 终 端 返 回 的 数 据 包 当 更 多 的 数 据 被 发 送 的 时 候, 事 务 转 换 器 发 送 MDATA 包 告 诉 主 机 要 求 另 一 个 完 成 分 解 事 务 这 种 情 况 下, 高 速 处 理 器 必 须 为 每 个 送 到 主 机 的 高 速 数 据 包 生 成 一 个 CRC16 即 使 MDATA 成 功 传 输 了, 下 一 个 事 务 也 可 能 失 败, 因 此 引 起 整 个 数 据 包 传 输 失 败 191

212 第 17 章 中 断 分 解 OUT 事 务 序 列 中 断 分 解 OUT 事 务 序 列 以 一 个 单 独 的 开 始 分 解 事 务 开 始, 这 个 事 务 将 OUT 数 据 传 送 到 事 务 转 换 器 当 完 成 状 态 信 息 通 过 完 成 分 解 事 务 返 回 到 主 机 时, 这 个 事 务 结 束 这 些 事 务 的 特 点 是 : 中 断 事 务 可 以 在 全 速 或 者 低 速 环 境 下 执 行 最 大 的 中 断 数 据 包 载 荷 在 全 速 下 是 64 个 字 节, 在 低 速 下 是 8 个 字 节 事 务 总 会 在 一 个 或 者 两 个 帧 中 结 束 中 断 OUT 开 始 分 解 序 列 图 是 中 断 OUT 分 解 事 务 的 序 列, 包 括 开 始 分 解 包 令 牌 包 和 DATA0/DATA1 包 数 据 包 的 最 大 数 据 载 荷 是 64 字 节 开 始 分 解 开 始 分 解 令 牌 包 OUT 令 牌 包 事 务 错 误 DATA 0/1 包 没 有 错 误 ( 事 务 发 送 器 接 收 开 始 分 解 和 数 据 ) 事 务 发 送 器 忽 略 开 始 分 解 事 务 进 入 结 束 分 解 错 误 图 中 断 OUT 开 始 分 解 包 序 列 事 务 转 换 器 要 对 开 始 分 解 事 务 包 执 行 错 误 检 测 如 果 没 有 检 测 到 错 误, 事 务 就 被 放 入 开 始 分 解 缓 冲 区, 而 且 在 低 速 或 者 全 速 总 线 上 执 行 如 果 发 生 了 包 错 误, 事 务 转 换 器 忽 略 这 个 事 务, 事 务 不 再 执 行, 这 个 错 误 在 完 成 分 解 事 务 序 列 被 检 测 中 断 OUT 完 成 分 解 序 列 主 机 传 送 完 成 分 解 事 务 验 证 数 据 被 成 功 传 送 到 OUT 中 断 的 终 点 当 事 务 转 换 器 收 到 完 成 分 解 事 务, 它 会 搜 索 完 成 分 解 缓 冲 区, 寻 找 匹 配 的 输 入 项 响 应 取 决 于 输 入 项 的 状 态 或 者 是 否 有 输 入 项 图 是 一 个 中 断 OUT 事 务 的 完 成 分 解 序 列 下 一 部 分 我 们 讨 论 完 成 分 解 事 务 可 能 的 响 应 和 可 能 的 原 因 完 成 分 解 包 错 误 如 果 集 线 器 检 测 到 包 错 误, 这 个 事 务 就 被 扔 掉, 并 且 把 错 误 报 告 给 主 机 错 误 就 是 通 过 没 有 响 应 这 种 最 常 用 的 方 式 报 告 的 主 机 超 时 后, 它 识 别 到 一 个 包 错 误 发 生 了, 会 采 取 下 面 192

213 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 两 种 可 能 的 行 动 : 1. 增 加 这 个 终 点 的 错 误 计 数 器, 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 立 刻 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务 2. 增 加 这 个 终 点 的 错 误 计 数 器, 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 点 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 结 束 分 解 结 束 分 解 令 牌 包 OUT 令 牌 包 ACK NYET NAK STALL 事 务 错 误 错 误 ( 超 时 ) 到 下 一 个 命 令 重 传 结 束 分 解 重 传 结 束 分 解 终 止 低 速 / 全 速 错 误 图 中 断 OUT 完 成 分 解 包 序 列 完 成 分 解 ACK 包 在 中 断 OUT 事 务 中, 当 目 标 设 备 返 回 ACK 握 手 信 号 时, 事 务 转 换 器 返 回 一 个 ACK 包 当 然, 这 表 明 事 务 已 经 正 常 完 成 了, 主 机 可 以 处 理 下 一 个 命 令 完 成 分 解 NYET 包 当 事 务 转 换 器 得 知 事 务 还 在 低 速 或 者 全 速 总 线 上 处 理, 就 会 向 主 机 返 回 NYET 包 这 样, 不 会 得 到 完 成 状 态 信 息 主 机 会 采 取 两 个 可 能 的 步 骤 : 1. 主 机 在 下 一 个 微 帧 发 送 一 个 完 成 分 解 事 务 2. 如 果 NYET 握 手 信 号 发 生 在 1 毫 秒 帧 的 最 后 一 个 微 帧, 那 么 错 误 计 数 器 增 加, 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 立 刻 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 端 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 完 成 分 解 NAK 包 如 果 低 速 和 全 速 事 务 以 NAK 结 束, 事 务 转 换 器 就 返 回 NAK 包 NAK 指 示 终 点 不 能 接 收 中 断 传 输 的 数 据, 也 许 是 因 为 没 有 足 够 的 空 间 给 当 前 包 主 机 在 这 个 终 点 的 下 一 个 轮 询 时 隙 重 发 分 解 事 务 完 成 分 解 STALL 包 当 低 速 和 全 速 事 务 以 STALL 握 手 信 号 结 束, 这 个 信 号 也 会 在 完 成 分 解 事 务 中 返 回 到 主 机, 通 知 主 机 终 端 发 生 了 严 重 的 错 误 主 机 软 件 将 这 个 错 误 报 告 给 设 备 特 定 的 软 件 处 理 完 成 分 解 ERR 包 193

214 第 17 章 这 个 包 通 知 主 机, 到 目 标 设 备 的 事 务 因 为 握 手 信 号 的 失 败 而 失 败 事 务 转 换 器 重 传 这 个 事 务, 主 机 增 加 错 误 计 数 器, 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 立 刻 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 端 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 中 断 IN 分 解 事 务 序 列 中 断 IN 分 解 事 务 包 括 开 始 分 解 事 务 和 一 个 或 者 两 个 完 成 分 解 事 务 按 照 前 面 的 例 子, 一 些 情 况 可 能 影 响 正 常 序 列 这 些 可 能 的 情 况 如 下 中 断 IN 开 始 分 解 序 列 图 是 一 个 中 断 IN 开 始 分 解 事 务 的 序 列 和 可 能 的 结 果 如 果 传 输 事 务 的 过 程 中, 没 有 检 测 到 错 误, 事 务 就 被 放 入 开 始 分 解 缓 冲 区, 而 且 在 低 速 或 者 全 速 总 线 上 执 行, 如 果 发 生 了 包 错 误, 事 务 转 换 器 忽 略 这 个 事 务, 事 务 不 送 入 开 始 分 解 缓 冲 区, 这 个 错 误 在 完 成 分 解 事 务 序 列 被 检 测 开 始 分 解 开 始 分 解 令 牌 包 事 务 错 误 IN 令 牌 包 没 有 错 误 ( 事 务 发 送 器 接 收 开 始 分 解 和 数 据 ) 进 入 完 成 分 解 错 误 事 务 发 送 器 忽 略 开 始 分 解 事 务 图 中 断 IN 开 始 分 解 序 列 中 断 IN 完 成 分 解 序 列 主 机 发 送 完 成 分 解 事 务 取 出 从 目 标 设 备 读 到 的 数 据 这 个 事 务 可 能 有 许 多 不 同 的 响 应, 取 决 于 目 标 总 线 上 事 务 的 完 成 状 态 和 几 种 错 误 情 况 图 是 可 能 的 包 序 列 和 响 应 结 束 分 解 结 束 分 解 令 牌 包 OUT 令 牌 包 DATA 0 MDATA NYET NAK STALL 事 务 错 误 低 速 / 全 速 错 误 错 误 ( 超 时 ) 到 下 一 个 命 令 请 求 下 一 个 结 束 分 解 重 传 结 束 分 解 重 传 结 束 分 解 终 止 194

215 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 图 中 断 IN 事 务 中 的 完 成 分 解 事 务 序 列 完 成 分 解 包 错 误 如 果 集 线 器 检 测 到 包 错 误, 事 务 转 发 器 不 被 调 用, 也 没 有 响 应 检 测 不 到 响 应, 主 机 超 时 并 增 加 这 个 终 点 的 错 误 计 数 器, 会 采 取 下 面 两 种 可 能 的 行 动 : 1. 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 立 刻 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务 2. 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 端 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 完 成 分 解 的 MDATA 包 这 个 包 返 回 主 机 时 指 示, 终 端 还 有 数 据 要 传 到 主 机 如 果 收 到 的 包 没 有 错 误, 主 机 就 接 收 它, 在 下 一 个 微 帧 发 送 下 一 个 完 成 分 解 事 务 如 果 检 测 到 错 误, 主 机 增 加 它 的 错 误 计 数 器, 重 发 这 个 事 务 或 者 停 止 终 端, 这 由 3 次 溢 出 错 误 处 理 机 制 决 定 数 据 包 不 会 少 于 3 个 字 节, 因 为 在 完 成 分 解 缓 冲 区 中 两 个 字 节 或 者 更 少 数 据 的 包 要 求 事 务 转 换 器 发 送 NYET 包 正 常 情 况 下, 一 个 中 断 分 解 IN 事 务 可 以 在 一 个 微 帧 中 完 成, 但 是 如 果 事 务 是 在 微 帧 末 尾 被 事 务 转 换 器 启 动 的, 那 就 有 可 能 跨 越 微 帧 的 边 界 这 种 情 况 下, 或 者 发 送 NYET, 或 者 发 送 MDATA 给 主 机 完 成 分 解 的 DATA0/1 包 事 务 转 换 器 返 回 这 个 包 告 诉 主 机 这 是 终 点 的 最 后 一 个 数 据 数 据 传 输 可 能 的 结 果 和 动 作 包 括 : 1. 当 没 有 检 测 到 错 误, 而 且 数 据 切 换 位 匹 配 时, 事 务 结 束, 主 机 处 理 下 一 个 命 令 2. 如 果 主 机 检 测 到 数 据 切 换 位 匹 配 错 误, 整 个 的 IN 中 断 事 务 重 发 注 意, 错 误 计 数 器 不 增 加 3. 视 情 况 而 不 同, 当 主 机 超 时 或 者 检 测 到 数 据 包 错 误, 如 果 错 误 计 数 器 增 加 后 仍 小 于 3, 那 么 完 成 分 解 事 务 重 发 4. 当 主 机 超 时 或 者 检 测 到 数 据 包 错 误, 如 果 错 误 计 数 器 增 加 后 大 于 等 于 3, 终 端 停 止 工 作 完 成 分 解 的 NYET 包 如 果 在 完 成 分 解 缓 冲 区 没 有 发 现 匹 配 的 输 入 项, 或 者 完 成 分 解 缓 冲 区 里 的 数 据 太 少 或 者 没 有, 就 会 发 送 这 个 包 如 果 事 务 在 总 线 上 运 行, 但 是 数 据 太 少 或 者 还 没 有 积 累 数 据 时, 这 可 能 发 生 在 第 一 个 完 成 分 解 事 务 中 如 果 在 每 个 微 帧 结 束 时 只 收 到 三 个 或 者 更 少 字 节 的 低 速 / 全 速 数 据, 那 么 事 务 转 换 器 就 要 发 送 NYET 来 响 应 高 速 完 成 分 解 主 机 会 采 取 两 个 可 能 的 步 骤 : 1. 如 果 数 据 待 处 理, 主 机 在 下 一 个 微 帧 发 送 一 个 完 成 分 解 事 务 2. 如 果 NYET 握 手 信 号 发 生 在 1 毫 秒 帧 的 最 后 一 个 微 帧, 那 么 错 误 计 数 器 增 加, 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 立 刻 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 端 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 完 成 分 解 NAK 包 如 果 低 速 和 全 速 事 务 以 NAK 结 束, 事 务 转 换 器 就 返 回 NAK 包 NAK 指 示 终 点 不 能 返 回 数 据, 事 务 转 换 器 终 止 事 务 主 机 在 这 个 终 端 的 下 一 个 轮 询 时 隙 重 发 分 解 事 务 195

216 第 17 章 完 成 分 解 STALL 包 当 目 标 设 备 返 回 STALL 给 事 务 转 换 器, 这 个 信 号 也 会 返 回 到 主 机 主 机 会 停 止 这 个 设 备 工 作, 报 告 这 个 错 误 给 设 备 特 定 的 软 件 处 理 完 成 分 解 ERR 包 如 果 因 为 包 错 误 或 者 超 时, 总 线 上 的 事 务 失 败, 那 么 ERR 包 就 会 由 事 务 转 换 器 发 给 主 机, 事 务 转 换 器 因 为 错 误 终 止 这 个 事 务 主 机 增 加 它 的 错 误 计 数 器, 重 发 这 个 事 务 或 者 停 止 终 端, 这 由 3 次 溢 出 错 误 处 理 机 制 决 定 分 解 中 断 IN 事 务 中 的 CRC16 处 理 中 断 终 端 只 在 数 据 包 的 末 尾 返 回 一 个 CRC16 低 速 处 理 器 要 求 奇 偶 校 验, 通 过 返 回 在 完 成 分 解 事 务 中 的 ERR 握 手 信 号 报 告 CRC 错 误 许 多 情 况 下, 一 个 中 断 IN 数 据 包 会 在 一 个 微 帧 内 回 到 事 务 转 换 器, 这 允 许 高 速 处 理 器 在 每 个 完 成 分 解 事 务 的 末 尾 返 回 整 个 数 据 包, 还 要 有 CRC16 当 一 个 数 据 传 输 跨 越 微 帧 边 界 时, 可 能 会 有 两 个 数 据 包 返 回 主 机 事 务 转 换 器 发 送 MDATA 包 告 诉 主 机 要 求 另 一 个 完 成 分 解 事 务 来 和 数 据 包 平 衡 这 种 情 况 下, 高 速 处 理 器 必 须 为 每 个 送 到 主 机 的 高 速 数 据 包 生 成 一 个 CRC16 即 使 MDATA 成 功 传 输 了, 第 二 个 事 务 也 可 能 失 败, 从 而 引 起 整 个 数 据 包 传 输 失 败 非 周 期 分 解 事 务 非 周 期 的 批 量 传 输 和 控 制 传 输 不 像 周 期 事 务 那 样 有 着 时 间 要 求 这 些 事 务 开 始 于 主 机 发 送 开 始 分 解 事 务, 当 主 机 发 送 完 成 分 解 事 务 时 结 束 只 需 要 一 个 开 始 分 解 事 务 和 一 个 完 成 分 解 事 务 就 可 以 结 束 整 个 事 务, 因 为 传 输 最 大 包 值 是 64 字 节 非 周 期 分 解 事 务 流 水 线 图 是 非 周 期 分 解 事 务 流 水 线 196

217 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 开 始 分 解 控 制 / 批 量 传 输 处 理 器 完 成 分 解 跟 踪 数 据 或 者 高 速 缓 冲 区 1 缓 冲 区 2 取 开 始 分 解 缓 冲 区 2 数 据 / 握 手 信 号 返 回 缓 冲 区 低 速 / 全 速 事 务 低 速 / 全 速 设 备 图 非 周 期 分 解 事 务 流 水 线 高 速 处 理 器 高 速 处 理 器 是 事 务 转 换 器 和 高 速 总 线 的 接 口 它 接 收 高 速 包, 对 包 执 行 CRC 校 验 处 理 器 把 开 始 分 解 事 务 放 入 非 周 期 缓 冲 区, 当 它 收 到 完 成 分 解 事 务 时 搜 索 缓 冲 区 寻 找 匹 配 的 输 入 项 非 周 期 缓 冲 区 规 范 要 求 事 务 转 换 器 提 供 两 个 缓 冲 区 处 理 分 解 批 量 / 控 制 事 务 每 个 缓 冲 区 在 一 个 时 间 处 理 一 个 事 务, 并 存 储 开 始 分 解 和 完 成 分 解 的 信 息 缓 冲 区 由 主 机 在 发 送 开 始 分 解 事 务 时 填 充 低 速 / 全 速 取 出 开 始 分 解 信 息, 并 生 成 特 定 的 事 务 数 据 和 结 束 状 态 也 在 相 同 的 缓 冲 区 累 积, 但 发 送 完 成 分 解 事 务 时 成 为 主 机 接 收 的 完 成 分 解 数 据 低 速 / 全 速 处 理 器 这 个 处 理 器 从 非 周 期 缓 冲 区 取 出 开 始 分 解 信 息, 在 目 标 端 口 开 始 特 定 的 操 作 在 IN 事 务 中 处 理 器 传 送 数 据 到 缓 冲 区, 在 OUT 事 务 中 将 握 手 信 号 或 者 其 他 状 态 信 息 放 入 缓 冲 区 低 速 / 全 速 处 理 器 检 查 包 错 误, 要 求 重 传 本 地 失 败 的 事 务 因 此, 不 用 发 送 超 时 响 应 处 理 器 使 用 三 次 溢 出 重 传 机 制 批 量 / 控 制 分 解 OUT 事 务 序 列 在 这 部 分 的 讨 论 中, 批 量 和 控 制 传 输 我 们 视 为 一 个 组, 因 为 它 们 有 着 相 同 的 特 点, 使 用 相 同 的 包 序 列 然 而, 在 批 量 和 控 制 传 输 序 列 中 存 在 两 个 重 要 的 不 同 点 1. 控 制 传 输 不 包 括 终 点 方 向 检 测 缓 冲 区, 而 其 他 传 输 类 型 要 这 么 做 2. 控 制 传 输 的 准 备 事 务 只 有 一 种 完 成 分 解 事 务, 因 为 ACK 是 事 务 惟 一 合 法 的 响 应 批 量 / 控 制 OUT 开 始 分 解 序 列 图 7-28 是 批 量 传 输 OUT 事 务 的 包 序 列 事 务 包 括 开 始 分 解 包,OUT 令 牌 包 和 主 机 发 送 的 DATA0/1 包, 还 有 从 事 务 转 换 器 返 回 的 握 手 信 号 包 下 面 我 们 讨 论 可 能 出 现 的 响 应 197

218 第 17 章 开 始 分 解 开 始 分 解 包 OUT/ 准 备 包 DATA 0/1 ACK 执 行 结 束 分 解 NAK 重 传 开 始 分 解 错 误 ( 超 时 ) 图 批 量 / 控 制 OUT 开 始 分 解 序 列 开 始 分 解 包 错 误 如 果 在 开 始 分 解 事 务 中, 任 何 一 个 主 机 发 出 的 包 出 现 错 误, 就 不 会 有 响 应 回 到 主 机 当 没 有 包 响 应 时, 主 机 超 时, 增 加 它 的 错 误 计 数 器 会 采 取 下 面 两 种 可 能 的 行 动 : 1. 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 在 以 后 的 某 个 时 间 重 新 发 送 分 解 事 务 2. 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 就 停 止 这 个 终 点 处 理 事 务 转 换 器 丢 掉 这 个 包, 并 且 不 向 缓 冲 区 放 入 输 入 项 开 始 分 解 ACK 包 一 个 开 始 分 解 包 的 正 常 响 应 是 握 手 信 号 包, 告 诉 主 机 这 个 事 务 被 事 务 转 换 器 接 收 了 开 始 分 解 事 务 可 能 有 以 下 两 种 接 收 方 式 : 1. 开 始 分 解 事 务 进 入 一 个 非 周 期 缓 冲 区 2. 开 始 分 解 事 务 和 缓 冲 区 中 一 个 旧 的 输 入 项 匹 配 旧 的 输 入 项 是 因 为 主 机 在 接 收 开 始 分 解 确 认 时 检 测 到 错 误 而 留 在 缓 冲 区 的 这 种 情 况 下, 主 机 重 新 发 送 缓 冲 区 刚 刚 接 收 的 开 始 分 解 事 务 在 和 原 来 的 输 入 项 匹 配 的 事 件 中,ACK 返 回, 但 是 数 据 被 扔 掉 当 有 了 一 个 新 的 输 入 项, 事 务 转 换 器 有 时 间 的 时 候 就 会 在 低 速 / 全 速 总 线 上 初 始 化 这 个 事 务 一 旦 主 机 得 到 开 始 分 解 事 务 已 经 被 事 务 转 换 器 接 收 的 确 认, 它 就 会 继 续 发 送 开 始 分 解 事 务 到 相 同 的 终 点, 直 到 当 前 事 务 完 成 开 始 分 解 NAK 包 当 所 有 的 非 周 期 缓 冲 区 都 在 使 用 中, 就 会 返 回 给 主 机 NAK 包 通 知 主 机 开 始 分 解 事 务 没 有 被 接 收, 要 重 传 批 量 / 控 制 OUT 完 成 分 解 序 列 图 是 目 标 为 批 量 / 控 制 传 输 OUT 完 成 分 解 事 务 可 能 的 包 序 列 和 事 务 转 换 器 的 响 应 下 面 分 别 讨 论 198

219 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 结 束 分 解 结 束 分 解 令 牌 包 OUT 令 牌 包 ACK NYET NAK STALL 错 误 ( 超 时 ) 到 下 一 个 命 令 重 传 结 束 分 解 重 传 结 束 分 解 终 止 图 批 量 / 控 制 OUT 完 成 分 解 序 列 完 成 分 解 包 错 误 如 果 集 线 器 检 测 到 包 错 误, 事 务 被 扔 掉, 把 错 误 报 告 给 主 机 错 误 通 过 没 有 响 应 这 种 USB 常 用 的 方 法 报 告 检 测 不 到 响 应, 主 机 超 时, 它 就 识 别 到 一 个 包 错 误 发 生 了, 会 采 取 下 面 两 种 可 能 的 行 动 : 1. 增 加 这 个 终 端 的 错 误 计 数 器, 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 可 以 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务, 也 可 以 在 重 发 前 向 其 他 设 备 终 端 发 送 其 他 分 解 事 务 2. 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 点 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 完 成 分 解 ACK 包 在 中 断 OUT 事 务 中, 当 目 标 设 备 返 回 ACK 握 手 信 号 时, 事 务 转 换 器 返 回 一 个 ACK 包 当 然, 这 表 明 事 务 已 经 正 常 完 成 了, 主 机 可 以 处 理 下 一 个 命 令 完 成 分 解 NYET 包 当 事 务 转 换 器 得 知 事 务 还 在 低 速 或 者 全 速 总 线 上 处 理, 就 会 返 回 给 主 机 NYET 包 这 样, 不 会 得 到 完 成 状 态 信 息 主 机 在 将 来 某 个 时 候 重 新 发 送 这 个 完 成 分 解 事 务 这 里 没 有 考 虑 错 误 情 况, 因 为 在 事 务 必 须 完 成 的 时 间 中 没 有 可 以 用 来 检 测 错 误 的 时 间 完 成 分 解 NAK 包 如 果 低 速 和 全 速 事 务 以 NAK 结 束, 事 务 转 换 器 就 返 回 NAK 包 NAK 指 示 终 点 不 能 接 收 批 量 / 控 制 传 输 的 数 据, 也 许 是 因 为 没 有 足 够 的 空 间 给 当 前 包 主 机 根 据 正 常 的 调 度 在 以 后 的 某 个 时 间 重 发 分 解 事 务 完 成 分 解 STALL 包 下 面 三 种 情 况 下 主 机 会 收 到 STALL 包 : 1. 低 速 和 全 速 事 务 以 STALL 握 手 信 号 结 束 2. 事 务 转 换 器 没 有 为 相 应 的 事 务 找 到 本 地 缓 冲 区 3. 事 务 转 换 器 因 为 检 测 到 错 误, 尝 试 重 发 这 个 事 务 三 次, 但 是 都 失 败 了 199

220 第 17 章 批 量 / 控 制 分 解 IN 事 务 序 列 在 这 部 分 的 讨 论 中, 批 量 和 控 制 传 输 我 们 视 为 一 个 组, 因 为 和 OUT 事 务 一 样, 它 们 有 着 相 同 的 特 点, 使 用 相 同 的 包 序 列 在 批 量 和 控 制 传 输 序 列 中 只 存 在 一 个 重 要 的 不 同 点 : 1. 控 制 传 输 不 包 括 终 端 方 向 检 测 缓 冲 区, 而 其 他 传 输 类 型 要 包 括 批 量 / 控 制 IN 开 始 分 解 序 列 图 是 一 个 批 量 和 控 制 传 输 IN 开 始 分 解 事 务 的 序 列 和 可 能 的 结 果 下 面 我 们 讨 论 可 能 的 响 应 开 始 分 解 包 错 误 如 果 在 开 始 分 解 事 务 中, 任 何 一 个 主 机 发 出 的 包 出 现 错 误, 就 不 会 有 响 应 回 到 主 机 当 没 有 包 响 应 时, 主 机 超 时, 增 加 它 的 错 误 计 数 器 会 采 取 下 面 两 种 可 能 的 行 动 : 1. 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 在 以 后 的 某 个 时 间 重 新 发 送 分 解 事 务 2. 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 点 处 理 事 务 转 换 器 丢 掉 这 个 包, 并 且 不 向 缓 冲 区 放 入 输 入 项 开 始 分 解 ACK 包 一 个 开 始 分 解 包 的 正 常 响 应 是 握 手 信 号 包, 告 诉 主 机 这 个 事 务 被 事 务 转 换 器 接 收 了 开 始 分 解 事 务 可 能 有 以 下 两 种 接 收 方 式 : 开 始 分 解 开 始 分 解 包 IN 包 ACK 执 行 结 束 分 解 NAK 重 传 开 始 分 解 错 误 ( 超 时 ) 图 批 量 / 控 制 IN 开 始 分 解 序 列 1. 开 始 分 解 事 务 进 入 一 个 非 周 期 缓 冲 区 2. 开 始 分 解 事 务 和 缓 冲 区 中 一 个 旧 的 输 入 项 匹 配 旧 的 输 入 项 是 因 为 主 机 在 接 收 开 始 分 解 确 认 时 检 测 到 错 误 而 留 在 缓 冲 区 的 这 种 情 况 下, 主 机 重 新 发 送 缓 冲 区 刚 刚 接 收 的 开 始 分 解 事 务 在 和 原 来 的 输 入 项 匹 配 的 事 件 中,ACK 返 回, 但 是 数 据 被 扔 掉 200

221 低 速 和 全 速 事 务 中 的 2.0 集 线 器 当 有 了 一 个 新 的 输 入 项 时, 事 务 转 换 器 有 时 间 的 时 候 就 会 在 低 速 / 全 速 总 线 上 初 始 化 这 个 事 务 一 旦 主 机 得 到 开 始 分 解 事 务 已 经 被 事 务 转 换 器 接 收 的 确 认, 它 就 会 继 续 发 送 开 始 分 解 事 务 到 相 同 的 终 点, 直 到 当 前 事 务 完 成 开 始 分 解 NAK 包 当 所 有 的 非 周 期 缓 冲 区 都 在 使 用 中, 就 会 返 回 给 主 机 NAK 包 通 知 主 机 开 始 分 解 事 务 没 有 被 接 收, 要 重 传 批 量 / 控 制 IN 完 成 分 解 序 列 图 是 目 标 为 批 量 / 控 制 传 输 IN 完 成 分 解 事 务 可 能 的 包 序 列 和 事 务 转 换 器 的 响 应 注 意, 批 量 / 控 制 IN 序 列 不 包 括 在 中 断 IN 分 解 事 务 中 使 用 的 MDATA 数 据 包 因 为 对 于 批 量 / 控 制 传 输, 时 间 和 调 度 不 是 很 重 要, 不 要 求 在 每 个 微 帧 中 都 传 输 事 务 直 到 有 数 据 返 回 事 务 转 换 器 才 填 充 缓 冲 区 主 机 发 送 一 个 完 成 分 解 事 务, 当 事 务 在 运 行 并 返 回 NYET 信 号 时, 指 示 数 据 包 还 没 有 准 备 好 传 输 下 面 讨 论 批 量 / 控 制 传 输 IN 完 成 分 解 事 务 可 能 的 包 序 列 和 事 务 转 换 器 的 响 应 完 成 分 解 包 错 误 如 果 集 线 器 检 测 到 包 错 误, 事 务 被 扔 掉, 把 错 误 报 告 给 主 机 错 误 是 通 过 没 有 响 应 这 种 USB 常 用 的 方 法 报 告 检 测 不 到 响 应, 主 机 超 时, 它 识 别 到 一 个 包 错 误 发 生 了, 会 采 取 下 面 两 种 可 能 的 行 动 : 结 束 分 解 结 束 分 解 令 牌 包 IN 令 牌 包 DATA 0/1 ANK NYET STALL 错 误 ( 超 时 ) 如 果 没 有 数 据 包 错 误 则 到 下 一 命 令 重 传 结 束 分 解 重 传 结 束 分 解 终 止 图 批 量 / 控 制 IN 完 成 分 解 序 列 1. 增 加 这 个 终 点 的 错 误 计 数 器, 如 果 计 数 值 小 于 3, 它 就 可 以 重 新 发 送 完 成 分 解 事 务, 也 可 以 在 重 发 前 向 其 他 设 备 终 端 发 送 其 他 分 解 事 务 2. 如 果 计 数 值 大 于 等 于 3, 主 机 停 止 这 个 终 点 处 理, 并 且 向 设 备 特 定 的 软 件 报 告 发 生 了 错 误 完 成 分 解 NYET 包 当 事 务 转 换 器 得 知 事 务 还 在 低 速 或 者 全 速 总 线 上 处 理, 就 会 返 回 给 主 机 NYET 包 这 样, 201

222 第 17 章 不 会 得 到 完 成 状 态 信 息 主 机 在 将 来 某 个 时 候 重 新 发 送 这 个 完 成 分 解 事 务 这 里 没 有 考 虑 错 误 情 况, 因 为 在 事 务 必 须 完 成 的 时 间 中 没 有 可 以 用 来 检 测 错 误 的 时 间 完 成 分 解 NAK 包 如 果 低 速 和 全 速 事 务 以 NAK 结 束, 事 务 转 换 器 就 返 回 NAK 包 NAK 指 示 终 点 不 能 接 收 批 量 / 控 制 传 输 的 数 据, 也 许 是 因 为 没 有 足 够 的 空 间 给 当 前 包 主 机 根 据 正 常 的 调 度 在 以 后 的 某 个 时 间 重 发 分 解 事 务 完 成 分 解 STALL 包 下 面 三 种 情 况 下 主 机 会 收 到 STALL 包 : 1. 低 速 和 全 速 事 务 以 STALL 握 手 信 号 结 束 2. 事 务 转 换 器 没 有 为 相 应 的 事 务 找 到 本 地 缓 冲 区 3. 事 务 转 换 器 因 为 检 测 到 错 误, 尝 试 重 发 这 个 事 务 三 次, 但 是 都 失 败 了 202

223 第 五 部 分 USB2.0 设 备 配 置 第 五 部 分 讨 论 USB2.0 设 备 配 置 第 五 部 分 包 括 的 章 节 如 下 : 第 18 章 : 配 置 过 程 第 19 章 :USB 设 备 配 置 第 20 章 : 集 线 器 配 置 第 21 章 : 设 备 分 类 179

224 配 置 过 程 配 置 过 程 18 上 一 章 上 一 章 介 绍 了 允 许 高 速 集 线 器 支 持 低 速 和 全 速 设 备 而 不 需 要 牺 牲 大 量 的 总 线 时 间 访 问 慢 速 设 备 的 分 解 事 务 讲 述 事 务 转 换 器 的 操 作, 分 解 事 务 的 不 同 形 式 和 每 一 种 要 求 的 特 定 序 列 本 章 这 一 章 我 们 讲 述 配 置 过 程 的 概 况 详 细 讲 解 了 每 个 USB 设 备 配 置 的 主 要 步 骤 下 一 章 下 一 章 我 们 讨 论 连 接 到 任 何 USB 端 口 的 USB 设 备 的 配 置 任 何 速 度 的 设 备 配 置 过 程 实 际 都 是 一 样 的 和 配 置 相 关 的 设 备 描 述 符 及 其 他 的 性 能 和 特 点 也 会 在 下 一 章 介 绍 概 述 主 机 软 件 负 载 检 测 和 配 置 所 有 连 接 到 根 集 线 器 端 口 的 设 备 标 识 和 配 置 USB 设 备 的 过 程 一 般 参 照 USB 设 备 详 细 列 表 设 备 详 细 列 表 以 根 集 线 器 开 始 每 个 集 线 器 必 须 先 复 位 再 启 动 当 加 电 后, 集 线 器 决 定 连 接 的 设 备 是 低 速 全 速 还 是 高 速 或 者 没 有 设 备 连 接 如 果 出 现 了 设 备, 要 设 置 根 集 线 器 内 的 状 态 标 志 位 反 射 设 备 连 接 信 号 软 件 得 知 设 备 连 接 了, 启 用 端 口, 复 位 设 备, 分 配 惟 一 的 地 址, 完 成 配 置 每 个 端 口 都 要 如 此, 直 到 所 有 连 接 到 根 集 线 器 的 设 备 标 识 配 置 完 毕 本 章 的 讨 论 假 定 软 件 已 经 初 始 化 USB 主 机 控 制 器, 有 生 成 USB 事 务 的 能 力 不 同 的 操 作 系 统 会 有 不 同 的 参 与 USB 设 备 配 置 的 软 件 单 元, 会 以 各 自 的 顺 序 来 执 行 配 置 下 面 给 出 配 置 过 程 的 基 本 步 骤, 但 指 定 的 主 机 软 件 有 时 并 不 根 据 这 个 顺 序 解 决 配 置 问 题 下 面 是 配 置 一 个 连 接 到 根 集 线 器 端 口 的 设 备 时, 主 机 软 件 和 根 集 线 器 的 动 作 如 果 还 没 有 加 电, 主 机 要 求 给 端 口 加 电 主 机 检 测 设 备 连 接, 设 备 速 度, 设 定 状 态 标 志 位 主 机 轮 询 集 线 器, 标 识 哪 个 集 线 器 有 设 备 连 接 主 机 发 送 复 位 命 令 到 端 口 或 者 到 USB 设 备 ( 最 少 10 毫 秒 ) 如 果 是 高 速 设 备 还 要 发 203

225 第 18 章 送 线 性 调 频 脉 冲 序 列 如 果 一 个 设 备 最 初 是 全 速 状 态, 主 机 再 次 检 测 集 线 器 状 态 以 此 来 查 看 设 备 现 在 是 否 以 高 速 操 作 USB 设 备 现 在 是 默 认 地 址 (0) 主 机 执 行 取 描 述 符 指 令 取 包 含 着 配 置 信 息 的 标 准 描 述 符 这 些 描 述 符 由 主 机 软 件 解 析 来 决 定 设 备 的 特 性 配 置 信 息 包 括 总 线 电 流 要 求 总 线 带 宽 要 求 和 设 备 的 分 类 信 息 主 机 分 配 一 个 惟 一 的 地 址 给 USB 设 备 主 机 验 证 设 备 要 求 的 USB 资 源 可 以 满 足 主 机 发 送 一 个 配 置 值 给 USB 设 备, 规 定 如 何 使 用 设 备 当 收 到 配 置 值 后, 设 备 呈 现 描 述 符 规 定 的 性 质 设 备 现 在 准 备 好 了, 可 以 被 客 户 端 软 件 访 问, 可 以 使 用 配 置 描 述 符 中 要 求 的 总 线 电 流 上 面 执 行 的 操 作 基 本 通 过 控 制 传 输 完 成 软 件 使 用 每 个 设 备 的 控 制 终 点 ( 终 点 零 ) 访 问 它 的 描 述 符, 这 样 来 配 置 设 备 ( 控 制 传 输 的 执 行 机 制 我 们 在 下 一 章 讲 解 ) 下 面 我 们 概 括 地 看 一 下 配 置 过 程 关 于 设 备 配 置 的 细 节 会 在 后 面 的 章 节 中 讲 到 配 置 软 件 单 元 图 18-1 是 基 本 的 配 置 模 式 和 参 与 配 置 的 软 件 单 元 的 概 念 视 图 设 备 类 客 户 端 集 线 器 客 户 端 设 备 连 接 通 知 集 线 器 轮 询 配 置 软 件 中 断 通 信 管 道 描 述 符 读 取 验 证 电 量 和 总 线 带 宽 默 认 控 制 管 道 资 源 管 理 USB 主 机 控 制 器 驱 程 204

226 配 置 过 程 图 18-1 配 置 过 程 中 使 用 的 软 件 单 元 USB 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 这 个 软 件 一 般 是 第 一 个 要 执 行 的 USB 软 件 在 USB 可 用 之 前, 主 机 控 制 器 必 须 通 过 这 个 程 序 初 始 化 配 置 过 程 中, 这 个 程 序 也 要 访 问 根 集 线 器, 在 集 线 器 客 户 端 的 导 向 下 控 制 寄 存 器 配 置 软 件 集 线 器 客 户 端 必 须 通 知 配 置 软 件 一 个 新 的 设 备 连 接 了 作 为 响 应, 配 置 软 件 必 须 通 过 读 取 标 准 描 述 符 来 标 识 这 个 设 备, 这 是 通 过 默 认 的 控 制 管 道 进 行 的 从 描 述 符 读 到 的 信 息 规 定 了 设 备 要 求 的 USB 资 源 ( 例 如 总 线 带 宽 和 电 流 ) 这 些 描 述 符 必 须 由 配 置 软 件 解 析 一 个 设 备 可 以 支 持 多 于 一 个 配 置, 这 就 要 求 软 件 选 择 可 用 的 配 置 每 个 配 置 提 供 设 备 的 不 同 配 置 方 案 例 如, 如 果 集 线 器 端 口 不 支 持 高 电 平 功 能, 配 置 软 件 就 要 选 择 低 电 平 配 置 注 意, 客 户 端 驱 动 程 序 也 要 参 与 配 置 选 择 配 置 软 件 分 配 惟 一 地 址 给 设 备, 通 过 给 设 备 指 定 一 个 配 置 方 案 完 成 硬 件 的 配 置 当 配 置 完 成 时, 设 备 启 用 并 准 备 操 作 然 后, 配 置 软 件 根 据 以 前 从 标 准 描 述 符 读 到 的 设 备 的 类 型 信 息 和 厂 商 信 息 给 设 备 寻 找 客 户 端 驱 动 程 序 默 认 控 制 管 道 每 个 设 备 中 的 默 认 控 制 管 道 访 问 0 终 点 集 线 器 客 户 端 配 置 软 件 和 设 备 客 户 端 软 件 都 要 共 享 这 个 默 认 通 道 主 机 系 统 软 件 默 认 为 这 个 管 道 的 所 有 者, 因 此 集 线 器 客 户 端 和 其 他 设 备 驱 动 程 序 必 须 通 过 请 求 使 用 这 个 管 道 资 源 管 理 配 置 软 件 必 须 保 证 可 利 用 的 USB 资 源 足 以 支 持 选 定 的 设 备 配 置 方 案 资 源 管 理 软 件 必 须 跟 踪 所 有 USB 设 备 配 置 中 所 消 耗 的 总 线 带 宽 当 一 个 设 备 连 接 时, 资 源 管 理 软 件 必 须 验 证, 周 期 终 端 能 够 被 它 们 所 要 求 的 带 宽 和 可 以 利 用 的 带 宽 支 持 设 备 总 线 电 流 的 要 求 也 要 和 设 备 连 接 的 端 口 可 以 获 得 的 电 流 对 比 一 个 集 线 器 端 口 可 以 获 得 的 电 流 必 须 由 集 线 器 客 户 端 决 定, 因 为 它 知 道 这 个 集 线 器 的 电 流 特 性 资 源 管 理 软 件 询 问 端 口 的 载 流 能 力, 验 证 能 否 满 足 要 求 的 电 流 如 果 USB 可 以 提 供 设 备 要 求 的 总 线 带 宽 和 电 流, 则 可 以 配 置 设 备 如 果 USB 不 支 持 选 定 的 配 置, 就 检 测 其 他 的 配 置 方 案, 如 果 没 有 一 个 配 置 方 案 能 够 被 支 持, 那 么 就 不 能 配 置 设 备, 并 且 用 户 会 得 到 通 知 设 备 客 户 端 软 件 一 旦 配 置 软 件 完 成 了 设 备 的 配 置, 就 会 准 备 执 行 硬 件 方 面 的 操 作 客 户 端 软 件 由 系 统 软 205

227 第 18 章 件 指 定 和 加 载 这 个 软 件 必 须 读 指 定 客 户 端, 或 者 指 定 类 型 的 描 述 符 来 验 证 它 的 性 能 客 户 端 软 件 可 以 初 始 化 应 用 层 使 用 的 设 备 根 集 线 器 配 置 主 机 软 件 通 过 配 置 根 集 线 器 开 始 USB 设 备 列 表 根 集 线 器 必 须 使 用 状 态 变 化 终 点, 由 这 个 终 点 集 线 器 客 户 端 可 以 检 测 到 每 个 端 口 的 状 态 变 化 一 旦 集 线 器 配 置 完 成, 软 件 必 须 轮 询 状 态 变 化 端 点, 检 测 哪 个 端 口 现 在 有 设 备 连 接 扩 展 总 线 主 机 控 制 器 终 点 0 状 态 和 控 制 USB 主 机 控 制 器 / 根 集 线 器 端 口 0 端 口 1 键 盘 调 制 解 调 器 图 18-2 根 集 线 器 的 控 制 和 状 态 变 化 终 点 每 个 设 备 隔 离 配 置 每 个 设 备 最 初 都 是 和 USB 隔 离 的, 因 为 所 有 的 集 线 器 端 口 最 初 是 没 有 启 动 的 主 机 软 件 在 端 口 加 电 的 时 候, 通 过 读 状 态 变 化 终 点 检 测 到 设 备 的 出 现 主 机 软 件 要 逐 个 启 用 每 一 个 有 设 备 连 接 的 端 口 软 件 一 般 发 送 一 个 端 口 复 位 命 令 也 能 启 动 端 口 每 个 设 备 都 是 先 复 位 再 配 置 复 位 强 行 将 设 备 连 接 到 默 认 地 址 (0) 复 位 强 行 将 设 备 连 接 到 默 认 地 址 (0) 主 机 软 件 使 用 端 口 复 位 命 令, 让 集 线 器 复 位 选 定 的 端 口 每 个 USB 设 备 复 位 后 在 地 址 0 响 应 这 样, 配 置 软 件 能 够 在 相 同 的 地 址 逐 个 读 到 每 个 设 备 的 描 述 符 206

228 配 置 过 程 主 机 分 配 惟 一 的 设 备 地 址 在 配 置 过 程 中, 每 个 设 备 被 分 配 一 个 惟 一 的 设 备 地 址, 以 后 它 就 响 应 这 个 地 址 不 会 有 冲 突 出 现, 因 为 每 个 设 备 都 在 下 一 个 端 口 启 用 前 被 分 到 惟 一 的 地 址 软 件 使 用 标 准 分 配 地 址 (Set Address) 指 令 给 设 备 分 配 地 址 主 机 软 件 检 验 配 置 主 机 软 件 必 须 探 测 每 个 它 检 测 的 设 备, 看 看 是 否 和 设 备 相 关 的 端 点 能 够 被 现 在 利 用 的 带 宽 满 足 必 须 保 证 连 接 设 备 的 集 线 器 端 口 能 够 满 足 设 备 要 求 的 总 线 电 流 设 备 可 以 有 一 个 或 者 多 个 配 置 方 案 供 选 择 每 个 配 置 描 述 符 代 表 一 套 设 备 不 同 的 配 置 方 案 主 机 软 件 保 证 设 备 要 求 的 USB 电 流 和 带 宽 能 被 满 足 如 果 指 定 的 配 置 不 能 被 满 足, 就 估 计 下 一 个 配 置 能 否 被 满 足 如 果 估 计 完 所 有 的 配 置,USB 都 不 能 提 供 必 须 的 资 源, 那 么 设 备 就 不 被 配 置 电 量 要 求 主 机 软 件 必 须 保 证 连 接 设 备 的 集 线 器 端 口 能 够 满 足 设 备 要 求 的 总 线 电 流 配 置 过 程 中, 一 个 设 备 不 能 消 耗 超 过 100 毫 安 的 总 线 电 流 只 有 配 置 完 成 后 它 才 能 消 耗 指 定 配 置 定 义 的 最 大 电 流 最 大 电 流 在 描 述 符 最 大 电 量 字 段 指 定 相 似 的, 一 个 集 线 器 也 通 过 描 述 符 报 告 它 所 能 提 供 的 电 流 如 果 每 个 配 置 规 定 的 电 流 都 大 于 集 线 器 能 够 支 持 的 电 流, 那 么 设 备 不 被 配 置 总 线 带 宽 主 机 软 件 必 须 保 证 设 备 要 求 的 带 宽 能 够 被 USB 满 足 每 个 配 置 定 义 一 组 客 户 端 软 件 必 须 访 问 的 终 点 每 个 终 点 描 述 符 都 规 定 它 所 要 求 的 总 线 带 宽 如 果 有 效 带 宽 能 够 满 足 所 有 的 终 点, 软 件 建 立 一 个 通 信 管 道, 为 每 个 设 备 终 点 保 留 指 定 的 总 线 带 宽 设 备 内 的 所 有 终 点 成 功 得 到 带 宽 时, 设 备 才 能 配 置 如 果 需 要 的 带 宽 不 可 获 得, 就 检 查 其 他 的 配 置 方 案 如 果 每 个 配 置 规 定 的 带 宽 都 超 过 可 利 用 的 带 宽, 那 么 设 备 不 被 配 置 分 配 配 置 值 一 旦 配 置 选 定, 主 机 软 件 分 配 一 个 和 选 定 配 置 相 应 的 配 置 值 来 配 置 设 备 这 个 配 置 值 从 选 定 配 置 的 描 述 符 中 得 到, 并 且 通 过 设 定 配 置 (Set Configuration) 指 令 写 到 设 备 设 备 现 在 就 可 以 被 客 户 端 程 序 访 问, 可 以 使 用 配 置 中 规 定 的 最 大 电 流 工 作 通 知 客 户 端 软 件 当 设 备 成 功 配 置 后,USB 系 统 软 件 必 须 定 位 访 问 这 个 终 端 最 合 适 的 一 类 或 者 多 个 驱 动 程 序 必 须 通 知 USB 类 驱 动 程 序, 设 备 已 经 安 装, 必 须 提 供 关 于 这 个 设 备 的 特 性 和 功 能 信 息 USB 系 统 软 件 标 识 USB 设 备 驱 动 程 序 和 通 信 使 用 的 实 际 过 程, 由 操 作 系 统 决 定 207

229 第 19 章 19 USB 设 备 配 置 上 一 章 这 一 章 我 们 讲 述 配 置 过 程 的 概 况 详 细 讲 解 了 每 个 USB 设 备 配 置 的 主 要 步 骤 本 章 本 章 我 们 讨 论 连 接 到 任 何 USB 端 口 的 USB 设 备 的 配 置 任 何 速 度 的 设 备 配 置 过 程 实 际 都 是 一 样 的 和 配 置 相 关 的 设 备 描 述 符 及 其 他 的 性 能 和 特 点 也 会 在 本 章 介 绍 下 一 章 集 线 器 的 配 置 和 任 何 其 他 连 接 到 USB 端 口 的 设 备 一 样 集 线 器 配 置 的 不 同 在 于, 它 要 报 告 在 它 的 下 层 端 口 是 否 有 设 备 连 接 下 一 章 我 们 复 习 集 线 器 的 配 置 过 程, 重 点 讲 解 扩 展 通 过 集 线 器 下 层 端 口 的 总 线 概 述 在 系 统 引 导 和 初 始 化 的 过 程 中, 所 有 的 集 线 器 和 设 备 都 会 被 检 测 并 且 配 置 初 始 化 之 后, 设 备 可 以 断 开, 也 可 以 有 新 的 设 备 连 接 集 线 器 客 户 端 轮 询 USB 集 线 器 检 测 设 备 的 连 接 和 断 开 如 果 一 个 状 态 变 化 指 示 有 设 备 连 接 了, 那 么 就 会 触 发 配 置 过 程 配 置 过 程 摘 要 配 置 设 备 前, 连 接 设 备 的 集 线 器 必 须 已 经 配 置 了, 并 且 给 端 口 加 电 了 然 后, 集 线 器 和 配 置 软 件 必 须 检 测 连 接 的 设 备 : 集 线 器 通 过 监 视 D- 和 D+ 端 口 信 号, 得 知 一 个 设 备 连 接 了 集 线 器 给 端 口 设 置 状 态 信 息, 指 示 设 备 连 接 了 或 者 断 开 了 配 置 软 件 读 端 口 状 态, 得 知 一 个 全 速 设 备 连 接 然 后 软 件 启 用 端 口, 这 样 集 线 器 才 可 以 向 设 备 传 递 总 线 数 据 流 然 后 配 置 软 件 发 送 一 个 复 位 端 口 (Reset Port) 指 令, 强 制 设 备 进 入 默 认 状 态 208

230 USB 设 备 配 置 在 默 认 状 态 设 备 设 备 不 被 配 置, 响 应 只 能 访 问 设 备 0 和 终 端 0 配 置 软 件 现 在 可 以 开 始 配 置 过 程 了 在 集 线 器 配 置 中, 这 个 过 程 基 本 相 似 : 主 机 询 问 地 址 0 处 的 设 备 控 制 0 终 端, 决 定 这 个 默 认 管 道 支 持 的 最 大 数 据 载 荷 主 机 给 设 备 分 配 惟 一 的 地 址 主 机 从 描 述 符 读 取 和 评 估 配 置 信 息 主 机 验 证 设 备 需 要 的 USB 资 源 可 以 获 得 主 机 发 送 配 置 值 到 USB 设 备, 规 定 如 何 使 用 设 备 当 收 到 配 置 值 后, 设 备 呈 现 描 述 符 规 定 的 性 质 设 备 现 在 准 备 好 了, 可 以 被 客 户 端 软 件 访 问, 可 以 使 用 配 置 描 述 符 中 要 求 的 总 线 电 流 软 件 如 何 检 测 设 备 的 连 接 和 速 度 只 有 当 端 口 加 电 后, 集 线 器 才 可 以 知 道 设 备 是 否 连 接 到 某 个 端 口 软 件 负 责 给 集 线 器 端 口 加 电, 负 责 检 测 设 备 连 接 到 某 个 端 口, 负 责 复 位 端 口, 等 等, 当 然 这 是 集 线 器 客 户 端 软 件 这 个 软 件 在 设 备 配 置 中 起 着 无 法 替 代 的 作 用 这 部 分 我 们 讨 论 集 线 器 客 户 端 软 件 如 何 决 定 设 备 的 连 接 和 它 们 工 作 的 速 度 配 置 总 是 从 根 集 线 器 开 始 的 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 实 际 是 执 行 一 个 到 控 制 器 内 寄 存 器 的 低 层 访 问, 来 判 断 设 备 是 否 连 接 到 某 一 个 端 口 然 而, 主 机 控 制 器 必 须 创 建 一 个 常 规 USB 集 线 器 的 抽 象, 这 样 集 线 器 客 户 端 可 以 像 访 问 USB 集 线 器 那 样 给 主 机 控 制 器 发 送 命 令 因 为 这 个 抽 象, 根 集 线 器 和 在 USB 上 的 USB 集 线 器 的 过 程 描 述 是 相 同 的 实 际 访 问 状 态 信 息 的 机 制 则 不 同, 但 只 描 述 了 USB 机 制 这 是 因 为 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 使 用 传 统 的 内 存 或 者 I/O 事 务 读 取 根 集 线 器 状 态, 相 反,USB 端 点 必 须 从 其 他 的 USB 集 线 器 访 问 获 取 状 态 轮 询 状 态 变 化 终 点 判 断 是 否 有 设 备 连 接 到 端 口 的 第 一 步 是 集 线 器 客 户 端 轮 询 集 线 器 状 态 变 化 端 点 集 线 器 有 一 个 通 过 设 置 状 态 标 志 位 来 保 留 状 态 变 化 事 件 的 中 断 终 点 图 19-1 是 从 状 态 变 化 端 点 返 回 集 线 器 变 化 检 测 端 口 1 变 化 检 测 端 口 2 变 化 检 测 端 口 3 变 化 检 测 端 口 4 变 化 检 测 端 口 5 变 化 检 测 端 口 6 变 化 检 测 端 口 7 变 化 检 测 端 口 8 变 化 检 测 端 口 N 变 化 检 测 图 19-1 集 线 器 和 端 口 状 态 变 化 位 映 射 209

231 第 19 章 的 信 息 配 置 软 件 知 道 每 个 集 线 器 支 持 端 口 的 号 码, 因 此 当 集 线 器 状 态 变 化 端 点 被 轮 询 时, 知 道 返 回 的 位 映 射 的 大 小 状 态 在 一 个 位 字 段 报 告, 当 端 口 相 应 的 位 字 段 返 回 为 0 时, 说 明 还 没 有 端 口 被 启 用 大 多 数 实 现 会 返 回 一 个 字 节, 因 为 很 少 有 集 线 器 多 于 8 个 端 口 当 软 件 轮 询 状 态 变 化 端 点 时, 只 有 在 状 态 变 化 时 才 返 回 位 映 射, 如 图 19-1 所 示 如 果 在 轮 询 状 态 变 化 终 点 时, 返 回 的 是 NAK 信 号, 就 没 有 位 被 设 置, 不 需 要 报 告 变 化 为 了 深 入 讨 论, 我 们 假 定 至 少 有 一 个 端 口 的 标 志 位 被 设 置 了 检 测 到 设 置 了 一 位, 集 线 器 客 户 端 就 必 须 从 端 口 读 取 状 态 信 息 这 要 求 使 用 控 制 传 输 获 取 端 口 状 态 集 线 器 客 户 端 从 USB 软 件 驱 动 程 序 那 里 获 得 临 时 的 默 认 控 制 管 道 的 使 用 权, 这 样 他 可 以 向 集 线 器 发 送 取 端 口 状 态 (GetPortStatas) 的 命 令 这 种 情 况 下, 控 制 传 输 包 括 : 准 备 阶 段 准 备 事 务 传 送 8 个 字 节 的 数 据 指 示 取 端 口 状 态 的 命 令 数 据 阶 段 这 是 向 集 线 器 客 户 端 返 回 端 口 状 态 的 IN 事 务 状 态 阶 段 这 个 OUT 事 务 验 证 操 作 成 功, 状 态 信 息 有 效 表 19-1 是 在 准 备 阶 段 发 送 的 8 个 字 节 第 一 个 字 节 ( 请 求 类 型 ) 是 个 位 映 射, 会 在 总 线 请 求 类 型 讲 解 其 他 字 段 都 在 表 中 讲 述 了 注 意, 表 的 最 后 一 列, 返 回 的 数 据 是 端 口 状 态 和 变 化 指 示 表 19-1 集 线 器 取 端 口 状 态 命 令 请 求 类 型 请 求 值 索 引 长 度 数 据 B 取 状 态 00h 0 端 口 号 4 个 字 节 端 口 状 态 变 化 指 示 下 面 一 个 表 定 义 端 口 状 态 变 化 指 示 和 当 前 状 态 信 息 表 19-2 中 的 变 化 指 示 位 标 识 了 可 能 报 告 的 各 种 端 口 事 件, 我 们 的 目 的 是 注 意 位 0 这 个 位 标 明 集 线 器 端 口 接 口 检 测 到 一 个 连 接 状 态 的 变 化 状 态 变 化 信 息 阻 止 软 件 为 了 检 测 变 化 储 存 先 前 的 状 态 表 19-2 获 取 端 口 状 态 时 返 回 的 端 口 变 化 字 段 格 式 保 留 ( 读 取 时 返 回 全 零 ) 复 位 完 成 变 化 过 电 指 示 变 化 挂 起 变 化 恢 复 完 成 端 口 启 用 / 禁 用 变 化 连 接 状 态 变 化 保 留 ( 读 取 时 返 回 全 零 ) 表 19-3 的 状 态 信 息 指 示 每 个 字 段 的 当 前 状 态 在 这 种 情 况 下, 集 线 器 客 户 端 会 检 测 到 位 0, 指 示 设 备 当 前 被 连 接 客 户 端 软 件 也 要 检 测 位 9 和 位 10, 来 判 断 设 备 的 速 度 注 意, 位 12:10 被 加 到 了 USB 2.0 规 范 中 参 见 端 口 变 化 字 段 详 细 了 解 集 线 器 端 口 其 他 状 态 变 化 指 示 位 的 定 义 和 用 法 在 获 取 状 态 请 求 后, 为 了 让 端 口 检 测 其 他 连 接 事 件, 集 线 器 客 户 端 必 须 清 除 状 态 变 化 位 这 由 控 制 传 输 完 成, 发 送 在 特 征 字 段 设 置 清 除 端 口 连 接 的 清 除 端 口 特 征 命 令 参 210

232 USB 设 备 配 置 见 端 口 状 态 字 段 详 细 了 解 其 他 字 段 的 定 义 和 使 用 表 19-3 获 取 端 口 状 态 时 返 回 的 端 口 状 态 字 段 格 式 保 留 ( 读 取 时 返 回 全 零 ) 复 位 状 态 过 电 指 示 挂 起 状 态 端 口 启 用 / 禁 用 当 前 连 接 状 态 变 化 保 留 ( 读 取 时 返 回 全 零 ) 端 口 指 示 端 口 测 试 高 速 设 备 低 速 设 备 端 口 电 源 控 制 连 接 连 接 复 位 端 口 一 旦 集 线 器 客 户 端 检 测 到 设 备, 就 必 须 发 送 一 个 端 口 复 位 命 令, 当 这 些 发 生 时, 连 接 的 设 备 复 位 端 口 复 位 通 过 到 集 线 器 的 控 制 传 输 完 成, 叫 做 设 置 端 口 特 征 (SetPortFeature) 8 字 节 准 备 事 务 的 格 式 如 图 19-4 所 示, 定 义 复 位 端 口 的 第 三 列 值 字 段 来 定 义 复 位 端 口 特 征, 索 引 字 段 定 义 要 复 位 的 端 口 号 表 19-4 集 线 器 特 定 类 复 位 和 请 求 请 求 类 型 请 求 值 索 引 长 度 数 据 B 设 置 特 征 03h 特 征 = 复 位 端 口 04h 端 口 号 0 无 当 集 线 器 收 到 复 位 端 口 命 令, 它 就 会 传 送 一 个 单 端 0(SE0) 超 过 10 毫 秒, 就 像 在 低 速 / 全 速 信 号 和 高 速 信 号 章 节 中 讲 述 的 那 样 复 位 启 动 端 口, 置 设 备 为 默 认 状 态 在 这 个 默 认 状 态 设 备 有 一 个 0 设 备 号 读 取 和 解 析 USB 描 述 符 设 备 必 须 创 建 一 个 描 述 符 来 反 映 设 备 的 特 性 和 行 为 这 一 章 我 们 给 出 每 个 USB 设 备 标 准 描 述 符 的 定 义 和 格 式 标 准 描 述 符 每 个 USB 设 备 包 括 一 个 标 准 描 述 符 这 些 描 述 符 由 USB 驱 动 程 序 软 件 理 解, 软 件 还 将 判 断 设 备 的 USB 特 性 和 设 备 的 类 信 息, 查 找 本 地 最 适 合 的 客 户 端 软 件 下 面 是 描 述 符 列 表 和 包 含 的 基 本 信 息 : 设 备 描 述 符 描 述 设 备 支 持 的 配 置 数 目, 指 定 厂 商 信 息 和 设 备 分 类 配 置 描 述 符 指 定 一 个 或 者 多 个 接 口, 定 义 和 这 个 配 置 相 关 的 属 性 接 口 描 述 符 定 义 和 接 口 相 关 的 端 点 数 目, 定 义 和 这 个 接 口 相 关 的 属 性 211

233 第 19 章 端 点 描 述 符 规 定 和 这 个 端 点 相 关 的 属 性, 也 给 出 主 机 要 如 何 访 问 这 个 端 点 的 信 息 字 符 串 描 述 符 可 视 化 描 述 符, 由 UNICODE 字 符 串 组 成, 可 以 显 示 用 户 可 读 的 信 息 特 殊 类 描 述 符 一 个 指 定 设 备 的 类 可 能 要 求 附 加 的 描 述 符, 由 特 殊 设 备 类 规 范 定 义 每 个 描 述 符 包 括 一 个 类 型 字 段, 指 示 描 述 符 是 上 述 所 讲 的 哪 一 种 表 9-5 列 出 了 指 示 这 些 描 述 符 的 类 型 码 在 访 问 和 解 析 描 述 符 时 要 使 用 描 述 符 类 型 值 表 19-5 描 述 符 类 型 值 描 述 符 类 型 值 设 备 1 配 置 2 字 符 串 3 接 口 4 端 点 5 设 备 资 格 6 其 他 速 度 配 置 7 接 口 电 流 8 软 件 如 何 访 问 描 述 符 配 置 软 件 在 访 问 描 述 符 时 发 送 取 描 述 符 (GetDescriptor) 命 令 表 9-16 是 取 描 述 符 的 8 字 节 的 准 备 事 务 的 格 式 请 求 字 段 定 义 取 描 述 符, 值 字 段 定 义 哪 种 描 述 符 要 返 回 到 配 置 软 件 这 个 例 子 中, 请 求 在 值 字 段 中 规 定 的 是 设 备 描 述 符 这 里 合 法 的 描 述 符 类 型 只 有 :01h ( 设 备 ) 02h( 配 置 ) 03h( 字 符 串 ) 当 配 置 软 件 希 望 访 问 接 口 或 者 端 点 描 述 符 时, 它 就 必 须 访 问 设 备 描 述 符, 可 以 返 回 所 有 的 描 述 完 成 配 置 的 描 述 符 ( 包 括 接 口 描 述 符 和 端 点 描 述 符 ) 参 见 设 置 / 取 描 述 符 以 详 细 了 解 其 他 取 描 述 符 命 令 的 格 式 表 19-6 设 备 请 求 取 设 备 描 述 符 请 求 类 型 请 求 值 索 引 长 度 数 据 B 取 描 述 符 06h 描 述 符 类 型 01h 0 描 述 符 长 度 描 述 符 设 备 描 述 符 表 19-7 是 设 备 描 述 符 的 格 式 和 定 义 下 面 我 们 讨 论 主 机 如 何 在 配 置 过 程 中 评 估 配 置 描 述 符 表 19-7 中 的 一 些 字 段 就 不 再 详 述, 因 为 这 些 字 段 的 定 义 很 明 显, 过 多 的 赘 述 也 不 会 有 什 么 帮 助 ( 作 者 这 样 认 为 ) 212

234 USB 设 备 配 置 表 19-7 设 备 描 述 符 的 格 式 和 定 义 偏 移 字 段 大 小 ( 字 节 ) 值 描 述 0 长 度 1 数 字 描 述 符 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 01 设 备 描 述 符 类 型 =01h 2 USB 2 BCD 兼 容 设 备 及 其 描 述 符 二 - 十 进 制 编 码 的 USB 规 范 版 本 号 ( 例 如 2.00 是 0x200) 4 设 备 类 1 类 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 如 果 这 个 域 复 位 到 0, 这 个 配 置 的 每 个 接 口 规 定 自 己 的 类 信 息, 各 个 接 口 独 立 操 作 如 果 值 处 在 01h 和 FEh 之 间, 表 明 这 个 类 信 息 适 用 于 所 有 的 接 口 这 意 味 着 设 备 根 据 接 口 的 不 同 支 持 不 同 的 类 信 息, 接 口 可 能 不 能 独 立 操 作 ( 例 如 : 一 个 CD-ROM 设 备 带 有 音 频 和 数 字 数 据 接 口, 这 要 求 传 输 协 议 可 以 弹 出 CD 或 者 开 始 运 转 ) 如 果 字 段 值 是 FFh, 则 设 备 类 型 由 厂 商 指 定 5 设 备 子 类 1 子 类 如 果 字 段 值 不 为 FFh, 则 为 子 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 设 备 类 字 段 值 的 限 制 如 果 设 备 类 字 段 的 值 是 0, 那 么 这 个 字 段 的 值 也 是 0 6 设 备 协 议 1 协 议 协 议 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 设 备 类 字 段 值 和 设 备 子 类 字 段 值 的 限 制 如 果 设 备 支 持 基 于 设 备 的 类 特 定 协 议, 而 不 基 于 接 口, 则 该 字 段 指 出 了 设 备 类 规 范 所 定 义 的 协 议 如 果 该 字 段 复 位 至 零, 则 设 备 不 使 用 基 于 设 备 的 类 特 定 协 议 然 而, 它 可 以 使 用 基 于 接 口 的 类 特 定 协 议 如 果 该 字 段 设 为 FF, 则 设 备 使 用 厂 商 特 定 协 议 7 最 大 包 值 0 1 数 字 终 点 0 的 最 大 包 值 ( 仅 有 效 ) 8 厂 商 2 标 识 符 厂 商 标 识 符 ( 由 USB 分 配 ) 10 产 品 2 标 识 符 产 品 标 识 符 ( 由 制 造 商 分 配 ) 12 设 备 2 BCD 设 备 的 二 - 十 进 制 版 本 号 14 制 造 商 1 索 引 描 述 厂 商 的 字 符 描 述 符 索 引 15 产 品 1 索 引 产 品 的 字 符 描 述 符 索 引 16 序 列 号 1 索 引 设 备 序 列 号 的 字 符 描 述 符 索 引 17 配 置 号 1 数 字 可 能 的 配 置 数 目 类 编 码 字 段 这 个 类 编 码 可 以 在 也 可 以 不 在 设 备 描 述 符 定 义, 因 为 有 的 设 备 可 能 有 要 求 不 同 类 驱 动 的 213

235 第 19 章 多 个 接 口 如 果 设 备 可 以 被 一 个 单 独 的 驱 动 程 序 访 问, 那 么 类 编 码 会 在 设 备 描 述 符 中 规 定 如 果 设 备 要 求 多 于 一 种 类 驱 动 来 控 制 和 访 问 设 备, 类 编 码 在 接 口 描 述 符 中 定 义 有 许 多 这 两 种 类 型 设 备 的 例 子, 下 面 列 出 一 些 : 由 一 种 类 定 义 所 定 义 的 设 备 性 能 由 一 种 可 编 程 接 口 指 定, 例 子 有 : 集 线 器 设 备 麦 克 风 扬 声 器 鼠 标 键 盘 由 多 个 可 编 程 接 口 多 个 类 定 义 所 定 义 的 设 备 可 以 包 括 : 数 字 USB 电 话 这 个 设 备 可 以 由 两 个 不 同 的 类 定 义 : 音 频 ( 发 和 收 ) 和 人 机 交 互 接 口 ( 拨 号 盘 ) CD-ROM 设 备 可 以 由 有 自 己 设 备 类 定 义 的 多 个 可 编 程 接 口 定 性 包 括 : 音 频 视 频 和 大 容 量 存 储 器 根 据 当 前 CD-ROM 使 用 的 软 件, 会 使 用 不 同 的 USB 设 备 驱 动 混 合 设 备 混 合 设 备 是 指 一 个 接 口 有 两 个 完 全 不 同 功 能 的 设 备 例 如, 一 个 键 盘 可 以 集 成 一 个 扫 描 仪 和 / 或 一 个 USB 头 戴 耳 机 的 插 孔 这 些 设 备 中 的 每 一 个 都 有 自 己 的 定 义 在 设 备 类 型 中 的 接 口 描 述 符 复 合 设 备 规 范 中 对 复 合 设 备 的 定 义 是, 一 个 有 着 集 成 其 他 的 功 能 设 备 的 集 线 器 类 设 备 例 如, 一 个 打 印 机 可 以 包 含 一 个 集 线 器 如 果 设 备 描 述 符 没 有 定 义 类 型 ( 类 编 码 字 段 =00h), 然 后, 接 口 描 述 符 会 为 每 个 接 口 定 义 类 型 注 意, 如 果 类 字 段 的 值 为 零, 子 类 字 段 的 值 也 必 须 为 零 一 个 包 含 FFh 的 类 编 码 字 段 意 味 着 描 述 符 的 定 义 是 厂 商 规 定 的, 只 有 厂 商 指 定 的 USB 设 备 驱 动 能 够 正 确 解 析 描 述 符 和 访 问 设 备 最 大 包 值 配 置 软 件 使 用 这 个 字 段 决 定 端 点 0 支 持 的 最 大 数 据 包 值 当 设 备 最 初 被 访 问, 它 使 用 最 小 的 8 字 节 包 访 问 如 果 这 个 字 段 定 义 的 包 值 是 一 个 较 大 的 值, 设 备 就 会 有 一 个 较 大 的 数 据 缓 冲 区 支 持 定 义 的 包 这 样 访 问 端 点 0 的 序 列 能 被 更 有 效 的 执 行 制 造 商 产 品 序 列 号 可 视 的 字 符 描 述 符 能 够 提 供 关 于 设 备 制 造 商 产 品 序 列 号 的 用 户 可 读 信 息 在 设 备 描 述 符 的 偏 移 中 的 字 段 指 明 了 这 些 信 息 字 符 的 位 置, 从 制 造 商 开 始, 还 描 述 了 产 品 和 设 备 的 序 列 号 描 述 中 这 个 值 定 义 为 索 引 软 件 使 用 这 个 索 引 通 过 取 描 述 符 命 令 访 问 相 应 的 字 符 串 为 了 访 问 字 符 串 描 述 符, 当 执 行 取 描 述 符 指 令 时, 软 件 必 须 指 定 描 述 符 类 型 (01h) 和 索 引 号 ( 在 描 述 符 里 规 定 ) 附 录 中 的 表 A-4 是 取 描 述 符 指 令 的 格 式 和 定 义 注 意, 值 字 段 指 定 描 述 符 的 类 型 和 索 引, 而 索 引 字 段 包 括 语 言 标 识 符 配 置 数 目 一 个 设 备 可 能 定 义 额 外 的 配 置 来 增 加 配 置 的 灵 活 性, 增 大 设 备 能 够 被 成 功 配 置 的 可 能 性 作 为 一 个 例 子, 一 个 设 备 通 常 只 消 耗 2 个 单 位 的 电 流 (200 毫 安 ), 然 而, 当 设 备 连 接 到 214

236 USB 设 备 配 置 总 线 驱 动 的 USB 端 口, 只 有 100 毫 安 的 总 线 电 流 可 利 用 这 时, 设 备 不 能 被 支 持, 主 机 软 件 不 能 启 用 设 备 为 了 避 免 这 个 问 题, 设 备 的 设 计 者 可 能 提 供 一 个 可 替 换 的 配 置, 将 设 备 要 求 的 总 线 电 流 减 少 到 100 毫 安 配 置 数 目 字 段 指 出 设 备 支 持 的 配 置 数 目 主 机 软 件 读 取 这 些 配 置, 决 定 选 择 哪 个 规 范 指 出 可 以 考 虑 用 设 备 驱 动 程 序 来 决 定 配 置 的 选 择, 可 是 设 备 驱 动 程 序 的 输 入 机 制 没 有 定 义 设 备 权 限 描 述 符 高 速 性 能 的 设 备 根 据 它 在 全 速 还 是 高 速 环 境 中 可 能 有 不 同 的 设 备 信 息 这 样, 设 备 必 须 有 自 己 的 权 限 描 述 符 任 何 兼 容 在 2.0 中 的 设 备 都 要 对 于 取 设 备 权 限 描 述 符 命 令 有 正 确 的 响 应 这 意 味 着, 即 使 设 备 不 支 持 取 设 备 权 限 描 述 符 命 令, 它 也 必 须 响 应 一 个 请 求 错 误 信 号 如 果 在 另 一 种 速 度 下 运 行, 设 备 权 限 描 述 符 要 报 告 设 备 的 能 力 设 备 描 述 符 中 包 括 的 一 些 信 息 不 在 设 备 权 限 描 述 符 中 重 复, 因 为 不 牵 扯 到 速 度 的 变 化 例 如, 厂 商 产 品 设 备 制 造 商 序 列 号 等 包 含 在 标 准 设 备 描 述 符 中 的 字 段 不 包 括 在 设 备 权 限 描 述 符 中 表 19-8 是 设 备 权 限 描 述 符 的 内 容 表 19-8 设 备 权 限 描 述 符 偏 移 字 段 大 小 ( 字 节 ) 值 描 述 0 描 述 符 大 小 1 数 字 描 述 符 大 小 1 描 述 符 类 型 1 06 设 备 权 限 类 型 =06h 2 USB 版 本 2 BCD USB 规 范 2.0 版 本 4 设 备 类 型 1 类 类 编 码 5 设 备 子 类 1 子 类 子 类 编 码 6 设 备 协 议 1 协 议 协 议 编 码 7 端 点 0 最 大 包 值 1 数 字 以 另 一 个 速 度 操 作 时 端 点 0 的 最 大 包 值 8 配 置 数 目 1 数 字 其 他 速 度 配 置 数 9 保 留 0 保 留 给 将 来 使 用 ( 置 零 ) 配 置 描 述 符 软 件 读 取 配 置 描 述 符 获 取 关 于 指 定 配 置 选 项 的 全 部 信 息 下 面 我 们 讨 论 配 置 软 件 为 配 置 特 性 而 检 测 的 字 段 参 见 表 19-9 接 口 数 目 如 前 所 述, 一 个 指 定 设 备 可 以 有 要 求 不 同 类 设 备 驱 动 的 两 个 或 者 更 多 的 接 口 一 个 接 口 包 括 一 组 端 点, 通 过 这 些 端 点 指 定 设 备 驱 动 可 以 控 制 设 备 和 与 设 备 通 信 接 口 数 目 字 段 规 定 215

237 第 19 章 了 这 个 配 置 中 接 口 的 数 目 表 19-9 配 置 描 述 符 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 02h 配 置 描 述 符 类 型 =2 2 总 长 2 数 字 这 个 配 置 下 返 回 的 数 据 总 长 度 是 所 有 描 述 符 的 长 度 总 和 ( 配 置 接 口 终 端 点 特 殊 的 类 和 厂 商 特 定 位 ) 4 接 口 数 1 数 字 这 个 配 置 下 支 持 的 接 口 数 目 5 配 置 值 1 数 字 选 择 的 配 置 需 要 的 参 量 6 配 置 1 索 引 描 述 这 个 配 置 的 字 符 串 索 引 7 属 性 1 位 映 射 配 置 特 性 D7 保 留 ( 置 1) D6 自 供 电 D5 远 程 唤 醒 D4 0 保 留 ( 置 0) 一 个 配 置 无 论 是 自 供 电 的 还 是 总 线 供 电 的, 必 须 在 最 大 电 量 字 段 有 一 个 非 零 值 如 果 一 个 设 备 支 持 远 程 唤 醒,D5 位 置 1 8 最 大 电 量 1 X2ma 这 种 配 置 下 要 消 耗 的 总 线 最 大 电 量 ( 电 量 以 2 毫 安 为 增 量 增 长 ) 配 置 值 一 旦 配 置 软 件 选 择 了 一 个 由 设 备 定 义 的 配 置, 该 设 备 就 必 须 被 配 置 每 个 配 置 描 述 符 有 一 个 自 己 的 配 置 值 来 配 置 设 备 在 配 置 值 写 到 设 备 以 前, 设 备 不 能 消 耗 超 过 100 毫 安 的 电 流, 不 能 全 面 操 作 系 统 软 件 配 置 设 备 使 用 设 置 配 置 命 令 这 个 配 置 值 在 发 送 设 置 配 置 命 令 时 在 准 备 事 务 的 值 字 段 给 出 参 见 附 录 中 的 表 A-2 一 旦 配 置 完 成, 设 备 呈 现 所 选 的 配 置 定 义 的 性 能 属 性 和 最 大 电 流 配 置 属 性 定 义 设 备 如 何 加 电, 是 否 支 持 远 程 唤 醒 设 备 配 置 报 告 这 个 配 置 是 总 线 供 电 的 还 是 自 供 电 的 设 备 状 态 报 告 设 备 当 前 是 否 是 自 供 电 的 如 果 设 备 从 外 部 电 源 断 开, 就 会 更 新 设 备 状 态 表 明 这 个 设 备 不 再 是 自 供 电 的 当 设 备 失 去 外 界 电 源 的 时 候, 它 不 会 从 总 线 增 加 超 过 配 置 描 述 符 总 线 电 流 字 段 所 规 定 的 值 的 电 流 如 果 设 备 从 外 部 电 源 断 开 仍 然 能 够 操 作, 它 就 继 续 工 作 如 果 不 能 继 续 工 作, 设 备 不 支 持 的 操 作 就 会 失 败 主 机 软 件 可 以 通 过 检 测 状 态 来 判 断 失 败 的 原 因, 通 知 是 由 于 设 备 电 量 不 足 引 起 的 失 败 这 个 信 息 可 以 通 过 取 状 态 命 令 得 到 ( 参 见 设 备 状 态 ) 216

238 USB 设 备 配 置 其 他 速 率 配 置 描 述 符 如 果 在 其 他 速 率 下 运 行 的 话, 则 由 其 他 速 率 配 置 描 述 符 提 供 关 于 高 速 性 能 设 备 的 信 息 设 备 配 置 符 的 格 式 和 标 准 配 置 描 述 符 一 样, 见 表 表 其 他 速 率 配 置 描 述 符 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 常 量 其 他 速 率 配 置 描 述 符 类 型 2 总 长 2 数 字 返 回 的 数 据 总 长 度 4 接 口 数 目 1 数 字 这 个 配 置 下 支 持 的 接 口 数 目 5 配 置 值 1 数 字 选 择 的 配 置 需 要 的 参 量 6 配 置 字 符 索 引 1 索 引 描 述 这 个 配 置 的 字 符 串 索 引 7 属 性 1 位 映 射 和 配 置 描 述 符 相 同 8 最 大 电 量 1 X2ma 和 配 置 描 述 符 相 同 接 口 描 述 符 接 口 定 义 一 组 终 点, 指 定 类 设 备 根 据 相 关 的 类 设 备 特 性 使 用 这 些 终 点 一 些 设 备 只 有 一 个 接 口, 而 另 一 些 设 备 可 能 有 多 个 接 口 表 是 接 口 描 述 符 的 定 义 和 格 式 下 面 一 部 分 深 入 讨 论 作 者 认 为 应 该 详 细 讲 述 的 接 口 描 述 符 的 各 个 字 段 表 接 口 描 述 符 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 常 量 接 口 描 述 符 类 型 =04h 2 接 口 数 目 1 数 字 接 口 的 数 目 这 个 配 置 下, 同 时 存 在 的 接 口 的 索 引 号, 从 零 开 始 3 替 换 设 置 1 数 字 上 面 字 段 中 定 义 的 接 口 可 以 选 择 的 替 换 设 置 数 目 4 端 点 数 目 1 数 字 这 个 接 口 使 用 的 终 点 数 目 ( 不 包 括 终 点 0) 如 果 这 个 值 是 0, 这 个 接 口 只 有 一 个 可 用 的 终 点 0 5 接 口 类 1 类 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 如 果 这 个 字 段 复 位 到 0, 接 口 不 属 于 任 何 USB 固 定 的 设 备 类 如 果 这 个 字 段 是 0xFF, 接 口 类 由 厂 商 规 定, 其 他 的 值 保 留 由 USB 分 配 6 接 口 子 类 1 子 类 子 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 接 口 类 字 段 值 的 限 制 217

239 第 19 章 如 果 接 口 类 字 段 的 值 是 0, 那 么 这 个 字 段 的 值 也 是 0 如 果 这 个 接 口 类 字 段 没 有 设 置 为 0xFFh, 所 有 的 值 保 留 由 USB 分 配 续 表 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 7 接 口 协 议 1 协 议 协 议 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 接 口 类 字 段 值 和 接 口 子 类 字 段 值 的 限 制 如 果 接 口 支 持 特 殊 类 要 求, 这 个 字 段 指 示 类 规 范 所 定 义 设 备 使 用 的 协 议 如 果 这 个 字 段 复 位 到 0, 接 口 不 属 于 任 何 USB 任 何 设 备 类 协 议 如 果 这 个 字 段 设 置 为 0xFFh, 这 个 接 口 使 用 厂 商 定 义 的 协 议 8 接 口 1 索 引 字 符 描 述 符 索 引 接 口 数 目 和 替 换 设 置 接 口 描 述 符 中 的 接 口 数 目 和 替 换 设 置 字 段 用 来 支 持 USB 规 范 中 所 支 持 的 可 替 换 配 置 特 性 设 备 可 以 在 同 一 个 配 置 上 定 义 可 以 选 择 的 接 口 这 样 在 初 始 化 配 置 完 成 后, 允 许 在 正 常 操 作 基 础 上 对 配 置 进 行 调 整 支 持 替 换 设 置 的 设 备 包 括 一 个 或 者 多 个 额 外 的 接 口 和 终 点 描 述 符, 描 述 同 一 个 接 口 的 不 同 设 置 方 案 举 一 个 例 子, 考 虑 图 19-2 中 的 描 述 符 树 注 意, 三 个 接 口 描 述 符 都 有 值 为 0 的 接 口 数 目 字 段, 每 个 定 义 都 设 置 接 口 为 0 然 而, 每 个 接 口 的 设 置 替 换 字 段 都 不 同 在 配 置 过 程 中, 替 换 设 置 0 被 默 认 其 他 的 设 置 (1 或 者 2) 可 以 在 初 始 配 置 完 成 到 选 择 最 好 (fine tune) 配 置 之 间 供 选 择 主 机 软 件 使 用 替 换 设 置 值 为 接 口 选 择, 要 执 行 设 置 接 口 命 令 ( 参 见 表 A-2) 218

240 USB 设 备 配 置 设 备 描 述 符 配 置 描 述 符 接 口 描 述 符 接 口 描 述 符 接 口 描 述 符 终 点 描 述 符 接 口 号 0 替 换 设 置 0 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 接 口 号 0 替 换 设 置 1 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 接 口 号 0 替 换 设 置 2 终 点 描 述 符 图 19-2 包 含 替 换 端 口 设 置 的 描 述 符 树 当 有 取 配 置 命 令 时, 设 备 返 回 基 本 接 口 ( 设 置 为 0 的 ) 及 其 相 关 终 点, 然 后 返 回 可 替 换 接 口 及 其 相 关 终 点 这 样, 在 配 置 过 程 中 主 机 软 件 可 以 检 测 存 在 的 替 换 设 置, 即 使 它 们 在 配 置 过 程 中 落 选 终 点 数 目 支 持 接 口 所 要 求 的 终 点 数 目 在 接 口 描 述 符 偏 移 4 里 规 定 这 个 值 是 终 点 的 数 目, 不 包 括 终 点 0( 默 认 终 点 ) 这 个 终 点 数 也 不 包 括 和 替 换 设 置 相 关 的 终 点 数 接 口 类 和 子 类 这 些 字 段 包 含 的 是 指 出 设 备 的 类 和 子 类, 这 些 设 备 操 作 相 关 接 口 的 终 点, 要 有 本 地 的 相 关 设 备 驱 动 程 序 支 持 这 些 值 由 单 独 的 设 备 类 规 范 定 义 例 如 : 音 频 设 备 类 是 01h, 子 类 编 码 从 01 到 06h, 定 义 一 些 信 息 如 音 频 信 息 是 否 是 脉 冲 编 码 调 制 信 号, 杜 比 环 绕 立 体 声, MPEG1, 等 等 详 细 内 容 参 照 音 频 设 备 类 规 范 协 议 这 个 字 段 绑 定 到 设 备 类 字 段 和 子 类 字 段 一 些 设 备 类 字 段 定 义 属 于 指 定 接 口 的 协 议 编 码 例 如, 音 频 设 备 类 规 范 定 义 协 议 编 码 指 出 设 备 是 单 声 道, 立 体 声, 还 是 四 声 道 等 等 要 考 虑 设 备 类 规 范 来 决 定 协 议 的 编 码 和 定 义 终 点 描 述 符 终 点 描 述 符 定 义 指 定 设 备 使 用 的 寄 存 器 表 是 终 点 描 述 符 的 定 义 和 格 式 这 些 描 述 符 定 义 了 每 个 寄 存 器 的 性 能 和 指 定 的 信 息 : 表 终 点 描 述 符 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 219

241 第 19 章 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 常 量 接 口 描 述 符 类 型 =05h 2 终 点 地 址 1 终 点 USB 设 备 的 终 点 地 址 由 终 点 描 述 符 描 述, 这 些 地 址 如 下 编 码 : 位 0:3 终 点 号 4:6 保 留, 置 零 7 方 向, 控 制 终 点 忽 略 0=OUT 端 点 1=IN 端 点 3 属 性 1 位 映 射 使 用 指 定 配 置 值 情 况 下, 终 点 的 属 性 字 段 : 位 0:1 传 输 类 型 00 控 制 01 同 步 10 批 量 11 中 断 位 3:2 同 步 类 型 续 表 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 3 属 性 1 位 映 射 00 非 同 步 01 异 步 同 步 10 适 应 性 同 步 11 同 步 位 5:4 功 能 类 型 00 数 据 终 点 01 反 馈 终 点 10 隐 式 反 馈 数 据 终 点 11 保 留 位 7:6 保 留, 置 零 220

242 USB 设 备 配 置 4 最 大 包 值 2 数 字 配 置 选 定 后, 这 个 终 点 可 以 接 收 和 发 送 的 最 大 包 值 对 于 同 步 终 点, 这 个 值 是 每 个 帧 中 数 据 载 荷 要 求 保 留 的 总 线 时 间 这 个 管 道 可 能 使 用 比 保 留 带 宽 更 少 的 带 宽 如 果 需 要, 设 备 会 通 过 正 常 的 非 USB 机 制 来 报 告 实 际 带 宽 位 定 义 位 10:0 最 大 包 值 位 12:11 额 外 事 务 / 帧 00 无 ( 一 个 事 务 / 帧 ) 01 一 个 额 外 事 务 10 两 个 额 外 事 务 11 保 留 位 5:4 保 留, 置 零 6 b 时 隙 1 数 字 数 据 传 输 时 轮 询 终 点 的 时 隙 间 隔 以 1 毫 秒 或 者 125 微 秒 为 单 位 (1.x 设 备 和 2.x 设 备 通 用, 下 面 定 义 的 除 外 ) 全 速 / 高 速 等 时 终 点 定 义 两 个 轮 询 时 间 有 如 下 公 式 : 2 b 时 隙 -1,b 时 隙 取 值 从 1~16, 提 供 一 个 从 1 到 的 轮 询 时 隙 范 围 低 速 中 断 端 点 轮 询 时 间 为 从 1 到 255 毫 秒 的 任 意 时 间 高 速 中 断 端 点, 使 用 公 式 2 b 时 隙 -1,b 时 隙 取 值 从 1~16 高 速 批 量 和 控 制 传 输 OUT 终 点 定 义 的 b 时 隙 是 最 大 的 终 点 NAK 速 率 b 时 隙 指 定 微 帧 /NAK 的 数 目 (0~255) 0 值 意 味 着 端 点 从 来 不 发 送 NAK 握 手 信 号 终 点 要 求 的 传 输 类 型 传 输 方 向 (IN 或 者 OUT) 带 宽 要 求 轮 询 周 期 对 周 期 型 的 端 点 而 言, 配 置 软 件 必 须 决 定 是 否 USB 能 在 端 点 带 宽 满 足 的 基 础 上 支 持 这 个 端 点 ( 在 最 大 包 值 字 段 指 定 ) 如 果 端 点 要 求 的 带 宽 超 过 了 USB 的 能 力, 这 个 设 备 就 不 会 被 配 置, 并 且 通 知 用 户 注 意, 有 时 会 使 用 两 个 或 者 更 多 的 描 述 符 描 述 符 一 个 寄 存 器 例 如, 如 果 一 个 输 入 / 输 出 寄 存 器 在 设 备 中 使 用, 端 点 描 述 符 必 须 创 建 两 个 方 向 的 传 输 数 据, 除 非 这 个 端 点 是 控 制 端 点 控 制 传 输 是 惟 一 支 持 双 向 数 据 流 的 USB 传 输, 其 他 的 传 输 都 是 单 向 的 例 如, 如 果 一 个 输 入 / 输 出 集 线 器 用 来 传 输 信 息 到 一 个 大 容 量 存 储 器, 或 者 是 从 里 面 取 信 息, 寄 存 器 必 须 有 两 个 相 应 的 端 点 : 一 个 向 寄 存 器 传 送 数 据, 另 一 个 从 寄 存 器 取 数 据 根 据 221

243 第 19 章 这 两 个 端 点 描 述 符, 配 置 软 件 建 立 一 个 IN 批 量 通 信 管 道 和 一 个 独 立 的 OUT 批 量 通 信 管 道, 给 这 个 大 容 量 存 储 器 设 备 类 驱 动 程 序 使 用 属 性 字 段 和 时 隙 字 段 的 值 分 别 在 低 速 / 全 速 和 高 速 传 输 类 型 这 一 章 讨 论 过 了 参 见 的 6 章 低 速 / 全 速 传 输 类 型 和 调 度 和 第 12 章 高 速 传 输 类 型 和 调 度 设 备 状 态 表 是 配 置 过 程 中 的 设 备 状 态 第 一 行 的 设 备 状 态 从 左 到 右 是 一 般 状 态 变 化 序 列 但 要 注 意, 设 备 可 以 在 任 何 状 态 下 进 入 挂 起 状 态 连 接 状 态 表 19-3 的 第 一 列 指 示 设 备 没 有 连 接 到 USB 这 种 情 况 下, 设 备 状 态 不 可 知 设 备 可 以 自 供 电, 也 可 以 从 总 线 请 求 供 电 表 19-3 设 备 状 态 连 接 电 量 默 认 地 址 配 置 挂 起 状 态 NO 设 备 没 有 连 接 到 USB 其 他 属 性 不 重 要 Yes NO 设 备 连 接 到 被 USB, 但 是 没 有 加 电 其 他 属 性 不 重 要 Yes Yes NO 设 备 连 接 到 USB 并 且 已 加 电, 但 是 还 没 有 复 位 Yes Yes Yes NO - - 设 备 连 接 到 USB, 已 加 电, 设 备 复 位, 但 是 没 有 被 分 配 自 己 的 地 址 设 备 响 应 默 认 地 址 续 表 连 接 电 量 默 认 地 址 配 置 挂 起 状 态 Yes Yes Yes Yes NO - 设 备 连 接 到 USB, 已 加 电, 设 备 复 位, 被 分 配 自 己 的 地 址 设 备 没 有 配 置 Yes Yes Yes Yes Yes NO 设 备 连 接 到 USB, 已 加 电, 设 备 复 位, 被 分 配 自 己 的 地 址 设 备 已 配 置, 但 是 没 有 进 入 挂 起 状 态, 主 机 可 以 使 用 设 备 提 供 的 功 能 Yes Yes Yes Yes Yes Yes 设 备 连 接 到 USB, 设 备 复 222

244 USB 设 备 配 置 位, 电 流 为 挂 起 状 态 的 最 小 电 流 设 备 可 以 有 自 己 的 地 址, 也 可 以 配 置 了 然 而 由 于 设 备 进 入 了 挂 起 状 态, 主 机 不 可 以 使 用 设 备 功 能 加 电 状 态 一 旦 设 备 连 接 到 USB, 集 线 器 可 能 有 电, 也 可 能 没 有 电 因 为, 有 的 集 线 器 有 电 源 开 关, 有 的 没 有 当 设 备 连 接, 如 果 端 口 没 电, 主 机 软 件 必 须 给 端 口 加 电, 检 测 设 备, 启 用 端 口 这 种 情 况 下 设 备 加 电, 但 消 耗 的 电 流 不 能 超 过 100 毫 安 默 认 状 态 在 接 收 到 复 位 信 号 后 (D+ 和 D- 线 都 被 集 线 器 驱 动 超 过 10 毫 秒 ), 设 备 进 入 默 认 状 态 设 备 现 在 响 应 默 认 的 地 址 0 配 置 软 件 通 过 默 认 控 制 管 道 ( 总 是 在 端 点 0) 访 问 默 认 的 地 址 0 设 备 也 接 收 控 制 写 入, 允 许 配 置 软 件 分 配 地 址 地 址 状 态 一 个 设 备 在 收 到 配 置 软 件 的 设 置 地 址 (Set Address) 命 令 后, 进 入 地 址 状 态 现 在 它 就 只 响 应 新 的 地 址, 不 再 响 应 地 址 0 配 置 状 态 一 旦 配 置 软 件 判 断 有 效 电 流 和 总 线 带 宽 足 够 支 持 设 备, 设 备 就 可 以 被 配 置 选 定 的 要 写 入 设 备 的 配 置 描 述 符 规 定 了 配 置 值, 通 过 设 置 配 置 命 令 完 成 配 置 设 备 现 在 可 以 使 用 它 所 要 求 的 最 大 电 流, 并 且 准 备 好 了 被 USB 设 备 驱 动 程 序 访 问 挂 起 状 态 当 总 线 保 持 空 闲 状 态 超 过 3 毫 秒, 一 个 设 备 就 进 入 挂 起 状 态 在 挂 起 状 态 设 备 消 耗 的 电 流 不 得 超 过 500 微 安, 参 考 第 九 章 设 备 挂 起 部 分 客 户 端 软 件 配 置 设 备 配 置 的 一 个 重 要 方 面 是 判 断 一 个 设 备 属 于 哪 个 类 一 个 设 备 类 信 息 提 供 主 机 和 客 户 端 软 件 使 用 的 信 息, 判 断 设 备 如 何 被 控 制 和 访 问 主 机 软 件 使 用 设 备 类 定 义 标 识 相 应 的 USB 设 备 类 驱 动 类 驱 动 知 道 和 特 定 类 描 述 符 相 关 的 信 息, 能 够 进 一 步 评 估 设 备 判 断 设 备 的 特 性 设 备 类 由 独 立 的 规 范 定 义 本 书 写 作 过 程 中, 下 面 的 规 范 已 经 被 设 计 出 来, 其 他 的 则 正 在 进 行 定 义 HID 设 备 类 人 机 交 互 设 备 223

245 第 19 章 通 信 设 备 类 监 视 设 备 类 大 容 量 存 储 设 备 类 音 频 设 备 类 第 21 章 提 供 每 种 类 设 备 的 概 况 224

246 第 20 章 20 集 线 器 配 置 过 程 上 一 章 上 一 章 我 们 讨 论 连 接 到 任 何 USB 端 口 的 USB 设 备 的 配 置 任 何 速 度 的 设 备 配 置 过 程 实 际 是 一 样 的 和 配 置 相 关 的 设 备 描 述 符 及 其 他 的 性 能 和 特 点 也 在 上 一 章 进 行 了 介 绍 本 章 集 线 器 的 配 置 和 任 何 其 他 连 接 到 USB 端 口 的 设 备 一 样 集 线 器 配 置 的 不 同 在 于, 它 要 报 告 在 它 的 下 层 端 口 是 否 有 设 备 连 接 本 章 我 们 复 习 集 线 器 的 配 置 过 程, 重 点 讲 解 扩 展 通 过 集 线 器 下 层 端 口 的 总 线 下 一 章 下 一 章 我 们 介 绍 设 备 类 的 概 念, 并 讨 论 它 们 在 USB 中 的 角 色 这 一 章 也 介 绍 已 经 批 准 的 设 备 类 ( 本 书 写 作 过 程 中 ), 对 音 频 设 备 大 容 量 存 储 器 监 视 器 和 通 信 设 备 类 进 行 了 概 要 讲 解 介 绍 这 些 类 是 为 了 给 读 者 提 供 每 个 类 的 简 要 信 息 和 它 们 使 用 的 USB 机 制 细 致 的 讨 论 要 求 在 这 些 领 域 有 较 深 的 基 础 知 识, 例 如 电 话 音 频 等 本 书 以 外 的 领 域 配 置 集 线 器 集 线 器 必 须 像 其 他 设 备 一 样 配 置, 这 还 涉 及 对 可 能 连 到 端 口 的 其 他 设 备 进 行 鉴 别 配 置 软 件 采 取 的 动 作 如 下 : 读 取 标 准 设 备 描 述 符 获 取 配 置 设 备 需 要 的 信 息 给 集 线 器 分 配 惟 一 的 地 址 给 端 口 加 电 检 测 集 线 器 状 态 变 化 端 点, 来 检 测 端 口 事 件 读 取 状 态 信 息 判 断 事 件 特 性 启 用 端 口, 提 供 到 连 接 设 备 的 访 问 如 前 面 所 述, 集 线 器 除 默 认 端 口 外, 还 必 须 实 现 状 态 改 变 端 口 图 20-1 是 要 求 的 集 线 器 终 点 默 认 的 控 制 端 点 提 供 对 定 义 设 备 配 置 类 型 的 描 述 符 的 访 问 一 个 集 线 器 也 可 以 使 用 复 合 设 备, 因 此, 描 述 符 也 要 描 述 除 了 集 线 器 最 低 要 求 外 的 其 他 附 加 功 能 224

247 集 线 器 配 置 过 程 上 行 连 接 端 口 1 终 点 0 状 态 变 化 端 点 端 口 2 端 口 3 端 口 4 下 行 连 接 图 20-1 要 求 的 集 线 器 终 点 默 认 管 道 所 有 的 设 备, 包 括 集 线 器 在 终 点 0 都 有 一 个 默 认 的 控 制 管 道 主 机 软 件 拥 有 这 个 默 认 管 道, 管 道 用 来 配 置 集 线 器 和 USB 设 备 这 个 通 信 管 道 在 初 始 化 过 程 中 建 立, 这 样 集 线 器 设 备 能 够 基 于 默 认 值 被 访 问 配 置 过 程 要 求 进 行 几 个 通 过 管 道 的 默 认 访 问 来 完 成 配 置 和 控 制 集 线 器 功 能, 包 括 : 读 设 备 描 述 符 给 集 线 器 端 口 加 电 复 位 端 口 读 端 口 状 态 启 用 端 口 状 态 变 化 管 道 集 线 器 必 须 实 现 状 态 变 化 终 点, 这 样 可 以 轮 询 端 口 检 测 发 生 在 集 线 器 端 口 的 状 态 变 化 ( 例 如, 设 备 的 连 接 和 断 开 ) 注 意, 状 态 终 点 提 供 所 有 集 线 器 端 口 的 状 态 信 息 配 置 软 件 通 过 读 终 点 描 述 符 来 判 断 状 态 变 化 寄 存 器 的 特 性 和 终 点 号 读 集 线 器 描 述 符 集 线 器 有 一 个 特 定 的 类 描 述 符, 叫 做 集 线 器 描 述 符 这 个 描 述 符 包 括 集 线 器 的 应 用 信 息 集 线 器 类 描 述 符 通 过 类 指 定 的 取 描 述 符 命 令 进 行 读 取 集 线 器 像 其 他 设 备 一 样, 也 包 含 必 须 被 读 取 的 标 准 描 述 符, 来 判 断 如 何 配 置 设 备 标 准 描 述 符 通 过 标 准 命 令 取 描 述 符 来 读 取 集 线 器 包 括 下 面 一 些 标 准 描 述 符, 参 见 图 20-2 每 个 USB 设 备 包 括 一 个 独 立 的 设 备 描 述 符 描 述 设 备 支 持 的 配 置 数 目 每 个 设 备 包 括 一 个 或 者 多 个 配 置 描 述 符 描 述 一 个 或 者 多 个 接 口 每 个 接 口 描 述 符 定 义 和 这 个 接 口 相 关 的 终 点 数 目 终 点 描 述 符 给 定 和 指 定 终 点 相 关 的 属 性, 也 有 主 机 软 件 需 要 的 信 息, 这 些 信 息 决 定 225

248 第 20 章 终 点 如 何 被 访 问 字 符 描 述 符 是 可 视 的, 而 且 包 括 一 个 UNICODE 字 符 串, 是 可 显 示 的 用 户 可 读 信 息 设 备 描 述 符 厂 商 字 符 串 描 述 符 产 品 字 符 串 描 述 符 序 列 号 字 符 串 描 述 符 配 置 描 述 符 配 置 字 符 串 描 述 符 接 口 描 述 符 接 口 字 符 串 描 述 符 终 点 描 述 符 图 20-2 标 准 集 线 器 描 述 符 1.x 集 线 器 描 述 符 这 部 分 我 们 讲 述 兼 容 在 1.x 系 统 中 的 集 线 器 描 述 符 大 部 分 描 述 符 的 值 也 可 以 应 用 在 2.0 兼 容 的 集 线 器 中 高 速 性 能 集 线 器 描 述 符 部 分 讨 论 了 1.x 和 2.0 描 述 符 的 区 别 集 线 器 标 准 设 备 描 述 符 集 线 器 和 其 他 设 备 一 样 使 用 标 准 设 备 描 述 符 但 是, 集 线 器 包 括 一 些 预 定 义 的 描 述 符 字 段, 如 下 所 示 : 设 备 类 字 段 = 集 线 器 类 设 备 子 类 字 段 = 集 线 器 子 类 端 点 0 最 大 包 值 字 段 =8 个 字 节 参 见 表 20-1 配 置 软 件 的 第 一 个 访 问 是 到 设 备 描 述 符 的, 用 来 判 断 默 认 管 道 支 持 的 最 大 字 节 数 ( 设 备 描 述 符 的 偏 移 7) 这 种 情 况 下, 包 值 被 集 线 器 预 定 义 为 8 个 字 节 软 件 也 可 以 通 过 读 取 设 备 描 述 符 检 测 设 备 类 型 但 是, 如 果 集 线 器 是 一 个 混 合 设 备 类, 那 么 类 字 段 会 为 0, 接 口 描 述 符 会 定 义 设 备 类 ( 一 个 集 线 器 功 能 接 口 和 一 个 嵌 入 式 功 能 接 口 ) 226

249 集 线 器 配 置 过 程 表 20-1 集 线 器 设 备 描 述 符 的 格 式 和 定 义 偏 移 字 段 大 小 ( 字 节 ) 值 描 述 0 长 度 1 数 字 描 述 符 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 01 设 备 描 述 符 类 型 2 USB 2 BCD 兼 容 设 备 及 其 描 述 符 二 - 十 进 制 编 码 的 USB 规 范 版 本 号 ( 例 如 2.00 是 0x200) 4 设 备 类 1 09 集 线 器 类 编 码 =09h 5 设 备 子 类 1 0 子 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 设 备 类 字 段 值 的 限 制 如 果 设 备 类 字 段 的 值 是 0, 那 么 这 个 字 段 的 值 也 是 0 6 设 备 协 议 1 0 协 议 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 设 备 类 字 段 值 和 设 备 子 类 字 段 值 的 限 制 如 果 设 备 支 持 基 于 设 备 的 类 特 定 协 议, 而 不 基 于 接 口, 则 该 字 段 指 出 了 设 备 类 规 范 所 定 义 的 协 议 如 果 这 个 字 段 复 位 到 0, 接 口 不 属 于 任 何 USB 任 何 设 备 类 协 议 如 果 这 个 字 段 设 置 为 0xFFh, 这 个 接 口 使 用 厂 商 定 义 的 协 议 7 最 大 包 值 h 端 点 0 的 最 大 包 值 8 厂 商 2 标 识 符 厂 商 标 识 符 ( 由 USB 分 配 ) 10 产 品 2 标 识 符 产 品 标 识 符 ( 由 制 造 商 分 配 ) 12 设 备 2 BCD 设 备 的 二 - 十 进 制 版 本 号 14 制 造 商 1 索 引 描 述 厂 商 的 字 符 描 述 符 索 引 15 产 品 1 索 引 产 品 的 字 符 描 述 符 索 引 16 序 列 号 1 索 引 设 备 序 列 号 的 字 符 描 述 符 索 引 17 配 置 号 1 数 字 可 能 的 配 置 数 集 线 器 配 置 描 述 符 一 般 集 线 器 有 一 个 独 立 的 配 置 描 述 符 这 个 描 述 符 和 标 准 USB 设 备 的 定 义 方 式 一 样 配 置 软 件 访 问 这 个 描 述 符, 获 取 如 下 信 息 : 这 个 配 置 支 持 的 接 口 数 目 集 线 器 配 置 使 用 的 配 置 值 集 线 器 是 自 供 电 的 还 是 总 线 供 电 的 这 个 集 线 器 配 置 消 耗 的 最 大 总 线 电 流 227

250 第 20 章 表 20-2 定 义 集 线 器 设 备 标 准 配 置 描 述 符 字 段 阅 读 下 文 时 可 参 考 表 20-2 表 20-2 集 线 器 配 置 描 述 符 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 02h 配 置 描 述 符 类 型 =2 2 总 长 2 数 字 这 个 配 置 下 返 回 的 数 据 总 长 度 是 所 有 描 述 符 的 长 度 总 和 ( 配 置 接 口 终 点 特 殊 的 类 和 厂 商 特 定 位 ) 4 接 口 数 目 1 数 字 这 个 配 置 下 支 持 的 接 口 数 目 5 配 置 值 1 数 字 选 择 的 配 置 需 要 的 参 量 6 配 置 1 索 引 描 述 这 个 配 置 的 字 符 串 索 引 7 属 性 1 比 特 映 射 配 置 特 性 D7 总 线 驱 动 D6 自 供 电 D5 远 程 唤 醒 D4 0 保 留 ( 置 0) 一 个 配 置 无 论 是 自 供 电 的 还 是 总 线 供 电 的 都 可 以 使 用 取 设 备 状 态 命 令 8 最 大 电 量 1 X2ma 这 种 配 置 下 要 消 耗 的 总 线 最 大 电 量, 包 括 集 线 器 控 制 器 消 耗 的 电 流, 所 有 嵌 入 式 设 备 消 耗 的 电 流 和 所 有 端 口 消 耗 的 电 流 ( 电 量 以 2 毫 安 为 增 量 增 长 ) 接 口 数 目 在 偏 移 4 内 定 义 的 接 口 数 目 取 决 于 集 线 器 是 否 为 一 个 复 合 设 备 如 果 集 线 器 是 单 功 能 设 备, 集 线 器 就 只 包 括 一 个 接 口, 然 而 一 个 包 括 集 线 器 的 复 合 设 备 就 包 括 一 个 或 者 多 个 嵌 入 式 设 备, 每 个 设 备 又 都 要 求 一 个 或 者 多 个 接 口 配 置 值 偏 移 5 的 配 置 值 被 USB 计 数 器 使 用 来 给 USB 集 线 器 分 配 选 定 的 配 置 配 置 值 使 用 设 定 配 置 (Set Configuration) 命 令 来 分 配 这 也 就 使 访 问 集 线 器 状 态 变 化 端 口 可 行, 通 过 这 个 访 问 集 线 器 计 数 器 读 取 信 息, 判 断 连 接 到 集 线 器 端 口 上 的 设 备 数 目 如 果 集 线 器 没 有 电 源 开 关, 设 定 配 置 还 要 求 给 集 线 器 端 口 加 电 如 果 有 电 源 开 关, 就 必 须 执 行 额 外 的 访 问 来 给 端 口 加 电 注 意, 在 端 口 加 电 前, 状 态 变 化 端 口 不 能 报 告 设 备 连 接 了 总 线 供 电 和 自 供 电 集 线 器 配 置 描 述 符 的 偏 移 7 定 义 设 备 的 属 性 这 些 属 性 规 定 集 线 器 是 总 线 供 电 的 自 供 电 的 还 是 混 合 供 电 的 如 果 两 个 位 字 段 都 被 设 置 了, 那 么 集 线 器 就 是 混 合 供 电 设 备 如 果 集 线 器 是 总 线 供 电 的, 配 置 软 件 使 用 最 大 总 线 电 量 字 段 来 判 断 每 个 端 口 可 利 用 的 最 大 电 量 参 见 第 4 章 关 于 总 线 供 电 和 自 供 电 集 线 器 的 部 分 228

251 集 线 器 配 置 过 程 消 耗 的 最 大 总 线 电 流 这 个 字 段 只 有 在 集 线 器 是 总 线 供 电 或 者 混 合 供 电 情 况 下 有 效 它 规 定 集 线 器 从 总 线 获 取 的 最 大 电 流 配 置 软 件 使 用 这 个 值 来 降 低 可 以 在 每 个 端 口 获 得 的 最 大 电 流 这 个 值 包 括 上 拉 和 下 拉 电 阻 消 耗 的 电 流, 集 线 器 控 制 器 消 耗 的 电 流, 所 有 嵌 入 式 设 备 消 耗 的 电 流 和 所 有 端 口 消 耗 的 电 流 集 线 器 接 口 描 述 符 每 个 功 能 设 备 都 有 接 口 描 述 符 第 一 个 接 口 描 述 符 定 义 这 个 设 备 的 功 能, 下 面 的 接 口 包 括 嵌 入 式 设 备 ( 即 复 合 集 线 器 ) 规 范 在 集 线 器 接 口 描 述 符 的 两 个 字 段 有 预 定 义 的 值 : 终 点 数 目 ( 表 20-3 偏 移 4) 集 线 器 设 备 必 须 包 括 至 少 一 个 终 点 描 述 符 来 定 义 状 态 变 化 终 点, 这 样 终 点 数 目 被 预 定 义 为 01h 但 是, 集 线 器 类 设 备 可 能 定 义 额 外 的 终 点 注 意, 规 范 预 定 义 默 认 终 点, 不 要 求 使 用 描 述 符 计 数 器 知 道 每 个 设 备 使 用 默 认 控 制 终 点 来 允 许 访 问 设 备, 因 此, 不 需 要 默 认 终 点 描 述 符 注 意, 当 读 取 这 个 描 述 符 时, 如 果 设 备 是 复 合 设 备,USB 计 数 器 不 知 道 被 描 述 符 的 接 口 是 一 个 集 线 器 功 能 接 口 ( 表 20-3 偏 移 8) 这 个 接 口 值 是 01h, 指 示 描 述 这 个 接 口 的 字 符 描 述 符 的 偏 移 表 20-3 集 线 器 接 口 描 述 符 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 04 接 口 描 述 符 类 型 =04h 2 接 口 数 目 1 数 字 接 口 的 数 目 这 个 配 置 下, 同 时 存 在 的 接 口 的 索 引 号, 从 零 开 始 3 替 换 设 置 1 数 字 上 面 字 段 中 定 义 的 接 口 可 以 选 择 的 替 换 设 置 数 目 4 终 点 数 目 1 数 字 这 个 接 口 使 用 的 终 点 数 目 ( 不 包 括 终 点 0) 集 线 器 必 须 实 现 一 个 状 态 变 化 终 点 ( 此 外 还 可 以 包 括 其 他 终 点 ) 5 接 口 类 1 类 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 如 果 这 个 字 段 复 位 到 0, 接 口 不 属 于 任 何 USB 固 定 的 设 备 类 6 接 口 子 类 1 子 类 子 类 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 这 些 值 受 到 接 口 类 字 段 值 的 限 制 7 接 口 协 议 1 协 议 协 议 编 码 ( 由 USB 分 配 ) 如 果 这 个 字 段 复 位 到 0, 接 口 不 属 于 任 何 USB 任 何 设 备 类 协 议 如 果 这 个 域 设 置 为 0xFFh, 这 个 接 口 使 用 厂 商 定 义 的 协 议 8 接 口 1 01h 字 符 描 述 符 索 引 229

252 第 20 章 状 态 终 点 描 述 符 集 线 器 设 备 只 定 义 状 态 变 化 终 点 表 20-4 是 端 点 描 述 符 的 格 式 计 数 器 软 件 从 终 点 描 述 符 获 取 如 下 信 息 : 表 20-4 状 态 变 化 终 点 描 述 符 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 长 度 1 数 字 这 个 描 述 符 的 字 节 数 1 描 述 符 类 型 1 常 量 端 点 描 述 符 类 型 2 终 点 地 址 1 终 点 USB 设 备 的 端 点 地 址 由 端 点 描 述 符 描 述, 这 些 地 址 如 下 编 码 : 位 0:3 端 点 号 4:6 保 留, 置 零 7 必 须 为 1=IN 端 点 3 属 性 1 位 映 射 使 用 指 定 配 置 值 情 况 下, 端 点 的 属 性 字 段 : 位 0:1 传 输 类 型 11 中 断 其 他 位 保 留 4 最 大 包 值 2 数 字 配 置 选 定 后, 这 个 终 点 可 以 接 收 和 发 送 的 最 大 包 值 对 于 中 断 终 点 可 以 发 送 小 一 些 的 数 据 包, 但 是 必 须 能 够 完 成 传 输, 传 输 可 以 要 求 也 可 以 不 要 求 重 新 开 始 6 时 隙 1 FF 数 据 传 输 时 轮 询 终 点 的 时 隙 间 隔 以 1 毫 秒 为 单 位 中 断 终 点 轮 询 时 间 是 从 1 到 255 毫 秒 的 任 意 时 间 状 态 变 化 终 点 地 址 传 输 方 向 终 点 支 持 的 传 输 类 型 支 持 的 最 大 数 据 包 值 端 点 的 轮 询 时 隙 注 意, 规 范 要 求 状 态 变 化 终 点 是 发 送 标 准 取 描 述 符 命 令 时, 从 集 线 器 读 取 的 第 一 个 终 点 描 述 符 状 态 变 化 终 点 地 址 / 传 输 方 向 在 终 点 描 述 符 的 偏 移 2 字 段 中 给 定 了 状 态 变 化 端 点 号 这 个 字 段 指 定 端 点 号 ( 位 0:3), 端 点 号 是 在 设 计 时 决 定 的, 写 到 设 备 地 址 解 码 器 中, 不 会 独 立 使 用 这 个 字 段 的 位 7 规 定 这 个 端 点 的 数 据 传 输 方 向 这 个 位 必 须 设 置 成 从 状 态 变 化 终 点 到 主 机 的 传 输 ( 即 IN 事 务 ) 230

253 集 线 器 配 置 过 程 传 输 类 型 终 点 需 要 的 传 输 类 型 在 属 性 字 段 定 义 ( 偏 移 3) 对 状 态 变 化 终 点 的 访 问 基 于 中 断 类 型, 由 规 范 预 定 义 主 机 软 件 以 指 定 的 时 间 间 隔 轮 询 状 态 变 化 端 点, 看 看 是 否 发 生 了 状 态 变 化 检 测 集 线 器 状 态 变 化 讲 解 了 中 断 传 输 从 状 态 变 化 终 点 读 取 的 信 息 最 大 数 据 包 值 最 大 数 据 包 值 字 段 ( 偏 移 4) 规 定 在 一 个 独 立 的 事 务 中 终 点 支 持 的 最 大 数 据 有 效 载 荷 一 个 中 断 传 输 可 以 选 择 的 有 效 数 据 载 荷 有 8 字 节 16 字 节 32 字 节 64 字 节 这 个 值 的 选 择 依 赖 于 终 点 数 据 缓 冲 区 的 大 小, 不 能 随 便 自 己 定 义 轮 询 时 间 间 隔 由 于 状 态 变 化 端 点 为 中 断 传 输 定 义, 轮 询 间 隔 字 段 ( 偏 移 6) 定 义 终 点 多 长 时 间 被 轮 询 一 次 规 范 预 定 义 的 间 隔 是 最 大 允 许 值 FFh 因 此, 配 置 软 件 每 255 毫 秒 轮 询 终 点, 检 查 有 无 事 件 发 生 ( 例 如, 设 备 连 上 或 断 开 ) 集 线 器 类 描 述 符 集 线 器 设 备 指 定 的 类 描 述 符 在 表 20-5 中 定 义 这 个 描 述 符 通 过 特 定 类 的 取 描 述 符 指 令 获 取 注 意, 这 个 描 述 符 被 规 范 预 定 义, 索 引 为 0 USB 计 数 器 读 集 线 器 类 描 述 符, 获 取 下 列 信 息 : 已 实 现 的 电 源 开 关 模 式 开 关 模 式 集 线 器 是 否 是 复 合 设 备 的 一 部 分 设 备 连 接 到 全 局 端 口 还 是 独 立 端 口, 有 没 有 过 电 保 护 从 软 件 请 求 加 电 到 端 口 电 流 有 效 的 延 时 集 线 器 控 制 器 要 求 的 总 线 最 大 电 流 ( 对 比 表 20-2 的 偏 移 8) 设 备 连 接 的 端 口 是 否 是 可 分 离 的 端 口 是 组 加 电 模 式 还 是 独 立 加 电 下 面 的 讨 论 参 考 表 20-5 电 源 开 关 模 式 集 线 器 可 以 有 三 种 控 制 电 流 到 端 口 的 方 式 集 线 器 描 述 符 中 的 偏 移 3, 位 1:0 定 义 了 使 用 哪 种 方 式 : 全 局 电 源 开 关 电 源 在 同 一 时 间 切 换 到 所 有 端 口 独 立 端 口 电 源 切 换 电 源 单 独 加 到 每 个 端 口 使 用 设 置 端 口 电 源 来 给 选 定 的 独 立 端 口 加 电 没 有 电 源 开 关 在 集 线 器 配 置 的 时 候 给 所 有 的 端 口 加 电 ( 例 如, 发 送 设 置 配 置 命 令 时 ) 注 意, 如 果 定 义 的 是 全 局 电 源 开 关 模 式, 一 些 端 口 不 受 全 局 电 源 开 关 的 影 响 参 见 端 口 电 源 屏 蔽 复 合 设 备 或 者 仅 仅 是 集 线 器 一 个 集 线 器 是 某 个 复 合 设 备 的 一 部 分, 还 是 一 个 独 立 的 集 线 器, 在 集 线 器 类 描 述 符 的 偏 移 3, 位 2 定 义 231

254 第 20 章 232 过 电 保 护 模 式 集 线 器 可 以 通 过 几 种 模 式 选 择 过 电 保 护, 只 要 它 符 合 指 定 端 口 不 超 过 5 安 培 的 电 流 安 全 规 定 即 可 偏 移 3 位 4:3 规 定 了 集 线 器 使 用 哪 一 种 过 电 保 护 模 式 参 见 表 20-5 表 20-5 集 线 器 类 描 述 符 偏 移 字 段 大 小 描 述 0 长 度 1 这 个 描 述 符 的 字 节 数, 包 括 这 个 字 节 本 身 1 描 述 符 类 型 1 集 线 器 类 描 述 符 类 型 =29h 2 端 口 数 目 1 这 个 集 线 器 支 持 的 下 层 端 口 数 目 3 集 线 器 特 性 2 D0:D1 电 源 切 换 模 式 00 全 局 电 源 切 换 ( 所 有 端 口 一 次 加 电 ) 01 独 立 端 口 电 源 切 换 1X 在 1.0 系 统 中 用 来 指 示 没 有 电 源 切 换 模 式 ( 集 线 器 开 端 口 开 集 线 器 关 端 口 关 ) 2.0 系 统 保 留 D2 指 示 复 合 设 备 0 集 线 器 不 是 复 合 设 备 的 一 部 分 1 集 线 器 是 复 合 设 备 的 一 部 分 D4:D3 过 电 保 护 模 式 00 全 局 过 电 保 护 集 线 器 根 据 所 有 设 备 总 电 流 和 报 告 电 流, 而 不 是 单 独 的 某 个 设 备 的 电 流 01 独 立 端 口 过 电 保 护 集 线 器 基 于 每 个 端 口 报 告 电 流, 每 个 端 口 有 自 己 的 过 电 保 护 指 示 器 1X 没 有 过 电 保 护 这 个 选 项 只 应 用 在 没 有 供 电 保 护 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 上 D15:D5 保 留 5 电 源 开 到 电 流 合 适 1 从 端 口 加 电 到 电 源 合 适 的 时 间 系 统 软 件 使 用 这 个 值 判 断 等 多 长 时 间 才 可 以 访 问 端 口 6 集 线 器 控 制 电 流 1 集 线 器 控 制 器 要 求 的 最 大 电 流, 以 2 毫 安 为 增 量 增 加 7 设 备 断 开 取 决 于 端 口 号 指 示 端 口 有 一 个 可 以 分 离 的 设 备 连 接 如 果 没 有 可 分 离 的 设 备, 端 口 永 远 不 会 收 到 插 入 变 化 指 示 这 个 字 段 以 字 节 粒 度 报 告 在 这 个 字 节 中, 指 定 位 置 如 果 没 有 端 口, 字 段 就 返 回 0 来 代 表 端 口 特 性 位 定 义 0 设 备 不 可 分 离 1 设 备 可 分 离 这 是 响 应 集 线 器 独 立 端 口 的 位 映 射 位 0 保 留 1 端 口 1 2 端 口 2 : 位 n 端 口 n( 取 决 于 具 体 实 现 )

255 集 线 器 配 置 过 程 续 表 偏 移 字 段 大 小 描 述 量 端 口 电 源 屏 蔽 控 制 取 决 于 端 口 号 在 2.0 设 备 中 全 部 设 置 为 1b 这 些 位 只 在 1.0 集 线 器 中 使 用 指 示 一 个 端 口 是 否 受 组 模 式 加 电 影 响, 设 置 字 段 的 端 口 总 是 要 求 手 动 设 置 端 口 特 性 ( 端 口 电 源 ) 命 令 来 控 制 端 口 电 源 状 态 位 定 义 0 端 口 不 屏 蔽 组 模 式 电 源 控 制 能 力 1 端 口 不 受 组 模 式 加 电 的 影 响 必 须 发 送 手 动 命 令 来 决 定 电 源 开 关 这 是 响 应 集 线 器 独 立 端 口 的 位 映 射 : 位 0 保 留 1 端 口 1 2 端 口 2 : 位 n 端 口 n( 取 决 于 具 体 实 现 ) 电 源 加 电 到 电 源 合 适 延 时 配 置 软 件 必 须 知 道 设 备 要 求 用 多 长 时 间 给 设 备 加 电 一 旦 系 统 软 件 要 求 给 集 线 器 加 电, 到 端 口 电 源 合 适 会 需 要 一 段 时 间 软 件 必 须 等 待 加 好 电, 再 访 问 端 口 偏 移 5 定 义 了 从 端 口 要 求 加 电 到 电 源 合 适 的 延 时, 以 2 毫 秒 时 间 间 隔 为 单 位 集 线 器 控 制 器 最 大 总 线 电 流 集 线 器 类 描 述 符 的 偏 移 6 定 义 了 集 线 器 控 制 器 消 耗 的 最 大 电 流 量 注 意, 这 个 字 段 的 值 和 配 置 描 述 符 最 大 电 量 字 段 的 值 不 同, 那 里 规 定 的 是 设 备 消 耗 的 总 电 量 ( 参 见 消 耗 的 最 大 总 线 电 流 ) 设 备 可 分 离 / 不 可 分 离 偏 移 7 的 设 备 可 分 离 字 段 是 所 有 集 线 器 支 持 端 口 的 位 映 射 每 个 位 对 应 一 个 指 定 的 端 口 ( 即 位 1 指 定 端 口 1) 如 果 响 应 端 口 的 字 段 映 射 清 零, 那 么 设 备 可 分 离, 如 果 位 被 设 置 了, 那 么 设 备 永 远 不 能 分 离 ( 例 如 嵌 入 式 设 备 ) 这 个 字 段 只 有 一 个 字 节, 给 支 持 0 到 7 个 端 口 的 集 线 器 使 用, 如 果 要 支 持 8 到 15 个 端 口, 那 就 要 增 加 字 节 端 口 电 源 屏 蔽 集 线 器 类 描 述 符 中 的 这 个 偏 移 字 段, 取 决 于 设 备 可 分 离 字 段 的 值 端 口 电 源 控 制 屏 蔽 和 设 备 可 分 离 字 段 一 样 由 位 映 射 组 成 每 个 位 对 应 一 个 指 定 的 端 口, 定 义 端 口 是 通 过 组 加 电 模 式 加 电 还 是 必 须 独 立 加 电 如 果 全 局 加 电 被 屏 蔽, 这 个 位 字 段 置 位, 必 须 通 过 设 置 端 口 电 源 特 征 (Set Port Power Feature) 命 令 加 电 233

256 第 20 章 高 速 集 线 器 描 述 符 这 个 部 分 讨 论 2.0 集 线 器 如 何 根 据 全 速 和 高 速 要 求 应 用 描 述 符 集 线 器 全 速 操 作 时 的 描 述 符 下 面 提 供 一 些 描 述 符 作 为 例 子, 说 明 正 常 的 全 速 描 述 符 和 其 他 速 度 描 述 符 转 换 时 如 何 交 互 信 息 表 20-6 全 速 操 作 时 集 线 器 设 备 描 述 符 偏 移 字 段 描 述 0 b 长 度 描 述 符 字 节 数 =12H 1 b 描 述 符 类 型 设 备 描 述 符 类 型 =1 2 bcdusb USB 规 范 版 本 号 ( 例 如 V2.00 是 0200) 4 b 设 备 类 集 线 器 类 编 码 =09 H 5 b 设 备 子 类 子 类 编 码 =0 6 b 设 备 协 议 协 议 编 码 =0 7 b0 端 点 最 大 包 值 64 8~16 制 造 商 信 息 厂 商 标 识 符 产 品 标 识 符 设 备 版 本 号 厂 商 的 字 符 描 述 符 产 品 的 字 符 描 述 符 序 列 号 17 配 置 数 目 配 置 数 目 =1 表 20-7 全 速 操 作 时 集 线 器 设 备 权 限 描 述 符 偏 移 字 段 描 述 0 描 述 符 大 小 描 述 符 大 小 1 描 述 符 类 型 设 备 权 限 类 型 =06 2 USB 版 本 USB 规 范 2.0 版 本 号 ( 例 如 V2.00 是 0200) 4 设 备 类 型 集 线 器 类 编 码 =09H 5 设 备 子 类 子 类 编 码 =0 6 设 备 协 议 协 议 编 码 1= 单 独 TT 2= 多 个 TT 7 端 点 0 最 大 包 值 64 9 配 置 数 目 配 置 数 目 =1 表 20-8 全 速 运 作 时 集 线 器 配 置 描 述 符 偏 移 字 段 描 述 0 长 度 这 个 描 述 符 的 字 节 数 =09H 234

257 集 线 器 配 置 过 程 1 描 述 符 类 型 配 置 描 述 符 类 型 =2 2 总 长 这 个 配 置 下 返 回 的 数 据 总 长 度 是 所 有 描 述 符 的 长 度 总 和 ( 配 置 接 口 终 点 特 殊 的 类 和 厂 商 特 定 位 ) 续 表 偏 移 字 段 描 述 4 接 口 数 目 这 个 配 置 下 支 持 的 接 口 数 目 =1 5 配 置 值 选 择 的 配 置 值 6 配 置 描 述 这 个 配 置 的 字 符 串 索 引 7 属 性 一 个 配 置 是 自 供 电 的 还 是 总 线 供 电 8 最 大 电 量 这 种 配 置 下 要 消 耗 的 总 线 最 大 电 量 表 20-9 其 他 速 度 下 集 线 器 配 置 描 述 符 偏 移 字 段 描 述 0 长 度 这 个 描 述 符 的 字 节 数 =09H 1 描 述 符 类 型 其 他 速 度 配 置 描 述 符 类 型 =7 2 总 长 这 个 配 置 下 返 回 的 数 据 总 长 度 4 接 口 数 目 1= 单 独 TT 2= 多 个 TT 5 配 置 值 选 择 的 配 置 值 6 配 置 描 述 这 个 配 置 的 字 符 串 索 引 7 属 性 一 个 配 置 是 自 供 电 还 是 总 线 供 电 8 最 大 电 量 这 种 高 速 配 置 下 要 消 耗 的 总 线 最 大 电 量 表 全 速 情 况 下 集 线 器 接 口 描 述 符 定 义 偏 移 字 段 描 述 0 长 度 b 这 个 描 述 符 的 字 节 数 =09H 1 描 述 符 类 型 b 接 口 描 述 符 类 型 =4 2 接 口 数 目 b 0 3 替 换 设 置 b 0 4 端 点 数 目 b 1 5 接 口 类 b 集 线 器 类 编 码 =09H 6 接 口 子 类 b 7 接 口 协 议 b 235

258 第 20 章 8 接 口 i 字 符 描 述 符 索 引 表 全 速 操 作 下 集 线 器 端 点 描 述 符 定 义 偏 移 字 段 描 述 0 长 度 这 个 描 述 符 的 字 节 数 =07H 1 描 述 符 类 型 终 点 描 述 符 类 型 =5 2 终 点 地 址 终 点 号 和 方 向 3 属 性 传 输 类 型 = 中 断 4 最 大 包 值 取 决 于 设 计 6 时 隙 轮 询 时 隙 =FFH 2.0 集 线 器 特 殊 类 描 述 符 表 集 线 器 类 描 述 符 偏 移 字 段 大 小 描 述 0 长 度 1 这 个 描 述 符 的 字 节 数, 包 括 这 个 字 节 本 身 1 描 述 符 类 型 1 集 线 器 类 描 述 符 类 型 =29h 2 端 口 数 目 1 这 集 线 器 支 持 的 下 层 端 口 数 目 3 集 线 器 特 性 2 D0:D1 电 源 切 换 模 式 : 00 全 局 电 源 切 换 ( 所 有 端 口 一 次 加 电 ) 01 独 立 端 口 电 源 切 换 1X 为 1.0 兼 容 的 无 电 源 切 换 的 集 线 器 保 留 D2: 识 别 复 合 设 备 : 0 集 线 器 不 是 复 合 设 备 的 一 部 分 1 集 线 器 是 复 合 设 备 的 一 部 分 D4:D3 过 电 保 护 模 式 : 00 全 局 过 电 保 护 集 线 器 根 据 所 有 设 备 总 电 流 和 来 报 告 电 流, 而 不 是 单 独 的 某 个 设 备 的 电 流 01 独 立 端 口 过 电 保 护 集 线 器 基 于 每 个 端 口 报 告 电 流, 每 个 端 口 有 自 己 的 过 电 保 护 指 示 器 1X 没 有 过 电 保 护 这 个 选 项 只 应 用 在 没 有 过 电 保 护 的 总 线 驱 动 的 集 线 器 上 D6:D5 TT 思 考 时 间 : 00 TT 要 求 在 低 速 全 速 下 层 总 线 上 的 内 部 包 间 隔 最 多 为 8 个 全 速 位 时 间 01 TT 要 求 最 多 16 个 全 速 位 时 间 10 TT 要 求 最 多 24 个 全 速 位 时 间 11 TT 要 求 最 多 32 个 全 速 位 时 间 D7 端 口 指 示 器 支 持 : 0 下 层 端 口 不 支 持 指 示 器, 端 口 指 示 (PORT_ 236

259 集 线 器 配 置 过 程 INDICATOR) 不 起 作 用 1 下 层 端 口 支 持 端 口 指 示 器, 用 端 口 指 示 命 令 来 控 制 端 口 指 示 器 D15:D8 保 留 偏 移 字 段 大 小 描 述 续 表 5 从 通 电 到 电 流 合 适 1 从 端 口 加 电 到 电 源 合 适 的 时 间 系 统 软 件 使 用 这 个 值 判 断 等 多 长 时 间 才 可 以 访 问 端 口 6 集 线 器 控 制 电 流 1 集 线 器 控 制 器 要 求 的 最 大 电 流, 以 2 毫 安 为 增 量 增 加 7 设 备 断 开 取 决 于 端 口 号 指 示 端 口 有 一 个 可 以 分 离 的 设 备 连 接 如 果 没 有 可 分 离 的 设 备, 端 口 永 远 不 会 收 到 插 入 变 化 指 示 这 个 字 段 以 字 节 粒 度 报 告 在 这 个 字 节 中, 指 定 位 置 如 果 没 有 端 口, 字 段 就 返 回 0 来 代 表 端 口 特 性 位 定 义 : 0 设 备 不 可 分 离 1 设 备 可 分 离 这 是 集 线 器 各 个 端 口 相 应 的 位 映 射 : 位 0 保 留 1 端 口 1 2 端 口 2 : 位 n 端 口 n( 取 决 于 具 体 实 现 ) 变 量 端 口 电 源 屏 蔽 控 制 取 决 于 端 口 号 该 字 段 用 于 保 持 与 为 1.0 设 备 所 写 软 件 的 兼 容 性 该 字 段 中 的 所 有 位 都 应 置 1 该 字 段 中 集 线 器 上 的 每 个 器 端 口 都 占 有 一 位, 如 有 必 要, 还 可 加 入 填 充 位, 用 于 将 字 段 的 位 数 凑 成 8 的 整 数 倍 集 线 器 加 电 一 旦 集 线 器 配 置 完 成, 就 要 给 端 口 加 电 配 置 软 件 读 取 集 线 器 类 描 述 符 时 检 测 端 口 电 源 模 式 如 果 电 源 必 须 手 动 加 载, 软 件 发 送 设 置 端 口 电 源 特 性 命 令 一 旦 电 源 加 到 端 口, 集 线 器 端 口 就 可 以 检 测 到 设 备 连 接 到 了 端 口, 并 且 设 置 状 态 位 指 示 连 接 事 件 集 线 器 端 口 也 要 从 电 源 关 状 态 转 换 到 电 源 开 状 态 这 个 状 态 变 化 事 件 会 在 软 件 检 测 变 化 时 发 现 检 查 集 线 器 状 态 配 置 软 件 轮 询 状 态 变 化 终 点 检 测 哪 个 端 口 发 生 了 状 态 变 化 事 件 这 个 状 态 变 化 终 点 仅 仅 237

260 第 20 章 报 告 集 线 器 或 者 集 线 器 端 口 是 否 发 生 了 状 态 变 化, 但 是 不 指 示 变 化 的 性 质 必 须 使 用 特 殊 的 命 令 来 取 得 信 息 : 发 生 的 特 定 事 件 事 件 引 起 的 当 前 状 态 列 表 检 查 集 线 器 状 态 变 化 图 20-3 是 集 线 器 在 状 态 变 化 终 点 被 轮 询 时, 返 回 的 集 线 器 和 端 口 的 状 态 变 化 位 映 射 所 有 的 状 态 变 化 在 帧 结 束 的 时 候 抽 样 (EOP2 抽 样 点 ), 可 以 在 下 一 个 帧 读 取 配 置 软 件 知 道 端 口 数 目, 因 此 知 道 集 线 器 状 态 变 化 终 点 被 轮 询 时 返 回 的 位 映 射 的 大 小 状 态 在 字 节 大 小 的 字 段 中 报 告, 没 有 实 现 的 端 口 在 位 字 段 中 返 回 0 多 数 实 现 返 回 一 个 字 节, 因 为 集 线 器 很 少 有 超 过 7 个 端 口 集 线 器 变 化 检 测 端 口 1 变 化 检 测 端 口 2 变 化 检 测 端 口 3 变 化 检 测 端 口 4 变 化 检 测 端 口 5 变 化 检 测 端 口 6 变 化 检 测 端 口 7 变 化 检 测 端 口 8 变 化 检 测 端 口 N 变 化 检 测 图 20-3 集 线 器 和 端 口 状 态 变 化 位 映 射 当 软 件 轮 询 状 态 变 化 终 点 时, 返 回 如 图 20-3 所 示 的 位 映 射, 提 供 发 生 的 状 态 变 化 如 果 没 有 一 个 位 置 位, 那 么 就 没 有 需 要 报 告 的 变 化 这 种 情 况 下, 状 态 变 化 终 点 在 IN 事 务 时 返 回 NAK 信 号, 指 示 没 有 变 化 发 生 如 果 检 测 到 特 定 端 口 变 化, 那 么 软 件 可 以 执 行 取 端 口 状 态 命 令 集 线 器 请 求 在 集 线 器 类 请 求 中 定 义 读 取 集 线 器 状 态 字 段 如 果 集 线 器 状 态 变 化 被 检 测 到, 软 件 可 以 执 行 取 集 线 器 状 态 命 令 获 取 变 化 信 息 集 线 器 状 态 变 化 包 括 : 本 地 电 源 变 化 过 电 流 变 化 一 旦 检 测 到 指 定 集 线 器 状 态 列 表 发 生 了 变 化, 软 件 就 可 以 采 取 合 适 的 行 动 ( 例 如, 通 知 用 户 这 个 事 件 ) 软 件 必 须 使 用 清 除 集 线 器 特 征 (Clear Hub Feature) 请 求 确 认 和 清 除 集 线 238

261 集 线 器 配 置 过 程 器 状 态 变 化 字 段 例 如, 如 果 本 地 电 源 变 化 发 生, 软 件 使 用 清 除 端 口 本 地 电 源 特 征 (Clear Hub Local Power Feature) 请 求 读 端 口 状 态 当 端 口 状 态 发 生 变 化, 软 件 使 用 取 端 口 状 态 请 求 来 判 断 哪 些 端 口 状 态 变 化 了 可 能 变 化 的 信 息 有 : 连 接 状 态 变 化 设 备 连 接 到 端 口, 或 者 从 端 口 断 开 端 口 启 用 / 禁 用 变 化 硬 件 事 件 引 起 的 变 化 挂 起 变 化 当 恢 复 完 成 指 示 的 状 态 变 化 过 电 指 示 器 变 化 只 被 集 线 器 使 用, 报 告 基 于 单 个 端 口 的 过 电 复 位 变 化 当 复 位 过 程 完 成 时 的 变 化 考 虑 下 面 的 例 子 当 一 个 现 在 连 接 着 设 备 的 端 口 被 加 电, 就 会 有 一 个 连 接 状 态 变 化 端 口 状 态 变 化 字 段 被 置 位, 当 前 状 态 字 段 会 指 示 有 一 个 设 备 连 接 了 配 置 软 件 得 知 设 备 连 接 了, 并 且 通 过 清 除 端 口 状 态 来 确 认 这 个 变 化 启 用 设 备 检 测 到 设 备 连 接 到 端 口, 配 置 软 件 就 会 复 位 端 口, 尝 试 配 置 设 备 当 端 口 收 到 配 置 软 件 的 复 位 命 令, 端 口 即 被 启 用 注 意, 软 件 可 以 使 用 设 置 端 口 启 用 特 征 来 启 用 端 口 集 线 器 端 口 状 态 摘 要 下 面 的 表 是 一 个 集 线 器 端 口 状 态 的 一 般 摘 要, 和 指 定 信 号 事 件 和 控 制 命 令 下 的 转 换 参 见 2.0 规 范, 那 里 有 端 口 状 态 和 转 换 的 完 整 列 表 表 集 线 器 端 口 状 态 信 号 / 状 态 未 加 电 断 开 禁 用 启 用 挂 起 根 端 口 复 位 ( 有 电 停 留 在 未 加 电 转 到 转 到 转 到 转 到 源 开 关 的 集 线 器 ) 状 态 未 加 电 状 态 未 加 电 状 态 未 加 电 状 态 未 加 电 状 态 复 位 根 端 口 ( 没 有 电 源 开 关 的 集 线 器 ) N.A. 转 到 断 开 状 态 转 到 断 开 状 态 转 到 断 开 状 态 转 到 断 开 状 态 清 除 端 口 特 征 - 端 停 留 在 未 加 转 到 转 到 转 到 转 到 口 电 源 ( 电 源 开 关 ) 电 状 态 未 加 电 状 态 未 加 电 状 态 未 加 电 状 态 未 加 电 状 态 设 置 端 口 特 征 - 端 口 电 源 ( 电 源 切 换 ) 转 到 断 开 状 态 N.A. N.A. N.A. N.A. 设 置 端 口 特 征 - 端 停 留 在 未 加 转 到 启 用 转 到 启 用 停 留 在 启 用 转 到 启 用 口 复 位 电 状 态 状 态 状 态 状 态 状 态 设 置 端 口 特 征 - 端 忽 略 忽 略 转 到 启 用 停 留 在 启 用 忽 略 239

262 第 20 章 口 启 用 状 态 状 态 清 除 端 口 特 征 - 端 停 留 在 禁 用 转 到 禁 用 忽 略 忽 略 口 启 用 状 态 状 态 忽 略 下 行 数 据 流 ( 总 线 运 行 ) 不 传 播 不 传 播 不 传 播 传 播 数 据 流 不 传 播 续 表 信 号 / 状 态 未 加 电 断 开 禁 用 启 用 挂 起 上 行 数 据 流 设 置 状 态 域, 不 传 播 不 传 播 不 传 播 传 播 数 据 流 ( 总 线 运 行 ) 不 传 播 设 置 端 口 特 征 - 端 口 挂 起 忽 略 忽 略 忽 略 转 到 挂 起 状 态 忽 略 清 除 端 口 特 征 - 端 口 挂 起 忽 略 忽 略 忽 略 忽 略 转 到 复 位 状 态 断 开 检 测 忽 略 忽 略 转 到 断 开 状 态 转 到 断 开 状 态 转 到 断 开 状 态 连 接 检 测 忽 略 转 到 禁 用 状 态 N.A. N.A. N.A. 240

263 设 备 类 设 备 类 21 上 一 章 集 线 器 的 配 置 和 任 何 其 他 连 接 到 USB 端 口 的 设 备 一 样 集 线 器 配 置 的 不 同 在 于, 它 要 报 告 在 它 的 下 层 端 口 是 否 有 设 备 连 接 这 一 章 我 们 复 习 了 集 线 器 的 配 置 过 程, 重 点 讲 解 扩 展 通 过 集 线 器 下 层 端 口 的 总 线 本 章 本 章 我 们 介 绍 设 备 类 的 概 念, 并 讨 论 它 们 在 USB 中 的 角 色 这 一 章 也 介 绍 已 经 批 准 的 设 备 类 ( 本 书 写 作 过 程 中 ), 对 音 频 设 备 大 容 量 存 储 器 监 视 器 和 通 信 设 备 类 进 行 了 概 要 讲 解 介 绍 这 些 类 是 为 了 给 读 者 提 供 每 个 类 的 简 要 信 息 和 它 们 使 用 的 USB 机 制 细 致 的 讨 论 要 求 在 这 些 领 域 有 较 深 的 基 础 知 识, 例 如 电 话 音 频 等 本 书 以 外 的 领 域 下 一 章 主 机 软 件 包 括 三 个 类 型 的 组 件 :USB 设 备 驱 动 程 序 USB 驱 动 程 序 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 这 章 我 们 讨 论 每 一 层 所 扮 演 的 角 色, 描 述 可 编 程 接 口 的 请 求 概 述 设 备 类 常 常 允 许 设 备 驱 动 程 序 设 计 为 可 操 作 具 有 相 似 属 性 和 服 务 的 一 系 列 设 备 给 定 的 设 备 定 义 可 进 一 步 描 述 类 中 特 定 设 备 的 特 性, 从 而 向 USB 设 备 驱 动 程 序 提 供 它 操 作 该 设 备 所 需 要 的 信 息 设 备 类 定 义 与 用 来 访 问 和 控 制 设 备 的 特 定 类 的 功 能 接 口 相 关 例 如, 图 21-1 是 USB 的 CD-ROM 设 备, 有 两 个 接 口 : 大 容 量 存 储 器 和 音 频 设 备 支 持 两 个 或 者 更 多 功 能 的 设 备 叫 做 复 合 设 备, 它 的 每 个 指 定 类 的 功 能 要 求 独 立 的 可 编 程 接 口 大 容 量 存 储 设 备 要 求 使 用 CD-ROM 从 程 序 磁 盘 读 取 文 件, 而 音 频 设 备 类 设 备 驱 动 被 要 求 播 放 音 乐 CD 每 个 驱 动 程 序 访 问 组 成 这 类 设 备 的 状 态 控 制 和 数 据 接 口 的 一 组 终 点 注 意,USB 指 定 设 备 的 组 件 是 功 能 接 口 和 USB 设 备 驱 动 程 序 和 设 备 相 关 的 描 述 符 规 定 了 几 个 和 设 备 类 信 息 相 关 的 条 目, 包 括 : 设 备 类 编 码 字 段 来 自 每 个 功 能 接 口 描 述 符 子 类 编 码 字 段 这 个 字 段 的 定 义 是 设 备 类 特 定 的 241

264 第 21 章 协 议 字 段 这 个 可 选 字 段 为 了 给 定 设 备 类 和 子 类 而 定 义, 这 样 来 定 义 设 备 所 支 持 的 可 编 程 接 口 的 一 些 单 元 主 机 系 统 USB CD-ROM 大 容 量 存 储 器 类 设 备 驱 动 OUT 终 点 IN 终 点 控 制 终 点 大 容 量 存 储 器 接 口 音 频 设 备 类 驱 动 IN 终 点 控 制 终 点 音 频 接 口 USB 系 统 软 件 USB 逻 辑 设 备 主 机 控 制 部 件 根 集 线 器 USB 总 线 接 口 USB 主 机 控 制 器 物 理 通 信 流 逻 辑 通 信 流 图 21-1 CD-ROM 支 持 大 容 量 存 储 和 音 频 接 口 主 机 使 用 设 备 类 编 码 字 段 定 位 访 问 设 备 功 能 接 口 所 需 要 的 设 备 驱 动 程 序 所 有 其 他 的 标 准 描 述 符 信 息 和 主 机 软 件 在 没 有 设 备 类 定 义 的 情 况 下 可 以 解 析 的 USB 特 定 信 息 相 关 还 要 注 意, 一 些 设 备 类 规 范 定 义 了 额 外 的 描 述 符, 主 机 并 不 知 道 它 们 的 信 息 这 些 描 述 符 是 为 特 殊 类 设 备 驱 程 准 备 的, 检 测 设 备 属 性 和 访 问 设 备 要 求 的 特 性 概 况 地 说, 类 定 义 有 助 于 建 立 一 组 通 用 的 设 备, 可 以 使 用 通 用 的 类 驱 动, 也 允 许 设 备 向 主 机 和 USB 类 设 备 驱 动 描 述 它 的 特 性 类 编 码 为 USB 主 机 软 件 提 供 一 个 机 制 来 识 别 用 来 操 作 指 定 USB 设 备 功 能 接 口 的 合 适 的 设 备 驱 动 独 立 的 类 设 备 规 范 描 述 本 类 设 备 可 以 支 持 的 特 242

265 设 备 类 征 和 属 性, 并 定 义 USB 设 备 驱 动 访 问 和 操 作 功 能 接 口 的 机 制 设 备 类 设 备 类 的 文 档 可 以 在 USB 应 用 论 坛 站 点 找 到 ( 在 写 书 过 程 中 已 经 发 表 的 设 备 类 有 : 音 频 类 实 时 音 频 信 息 的 源 点 或 者 汇 点 这 个 类 在 4 个 文 档 中 定 义 : - 音 频 设 备 文 档 音 频 数 据 格 式 音 频 终 端 类 型 1.0 -USB MIDI( 音 乐 工 具 设 备 接 口 ) 设 备 1.0 通 信 设 备 类 连 接 到 电 话 线 的 设 备 ( 非 本 地 网 络 ) 这 个 设 备 在 以 下 2 个 文 件 中 定 义 : - 通 信 设 备 类 定 义 文 件 通 信 设 备 类 1.0 内 容 安 全 类 这 个 类 定 义 传 输 机 制 描 述 符 和 USB 请 求, 来 支 持 一 种 保 护 USB 数 字 内 容 传 输 的 方 法 被 保 护 的 数 字 内 容 通 常 是 有 可 版 权 的 信 息 这 个 类 在 以 下 3 个 文 件 中 定 义 : - 内 容 安 全 设 备 类 定 义 内 容 安 全 方 法 1- 基 于 官 方 协 议 内 容 安 全 方 法 2-USB 数 字 传 输 内 容 保 护 1.0 人 机 交 互 设 备 类 (HID) 由 终 端 用 户 操 作 的 设 备, 在 3 个 文 件 中 定 义 : - 人 机 交 互 设 备 1.1 -HID 使 用 列 表 零 售 使 用 列 表 HID 点 1.01 图 像 设 备 类 - 静 态 图 像 处 理 设 备 - 静 态 图 像 处 理 设 备 文 件 1.0 IrDA 类 - 这 个 类 是 红 外 线 接 收 器 接 口 定 义 -IrDA 桥 设 备 定 义 文 件 1.0 大 容 量 存 储 器 设 备 - 存 储 大 量 信 息 的 设 备 ( 例 如, 软 驱 硬 盘 驱 动 器 磁 带 驱 动 器 ), 这 个 类 由 4 个 文 件 定 义 : - 大 容 量 存 储 器 概 要 大 容 量 存 储 器 批 处 理 大 容 量 存 储 器 批 处 理 / 控 制 / 中 断 (CBI) 规 范 大 容 量 存 储 器 UFI 命 令 规 范 1.0 监 视 器 类 - 控 制 监 视 器 配 置 的 定 义, 只 有 一 个 文 件 : - 监 视 器 设 备 文 件 1.0 物 理 接 口 设 备 类 (PID) 提 供 操 作 器 可 感 知 的 反 馈, 例 如, 有 不 同 电 阻 的 游 戏 243

266 第 21 章 操 纵 杆, 用 于 模 拟 力 反 馈 它 从 HID 类 中 分 离 了 出 来 这 个 类 定 义 文 档 为 : -PID 设 备 类 定 义 1.0 文 件 电 源 设 备 类 向 系 统 和 外 围 设 备 提 供 电 源 的 设 备 例 如 : 不 可 中 断 电 源 记 忆 电 池 设 备 可 以 是 独 立 的 也 可 是 集 成 到 接 口 中 的 相 关 文 件 是 : - 电 源 设 备 类 文 件 1.0 打 印 设 备 类 定 义 打 印 机 的 描 述 符 终 点 和 请 求 这 个 类 由 一 个 文 件 指 定 : - 打 印 设 备 类 文 件 1.1 另 一 个 重 要 的 类 文 件 和 所 有 设 备 类 相 关, 是 通 用 串 行 总 线 普 通 类 规 范 这 个 文 件 是 开 发 设 备 类 规 范 的 指 导 方 针, 用 于 增 强 一 般 设 备 驱 动 的 兼 容 性 在 这 点 上, 文 件 描 述 了 所 有 设 备 和 相 关 规 范 的 基 本 要 求 也 描 述 了 许 多 类 共 同 的 特 征 属 性 服 务 下 面 部 分 讨 论 音 频 设 备 特 性, 设 备 类 已 经 在 前 面 讲 述 过 音 频 设 备 类 音 频 设 备 类 规 范 定 义 了 传 播 和 控 制 数 字 音 频 的 标 准 音 频 传 输 机 制 音 频 设 备 类 的 重 点 是 音 频 数 据 流 的 同 步 化, 保 证 声 音 不 会 抖 动 每 个 音 频 功 能 有 自 己 的 设 备 接 口 来 访 问 和 控 制 这 个 功 能 音 频 设 备 是 和 USB 兼 容 的 音 频 数 据 流 交 互 的 设 备 设 备 类 分 成 以 下 子 类 : 8 位 脉 冲 编 码 调 制 (PCM) 音 频 数 据 16 位 脉 冲 编 码 调 制 (PCM) 音 频 数 据 16 位 杜 比 环 绕 数 据 IEC( 国 际 电 工 委 员 会 )958 音 频 编 码 数 据 MPEG1( 运 动 图 象 专 家 组 ) 音 频 编 码 数 据 AC3 音 频 编 码 数 据 每 个 子 类 有 自 己 的 协 议 编 码 进 一 步 定 义 音 频 设 备 子 类 编 码 和 协 议 编 码 在 表 21-1 中 定 义 注 意, 有 的 协 议 编 码 只 能 为 某 个 子 类 使 用, 另 一 些 协 议 编 码 可 以 为 更 多 的 子 类 使 用 AC3 编 码 的 定 义 在 本 书 写 作 过 程 中 还 没 有 完 成 表 21-1 音 频 子 类 和 协 议 子 类 编 码 子 类 名 称 协 议 编 码 协 议 名 称 01h 8 位 脉 冲 编 码 调 制 (PCM) 音 频 数 据 01h 02h 单 声 道 立 体 声 02h 16 位 脉 冲 编 码 调 制 (PCM) 音 频 数 据 01h 02h 03h 04h 单 声 道 立 体 声 四 声 道 立 体 声 & 立 体 声 03h 16 位 杜 比 环 绕 数 据 02h 立 体 声 04h IEC( 国 际 电 工 委 员 会 )958 05h IEC985 消 费 者 244

267 设 备 类 音 频 编 码 数 据 06h IEC985 专 业 用 05h MPEG1( 运 动 图 像 专 家 组 ) 音 频 编 码 数 据 07h 08h 第 一 层 第 二 层 06h AC3 音 频 编 码 数 据 TBD TBD 标 准 音 频 接 口 要 求 音 频 设 备 需 要 的 标 准 终 点 包 括 : 控 制 终 点 0 用 来 操 作 设 置 和 获 取 音 频 功 能 的 状 态 中 断 终 点 用 来 获 取 状 态 信 息 同 步 终 点 音 频 数 据 传 输 使 用 一 个 或 者 多 个 同 步 终 点 注 意, 同 步 化 终 点 可 以 伴 随 着 一 个 同 步 终 点 要 求 的 同 步 终 点 的 数 目 由 每 个 子 类 和 规 范 综 合 定 义, 见 表 21-1 例 如 : 所 有 的 脉 冲 编 码 调 制 音 频 数 据 子 类 / 协 议 联 合 要 求 一 个 同 步 终 点, 但 16 位 脉 冲 编 码 调 制 的 立 体 声 & 立 体 声 接 口 除 外, 这 个 接 口 要 求 两 个 同 步 终 点 同 步 化 类 型 音 频 设 备 规 范 定 义 了 三 种 同 步 终 点, 可 以 保 证 自 己 和 主 机 的 同 步 : 异 步 同 步 终 点 使 用 异 步 同 步 化 发 送 和 接 收 音 频 数 据, 速 率 为 锁 定 到 外 时 钟 的 速 率 或 者 是 自 运 行 的 内 时 钟 速 率 设 备 不 能 将 传 输 速 率 同 步 到 USB 时 钟 ( 基 于 1 毫 秒 开 始 帧 ) 同 步 有 同 步 终 点 的 设 备 有 自 己 的 时 钟, 需 要 将 它 们 的 音 频 数 据 速 率 同 步 到 USB 的 开 始 帧 用 两 个 方 法 完 成 这 种 同 步 : 1. 将 抽 样 时 钟 同 步 到 1 毫 秒 的 开 始 帧 2. 调 整 开 始 帧, 直 到 它 和 抽 样 时 钟 同 步 适 应 性 这 些 设 备 有 一 个 指 定 的 可 以 发 送 和 接 收 数 据 的 时 钟 范 围, 允 许 它 们 将 自 己 的 速 率 同 步 到 加 载 在 接 口 的 开 始 帧 时 钟 上 音 频 类 描 述 符 音 频 类 规 范 定 义 了 特 定 类 接 口 描 述 符 和 特 定 类 终 点 描 述 符 这 些 特 定 类 描 述 符 是 附 加 在 标 准 接 口 和 终 点 描 述 符 上 的 设 备 基 于 标 准 描 述 符 的 信 息 进 行 配 置, 就 是 说, 总 线 带 宽 基 于 这 个 描 述 符 的 信 息 进 行 分 配 一 旦 音 频 类 驱 动 加 载, 就 必 须 从 设 备 获 取 额 外 的 信 息, 完 全 知 道 设 备 支 持 的 特 性 和 数 据 同 步 化 的 方 法 参 见 音 频 类 规 范 了 解 这 些 特 定 类 描 述 符 的 详 细 信 息 音 频 类 请 求 音 频 类 规 范 定 义 了 特 定 类 请 求 来 控 制 各 种 音 频 性 质 一 般 来 说, 性 质 可 以 分 成 以 下 两 组 : 音 频 控 制 性 质 这 些 特 定 类 规 范 请 求 控 制 音 频 功 能, 例 如 : 音 量 和 声 调 这 些 性 质 通 过 音 频 类 规 范 定 义 的 音 频 控 制 块 控 制 音 频 控 制 块 包 括 以 下 变 量, 软 件 通 过 特 定 类 请 求 操 作 这 些 变 量 245

268 第 21 章 终 点 性 质 这 些 性 质 控 制 音 频 数 据 传 输 的 各 个 方 面, 例 如 抽 样 频 率 这 些 性 质 通 过 改 变 同 步 音 频 数 据 终 点 的 特 性 来 操 作 标 准 USB 音 频 设 备 支 持 的 性 质 叫 做 一 般 性 质 然 而, 音 频 类 规 范 允 许 其 他 厂 商 定 义 附 加 的 性 质 规 范 提 供 名 为 取 / 设 置 系 统 排 外 特 性 (Get/Set System Exclusive) 的 特 定 类 请 求 机 制 来 给 厂 商 定 义 性 质 参 考 音 频 类 规 范 了 解 音 频 特 定 类 请 求 的 定 义 和 用 法 通 信 设 备 类 连 接 电 话 线 的 USB 设 备 都 在 通 信 类 设 备 里 定 义 本 书 写 作 时, 有 两 种 子 类 被 定 义 了 : 电 话 接 口 厂 商 特 定 设 备 然 而, 在 电 话 子 类 中 定 义 了 几 个 协 议, 见 表 21-2 这 些 协 议 规 定 控 制 通 信 功 能 使 用 的 控 制 协 议 表 21-2 电 话 设 备 使 用 的 电 话 协 议 类 型 协 议 编 码 描 述 相 关 参 考 文 献 00h 没 有 定 义 NA 01h 普 通 AT 命 令 ( 兼 容 Hayes 设 备 ) V.255ter 02h 可 替 换 PSTN 调 制 解 调 器 命 令 组 V.25bit 04h 串 行 ISDN 终 端 适 配 器 控 制 V h In-Band DCE 控 制 V.ib 10h ISDN TA 控 制 Q h 保 留 NA 40h 没 有 被 音 频 设 备 类 规 范 定 义 的 其 他 标 准 DCE 控 制 协 议 设 备 使 用 的 这 些 协 议 由 字 符 描 述 符 定 义 NA 80h 使 用 制 造 商 定 义 的 DCE 控 制 协 议 这 些 协 议 由 字 符 描 述 符 定 义 NA 通 信 设 备 接 口 USB 通 信 类 设 备 有 和 它 们 性 质 相 关 的 接 口 一 般 使 用 的 终 点 有 : 控 制 终 点 0 发 送 对 事 件 不 敏 感 的 信 息, 请 求 相 对 较 小 的 总 线 带 宽 保 证 一 些 控 制 协 议 过 长 的 命 令 不 会 引 起 控 制 管 道 饱 和 中 断 终 点 报 告 设 备 生 成 的 事 件 ( 例 如 开 / 关 分 支 用 户 按 键 ), 报 告 网 络 通 信 事 件, 例 如 输 入 呼 叫 指 示 也 可 以 判 断 接 口 能 力 和 相 关 的 数 据 格 式 同 步 终 点 用 来 传 送 和 接 收 数 据 的 同 步 终 点 可 以 确 保 实 时 低 端 通 信 具 有 稳 定 速 率 批 量 终 点 突 发 的 对 时 间 要 求 不 敏 感 的 数 据 使 用 批 量 终 点, 例 如 传 统 的 调 制 解 调 器 数 据 246

269 设 备 类 通 信 设 备 类 描 述 符 为 通 信 设 备 类 定 义 了 两 种 描 述 符 : 特 定 类 配 置 描 述 符 特 定 类 字 符 描 述 符 ( 也 叫 协 议 描 述 符, 因 为 它 们 基 于 协 议 编 码 定 义 了 设 备 的 各 个 方 面 ) 参 照 规 范 了 解 这 些 描 述 符 的 定 义 和 格 式 通 信 设 备 类 请 求 通 信 设 备 类 规 范 定 义 了 下 面 一 些 特 定 类 请 求 : 发 送 封 装 命 令 取 封 装 响 应 报 告 格 式 ( 封 装 的 协 议 消 息 ) 接 口 有 效 性 报 告 选 择 接 口 协 议 命 令 取 接 口 命 令 请 参 考 规 范 了 解 这 些 请 求 的 格 式 和 定 义 显 示 设 备 类 这 个 设 备 类 定 义 控 制 显 示 设 置 使 用 的 机 制, 例 如 亮 度 对 比 度 和 色 彩 传 统 上, 这 些 控 制 通 过 硬 件 控 制 板 的 手 动 操 作 控 制 USB 显 示 功 能 允 许 软 件 控 制 这 些 设 置 设 备 描 述 符 中 的 显 示 类 和 子 类 定 义 如 表 21-3 所 示 表 21-3 标 准 设 备 描 述 符 的 显 示 类 定 义 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 4 设 备 类 1 类 显 示 类 类 编 码 =04h 5 设 备 子 类 1 子 类 子 类 编 码 : 01h=CRT 02h= 平 面 显 示 03h=3D 显 示 标 准 显 示 设 备 类 接 口 USB 显 示 设 备 要 求 默 认 的 控 制 终 点 传 递 显 示 信 息 这 个 类 只 定 义 了 一 个 配 置 和 一 个 接 口 注 意, 因 为 不 使 用 除 了 默 认 终 点 以 外 的 终 点, 所 以 接 口 描 述 符 不 指 定 终 点 显 示 设 备 类 描 述 符 显 示 设 备 类 使 用 三 个 设 备 特 定 描 述 符 : 247

270 第 21 章 显 示 描 述 符 显 示 描 述 符 定 义 设 备 支 持 哪 些 控 制, 规 定 显 示 特 性 信 息 以 VESA ( 视 频 电 子 标 准 协 会 ) 括 展 显 示 鉴 定 (EDID) 为 基 础 通 过 取 显 示 ID(Get Display) 请 求 读 取 这 个 描 述 符 显 示 状 态 描 述 符 这 个 描 述 符 提 供 不 同 显 示 设 置 时 的 状 态 信 息, 以 及 显 示 器 使 用 的 水 平 和 垂 直 频 率 通 过 取 显 示 状 态 请 求 读 取 这 个 描 述 符 显 示 控 制 描 述 符 使 用 这 个 描 述 符 决 定 每 个 控 制 支 持 的 可 能 设 置 值 和 当 前 设 置 每 个 控 制 都 有 一 个 独 立 的 显 示 控 制 描 述 符, 由 规 范 中 的 控 制 编 码 定 义 取 最 大 (Get Max) 和 取 当 前 (Get Current) 请 求 中 要 参 考 控 制 编 码, 返 回 描 述 符 的 内 容 设 备 分 类 请 求 显 示 类 设 备 定 义 了 7 个 设 备 分 类 请 求 : 取 显 示 ID 取 最 大 设 置 取 当 前 状 态 设 置 当 前 状 态 取 显 示 状 态 消 磁 设 置 显 示 电 源 模 式 这 些 请 求 提 供 的 机 制 用 于 获 取 显 示 器 当 前 设 置 的 状 态, 变 换 显 示 设 置 参 见 显 示 设 备 类 规 范 定 义 大 容 量 存 储 器 设 备 大 容 量 存 储 设 备 和 其 他 设 备 类 不 同, 因 为 它 们 可 以 在 引 导 操 作 系 统 时 使 用 这 要 求 系 统 BIOS 必 须 能 够 初 始 化 和 访 问 USB 存 储 设 备 设 备 驱 动 和 系 统 存 储 器 都 要 支 持 大 容 量 存 储 器 USB 大 容 量 存 储 设 备 类 定 义 了 几 种 类 型 的 大 容 量 存 储 设 备 有 五 个 子 类 : 一 般 大 容 量 存 储 子 类 这 个 子 类 定 义 一 般 访 问 随 机 方 式 的 存 储 介 质 CD-ROM 子 类 CD-ROM 是 只 读 的 这 些 驱 动 也 包 括 除 了 大 容 量 存 储 器 以 外 的 接 口, 要 支 持 音 频 和 视 频 ( 和 大 容 量 存 储 类 无 关 ) 磁 带 磁 带 驱 动 器 是 惟 一 有 数 据 流 读 写 双 重 特 性 的 设 备 及 时 发 送 数 据 是 很 重 要 的, 因 为 磁 带 当 向 前 移 动 时 线 性 存 储 数 据 如 果 数 据 不 及 时, 就 发 生 数 据 中 断, 要 求 耗 时 重 传 固 态 设 备 这 些 设 备 没 有 可 控 制 的 移 动 部 分, 但 是 要 求 特 定 的 要 求 执 行 耗 时 写 入, 因 为 写 入 前 有 擦 除 操 作 设 备 类 编 码 和 设 备 子 类 编 码 在 接 口 描 述 符 定 义 表 21-4 是 接 口 描 述 符 中 的 设 备 类 和 设 备 子 类 编 码 字 段 表 21-4 大 容 量 存 储 器 类 编 码 和 子 类 编 码 248

271 设 备 类 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 5 接 口 类 1 类 大 容 量 存 储 类 类 编 码 =04h 6 接 口 子 类 1 子 类 子 类 编 码 : 01h= 一 般 大 容 量 存 储 02h=CD-ROM 03h= 磁 带 04h= 固 态 05-FEh 保 留 标 准 大 容 量 存 储 器 设 备 大 容 量 存 储 器 ( 除 了 CD-ROM) 使 用 的 接 口 由 4 个 终 点 组 成 : 控 制 终 点 ( 默 认 终 点 0) 不 被 接 口 定 义 支 持 IN 事 务 的 批 量 传 输 终 点 支 持 OUT 事 务 的 批 量 传 输 终 点 中 断 传 输 终 点 控 制 终 点 大 容 量 存 储 器 设 备 驱 动 程 序 和 设 备 使 用 默 认 控 制 终 点 传 输 命 令 这 些 命 令 是 SCSI( 小 型 计 算 机 接 口 ) 结 构 的 当 主 机 访 问 到 命 令 要 求 的 终 点 时, 设 备 一 般 会 响 应 命 令 例 如, 根 据 命 令 的 不 同, 当 中 断 终 点 被 访 问 时 设 备 返 回 状 态, 当 主 机 访 问 一 个 批 量 传 输 终 点 时 设 备 向 介 质 发 送 或 者 从 介 质 读 取 数 据 批 量 传 输 终 点 使 用 批 量 传 输 终 点 读 或 者 写 数 据 到 大 容 量 存 储 介 质 由 于 批 量 传 输 终 点 是 单 向 的, 所 以 读 和 写 要 有 独 立 分 开 的 批 量 传 输 终 点 中 断 传 输 终 点 当 存 储 类 驱 动 程 序 向 中 断 终 点 发 出 命 令 时, 它 返 回 状 态 信 息, 判 断 发 送 到 大 容 量 存 储 设 备 的 命 令 的 完 成 状 态 一 般 大 容 量 存 储 子 类 一 般 大 容 量 存 储 子 类 支 持 可 分 离 介 质 设 备 但 是, 硬 盘 驱 动 不 在 这 个 子 类 中, 被 认 为 是 永 久 锁 定 介 质 的 设 备 这 个 子 类 支 持 的 设 备 主 要 有 : 软 盘 驱 动 器 磁 光 驱 动 器 Zip 软 驱 ( 可 读 ) Syquest 移 动 硬 盘 硬 盘 驱 动 器 对 这 些 设 备 的 访 问 非 常 相 似, 因 为 它 们 支 持 块 / 扇 区 的 随 机 读 或 写 操 作 这 些 设 备 支 持 SCSI 命 令 协 议, 通 过 默 认 控 制 终 点 发 送 这 些 命 令 为 满 足 向 后 兼 容 能 力, 一 些 设 备 ( 例 如 软 驱 ) 必 须 工 作 在 旧 的 操 作 系 统, 例 如 DOS, 这 些 操 作 系 统 使 用 柱 面 盘 面 和 扇 区 (CHS) 对 249

272 第 21 章 设 备 进 行 寻 址 这 些 设 备 必 须 能 够 判 断 和 报 告 在 介 质 上 的 物 理 位 置, 这 样 CHS 信 息 才 能 被 BIOS 和 / 或 者 操 作 系 统 转 换 成 逻 辑 的 块 CD-ROM 子 类 CD-ROM 的 接 口 要 求 使 用 和 其 他 子 类 不 同 的 终 点 组 合 这 是 因 为 CD-ROM 有 存 储 CPU 数 据 ( 文 件 的 编 码 和 数 据 ) 音 频 视 频 的 能 力 CD-ROM 必 须 支 持 大 容 量 存 储 和 音 频 接 口, 许 多 选 项 包 括 音 频 / 视 频 接 口 这 个 额 外 的 接 口 包 括 同 步 终 点, 必 须 被 其 他 类 的 驱 动 访 问 和 操 作 ( 例 如, 音 频 类 驱 动 程 序 ) 规 范 定 义 在 接 口 描 述 符 中 接 口 数 据 字 段 为 每 个 CD-ROM 支 持 的 终 点 定 义 接 口 数 目 由 于 要 求 大 容 量 存 储 和 音 频 接 口, 所 以 CD-ROM 至 少 定 义 两 个 接 口 接 口 号 如 下 : 00h= 大 容 量 存 储 接 口 01h= 音 频 接 口 02h= 音 频 / 视 频 接 口 CD-ROM 大 容 量 存 储 接 口 使 用 相 同 的 终 点, 但 批 量 传 输 OUT 终 点 例 外 这 里 不 需 要 批 量 传 输 OUT 终 点, 因 为 数 据 只 能 从 介 质 读 取 CD-ROM 中 断 终 点 只 用 来 报 告 介 质 变 化 CD-ROM 是 扇 区 / 块 导 向 的 设 备, 但 是 不 像 一 般 的 子 类 设 备, 扇 区 的 值 可 以 大 得 多 对 比 于 一 般 子 类 设 备 2048 的 扇 区 大 小,CD-ROM 扇 区 值 可 以 从 2000 字 节 到 3000 字 节 磁 带 子 类 这 个 子 类 中 的 设 备 有 可 移 动 的 介 质, 要 求 数 据 流 访 问 流 磁 带 可 能 会 花 费 更 多 的 时 间 寻 找 需 要 的 信 息, 因 此, 访 问 磁 带 被 称 作 伪 随 机 访 问 USB 磁 带 设 备 支 持 QIC-157 磁 带 的 高 级 技 术 连 接 包 接 口 (ATAPI) 固 态 子 类 固 态 大 容 量 存 储 设 备 一 般 要 求 存 储 块 在 写 之 前 擦 除 固 态 设 备 只 传 输 数 据, 不 要 求 任 何 同 步 终 点 接 口 使 用 部 分 为 了 直 接 存 储 器 存 储 和 可 视 存 储 设 备 制 订 的 SCSI-2 协 议 这 个 接 口 支 持 SCSI-2 命 令 集 的 一 个 子 集 参 考 规 范 可 详 细 了 解 固 态 存 储 设 备 的 SCSI 命 令 特 殊 类 和 特 殊 设 备 的 USB 请 求 大 容 量 存 储 设 备 使 用 的 可 编 程 接 口 包 括 使 用 默 认 控 制 终 点 给 设 备 传 送 命 令 命 令 通 过 USB 控 制 传 输 发 送 这 些 设 备 支 持 USB 定 义 的 标 准 命 令, 但 是 也 支 持 大 容 量 存 储 设 备 类 定 义 的 特 殊 类 和 特 殊 子 类 命 令 一 旦 大 容 量 存 储 器 定 义 了 特 殊 类 请 求, 那 就 会 发 送 子 类 特 定 ( 设 备 特 定 ) 的 命 令 这 个 请 求 被 定 义 为 接 收 设 备 特 定 命 令 (ADSC) 请 求 这 个 指 令 被 定 义 为 0 号 指 令 当 发 送 这 个 指 令 时, 设 备 特 定 命 令 就 会 在 控 制 传 输 的 数 据 阶 段 发 送 命 令 的 格 式 取 决 大 容 量 存 储 器 的 子 类 : 250

273 设 备 类 一 般 大 容 量 存 储 ANSI X3.131, 小 型 计 算 机 系 统 接 口 -2 CD-ROM SFF-8020i CD-ROM ATA 包 接 口 磁 带 QIC 157, 磁 带 ATA 包 接 口 固 态 QIC 157, 磁 带 ATA 包 接 口 和 SCSI 命 令 组 ( 修 正 ) 251

274 第 六 部 分 USB 软 件 概 述 第 六 部 分 讨 论 USB 软 件 环 境 这 部 分 内 容 是 USB 软 件 基 本 要 求 的 概 述, 不 讨 论 任 何 一 个 特 定 的 操 作 环 境 241

275 USB 主 机 软 件 概 述 USB 主 机 软 件 概 述 22 上 一 章 上 一 章 我 们 介 绍 设 备 类 的 概 念, 并 讨 论 它 们 在 USB 中 的 角 色 这 一 章 也 介 绍 已 经 批 准 的 设 备 类 ( 本 书 写 作 过 程 中 ), 对 音 频 设 备 大 容 量 存 储 器 监 视 器 和 通 信 设 备 类 进 行 了 概 要 讲 解 介 绍 这 些 类 是 为 了 给 读 者 提 供 每 个 类 的 简 要 信 息 和 它 们 使 用 的 USB 机 制 细 致 的 讨 论 要 求 在 这 些 领 域 有 较 深 的 基 础 知 识, 例 如 电 话 音 频 等 本 书 以 外 的 领 域 本 章 主 机 软 件 包 括 三 个 类 型 的 组 件 :USB 设 备 驱 动 程 序 USB 驱 动 程 序 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 这 章 我 们 讨 论 每 一 层 所 扮 演 的 角 色, 描 述 可 编 程 接 口 的 请 求 USB 软 件 主 机 软 件 提 供 USB 设 备 驱 动 程 序 ( 或 者 是 客 户 端 程 序 ) 和 它 们 必 须 与 之 通 信 的 设 备 之 间 的 接 口 USB 设 备 驱 动 程 序 不 知 道 USB 实 现 方 式 就 是 说, 它 们 没 有 USB 的 特 性 能 力 和 限 制 信 息,USB 设 备 也 没 有 因 此,USB 主 机 软 件 必 须 接 收 USB 设 备 驱 动 程 序 的 传 输 请 求 并 且 根 据 USB 的 要 求 来 执 行 这 些 请 求 下 面 是 USB 系 统 支 持 的 一 般 能 力 USB 接 口 控 制 配 置 服 务 总 线 和 设 备 管 理 电 源 控 制 设 备 数 据 访 问 事 件 通 知 收 集 状 态 和 活 动 统 计 错 误 检 测 和 处 理 USB 软 件 基 于 USB 规 范 建 立 的 设 备 框 架 这 个 框 架 描 述 了 每 个 有 USB 设 备 的 软 件 单 元 的 逻 辑 视 图 我 们 会 在 下 面 复 习 USB 软 件 层 和 USB 设 备 视 图 之 间 的 关 系, 参 见 图 22-1 功 能 层 在 USB 上 运 行 的 事 务 由 USB 设 备 驱 动 程 序 ( 客 户 端 驱 动 程 序 ) 初 始 化 在 配 置 过 程 中, 253

276 第 22 章 集 线 器 客 户 端 访 问 总 线, 当 访 问 其 他 USB 设 备 时, 客 户 端 驱 动 程 序 可 以 是 类 特 定 或 者 厂 商 特 定 的 不 论 哪 个 USB 客 户 端 驱 动 程 序 想 访 问 指 定 USB 设 备, 它 都 必 须 使 用 主 机 软 件 请 求 它 的 I/O 传 输 在 USB 上 运 行 ( 通 过 I/O 请 求 包,IRP) 这 些 客 户 端 仅 仅 知 道 它 要 操 纵 的 接 口 ( 由 一 组 终 点 组 成 ) 的 信 息 因 此,USB 客 户 端 驱 动 程 序 对 于 USB 的 可 见 度 限 制 在 : 设 备 中 的 接 口 接 口 中 预 定 义 的 帮 助 它 们 决 定 特 殊 性 质 的 特 殊 类 描 述 符 主 机 软 件 提 供 的 访 问 和 控 制 其 功 能 的 机 制 主 机 系 统 USB 设 备 客 户 端 软 件 功 能 部 件 功 能 层 USB 系 统 软 件 USB 逻 辑 设 备 USB 设 备 层 USB 主 机 控 制 器 ( 根 集 线 器 ) USB 总 线 接 口 USB 总 线 接 口 层 物 理 通 信 流 逻 辑 通 信 流 图 22-1 设 备 框 架 从 软 件 看 硬 件 的 视 图 设 备 层 客 户 端 初 始 化 的 传 输 必 须 根 据 USB 的 性 质 和 目 标 USB 设 备 的 性 质 来 运 行 USB 主 机 软 件 通 过 提 供 初 始 化 传 输 和 控 制 设 备 的 服 务 来 支 持 USB 客 户 端 主 机 软 件 也 保 证 总 线 可 以 支 持 所 有 连 接 到 端 口 的 设 备 主 机 软 件 通 过 标 准 设 备 描 述 符 来 审 视 设 备 描 述 符 提 供 必 要 的 信 息, 决 定 设 备 使 用 哪 个 驱 动 程 序, 设 备 需 要 多 少 总 线 带 宽 有 了 这 些 信 息, 主 机 软 件 就 能 够 创 建 一 个 通 信 管 道, 客 户 端 会 在 访 问 它 们 的 接 口 时 使 用 这 个 254

277 USB 主 机 软 件 概 述 管 道 主 机 软 件 也 将 IRP 包 转 发 到 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 (HCD), 这 个 驱 动 程 序 有 主 机 控 制 器 的 特 定 信 息 HCD 以 它 能 理 解 的 方 式 将 IRP 传 到 主 机 控 制 器 接 口 层 这 一 层 的 代 表 组 件 是 主 机 控 制 器 代 表 ( 包 括 根 集 线 器 ) USB 电 缆 设 备 的 USB 接 口 这 些 组 件 实 际 传 输 发 往 ( 或 者 来 自 )USB 设 备 的 控 制 或 者 数 据 信 息 软 件 组 件 USB 软 件 组 由 三 个 软 件 单 元 组 成, 见 图 22-2 各 个 层 的 基 本 功 能 包 括 下 面 一 些 ( 但 是 要 注 意, 实 际 的 分 工 没 有 被 USB 规 范 明 确 定 义 ): 应 用 层 设 备 软 件 ( 例 如 VCOM) 操 作 系 统 配 置 软 件 ( 例 如 PnP) 配 置 管 理 客 户 端 服 务 USB 驱 程 总 线 管 理 数 据 传 输 管 理 USB 主 机 控 制 器 驱 程 调 度 管 理 队 列 管 理 控 制 器 管 理 USB 主 机 控 制 器 USB 设 备 USB 设 备 USB 设 备 USB 设 备 USB 设 备 图 22-2 软 件 层 255

278 第 22 章 USB 客 户 端 驱 动 程 序 客 户 端 驱 动 程 序 是 控 制 指 定 USB 功 能 设 备 的 软 件 每 个 连 接 到 USB 的 功 能 类 型 都 要 有 客 户 端 驱 动 程 序 这 些 驱 动 程 序 并 不 了 解 USB 传 输 机 制 的 细 节, 必 须 依 赖 主 机 软 件, 管 理 基 于 USB 性 质 和 限 制 的 传 输 请 求 客 户 定 义 端 驱 动 程 序 的 多 数 实 现 基 于 设 备 类 符 从 客 户 端 的 视 角,USB 设 备 是 一 组 终 点, 可 以 被 访 问, 被 控 制, 可 以 和 它 的 功 能 设 备 通 信 USB 驱 动 程 序 (USBD) USB 驱 动 程 序 知 道 设 备 要 求 ( 通 过 设 备 描 述 符 ), 也 知 道 USB 的 性 质 有 了 这 些 信 息,USB 必 须 将 IRP 包 分 解 为 适 合 USB 和 设 备 大 小 的 数 据 段 USBD 也 通 过 保 证 每 个 设 备 能 够 得 到 要 求 的 USB 资 源 而 支 持 设 备 配 置 它 为 每 个 端 点 在 配 置 过 程 中 建 立 一 条 通 信 管 道, 但 是 这 只 是 在 带 宽 资 源 能 够 满 足 的 情 况 下 USBD 提 供 一 个 叫 做 USBDI 的 可 编 程 接 口, 给 客 户 端 软 件 提 供 了 请 求 要 在 USB 设 备 上 执 行 的 传 输 的 方 法 USB 驱 动 程 序 提 供 各 种 客 户 端 驱 动 程 序 帮 助 USB 客 户 端 控 制 和 访 问 功 能 设 备 USB 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 (HCD) USB 主 机 控 制 器 驱 程 定 义 了 两 种 应 用 : 开 放 主 机 控 制 器 和 通 用 主 机 控 制 器 因 此, 如 果 每 种 设 备 都 被 主 机 软 件 支 持, 必 须 实 现 两 种 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 为 USB 提 供 低 层 的 支 持, 这 通 过 将 IRP 包 转 换 为 在 USB 上 独 立 运 行 的 事 务 实 现 在 USB 驱 动 程 序 和 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 之 间 的 可 编 程 接 口 是 与 具 体 实 现 相 关 的, 在 USB 规 范 中 没 有 注 意,USB 规 范 不 定 义 USBD 和 USB 响 应 的 实 际 任 务 分 解 下 面 的 章 节 我 们 定 义 可 编 程 接 口 的 基 本 要 求, 然 而, 这 些 接 口 的 实 际 操 作 是 和 操 作 系 统 相 关 的 USB 驱 动 程 序 (USBD) USB 驱 动 程 序 包 括 下 面 的 功 能 : 配 置 管 理 总 线 管 理 ( 跟 踪 和 分 配 总 线 带 宽 ) 数 据 传 输 管 理 提 供 客 户 端 服 务 (USBDI) 每 个 USBD 的 功 能 描 述 如 下 配 置 管 理 主 机 软 件 必 须 支 持 USB 设 备 自 动 配 置 参 与 配 置 的 实 际 软 件 单 元 和 配 置 的 步 骤 序 列 根 据 情 况 不 尽 相 同 配 置 在 根 集 线 器 开 始, 一 次 处 理 一 个 端 口, 直 到 所 有 连 接 的 设 备 配 置 完 毕 配 置 活 动 依 赖 于 对 每 个 设 备 的 默 认 控 制 端 点 的 访 问 在 配 置 开 始 前,USBD 初 始 化 默 认 控 制 管 道 这 个 管 道 在 控 制 过 程 中 被 重 复 使 用 参 与 配 置 的 实 际 软 件 单 元 根 据 应 用 的 不 同 而 不 同, 但 是, 概 念 上 参 与 配 置 的 组 件 有 : 集 线 器 客 户 端 驱 动 程 序 配 置 软 件 256

279 USB 主 机 软 件 概 述 USBD 配 置 要 求 的 USB 元 素 USB 配 置 包 括 三 个 不 同 的 配 置 元 素 : 设 备 配 置 设 备 配 置 包 括 访 问 设 备 描 述 符, 判 断 设 备 要 求 的 USB 资 源 ( 即, 电 源 和 总 线 带 宽 ), 为 每 个 终 点 建 立 通 信 管 道 分 配 这 些 资 源, 给 选 定 的 配 置 分 配 配 置 值, 设 备 配 置 已 在 本 书 的 第 五 部 分 讨 论 USB 配 置 在 设 备 配 置 过 程 中 建 立 的 通 信 管 道, 只 有 被 使 用 这 个 管 道 的 设 备 的 驱 动 程 序 初 始 化 之 后 才 能 用 在 初 始 化 过 程 中, 设 备 驱 动 程 序 必 须 为 管 道 设 置 策 略 设 置 策 略 意 味 着 定 义 管 道 如 何 被 设 备 驱 动 程 序 使 用 例 如, 建 立 服 务 时 间 间 隔, 客 户 端 使 用 的 最 大 数 据 包 等 等 一 旦 管 道 的 策 略 选 好, 管 道 就 准 备 好, 可 以 使 用 了 功 能 配 置 指 定 USB 设 备 的 设 备 驱 动 程 序 可 以 有 额 外 配 置, 补 充 USB 软 件 不 完 全 知 道 的 信 息 这 个 配 置 一 般 和 特 殊 设 备 类 或 者 是 厂 商 特 定 的 设 备 和 驱 动 程 序 相 关 一 旦 配 置 建 立 了,USBD 允 许 在 指 定 的 接 口 通 过 调 节 设 置 来 修 正 配 置, 或 者 可 以 选 择 一 个 完 全 不 同 的 配 置 分 配 USB 资 源 主 机 件 必 须 能 够 决 定 刚 刚 连 接 到 USB 的 设 备 能 否 在 可 利 用 的 USB 资 源 下 操 作 主 机 软 件 跟 踪 两 个 USB 资 源 : 电 源 总 线 带 宽 软 件 要 保 证 为 了 操 作 而 进 行 配 置 前, 设 备 有 必 要 的 资 源 验 证 电 量 一 些 设 备 要 求 的 电 量 可 能 多 于 指 定 端 口 可 以 获 得 的 总 线 电 量 当 高 耗 电 设 备 连 接 到 总 线 驱 动 的 集 线 器 端 口 时, 可 能 发 生 这 种 情 况 通 过 读 集 线 器 的 描 述 符, 配 置 软 件 能 决 定 指 定 端 口 可 以 获 得 的 电 流 量 ( 允 许 的 最 小 电 流 为 100 毫 安 ) 软 件 也 能 通 过 读 设 备 描 述 符 决 定 连 接 到 端 口 设 备 需 要 的 电 流 量 注 意, 描 述 符 可 以 被 读 取 是 因 为 设 备 不 能 消 耗 多 于 100 毫 安 的 电 流 ( 能 够 得 到 的 电 流 的 最 低 保 证 ) 如 果 设 备 要 求 的 电 流 大 于 端 口 可 以 提 供 的, 软 件 就 不 配 置 设 备, 并 且 报 告 用 户 电 流 不 足 跟 踪 和 分 配 总 线 带 宽 在 为 了 和 设 备 终 点 通 信 而 建 立 管 道 之 前,USB 必 须 判 断 能 否 支 持 给 定 管 道 每 个 终 点 描 述 符 包 括 支 持 终 点 所 要 的 总 线 带 宽 这 个 终 点 描 述 符 规 定 的 带 宽 包 括 数 据 有 效 载 荷 的 值, 不 包 括 开 销 时 间 因 此 USBD 必 须 计 算 在 总 线 上 传 输 数 据 需 要 的 时 间, 一 旦 总 的 执 行 时 间 计 算 出 来, 就 要 检 测 帧 调 度, 看 看 能 否 支 持 一 个 新 管 道 为 了 计 算 指 定 管 道 要 求 的 总 线 带 宽, 必 须 知 道 以 下 几 个 变 量 : 数 据 字 节 数 目 从 终 点 描 述 符 的 最 大 包 值 字 段 读 取 这 个 信 息 传 输 类 型 同 步 和 中 断 传 输 要 求 有 可 靠 保 证 的 带 宽, 而 控 制 传 输 要 求 有 10% 的 带 257

280 第 22 章 宽 保 留 批 量 传 输 在 任 何 一 个 帧 中 都 不 保 留 带 宽 传 输 类 型 决 定 事 务 的 总 开 销 例 如, 同 步 传 输 没 有 握 手 信 号 包 传 输 总 开 销 包 括 令 牌 包 同 步 码 (8)+ 包 标 识 符 (8)+ 地 址 (11)+CRC(5)+ 结 束 包 (2)=34 位 数 据 包 开 销 同 步 码 (8)+ 包 标 识 符 (8)+CRC(16)+ 结 束 包 (2)=34 位 握 手 包 ( 如 果 要 求 )= 同 步 码 (8)+ 包 标 识 符 (8)+ 结 束 包 (2)=18 位 传 输 类 型 被 编 码 到 终 点 描 述 符 的 属 性 字 段 主 机 恢 复 时 间 主 机 控 制 器 所 需 要 的 从 最 后 一 个 传 输 中 恢 复 和 准 备 好 下 一 个 传 输 的 时 间 这 个 变 量 是 主 机 控 制 器 实 现 特 有 的 集 线 器 低 速 设 置 如 果 一 个 事 务 目 标 是 低 速 设 备, 传 送 前 同 步 码 包 和 启 动 低 速 端 口 集 线 器 必 要 的 延 时 所 需 的 时 间 位 填 充 时 间 位 填 充 时 间 也 必 须 计 算 在 内 由 于 位 填 充 是 数 据 流 的 功 能, 主 机 软 件 不 知 道, 所 以 要 包 括 最 坏 的 情 况 下 计 算 附 加 位 的 最 大 时 间 来 作 为 填 充 时 间 ( 字 节 数 ) 拓 扑 结 构 深 度 传 送 一 个 包 到 设 备 并 且 从 设 备 收 到 响 应 的 往 返 路 程 时 间 依 赖 于 传 输 必 须 经 过 的 电 缆 段 的 数 目 最 大 往 返 延 时 规 定 为 16 位 时 间 计 算 事 务 时 间 时, 软 件 可 以 使 用 最 坏 情 况 值, 也 可 以 判 断 设 备 在 拓 扑 结 构 何 处, 基 于 事 务 必 须 穿 过 的 电 缆 段 数 目 计 算 时 间 ( 每 个 电 缆 段 的 单 程 延 时 为 70 纳 秒 ) 一 旦 支 持 管 道 要 求 的 总 的 总 线 时 间 计 算 出 来, 如 果 管 道 能 被 支 持,USBD 就 建 立 一 个 管 道, 把 这 个 事 务 加 到 帧 调 度 里 面 总 线 带 宽 回 收 由 于 许 多 情 况 下 总 线 带 宽 的 计 算 基 于 最 坏 情 况 值 ( 例 如 位 填 充 ), 所 以 在 一 个 帧 内, 所 有 调 度 事 务 完 成 时 常 常 还 有 剩 下 的 总 线 带 宽 主 机 控 制 器 可 以 收 回 剩 下 的 总 线 带 宽, 执 行 其 他 的 事 务, 使 总 线 更 有 效 地 被 利 用 控 制 和 批 量 传 输 是 回 收 总 线 的 候 选 者 由 于 同 步 和 中 断 传 输 被 调 度 了, 所 以 它 们 应 该 已 经 完 成 了 主 机 控 制 器 如 何 实 现 总 线 带 宽 回 收, 根 据 实 现 的 不 同 而 不 同 数 据 传 输 管 理 每 个 在 配 置 阶 段 建 立 的 管 道 是 为 设 备 中 的 功 能 接 口 的 特 定 终 点 定 义 的 一 个 指 定 的 接 口, 这 个 接 口 中 的 每 个 终 点, 都 被 同 一 个 客 户 端 程 序 管 理 在 管 道 使 用 前 必 须 被 初 始 化 在 管 道 初 始 化 过 程 中, 客 户 端 为 管 道 制 订 策 略 策 略 定 义 每 个 IRP 包 的 数 据 量 和 最 大 服 务 时 间 间 隔 ( 如 果 被 要 求 的 话 ) 客 户 端 也 会 从 USBD 请 求 状 态 信 息 ( 例 如 完 成 状 态 ) 客 户 端 必 须 指 定 内 存 缓 冲 区 的 位 置, 存 放 从 设 备 终 点 读 到 的 数 据, 或 者 是 写 到 设 备 的 数 据 USBD 也 许 需 要 需 要 分 裂 IRP 包, 来 支 持 端 点 ( 缓 冲 区 大 小 ) 和 USB 协 议 的 限 制 258

281 USB 主 机 软 件 概 述 提 供 客 户 端 服 务 (USB 驱 动 程 序 接 口 ) USB 设 备 必 须 提 供 客 户 端 软 件 使 用 的 可 编 程 接 口 (USBDI) 来 控 制 和 访 问 USB 设 备 通 过 这 些 机 制,USBD 提 供 多 种 客 户 服 务, 一 个 USB 驱 动 程 序 的 实 现 必 须 提 供 的 有 如 下 软 件 机 制 : 命 令 机 制 命 令 机 制 允 许 客 户 端 配 置 和 控 制 USBD 操 作, 以 及 配 置 和 一 般 控 制 一 个 USB 设 备 有 些 命 令 可 能 会 利 用 管 道 机 制 管 道 机 制 管 道 机 制 允 许 USBD 客 户 端 管 理 设 备 指 定 数 据 和 控 制 传 输 管 道 机 制 不 允 许 直 接 访 问 设 备 的 默 认 管 道, 因 为 默 认 管 道 归 USBD 所 有 管 道 机 制 USB 支 持 两 种 基 本 的 管 道 : 默 认 管 道 (USBD 所 有 ) 默 认 管 道 原 则 上 用 来 访 问 设 备 的 配 置 信 息 USB 驱 动 程 序 负 责 建 立 这 个 管 道, 并 管 理 通 过 这 个 管 道 的 访 问, 除 非 USB 使 用 默 认 管 道 来 完 成 部 分 的 请 求 客 户 端 管 道 ( 消 息 和 数 据 流 管 道 ) 客 户 端 管 道 是 任 何 不 归 USB 管 理 的 管 道 客 户 端 使 用 这 个 管 道 向 功 能 端 点 发 送 或 者 从 功 能 端 点 读 取 数 据 客 户 端 负 责 提 供 支 持 数 据 传 输 速 率 的 缓 冲 区 所 有 四 种 类 型 的 管 道 ( 基 于 四 种 传 输 类 型 ) 都 被 支 持 客 户 端 管 道 请 求 USB 客 户 端 管 道 机 制 需 要 支 持 下 列 功 能 这 些 功 能 可 提 供 客 户 端 高 速 / 低 开 销 的 数 据 传 输 方 法 : 中 断 IRP 排 队 管 理 IRP 管 理 管 道 策 略 命 令 机 制 命 令 机 制 允 许 客 户 端 访 问 和 控 制 USB 设 备 例 如, 使 用 读 写 访 问 应 用 到 设 备 数 据 终 点 和 控 制 终 点 命 令 机 制 提 供 下 列 一 般 的 访 问 和 服 务 USBDI 必 须 为 下 列 动 作 提 供 机 制 : 接 口 状 态 控 制 管 道 复 位 管 道 中 断 恢 复 描 述 符 取 当 前 配 置 设 置 增 加 设 备 ( 集 线 器 客 户 端 ) 分 离 设 备 ( 集 线 器 客 户 端 ) 管 理 状 态 发 送 类 命 令 发 送 厂 商 命 令 259

282 第 22 章 创 建 替 换 设 置 创 建 配 置 创 建 最 大 包 值 设 置 描 述 符 260

283 附 录

284 标 准 设 备 请 求 标 准 设 备 请 求 A 概 述 所 有 的 USB 设 备 必 须 响 应 称 为 标 准 命 令 的 USB 命 令 这 些 命 令 用 来 配 置 设 备, 控 制 USB 接 口 状 态, 还 具 有 其 他 多 种 功 能 设 备 请 求 是 主 机 使 用 控 制 传 输 机 制 发 送 的 配 置 之 前, 设 备 响 应 默 认 地 址 0 这 允 许 配 置 软 件 在 配 置 过 程 中 使 用 设 备 地 址 0 来 请 求 设 备 描 述 符 的 内 容 ( 从 终 点 0) 另 外, 设 备 可 以 支 持 特 殊 类 请 求 除 了 集 线 器 设 备, 这 些 类 请 求 是 由 设 备 类 规 范 定 义 的, 不 被 包 括 在 规 范 的 主 要 部 分 相 似 的, 设 备 可 以 支 持 适 于 给 定 厂 商 实 现 的 厂 商 特 定 请 求 用 于 发 送 设 备 请 求 的 控 制 传 输 主 要 由 设 置 阶 段 状 态 阶 段 组 成, 也 可 以 包 括 数 据 阶 段, 这 根 据 请 求 的 类 型 而 定 设 置 阶 段 由 图 A-1 的 设 置 事 务 组 成 设 置 阶 段 的 8 个 字 节 有 效 载 荷 定 义 了 主 机 请 求 的 类 型 这 个 附 录 只 讨 论 标 准 设 备 请 求 参 考 特 定 设 备 章 节 了 解 特 殊 类 请 求 控 制 传 输 的 准 备 阶 段 准 备 包 8 字 节 数 据 净 荷, 指 定 特 定 的 要 求 握 手 信 号 包 图 A-1 指 定 所 执 行 的 设 备 请 求 的 设 置 事 务 的 格 式 标 准 设 备 请 求 当 控 制 传 输 被 初 始 化 时, 事 务 的 设 置 阶 段 指 出 设 备 执 行 的 特 定 请 求 设 置 数 据 的 格 式 如 图 A-1 所 示 而 表 A-2 定 义 了 每 个 标 准 请 求 类 型 设 置 数 据 的 内 容 注 意, 图 A-1 的 偏 移 0 中 位 5 和 6 是 00, 指 示 请 求 是 标 准 请 求 类 型 第 二 个 字 节 ( 请 求 字 段 ) 定 义 执 行 哪 个 标 准 请 求, 而 其 他 字 段 依 据 发 送 的 请 求 而 定 例 如, 清 除 特 性 请 求 定 义 选 择 的 特 性 的 值 字 段 图 A-3 列 出 了 请 求 可 以 运 用 的 特 性 下 面 我 们 讨 论 每 个 标 准 请 求 注 意, 表 A-2 标 记 为 数 据 的 最 后 一 列, 指 示 在 控 制 传 输 中 请 求 是 否 需 要 有 数 据 阶 段 例 如 取 配 置 请 求 使 用 数 据 阶 段 传 输 配 置 值 但 是, 许 多 请 求 可 以 没 有 数 据 阶 段 263

285 附 录 A 表 A-1 准 备 事 务 的 数 据 格 式 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 请 求 类 型 1 位 映 射 请 求 特 点 D7 数 据 传 输 方 向 0= 主 机 到 设 备 1= 设 备 到 主 机 D6:5 类 型 0= 标 准 1= 类 2= 厂 商 3= 保 留 D4:0 接 收 者 0= 设 备 1= 接 口 2= 终 点 3= 其 他 4-31= 保 留 1 请 求 1 值 指 定 的 请 求 2 值 2 值 以 字 计 算 大 小 的 字 段, 根 据 请 求 不 同 而 不 同 4 索 引 2 偏 移 或 者 索 引 以 字 计 算 大 小 的 字 段, 根 据 请 求 不 同 而 不 同 一 般 传 递 索 引 或 者 偏 移 值 6 长 度 2 计 数 若 传 输 中 有 数 据 阶 段, 则 为 这 个 传 输 的 数 据 的 字 节 数 目 如 果 请 求 的 字 段 包 括 的 值 不 合 法 或 者 不 被 支 持, 请 求 所 指 向 的 终 点 自 动 进 入 停 止 状 态 主 机 软 件 必 须 使 用 清 除 停 止 (Clear Stall) 命 令 清 除 停 止 状 态 控 制 终 点 必 须 继 续 接 收 设 置 事 务, 即 使 被 停 止 了 也 不 例 外 如 果 默 认 控 制 终 点 不 响 应 设 置 事 务, 设 备 必 须 复 位 清 除 这 种 状 态 表 A-2 标 准 设 备 请 求 请 求 类 型 B B B B 请 求 清 除 特 性 01h 取 配 置 08h 值 索 引 长 度 (2 字 节 ) (2 字 节 ) (2 字 节 ) 数 据 特 性 选 择 0 0 无 接 口 终 点 配 置 值 B 取 描 述 符 描 述 符 类 型 0 或 者 描 述 符 描 述 符 06h 和 索 引 语 言 标 识 长 度 264

286 标 准 设 备 请 求 请 求 类 型 B B B B B B B B B B B B 请 求 取 接 口 10h 取 状 态 00h 设 置 地 址 05h 设 置 配 置 09h 设 置 描 述 符 03h 设 置 特 性 11h 设 置 接 口 11h 同 步 帧 (12h) 续 表 值 索 引 长 度 (2 字 节 ) (2 字 节 ) (2 字 节 ) 数 据 0 接 口 1 替 换 接 口 设 备 接 口 或 接 口 者 终 点 状 态 终 点 设 备 地 址 0 0 无 配 置 值 0 0 无 描 述 符 类 型 0 或 者 描 述 符 描 述 符 和 索 引 语 言 标 识 长 度 特 性 选 择 0 0 无 接 口 终 点 替 换 设 置 接 口 0 无 0 终 点 2 帧 号 设 置 或 者 清 除 特 性 设 置 和 清 除 特 性 命 令 提 供 了 一 种 方 法, 启 用 和 禁 用 特 性 选 择 值 定 义 的 一 组 特 性 标 准 设 备 请 求 定 义 了 两 个 特 性, 如 表 A-3 所 示 表 A-3 特 性 选 择 特 性 选 择 接 收 者 值 设 备 远 程 唤 醒 设 备 1 终 点 停 止 终 点 0 设 备 远 程 唤 醒 一 些 设 备 可 以 在 全 局 挂 起 时 唤 醒 系 统, 或 者 唤 醒 被 选 择 性 挂 起 的 集 线 器 端 口 ( 关 于 挂 起 的 细 节 请 参 看 第 九 章 ) 当 选 择 设 备 远 程 唤 醒 时, 用 设 置 特 性 命 令 可 以 让 设 备 向 集 线 器 发 送 唤 醒 信 号 清 除 设 备 远 程 唤 醒 命 令 阻 止 设 备 向 集 线 器 发 送 唤 醒 信 号 一 个 设 备 是 否 有 能 力 发 送 远 程 唤 醒 信 号 通 过 取 状 态 命 令 报 告 给 软 件 265

287 附 录 A 终 点 停 止 软 件 可 以 停 止 指 定 终 点 或 者 清 除 停 止 信 息 设 置 和 清 除 端 点 停 止 命 令 通 过 设 置 事 务 的 索 引 字 段 定 义 设 备 的 哪 个 终 点 被 命 中 每 个 终 点 都 有 一 个 停 止 位, 指 示 终 点 当 前 是 否 停 止 停 止 位 在 取 状 态 命 令 中 读 取 设 置 或 者 取 配 置 主 机 软 件 通 过 选 择 一 个 设 备 描 述 符 中 定 义 的 配 置 来 配 置 设 备, 并 且 分 配 一 个 8 位 的 配 置 值 给 设 备 软 件 使 用 设 置 配 置 命 令 分 发 配 置 值 相 反 的, 软 件 可 以 询 问 哪 个 配 置 被 加 到 了 设 备 上, 这 要 使 用 取 配 置 命 令 注 意, 配 置 值 是 在 控 制 传 输 的 数 据 阶 段 被 传 送 的 设 置 或 者 取 描 述 符 使 用 取 描 述 符 命 令 可 读 取 设 备 描 述 符 设 备 支 持 设 置 描 述 符 命 令 来 加 入 新 的 或 者 更 新 已 经 存 在 的 描 述 符 任 何 一 种 情 况, 都 会 命 中 一 个 指 定 的 描 述 符 和 描 述 符 中 的 索 引 字 段 标 准 的 取 / 设 置 描 述 符 命 令 仅 仅 支 持 设 备 配 置 和 字 符 描 述 符 每 个 描 述 符 有 一 个 响 应 的 值, 它 定 义 了 描 述 符 类 型, 如 表 A-5 所 示 接 口 和 端 点 描 述 符 只 能 通 过 取 配 置 描 述 符 命 令 取 得, 在 选 择 的 配 置 描 述 符 中 返 回 主 机 软 件 最 初 是 访 问 设 备 描 述 符 来 决 定 设 备 默 认 控 制 管 道 支 持 的 最 大 数 据 载 荷 设 备 描 述 符 定 义 设 备 默 认 控 制 管 道 ( 终 点 0) 支 持 的 最 大 数 据 载 荷 主 机 软 件 可 以 通 过 发 送 取 描 述 符 命 令 类 决 定 终 点 0 的 最 大 数 据, 参 考 表 A-4 值 字 段 中 的 高 位 字 节 包 括 描 述 符 类 型 (01= 设 备 描 述 符 ), 低 位 字 节 包 括 描 述 符 索 引, 设 备 会 返 回 在 索 引 指 定 的 地 址 区 开 始 的 设 备 描 述 符 的 内 容 描 述 符 内 容 在 控 制 传 输 的 数 据 阶 段 返 回 表 A-4 取 描 述 符 命 令 中 设 置 事 务 的 内 容 请 求 类 型 请 求 值 (2 字 节 ) 01h= 设 备 描 述 符 07h= 索 引 索 引 (2 字 节 ) 0 或 者 语 言 标 识 长 度 (2 字 节 ) 描 述 符 长 度 数 据 B 取 描 述 符 06h 描 述 符 内 容 注 意 如 果 字 符 串 描 述 符 指 定 了, 那 么 索 引 值 要 包 括 语 言 标 识 其 他 描 述 符 类 型 索 引 字 段 清 零 表 A-5 通 过 标 准 取 / 设 置 描 述 符 请 求 可 以 指 定 的 描 述 符 类 型 描 述 符 类 型 值 设 备 1 配 置 2 字 符 串 3 266

288 标 准 设 备 请 求 设 置 或 者 取 接 口 设 置 和 取 接 口 请 求 可 用 于 指 定 一 些 选 择 的 配 置 中 可 以 使 用 的 替 换 设 置 因 为, 一 些 设 备 可 以 有 一 个 包 括 互 斥 的 设 置 这 种 情 况 下, 接 口 描 述 符 提 供 替 换 配 置 的 选 择 值 设 置 必 须 使 用 设 置 接 口 命 令 进 行 选 择 主 机 可 以 判 断 哪 个 替 换 设 置 被 选 择 了, 这 要 使 用 取 接 口 命 令 实 现 取 状 态 主 机 可 以 通 过 取 状 态 命 令 从 设 备 获 取 状 态 信 息 状 态 信 息 在 控 制 传 输 的 数 据 阶 段 返 回 主 机 软 件 可 以 把 从 三 个 设 备 层 取 来 的 信 息 分 类 : 设 备 状 态 提 供 整 个 设 备 的 全 局 状 态 接 口 状 态 返 回 全 0 接 口 状 态 定 义 保 留 终 点 状 态 提 供 属 于 选 定 终 点 的 状 态 信 息 偏 移 0 的 请 求 类 型 字 段 规 定 了 请 求 的 接 收 者 如 表 A-1 所 示 状 态 信 息 以 小 端 格 式 返 回 到 选 定 的 接 收 端, 就 像 下 面 描 述 符 的 那 样 由 于 接 口 状 态 信 息 保 留, 只 包 括 设 备 和 终 点 状 态 信 息 设 备 状 态 表 A-6 是 在 取 状 态 命 令 执 行 时 返 回 到 主 机 的 信 息, 接 收 者 是 设 备 表 A-6 在 取 状 态 命 令 时 返 回 的 设 备 状 态 信 息 保 留 ( 置 零 ) 端 口 测 试 远 程 唤 醒 自 供 电 保 留 ( 置 零 ) 自 供 电 位 自 供 电 位 反 映 了 设 备 当 前 是 否 是 总 线 供 电 的 (0) 还 是 自 供 电 的 (1) 这 个 字 段 不 能 由 设 置 特 性 和 清 除 特 性 改 变 远 程 唤 醒 位 这 个 位 反 映 设 备 当 前 是 否 可 以 生 成 恢 复 信 号 来 唤 醒 集 线 器 端 口 这 个 位 在 复 位 后 的 默 认 值 是 0, 因 此 禁 止 远 程 唤 醒 主 机 软 件 可 以 设 置 和 清 除 这 个 位, 要 使 用 设 置 和 清 除 设 备 远 程 唤 醒 命 令 端 口 测 试 位 这 个 位 反 映 设 备 当 前 是 否 是 测 试 模 式 为 了 离 开 测 试 状 态, 设 备 必 须 再 循 环 电 流 关 于 测 试 模 式 的 细 节 请 参 见 设 备 测 试 267

289 附 录 A 终 点 状 态 表 A-7 是 终 点 为 命 令 的 接 收 者 时 返 回 的 信 息 终 点 号 在 设 置 事 务 的 索 引 字 段 定 义 低 位 字 节 包 含 终 点 号 和 它 支 持 的 传 输 方 向 (IN 或 者 OUT) 终 点 状 态 信 息 只 包 括 停 止 位, 其 他 位 保 留 表 A-7 在 取 状 态 命 令 时 返 回 到 终 点 状 态 信 息 保 留 ( 置 零 ) 停 止 保 留 ( 置 零 ) 停 止 位 指 出 终 点 是 否 停 止 : 停 止 (1), 不 停 止 (0) 这 个 位 可 以 由 设 置 和 清 除 终 点 停 止 命 令 设 置 停 止 字 段 总 是 在 发 送 设 置 配 置 和 设 置 接 口 命 令 后 返 回 0 同 步 帧 使 用 隐 式 同 步 化 的 同 步 终 点 使 用 这 个 命 令 同 步 终 点 需 要 跟 踪 帧 号 来 保 持 同 步 同 步 终 点 事 务 可 以 根 据 它 转 发 的 特 定 格 式 有 不 同 的 大 小 主 机 和 终 点 必 须 达 成 一 致, 在 哪 个 帧 开 始 转 发 序 列 主 机 使 用 同 步 帧 命 令 规 定 在 哪 个 转 发 抽 样 中 开 始 同 步 帧 请 求 的 数 据 阶 段 包 括 序 列 开 始 的 帧 号 收 到 帧 号 后, 设 备 可 以 开 始 监 视 每 个 在 开 始 帧 中 发 送 的 帧 号 设 备 测 试 高 速 收 发 器 兼 容 测 试 USB 2.0 规 范 定 义 了 一 系 列 高 速 设 备 ( 包 括 主 机 控 制 器 和 高 速 集 线 器 ) 必 须 支 持 兼 容 测 试 的 测 试 模 式 这 些 测 试 模 式 通 过 控 制 传 输 请 求 进 入, 该 请 求 使 端 口 收 发 器 处 于 下 列 测 试 模 式 : TEST_SE0_NAK 这 个 模 式 让 选 择 的 端 口 进 入 高 速 接 收 状 态 这 启 用 输 出 电 阻 测 试 低 电 平 输 出 电 压 和 加 载 特 性 测 试 TEST_J 这 个 模 式 使 收 发 器 通 过 切 换 电 流 到 D+ 线 传 送 一 串 J 序 列 这 允 许 D+ 的 驱 动 电 平 可 以 被 测 试 TEST_K 这 个 模 式 使 收 发 器 通 过 切 换 电 流 到 D- 线 传 送 一 串 K 序 列 这 允 许 D- 的 驱 动 电 平 可 以 被 测 试 TEST_Packet 这 个 模 式 使 设 备 传 送 重 复 的 字 符 串 这 个 模 式 执 行 眼 图 来 检 查 合 适 的 传 输 特 性 和 接 收 器 敏 感 度 268

290 标 准 设 备 请 求 活 动 测 试 模 式 当 设 备 处 在 默 认 状 态 地 址 分 配 状 态 和 配 置 状 态 时, 可 激 活 测 试 模 式 使 用 控 制 传 输 使 设 备 进 入 一 个 测 试 状 态 设 置 特 性 命 令 在 控 制 传 输 的 设 置 阶 段 被 传 送 到 设 备, 设 备 必 须 在 设 置 阶 段 完 成 3 毫 秒 之 内 进 入 测 试 模 式 表 A-8 是 设 置 阶 段 送 到 设 备 的 8 个 字 节 数 据 的 格 式 注 意, 特 性 被 设 为 端 口 测 试, 索 引 字 段 包 括 了 定 义 所 执 行 测 试 的 测 试 选 择 为 了 退 出 测 试 模 式, 设 备 电 流 必 须 循 环 表 A-8 使 设 备 进 入 测 试 模 式 的 设 备 请 求 格 式 请 求 类 型 请 求 值 ( 特 性 ) 索 引 长 度 数 据 B 设 置 特 性 端 口 测 试 测 试 选 择 0 无 00h 21 测 试 选 择 值 在 表 A-9 中 定 义 表 A-9 测 试 选 择 值 描 述 选 择 值 TEST J TEST K TEST_SE0_NAK TEST_PACKET TEST_FORCE_ENABLE 保 留 给 标 准 测 试 选 择 保 留 保 留 给 厂 商 特 定 的 测 试 选 择 01h 02h 03h 04h 05h 06-3Fh 40-BFh C0-FFh 269

291 附 录 B B 集 线 器 请 求 概 述 集 线 器 必 须 响 应 各 种 USB 设 备 请 求 和 命 令 标 准 请 求 用 于 配 置 集 线 器 控 制 USB 接 口 状 态 和 其 他 各 种 各 样 的 特 性 集 线 器 还 必 须 支 持 控 制 特 定 集 线 器 和 端 口 特 性 的 特 殊 类 请 求 所 有 的 请 求 由 主 机 使 用 控 制 传 输 机 制 发 送 配 置 之 前, 设 备 响 应 默 认 地 址 0 这 允 许 配 置 软 件 在 配 置 过 程 中 使 用 设 备 地 址 0 来 请 求 设 备 描 述 符 的 内 容 ( 来 自 端 点 0) 发 送 设 备 请 求 的 控 制 传 输, 主 要 由 设 置 阶 段 状 态 阶 段 组 成, 也 可 以 包 括 数 据 阶 段, 这 根 据 请 求 的 类 型 而 定 设 置 阶 段 由 图 B-1 的 准 备 事 务 组 成 设 置 事 务 的 8 个 字 节 有 效 载 荷 定 义 了 主 机 所 发 送 的 请 求 的 类 型 控 制 传 输 的 准 备 阶 段 准 备 包 8 字 节 数 据 净 荷, 指 定 特 定 的 要 求 握 手 信 号 包 图 B-1 设 备 请 求 设 置 事 务 的 格 式 集 线 器 请 求 类 型 表 B-1 定 义 了 请 求 类 型 的 8 个 字 节 的 数 据 包 数 据 包 字 节 0 包 括 的 位 映 射 定 义 了 : 数 据 传 输 方 向 请 求 类 型 请 求 的 接 收 器 数 据 包 字 节 0 包 括 的 位 映 射 指 示 标 准 请 求 的 包 类 型 因 为, 位 5 和 6 都 是 0, 指 示 请 求 是 标 准 请 求 类 型,01 值 指 示 请 求 是 集 线 器 类 集 线 器 类 请 求 如 表 B-4 所 列 标 准 请 求 和 集 线 器 响 应 集 线 器 必 须 像 其 他 设 备 一 样 支 持 标 准 设 备 请 求 表 B-2 列 出 了 集 线 器 响 应 的 标 准 设 备 270

292 集 线 器 请 求 请 求 表 B-1 设 置 事 务 的 数 据 格 式 偏 移 字 段 大 小 值 描 述 0 请 求 类 型 1 位 映 射 请 求 特 点 D7 数 据 传 输 方 向 0= 主 机 到 设 备 1= 设 备 到 主 机 D6:5 类 型 0= 标 准 1= 类 2= 厂 商 3= 保 留 D4:0 接 收 者 0= 设 备 1= 接 口 2= 终 点 3= 其 他 4-31 保 留 1 请 求 1 值 指 定 的 请 求 2 值 2 值 以 字 计 算 大 小 的 字 段, 根 据 请 求 不 同 而 不 同 4 索 引 2 偏 移 或 者 索 引 以 字 计 算 大 小 的 字 段, 根 据 请 求 不 同 而 不 同 一 般 传 递 索 引 或 者 偏 移 值 6 长 度 2 计 数 如 果 传 输 中 有 数 据 阶 段, 则 为 这 个 传 输 的 数 据 的 字 节 数 目 表 B-2 标 准 设 备 请 求 的 集 线 器 响 应 请 求 请 求 字 段 值 集 线 器 响 应 清 除 特 性 1 清 除 设 备 选 定 的 特 性 取 配 置 8 返 回 设 备 的 配 置 值 取 描 述 符 6 返 回 选 择 的 描 述 符 取 接 口 10 任 意 ( 集 线 器 只 要 求 支 持 一 个 接 口 ) 取 状 态 0 返 回 设 备 的 状 态 信 息 设 置 地 址 5 给 设 备 分 配 惟 一 的 地 址 设 置 配 置 9 按 照 选 定 配 置 符 中 的 配 置 值 配 置 设 备 设 置 描 述 符 7 任 意 ( 更 新 和 修 正 选 择 的 描 述 符 ) 设 置 特 性 3 设 置 相 关 设 备 的 特 性 设 置 接 口 11 任 意 ( 集 线 器 只 要 求 支 持 一 个 接 口 ) 271

293 附 录 B 同 步 帧 12 任 意 ( 集 线 器 不 要 求 有 同 步 端 点 ) 集 线 器 类 请 求 集 线 器 必 须 支 持 特 殊 类 请 求 当 请 求 类 型 字 段 ( 位 5:4) 被 设 置 为 01h 时, 解 释 成 特 殊 类 集 线 器 类 请 求 如 下 表 B-3 集 线 器 类 请 求 编 码 请 求 值 取 状 态 0 清 除 特 性 1 保 留 (1.X) 2 设 置 特 性 3 保 留 4-5 取 描 述 符 6 设 置 描 述 符 7 清 除 TT 缓 冲 区 8 复 位 TT 9 取 TT 状 态 10 停 止 TT 11 每 个 集 线 器 的 类 请 求 的 格 式 和 定 义 如 表 B-4 所 示 只 有 集 线 器 设 备 支 持 这 些 类 请 求 每 个 请 求 在 后 面 分 别 讲 述 表 B-4 集 线 器 类 请 求 请 求 类 型 请 求 值 索 引 长 度 数 据 B B B 清 除 特 性 (01) 清 除 特 性 (01) 清 除 TT 缓 冲 区 (08) 特 性 选 择 0 0 无 特 性 选 择 端 口 0 无 设 备 地 址 终 TT 端 口 0 无 点 数 目 B 保 留 (2.0) 取 总 线 状 态 (1.X) (02) 0 端 口 1 每 个 端 口 总 线 状 态 272

294 集 线 器 请 求 B 取 描 述 符 描 述 符 类 型 0 或 者 描 述 符 描 述 符 (06) 和 索 引 语 言 标 识 长 度 续 表 请 求 类 型 请 求 值 索 引 长 度 数 据 B B B 取 状 态 (00) 取 状 态 (00) 复 位 TT (09) 集 线 器 状 态 和 变 化 指 示 0 端 口 4 端 口 状 态 和 变 化 指 示 0 端 口 0 无 B 设 置 描 述 符 描 述 符 类 型 0 或 者 描 述 符 描 述 符 (07) 和 索 引 语 言 标 识 长 度 B B B B 设 置 特 性 (03) 设 置 特 性 (00) 取 TT 状 态 (10) 停 止 TT (11) 特 性 选 择 0 0 无 特 性 选 择 端 口 0 无 TT 标 记 端 口 TT 长 度 TT 状 态 0 端 口 0 无 设 置 或 者 取 描 述 符 特 殊 类 取 集 线 器 描 述 符 请 求 提 供 主 机 软 件 读 取 集 线 器 类 描 述 符 的 方 法 准 备 阶 段 的 值 字 段 必 须 清 零 (00h), 是 集 线 器 描 述 符 的 索 引 号 集 线 器 类 描 述 符 的 定 义 可 以 在 表 中 找 到 设 置 描 述 符 请 求 是 任 意 的 这 个 请 求 用 来 更 新 集 线 器 描 述 符, 只 对 哪 些 有 更 新 集 线 器 描 述 符 机 制 的 集 线 器 有 效 取 集 线 器 状 态 取 集 线 器 状 态 请 求 返 回 集 线 器 的 当 前 状 态 和 状 态 变 化 指 示 这 个 请 求 的 数 据 阶 段 返 回 2 个 字 节 的 当 前 状 态 和 2 个 字 节 的 状 态 变 化 指 示 状 态 变 化 信 息 指 示 哪 个 状 态 事 件 发 生 了 变 化, 状 态 信 息 指 定 当 前 每 个 状 态 位 的 状 态 注 意, 集 线 器 状 态 信 息 是 总 体 特 性, 应 用 到 所 273

295 附 录 B 有 集 线 器 的 端 口 的 信 息 都 是 一 样 的 集 线 器 状 态 字 段 集 线 器 状 态 信 息 有 两 个 字 段, 如 表 B-5 所 示 本 地 电 源 状 态 过 电 流 指 示 表 B-5 在 取 集 线 器 状 态 命 令 时 返 回 的 集 线 器 状 态 字 段 的 格 式 保 留 ( 置 零 ) 过 电 指 示 本 地 电 源 状 态 保 留 ( 置 零 ) 本 地 电 源 状 态 本 地 电 源 状 态 字 段 只 应 用 到 同 时 支 持 自 供 电 和 总 线 供 电 或 者 混 合 供 电 的 集 线 器 ( 即, 由 总 线 驱 动 和 本 地 自 供 电 的 总 线 接 口 ) 这 个 字 段 指 示 集 线 器 的 本 地 电 源 是 否 能 用 由 于 USB 接 口 逻 辑 上 是 被 USB 总 线 加 电 的, 状 态 信 息 可 以 返 回, 即 使 到 其 他 集 线 器 的 电 源 丢 失 这 个 位 的 定 义 是 : 0= 本 地 电 源 供 应 良 好 1= 本 地 电 源 供 应 不 足 如 果 这 个 位 返 回 的 是 0, 那 么 到 这 个 接 口 和 集 线 器 的 电 源 是 有 效 的 注 意, 如 果 到 总 线 接 口 的 电 源 不 足, 在 取 集 线 器 状 态 时 会 发 生 超 时, 因 为 集 线 器 不 能 响 应 如 果 加 到 接 口 的 电 源 是 良 好 的, 那 么 事 务 就 可 以 正 常 完 成, 报 告 本 地 电 源 的 当 前 状 态 过 电 流 指 示 过 电 流 指 示 字 段 只 应 用 到 报 告 全 局 过 电 ( 所 有 端 口 电 流 总 和 ) 保 护 的 集 线 器 过 电 是 全 局 报 告 还 是 每 个 端 口 分 别 报 告 在 集 线 器 描 述 符 的 集 线 器 特 性 字 段 中 有 所 指 定 这 个 位 的 定 义 如 下 : 0= 所 有 电 源 正 常 操 作 1= 集 线 器 范 围 内 出 现 过 电 流 情 况 如 果 报 告 了 一 个 过 电 流 情 况, 加 到 所 有 端 口 的 电 源 都 会 被 切 断 集 线 器 状 态 变 化 字 段 集 线 器 状 态 变 化 域 定 义 了 两 个 字 段 : 如 表 B-6 本 地 电 源 状 态 变 化 过 电 流 指 示 变 化 274

296 集 线 器 请 求 本 地 电 源 状 态 变 化 这 个 字 段 直 接 对 应 于 报 告 当 前 电 源 状 态 的 本 地 电 源 状 态 位 如 果 实 现 了 本 地 电 源 状 态 位, 那 么 这 个 位 也 必 须 实 现, 反 之 亦 然 这 个 相 应 的 变 化 位 指 示 本 地 电 源 从 最 后 的 确 认 开 始 是 否 有 变 化 这 个 位 的 定 义 为 : 0= 本 地 电 源 状 态 没 有 变 化 1= 本 地 电 源 状 态 有 变 化 如 果 这 个 位 设 置 了, 那 么 可 以 检 测 本 地 电 源 状 态 变 化 来 判 断 本 地 电 源 的 当 前 状 态 过 电 流 指 示 变 化 这 个 位 对 应 于 过 电 流 指 示 位, 如 果 过 电 流 指 示 位 实 现 了, 那 么 这 个 位 也 必 须 实 现, 反 之 亦 然 这 个 位 的 定 义 为 : 0= 过 电 流 指 示 没 有 发 生 变 化 1= 过 电 流 指 示 位 发 生 了 变 化 这 个 变 化 告 诉 软 件 过 电 指 示 位 发 生 了 变 化, 需 要 检 查 过 电 指 示 位 来 决 定 过 电 限 制 逻 辑 的 当 前 状 态 ( 例 如, 由 于 过 电 的 原 因 电 源 从 所 有 的 端 口 断 开 ) 表 B-6 在 取 集 线 器 状 态 命 令 时 返 回 的 集 线 器 状 态 变 化 字 段 的 格 式 保 留 ( 置 零 ) 过 电 指 示 变 化 本 地 电 源 状 态 变 化 保 留 ( 置 零 ) 设 置 或 者 清 除 集 线 器 特 性 集 线 器 设 备 类 对 设 置 特 性 和 清 除 特 性 的 定 义 是 根 据 特 性 选 择 字 节 的 值 决 定 的 选 择 字 节 定 义 集 线 器 类 特 性, 或 者 是 设 置, 或 者 是 清 除 这 些 特 性 全 部 应 用 到 集 线 器, 因 此, 设 置 事 务 的 索 引 字 段 为 00h 来 指 示 集 线 器 特 性 表 B-7 列 出 了 为 集 线 器 类 请 求 定 义 的 集 线 器 特 性 表 B-7 集 线 器 类 请 求 的 特 性 选 择 和 索 引 值 接 收 器 值 索 引 集 线 器 本 地 电 源 变 化 集 线 器 00h 00h 集 线 器 过 电 指 示 变 化 集 线 器 01h 00h 275

297 附 录 B 集 线 器 本 地 电 源 状 态 变 化 请 求 如 果 软 件 通 过 取 集 线 器 状 态 命 令 检 测 到 集 线 器 本 地 电 源 状 态 变 化 了, 就 使 用 清 除 集 线 器 本 地 电 源 变 化 命 令 确 认 这 个 变 化 这 个 请 求 清 除 变 化 字 段, 这 样 后 面 集 线 器 电 源 的 变 化 才 能 被 检 测 到 使 用 设 置 集 线 器 本 地 电 源 变 化 特 性 请 求 来 设 置 集 线 器 本 地 电 源 状 态 位, 使 得 相 应 的 变 化 位 也 被 设 置 虽 然 规 范 没 有 定 义 设 置 特 性 请 求 的 使 用, 但 对 于 调 试 模 拟 本 地 电 源 变 化 是 很 有 用 的 注 意, 这 个 请 求 不 能 用 于 确 认 变 化 情 况 集 线 器 过 电 流 变 化 请 求 设 置 集 线 器 过 电 流 变 化 请 求 用 于 确 认 集 线 器 通 过 取 集 线 器 状 态 命 令 检 测 到 了 过 电 情 况 这 个 请 求 清 除 指 示 器 变 化 位, 这 样 才 有 可 能 知 道 集 线 器 过 电 指 示 器 以 后 发 生 的 变 化 清 除 集 线 器 本 地 电 源 变 化 特 性 可 设 置 过 电 指 示, 使 变 化 可 以 在 相 应 的 指 示 器 变 化 位 反 映 出 来 当 使 用 设 置 本 地 电 源 变 化 请 求 时, 这 个 请 求 可 以 支 持 错 误 调 试 取 端 口 状 态 请 求 取 端 口 状 态 请 求 在 准 备 事 务 的 接 收 器 字 段 定 义 取 端 口 状 态 请 求 定 义 接 收 设 备 ( 即 集 线 器 ), 而 取 接 口 状 态 请 求 的 接 收 器 被 定 义 成 其 他 ( 这 里 其 他 是 指 端 口 ) 索 引 字 段 定 义 哪 个 端 口 被 选 择 这 个 请 求 包 括 数 据 阶 段, 在 数 据 阶 段 端 口 状 态 和 端 口 变 化 指 示 器 返 回 数 据 与 集 线 器 状 态 信 息 相 似, 端 口 状 态 信 息 也 是 4 个 字 节,2 个 字 节 是 端 口 状 态 字 段,2 个 字 节 是 端 点 变 化 字 段 端 口 状 态 字 段 端 口 状 态 字 段 如 表 B-8 所 示 7 位 的 字 段 报 告 选 定 端 口 的 当 前 状 态 每 个 位 字 段 都 会 在 下 面 讨 论 表 B-8 在 取 端 口 状 态 命 令 时 返 回 的 端 口 状 态 的 格 式 保 留 ( 置 零 ) 复 位 状 态 过 电 流 指 示 挂 起 状 态 端 口 启 用 / 禁 用 当 前 连 接 状 态 保 留 ( 置 零 ) 端 口 指 示 控 制 端 口 测 试 高 速 设 备 连 接 低 速 设 备 连 接 端 口 电 流 276

298 集 线 器 请 求 当 前 连 接 状 态 字 段 这 个 字 段 反 映 是 否 有 设 备 连 接 到 端 口 这 个 值 反 映 端 口 的 当 前 状 态, 可 以 不 直 接 响 应 设 置 状 态 变 化 位 所 引 起 的 事 件 0= 没 有 设 备 出 现 在 这 个 端 口 1= 有 设 备 出 现 在 这 个 端 口 如 果 某 个 端 口 有 不 可 分 离 的 设 备, 那 么 这 个 字 段 永 远 为 1 端 口 启 用 和 禁 用 端 口 只 能 由 主 机 软 件 启 动 但 是, 端 口 除 了 由 主 机 软 件 禁 用 外, 还 可 以 由 故 障 状 态 ( 断 连 事 件 或 者 其 他 故 障 状 态, 包 括 过 电 指 示 ) 禁 用 0= 端 口 禁 用 1= 端 口 启 用 挂 起 这 个 字 段 指 示 端 口 设 备 是 否 被 挂 起 设 置 这 个 字 段 会 使 设 备 挂 起, 不 再 传 播 总 线 数 据 流 复 位 这 个 字 段 会 使 设 备 恢 复 总 线 数 据 流 不 会 在 总 线 事 务 执 行 中 恢 复 如 果 一 个 设 备 自 己 发 现 恢 复 信 号, 这 个 字 段 将 被 集 线 器 清 除 0= 没 有 挂 起 1= 挂 起 过 电 指 示 这 个 字 段 只 应 用 到 支 持 每 端 口 独 立 报 告 过 电 流 的 集 线 器 如 果 集 线 器 没 有 基 于 每 个 端 口 报 告 过 电 流 的 功 能, 那 么 这 个 字 段 就 会 保 留, 全 部 置 零 当 过 电 流 指 示 置 位, 说 明 连 接 到 这 个 端 口 的 设 备 的 电 流 超 过 了 最 大 限 度, 这 个 端 口 电 源 会 被 切 断 端 口 电 源 切 断 也 会 被 反 映 在 端 口 启 用 / 禁 用 字 段 这 个 字 段 指 示 过 电 流 请 求, 因 为 设 备 连 接 到 这 个 端 口 0= 这 个 端 口 的 所 有 电 流 操 作 正 常 1= 这 个 端 口 存 在 过 电 流 情 况 端 口 电 源 被 切 断 复 位 当 主 机 希 望 复 位 连 接 的 设 备 时, 这 个 字 段 被 置 位 在 集 线 器 关 掉 信 号, 并 且 复 位 状 态 变 化 字 段 被 设 置 之 前, 它 会 一 直 保 持 这 个 信 号 0= 没 有 发 送 复 位 信 号 1= 发 送 复 位 信 号 端 口 电 源 这 个 字 段 反 映 了 端 口 电 源 状 态 由 于 集 线 器 可 实 现 不 同 的 端 口 电 源 切 换 方 式, 因 此 这 个 字 段 的 意 思 根 据 使 用 的 电 源 切 换 方 式 决 定 集 线 器 类 描 述 符 报 告 集 线 器 使 用 的 电 源 切 换 类 型 集 线 器 只 有 在 配 置 状 态, 才 提 供 电 源 到 它 的 端 口 0= 端 口 电 源 关 1= 端 口 电 源 开 不 支 持 电 源 切 换 的 集 线 器, 该 字 段 总 是 返 回 1 277

299 附 录 B 低 速 设 备 连 接 这 个 字 段 只 在 设 备 连 接 好 的 时 候 有 效 0= 全 速 设 备 连 接 到 端 口 1= 低 速 设 备 连 接 到 端 口 高 速 设 备 连 接 这 个 字 段 在 连 接 低 速 设 备 时 不 使 用 只 有 在 电 源 开 时 检 测 到 全 速 设 备, 并 且 线 性 脉 冲 调 频 序 列 发 送 完 成 后 才 有 效 0= 全 速 设 备 连 接 到 端 口 1= 高 速 设 备 连 接 到 端 口 端 口 测 试 这 个 字 段 反 映 端 口 是 否 处 在 测 试 状 态 : 0= 端 口 不 在 测 试 状 态 1= 端 口 在 测 试 状 态 端 口 指 示 器 控 制 这 个 端 口 指 示 端 口 指 示 灯 的 颜 色 是 否 受 软 件 的 控 制 : 1= 软 件 控 制 颜 色 0= 使 用 默 认 颜 色 端 口 变 化 字 段 端 口 变 化 字 段 如 表 B-9 所 示 5 位 的 字 段 报 告 指 定 端 点 的 状 态 和 指 示 器 的 变 化 每 个 位 都 会 在 下 面 讨 论 表 B-9 在 取 端 口 状 态 命 令 时 返 回 的 端 口 状 态 变 化 的 格 式 保 留 ( 置 零 ) 复 位 过 电 流 挂 起 变 化 / 端 口 启 用 / 当 前 连 接 状 态 变 化 完 成 指 示 恢 复 完 成 禁 用 变 化 变 化 变 化 保 留 ( 置 零 ) 当 前 状 态 变 化 字 段 指 示 这 个 端 口 的 当 前 连 接 状 态 发 生 了 变 化 当 检 测 到 连 接 状 态 变 化 时, 集 线 器 设 置 这 个 位 : 0= 当 前 连 接 状 态 没 有 变 化 1= 当 前 连 接 状 态 变 化 了 如 果 端 口 了 连 接 不 可 分 离 设 备, 那 么 在 复 位 后 状 态 比 特 即 被 置 位 端 口 启 用 和 禁 用 变 化 当 硬 件 事 件 初 始 化 一 个 端 口 禁 用 变 化 时 置 位 ( 即, 一 个 断 连 事 件 或 者 其 他 默 认 情 况, 包 278

300 集 线 器 请 求 括 过 电 指 示 ) 这 个 位 不 受 主 机 软 件 初 始 化 启 用 / 禁 用 的 影 响 0= 没 有 端 口 启 用 / 禁 用 变 化 发 生 1= 由 于 硬 件 事 件, 端 口 发 生 了 启 用 / 禁 用 变 化 挂 起 变 化 / 恢 复 完 成 这 个 字 段 指 示 连 接 到 端 口 的 设 备 完 成 了 恢 复 过 程 ( 例 如, 集 线 器 终 止 了 恢 复 信 号,3 毫 秒 没 有 活 动, 保 证 设 备 和 主 机 帧 定 时 器 重 新 同 步 ) 当 设 备 进 入 挂 起 状 态 时 这 个 位 不 设 置 0= 没 有 变 化 1= 恢 复 完 成 过 电 流 指 示 变 化 这 个 字 段 只 应 用 到 支 持 每 个 端 口 独 立 报 告 过 电 流 的 集 线 器 如 果 集 线 器 没 有 基 于 每 个 端 口 报 告 过 电 流 的 功 能, 那 么 这 个 字 段 就 会 保 留, 全 部 置 零 这 个 字 段 报 告 端 口 的 过 电 指 示 器 是 否 发 生 了 变 化 0= 端 口 的 过 电 流 指 示 器 未 发 生 变 化 1= 端 口 的 过 电 流 指 示 器 发 生 了 变 化 复 位 完 成 这 个 字 段 在 端 口 的 复 位 活 动 完 成 时 被 设 置 复 位 完 成 也 会 使 端 口 启 用 状 态 位 被 设 置, 挂 起 变 化 字 段 复 位 0= 没 有 变 化 1= 复 位 完 成 设 置 或 者 清 除 集 线 器 特 性 设 置 和 清 除 特 性 请 求 可 以 规 定 集 线 器 的 特 性, 可 能 关 系 到 独 立 的 端 口 集 线 器 特 性 请 求 和 端 口 特 性 请 求 不 同, 区 别 在 于 它 们 准 备 事 务 的 索 引 字 段 不 同 索 引 字 段 标 志 了 请 求 将 被 应 用 的 端 口 号 注 意, 不 允 许 使 用 0 端 口 号, 因 为 集 线 器 会 将 这 个 请 求 解 释 为 集 线 器 类, 而 不 是 端 口 类 请 求 表 B-10 列 出 了 可 以 设 置 和 清 除 的 独 立 端 口 特 性 表 B-10 端 口 类 请 求 特 性 选 择 和 索 引 值 请 求 值 端 口 连 接 00 端 口 启 用 01 端 口 挂 起 02 端 口 过 电 流 03 端 口 复 位 04 端 口 电 源 08 低 速 设 备 端 口 09 端 口 连 接 变 化

301 附 录 B 端 口 启 用 变 化 17 端 口 挂 起 变 化 18 端 口 过 电 变 化 19 端 口 复 位 变 化 20 端 口 测 试 21 端 口 指 示 22 取 端 口 状 态 请 求 部 分 定 义 了 集 线 器 为 每 个 端 口 保 留 的 状 态 和 指 示 器 以 及 状 态 变 化 和 指 示 器 变 化 位, 并 且 在 取 端 口 状 态 命 令 发 送 时 返 回 这 些 结 果 这 个 位 反 映 了 集 线 器 支 持 的 各 种 端 口 特 性 设 置 和 清 除 端 口 特 性 请 求 提 供 了 一 种 方 法 来 启 用 和 禁 用 某 种 特 性, 也 允 许 软 件 在 执 行 取 端 口 状 态 请 求 时 确 认 这 些 变 化 端 口 测 试 模 式 这 个 请 求 只 有 对 高 速 设 备 有 效 设 备 通 过 设 置 端 口 特 性 命 令 进 入 测 试 模 式, 如 表 B-11 所 示 表 B-11 设 置 端 口 测 试 特 性 请 求 类 型 请 求 值 索 引 长 度 数 据 B 设 置 特 性 端 口 测 试 测 试 选 择 & 端 0 无 (00) (21) 口 表 B-12 定 义 了 测 试 和 用 于 调 用 特 定 测 试 的 相 应 的 选 择 值 表 B-12 测 试 选 择 值 描 述 选 择 值 保 留 TEST J TEST K TEST_SE0_NAK TEST_PACKET TEST_FORCE_ENABLE 保 留 给 标 准 测 试 选 择 保 留 保 留 给 特 定 厂 商 测 试 选 择 00h 01h 02h 03h 04h 05h 06-3Fh 40-BFh C0-FFh 280

302 集 线 器 请 求 取 总 线 状 态 这 个 请 求 在 USB2.0 规 范 中 不 再 定 义 这 里 介 绍 的 传 统 目 的 取 总 线 状 态 请 求 通 过 提 供 端 到 端 的 传 输 的 总 线 状 态 帮 助 诊 断 问 题 返 回 的 信 息 要 在 端 口 检 测 到 的 最 后 一 个 EOF2 点 被 抽 样 总 线 状 态 信 息 在 传 输 的 数 据 阶 段 以 一 个 字 节 返 回 位 定 义 如 表 B-13 所 示 表 B-13 在 取 总 线 状 态 命 令 时 返 回 的 总 线 状 态 的 格 式 保 留 ( 置 零 ) 最 后 一 个 EOF2 点 D+ 抽 样 最 后 一 个 EOF2 点 D- 抽 样 281

303 通 用 主 机 控 制 器 通 用 主 机 控 制 器 C 概 述 通 用 主 机 控 制 器 (UHC) 和 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 (UHCD) 负 责 调 度 和 执 行 从 USB 驱 动 程 序 转 发 来 的 IRP 包 UHC 也 集 成 了 兼 容 UBS 集 线 器 定 义 的 根 集 线 器 的 功 能 集 成 到 UHC 中 的 根 集 线 器 有 两 个 USB 端 口 下 面 我 们 讨 论 UHC 使 用 的 用 来 调 度 和 生 成 USB 事 务 的 机 制 UHC 被 集 成 到 Intel PIIX3 PCI ISA 扩 展 总 线 桥 上 及 以 后 的 芯 片 中 它 作 为 PCI 的 控 制 者, 可 以 执 行 去 往 或 者 来 自 内 存 的 事 务, 来 读 取 或 者 更 新 UHCD 创 建 的 数 据 结 构 通 用 主 机 控 制 器 事 务 调 度 每 个 1 毫 秒 帧 时 隙 内 调 度 和 执 行 的 事 件 序 列 如 图 C-1 所 示 注 意, 周 期 性 传 输 ( 等 时 和 中 断 传 输 ) 首 先 被 调 度, 然 后 是 控 制 和 批 量 传 输 周 期 性 传 输 可 以 使 用 多 达 90% 的 总 线 带 宽, 控 制 传 输 保 证 至 少 有 10% 带 宽 1 毫 秒 帧 开 始 符 等 时 数 据 中 断 数 据 控 制 数 据 批 量 数 据 时 间 图 C-1 通 用 主 机 控 制 器 传 输 调 度 UHDC 通 过 建 立 一 系 列 描 述 符 来 调 度 事 务, 这 些 描 述 符 连 接 成 事 务 在 指 定 的 帧 时 隙 内 执 行 这 就 是 帧 列 表, 位 于 系 统 内 存 中 通 用 主 机 控 制 器 帧 列 表 访 问 图 C-2 是 UHC 从 内 存 访 问 帧 列 表 的 机 制 参 与 的 组 件 有 : 帧 开 始 计 数 器 这 个 计 数 器 以 12MHz 的 时 钟 周 期 递 减 当 计 数 器 到 期, 帧 计 数 器 增 加, 下 一 个 帧 开 始 这 个 时 钟 也 是 根 集 线 器 初 始 化 事 务 的 USB 位 定 时 器 的 源 时 钟 SOF 修 正 寄 存 器 这 个 寄 存 器 可 以 调 整 每 个 帧 中 包 括 的 位 时 间 这 会 改 变 帧 开 始 281

304 附 录 C 的 时 隙 这 个 修 正 寄 存 器 支 持 控 制 客 户 端 的 特 性, 允 许 一 个 单 独 的 客 户 端 驱 动 程 序 调 整 SOF 定 时 器, 让 USB 的 帧 速 率 同 步 到 同 步 传 输 的 速 率 默 认 值 生 成 1 毫 秒 帧 帧 计 数 器 帧 计 数 器 在 每 个 帧 时 间 增 加 选 择 帧 列 表 中 的 下 一 个 输 入 项 每 个 输 入 项 包 含 一 个 指 向 第 一 个 传 输 描 述 符 的 指 针 帧 号 寄 存 器 UHCD 把 开 始 帧 号 放 入 寄 存 器, 在 帧 列 表 定 义 最 初 的 输 入 项 指 针 这 个 值 被 载 入 帧 计 数 器, 由 SOF 计 数 器 增 加 帧 列 表 基 址 寄 存 器 UHCD 指 示 4KB 帧 列 表 的 基 地 址 帧 列 表 是 一 个 最 多 1024 项 的 数 组, 对 应 于 1 个 特 定 的 帧 每 个 输 入 项 包 含 一 个 指 针, 指 向 包 含 主 机 控 制 器 构 建 事 务 所 需 信 息 的 链 表 数 据 结 构, 这 些 事 务 被 通 过 USB 转 发 到 根 集 线 器 UHC 读 取 和 解 析 每 个 传 输 描 述 符, 并 且 生 成 每 个 描 述 符 描 述 的 事 务 帧 开 始 符 调 节 寄 存 器 帧 开 始 符 计 数 器 帧 号 寄 存 器 帧 计 数 器 帧 列 表 索 引 指 针 帧 列 表 基 地 址 寄 存 器 基 地 址 系 统 内 存 主 机 控 制 器 图 C-2 访 问 帧 列 表 通 用 主 机 控 制 器 传 输 调 度 机 制 图 C-3 是 帧 列 表 和 定 义 UHC 执 行 的 事 务 的 传 输 描 述 符 链 表 这 个 图 假 定 许 多 不 同 的 设 备 连 接 到 USB, 所 有 的 传 输 类 型 都 被 设 备 使 用 了 传 输 描 述 符 的 链 接 顺 序 决 定 了 每 个 事 务 在 USB 上 传 输 的 顺 序 注 意, 帧 列 表 输 入 项 指 向 同 步 传 输 端 点 定 义 的 传 输 描 述 符 非 同 步 传 输 被 队 列 化, 并 且 在 事 务 失 败 时 允 许 重 传, 而 同 步 传 输 不 能 重 传 每 个 队 列 头 (QH) 和 相 关 的 传 输 描 述 符 (TD) 列 表 都 与 指 定 的 传 输 类 型 相 关 第 一 个 队 列 分 给 中 断 传 输, 接 下 来 是 控 制 传 输 队 列, 最 后 是 批 量 传 输 队 列 当 所 有 的 调 度 事 务 完 成 后, 主 机 控 制 器 可 以 分 配 剩 余 的 总 线 带 宽 执 行 额 外 的 控 制 和 批 量 传 输 282

305 通 用 主 机 控 制 器 总 线 带 宽 回 收 我 们 可 以 实 现 总 线 带 宽 回 收, 这 样 当 所 有 的 调 度 事 务 完 成 后,UHC 可 以 使 用 剩 余 的 帧 时 间 执 行 额 外 的 事 务 这 要 求 列 表 中 最 后 一 个 队 列 头 指 回 控 制 和 批 量 传 输 的 开 始 每 个 队 列 头 也 有 一 个 终 止 位, 当 这 个 位 被 设 置 时, 结 束 传 输 队 列, 不 进 行 回 收 同 步 事 务 控 制 和 批 量 传 输 中 断 事 务 链 接 链 接 链 接 指 针 指 针 指 针 单 元 链 接 指 针 单 元 链 接 指 针 单 元 链 接 指 针 单 元 链 接 指 针 传 输 描 述 符 或 者 队 列 头 终 止 图 C-3 传 输 机 制 和 执 行 顺 序 UHC 跟 踪 帧 定 时 器 监 视 剩 下 的 帧 时 间 量, 这 样 来 调 度 额 外 事 务 在 包 结 束 前 有 一 个 抽 样 点 ( 叫 做 前 SOF 点 ), 使 UHC 可 以 判 断 是 否 有 足 够 的 时 间 开 始 下 一 个 事 务 前 SOF 点 在 软 件 控 制 下 能 够 选 择 32 字 节 或 者 64 字 节 的 包 如 果 包 在 不 能 在 剩 余 时 间 完 成, 那 么 就 不 执 行 传 输 描 述 符 这 部 分 定 义 了 传 输 描 述 符 的 内 容 和 队 列 头 图 C-4 是 传 输 描 述 符 的 内 容 一 般 来 说, 传 输 描 述 符 包 括 主 机 生 成 事 务 报 告 状 态 所 必 要 的 信 息 : 传 输 类 型 ( 同 步 或 者 其 他 ) 令 牌 包 类 型 (IN 或 者 OUT) 传 输 方 向 数 据 包 大 小 数 据 切 换 位 283

306 附 录 C 内 存 缓 冲 区 位 置 完 成 状 态 传 输 描 述 符 由 4 个 双 字 (DW0~DW3) 组 成 每 个 传 输 描 述 符 中 的 双 字 在 表 C-1 到 表 C-4 中 定 义 普 通 传 输 描 述 符 链 接 指 针 状 态 保 留 实 际 长 度 最 大 长 度 端 点 设 备 地 址 包 标 识 符 内 存 缓 冲 区 指 针 图 C-4 传 输 描 述 符 格 式 表 C-1 双 字 0 定 义 位 字 段 名 描 述 0 T 终 止 链 接 指 针 有 效 (0) 或 者 无 效 (1) 1 Q QH( 队 列 头 ) 或 者 TD( 传 输 描 述 符 ) 通 知 UHC 到 QH(1) 或 者 TD(0) 的 链 接 点 2 VF 垂 直 优 先 规 定 处 理 描 述 符 是 深 度 优 先 还 是 广 度 优 先 31:4 链 接 指 针 指 向 另 一 个 TD 或 者 QH( 地 址 位 31:4) 表 C-2 双 字 1 定 义 位 字 段 名 描 述 10:0 实 际 长 度 事 务 完 成 后 UHC 实 际 写 的 数 据 长 度 23:16 状 态 UHC 发 送 的 状 态 信 息, 指 示 完 成 状 态, 包 括 : 活 动 软 件 设 置 使 UHC 可 以 执 行 事 务 由 UHC 清 除 指 示 描 述 符 在 调 度 中 再 次 出 现 时 不 能 执 行 停 止 由 UHC 设 置, 指 示 终 点 已 经 被 停 止 数 据 缓 冲 错 误 由 UHC 设 置, 指 示 缓 冲 区 过 载 或 者 欠 载 串 扰 检 测 UHC 执 行 传 输 描 述 符 时 检 测 到 串 扰 情 况 由 于 这 是 一 个 严 重 的 失 败, 所 以 UHC 也 设 置 停 止 位 284

307 通 用 主 机 控 制 器 24 结 束 中 断 IOC NAK 接 收 目 标 返 回 NAK 时 由 UHC 设 置 CRC/ 超 时 错 误 如 果 检 测 到 总 线 超 时 或 CRC 错 误, 则 由 UHC 设 置 结 束 中 断 UHC 在 每 个 TD 完 成 的 帧 时 隙 的 末 尾 生 成 一 个 中 断 续 表 位 字 段 名 描 述 25 等 时 选 择 ISO 同 步 选 择 传 输 描 述 符 是 同 步 的 (1) 26 低 速 设 备 LS 低 速 设 备 必 须 使 用 前 同 步 码 28:27 错 误 计 数 器 C_ERR 错 误 计 数 器 指 示 描 述 符 在 执 行 过 程 中 发 生 的 错 误 次 数 的 两 个 位 的 字 段 每 检 测 到 一 个 错 误,UHC 计 数 器 减 1( 串 扰 或 者 停 止 计 数 器 不 递 减 ) 29 短 包 检 测 短 包 检 测 由 于 访 问 目 标 设 备 的 排 定 的 队 列 会 有 短 包 出 现, 这 个 位 能 实 现 检 测 短 包 表 C-3 双 字 2 定 义 位 字 段 名 描 述 7:0 包 标 识 符 规 定 令 牌 包 使 用 的 类 型 :IN OUT SETUP 14:8 设 备 地 址 传 输 描 述 符 访 问 的 设 备 地 址 18:15 端 点 传 输 描 述 符 访 问 的 设 备 终 点 19 数 据 切 换 判 断 UHC 应 该 发 送 或 者 期 望 接 收 哪 个 数 据 包 ( 同 步 传 输 总 是 DATA0) 31:21 最 大 长 度 规 定 传 输 允 许 的 最 大 数 据 长 度 最 大 值 是 1280(4FFh), 这 是 一 个 单 独 的 帧 能 发 送 的 最 大 长 度 ( 不 包 括 包 标 识 符 和 CRC 校 验 码 ) 表 C-4 双 字 3 定 义 位 字 段 名 描 述 31:0 内 存 缓 冲 区 指 针 指 向 这 个 事 务 使 用 的 内 存 数 据 缓 冲 区 的 开 始 位 置 这 个 缓 冲 区 至 少 要 有 DW2 里 规 定 的 最 大 包 长 那 么 大 队 列 头 队 列 头 标 识 一 个 排 成 队 列 的 传 输 描 述 符 链 表 一 个 队 列 头 包 括 指 向 第 一 个 要 被 执 行 的 传 输 描 述 符 ( 叫 做 队 列 头 元 素 链 接 指 针 ) 的 指 针, 和 一 个 指 向 下 一 个 队 列 头 的 指 针 ( 叫 做 链 接 指 针 ) 队 列 头 有 一 个 终 止 位, 允 许 软 件 结 束 帧 事 务 不 回 收 总 线 图 C-5 是 队 列 头 的 格 式 每 个 字 段 的 描 述, 参 见 表 C-5 和 表 C-6 285

308 附 录 C 队 列 头 链 接 指 针 队 列 头 单 元 指 针 图 C-5 队 列 头 链 接 和 元 素 链 接 指 针 UHC 控 制 寄 存 器 UHC 将 它 的 寄 存 器 映 射 到 PCI I/O 地 址 空 间 这 些 寄 存 器 被 UHCD 访 问 来 控 制 UHC 操 作 的 不 同 方 面 参 见 表 C-7 注 意, 基 地 址 在 PCI 计 数 时 被 PCI 配 置 软 件 编 排 表 C-5 队 列 头 链 接 指 针 定 义 位 字 段 名 描 述 0 T 终 止 链 接 指 针 有 效 (0) 或 者 无 效 (1) 1= 最 后 一 个 要 处 理 的 QH 这 个 指 针 是 无 效 的, 在 执 行 完 这 个 队 列 中 的 传 输 描 述 符 后, 处 理 不 会 继 续 0= 指 针 有 效, 可 以 执 行 下 一 个 描 述 符 1 Q QH( 队 列 头 ) 或 者 TD( 传 输 描 述 符 ) 通 知 UHC 到 QH(1) 或 者 TD(0) 的 链 接 点 定 义 链 接 指 针 是 8 个 字 节 的 队 列 头, 还 是 16 个 字 节 的 传 输 描 述 符, 这 样 才 能 正 确 解 码 3:2 保 留 保 留 全 写 零 31:4 队 列 头 链 接 指 针 队 列 头 链 接 指 针 指 向 水 平 列 表 中 下 一 个 要 处 理 的 描 述 符 的 地 址 表 C-6 队 列 元 素 链 接 指 针 位 字 段 名 描 述 0 T 终 止 1= 终 止 ( 指 针 无 效 ) 0= 指 针 有 效, 可 以 执 行 下 一 个 描 述 符 1 Q QH( 队 列 头 ) 或 者 TD( 传 输 描 述 符 ) 通 知 UHC 到 QH(1) 或 者 TD(0) 的 链 接 点 定 义 链 接 指 针 是 8 个 字 节 的 队 列 头, 还 是 16 个 字 节 的 传 输 描 述 符, 这 样 才 能 正 确 解 码 2 VF UHC 忽 略 这 个 位 3 保 留 保 留 全 写 零 31:4 队 列 元 素 队 列 元 素 链 接 指 针 指 向 这 个 队 列 中 下 一 个 要 处 理 的 TD 或 者 286

309 通 用 主 机 控 制 器 链 接 指 针 QH 的 地 址 表 C-7 通 用 主 机 控 制 器 输 入 / 输 出 寄 存 器 I/O 地 址 寄 存 器 权 限 寄 存 器 描 述 基 地 址 h 读 / 写 USB 命 令 寄 存 器 写 这 个 寄 存 器 引 起 指 示 的 控 制 器 活 动 位 字 段 定 义 是 : 最 大 包 值 为 总 线 回 收 带 宽 选 择 32 或 者 64 字 节 的 包 配 置 标 志 位 指 示 配 置 完 成 而 且 对 硬 件 没 有 影 响 软 件 调 试 启 用 或 者 禁 用 调 试 特 性 和 运 行 / 停 止 位 字 段 相 关 续 表 I/O 地 址 寄 存 器 权 限 寄 存 器 描 述 基 地 址 h 基 地 址 h 基 地 址 h 基 地 址 h 基 地 址 +08-0Bh 读 / 写 强 制 全 局 恢 复 使 主 机 控 制 器 发 送 全 局 恢 复 信 号 进 入 全 局 挂 起 使 所 有 的 下 层 USB 事 务 停 止, 进 入 全 局 挂 起 状 态 全 局 复 位 强 迫 UHC 在 USB 上 发 送 10 毫 秒 的 复 位 信 号 UHC 复 位 使 内 部 时 钟 计 数 器 状 态 机 等 等 回 到 它 们 的 默 认 状 态 运 行 / 停 止 允 许 主 机 控 制 器 分 步 发 送 USB 事 务, 和 软 件 调 试 位 相 关 读 / 写 USB 状 态 寄 存 器 提 供 各 种 状 态 说 明 各 个 位 定 义 如 下 : 控 制 主 机 控 制 器 终 止 指 示 主 机 控 制 器 已 经 停 止 执 行 由 运 行 / 停 止 位 引 起, 或 者 由 于 内 部 错 误 引 起 UHC 处 理 错 误 指 示 在 执 行 描 述 符 过 程 中 出 现 了 致 命 的 错 误 UHC 自 动 设 置 停 止 位, 终 止 进 一 步 的 传 输 描 述 符 执 行 PCI 总 线 错 误 指 示 在 执 行 描 述 符 过 程 中 出 现 了 致 命 的 错 误, 停 止 执 行 恢 复 检 测 在 挂 起 时 如 果 检 测 到 远 程 唤 醒, 由 UHC 设 置 USB 中 断 当 一 个 传 输 描 述 符 完 成 时 设 置, 同 时 传 输 描 述 符 的 中 断 完 成 设 置 读 / 写 USB 中 断 启 用 启 用 或 者 禁 用 下 列 中 断 源 : 短 包 中 断 启 用 完 成 中 断 启 用 恢 复 启 用 超 时 /CRC 启 用 读 / 写 帧 号 包 括 当 前 帧 号 和 帧 列 表 索 引 值 读 / 写 帧 列 表 基 地 址 包 括 内 存 中 帧 列 表 基 地 址 只 在 线 性 的 4KB 界 线 中 可 编 程 287

310 附 录 C 基 地 址 + 0Ch 基 地 址 h 读 / 写 读 / 写 控 制 帧 修 正 开 始 包 含 加 到 帧 开 始 计 数 器 开 始 值 的 值, 调 节 一 个 帧 中 的 位 时 间 数 目 默 认 值 是 64, 加 到 帧 开 始 计 数 器 的 默 认 值 就 相 当 于 11936, 因 此 提 供 一 个 的 计 数 器, 或 者 是 1 毫 秒 帧 开 始 时 隙 端 口 1 状 态 / 控 制 这 个 寄 存 器 控 制 根 集 线 器 端 口 1 的 状 态, 返 回 端 口 状 态 变 化 情 况 这 个 位 字 段 定 义 如 下 : 挂 起 指 示 设 备 当 前 是 否 处 于 挂 起 状 态 端 口 复 位 指 示 端 口 当 前 是 否 已 经 复 位 低 速 设 备 连 接 指 示 连 接 设 备 的 速 度 I/O 地 址 寄 存 器 权 限 寄 存 器 描 述 基 地 址 h 基 地 址 h 读 / 写 控 制 读 / 写 控 制 恢 复 检 测 指 示 USB 设 备 发 出 了 一 个 远 程 唤 醒 信 号 续 表 线 状 态 这 两 个 位 反 映 D+ 和 D- 线 的 逻 辑 电 平, 支 持 调 试 工 作 端 口 启 用 / 禁 用 变 化 指 示 因 在 端 口 检 测 到 断 连 串 扰 或 者 活 动 丢 失 而 禁 用 设 备 端 口 启 用 / 禁 用 指 示 端 口 当 前 是 启 用 还 是 禁 用 连 接 状 态 变 化 指 示 设 备 连 接 到 端 口 或 者 从 端 口 断 开 当 前 连 接 状 态 指 示 设 备 当 前 是 否 连 接 到 端 口 端 口 2 状 态 / 控 制 和 端 口 1 定 义 一 样 288

311 开 放 主 机 控 制 器 开 放 主 机 控 制 器 D 概 述 开 放 主 机 控 制 器 (OHC) 和 开 放 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 (OHCD) 负 责 调 度 和 执 行 从 USB 驱 动 程 序 来 的 IRP 包 UHC 也 集 成 了 兼 容 UBS 集 线 器 定 义 的 根 集 线 器 的 功 能 集 成 到 UHC 中 的 根 集 线 器 有 两 个 USB 端 口 下 面 我 们 讨 论 UHC 使 用 的 调 度 和 生 成 USB 事 务 的 机 制 开 放 主 机 控 制 器 传 输 调 度 图 D-1 是 开 放 主 机 控 制 器 执 行 的 传 输 的 序 列 注 意, 可 以 在 每 个 帧 的 开 始 保 留 带 宽 ( 给 非 周 期 传 输 ) 来 支 持 10% 给 控 制 传 输 的 带 宽, 保 证 一 些 非 周 期 传 输 ( 控 制 和 批 量 传 输 ) 能 在 每 个 帧 内 都 进 行 周 期 传 输 执 行 ( 中 断 和 等 时 传 输 ) 最 多 占 用 90% 的 总 线 带 宽 如 果 还 有 时 间, 可 以 执 行 额 外 的 非 周 期 传 输 1 毫 秒 SOF 非 周 期 周 期 ( 等 时 和 中 断 ) 非 周 期 图 D-1 USB 传 输 调 度 OHCD 通 过 建 立 一 系 列 传 输 描 述 符 来 调 度 事 务, 这 些 描 述 符 连 接 成 事 务 在 指 定 的 帧 时 隙 内 执 行 这 就 是 帧 列 表, 位 于 系 统 内 存 中 开 放 主 机 控 制 器 传 输 机 制 图 D-2 是 在 每 个 相 连 的 帧 中 生 成 事 务 的 机 制 OHCD 建 立 描 述 符, 并 且 把 它 们 放 到 一 个 名 为 主 机 控 制 器 通 信 区 域 (HCCA) 的 内 存 区 域 中 这 些 描 述 符 包 括 终 点 描 述 符 (ED) 和 传 输 描 述 符 (TD) OHCD 给 系 统 中 每 个 终 点 分 配 一 个 端 点 描 述 符 终 点 描 述 符 包 含 地 址 和 终 点 号, 因 此 提 供 了 控 制 器 和 端 点 通 信 所 需 要 的 信 息 每 个 终 点 描 述 符 在 图 D-2 中 用 一 个 圆 圈 表 示 一 个 传 输 描 述 符 队 列 被 链 接 到 每 个 终 点 描 述 符, 标 识 这 个 终 点 等 待 完 成 的 事 务 指 定 传 输 类 型 的 终 点 描 述 符 被 链 接 到 一 起, 由 一 个 控 制 器 中 的 寄 存 器 指 出 方 向 注 意, 一 个 寄 存 器 指 向 每 个 非 周 期 传 输 类 型 ( 控 制 器 终 点 描 述 符 和 批 量 传 输 终 点 描 述 符 ), 另 外 一 个 单 独 的 寄 存 器 (HCCA 寄 存 器 ) 指 向 周 期 传 输 的 链 表, 指 向 32 个 处 理 中 断 和 同 步 传 输 的 输 289

312 附 录 D 入 项 中 的 一 个 选 择 寄 存 器 模 式 HCCA 状 态 事 件 帧 号 比 率 控 制 批 量 主 控 制 器 通 讯 区 域 中 断 0 中 断 1 中 断 2 中 断 3 中 断 4 中 断 5 中 断 6 批 量 传 输 描 述 符 控 制 传 输 描 述 符 中 断 7 中 断 8 中 断 9 中 断 10 中 断 11 中 断 12 中 断 13 中 断 传 输 描 述 符 同 步 传 输 描 述 符 中 断 31 Done 结 束 队 列 设 备 寄 存 器 映 射 到 内 存 地 址 RAM 里 的 共 享 内 存 空 间 图 D-2 传 输 调 度 机 制 OHC 访 问 端 点 描 述 符 列 表 的 顺 序 如 图 D-1 所 示 控 制 器 开 始 访 问 前 一 个 传 输 末 端 剩 下 的 控 制 和 批 量 描 述 符 在 预 先 编 入 控 制 器 的 时 隙 后 面, 不 再 继 续 执 行 非 周 期 传 输, 而 是 通 过 HCCA 寄 存 器 处 理 周 期 性 传 输 注 意, 中 断 传 输 和 其 他 类 型 的 调 度 不 同 HCCA 寄 存 器 在 每 个 帧 的 末 尾 增 加, 指 向 中 断 传 输 描 述 符 的 下 一 个 链 表, 会 在 当 前 帧 调 度 完 成 中 断 列 表 的 末 端 总 是 链 接 到 同 步 终 点 描 述 符 的 开 始 一 旦 同 步 传 输 完 成, 如 果 当 前 帧 还 有 剩 余 时 间, 控 制 器 可 以 自 由 地 继 续 处 理 剩 下 的 控 制 和 批 量 传 输 如 果 传 输 完 成 或 者 在 执 行 传 输 描 述 符 时 发 生 错 误,OHC 链 接 传 输 描 述 符 到 做 完 (Done) 队 列 OHCD 可 以 检 测 做 完 队 列 获 取 完 成 状 态 信 息 290 终 点 描 述 符 和 传 送 描 述 符 链 表 结 构 所 有 的 传 输 都 是 用 标 准 传 输 描 述 符 链 表 结 构 调 度 的, 如 图 D-3 所 示 头 指 针 是 控 制 和 批

313 开 放 主 机 控 制 器 量 传 输 的 OHC 寄 存 器 在 HCCA 寄 存 器 值 增 加 时, 每 个 帧 中 选 择 一 个 不 同 的 中 断 头 指 针 中 断 头 指 针 位 于 HCCA 内 存 区 域 同 步 终 点 描 述 符 只 是 简 单 的 链 接 到 当 前 中 断 链 表 的 最 后 一 个 中 断 终 点 描 述 符 在 USB 设 备 驱 动 程 序 发 送 IRP 包 时, 传 输 描 述 符 排 列 每 个 终 点 描 述 符 当 前 空 闲 的 终 点 不 具 有 任 何 传 送 描 述 符 队 列 中 断 和 同 步 传 输 处 理 处 理 中 断 和 同 步 终 点 描 述 符 链 表 从 当 前 帧 的 中 断 头 指 针 开 始 这 个 链 表 被 顺 序 访 问, 直 到 为 链 表 中 的 每 个 终 点 都 执 行 了 和 第 一 个 传 输 描 述 符 相 关 的 事 务 为 止 控 制 和 批 量 传 输 处 理 每 个 帧 的 开 始 都 要 处 理 控 制 和 批 量 队 列, 直 到 主 机 控 制 器 帧 剩 余 寄 存 器 的 剩 余 字 段 小 于 或 者 等 于 周 期 传 输 开 始 寄 存 器 的 开 始 字 段 时 为 止 在 主 机 控 制 器 寄 存 器 中 的 控 制 批 量 服 务 比 率 字 段 规 定 了 控 制 和 批 量 传 输 的 比 率, 在 这 个 比 率 上 控 制 传 输 要 比 批 量 传 输 执 行 得 多 控 制 器 基 于 绑 定 到 这 个 比 率 上 的 循 环 (round robin) 序 列 执 行 传 输 ( 例 如, 控 制 传 输 后 面 是 批 量 传 输 ) 如 果 在 执 行 完 周 期 传 输 后 还 有 足 够 的 时 间 剩 余, 控 制 器 返 回 控 制 和 批 量 链 表, 继 续 处 理 剩 下 的 控 制 和 批 量 传 输 完 成 队 列 当 OHC 完 成 一 个 传 输 后, 传 输 描 述 符 就 链 接 到 完 成 队 列, 并 且 返 回 到 HCCA 这 样, OHCD 可 以 搜 索 到 完 成 队 列 判 断 哪 个 事 务 被 控 制 器 编 入 了 队 列, 完 成 状 态 是 什 么 头 指 针 终 点 描 述 符 传 输 描 述 符 图 D-3 传 输 调 度 机 制 中 断 传 输 调 度 图 D-4 概 念 性 地 描 述 了 中 断 终 点 描 述 符 如 何 链 接, 以 保 证 中 断 事 务 在 指 定 的 轮 询 时 隙 发 生 HCCA 指 针 寄 存 器 规 定 了 32 个 中 断 头 指 针 所 在 的 内 存 中 的 HCCA 区 域 的 基 地 址 帧 号 中 的 至 少 5 个 重 要 位 被 用 来 作 为 中 断 头 指 针 链 表 的 索 引 在 每 个 帧 中, 中 断 传 输 以 不 同 的 序 列 执 行, 根 据 来 自 选 定 的 中 断 头 指 针 中 的 终 点 描 述 符 链 表 的 不 同 而 不 同 中 断 的 终 点 描 述 符 被 链 接 起 来, 这 样 它 们 会 在 每 N 个 被 轮 询 的 帧 中 出 现 例 如, 轮 询 时 隙 为 32 毫 秒 的 中 断 只 被 链 接 到 一 个 中 断 头 指 针 由 于 指 定 的 头 指 针 每 32 个 帧 时 隙 被 访 问 一 次, 中 断 事 务 就 每 32 毫 秒 出 现 一 次 从 另 一 角 度 来 看, 每 1 毫 秒 轮 询 的 中 断 端 点 会 被 链 接 到 每 个 中 断 头 指 针 链 表 中 这 样 中 断 事 务 可 以 用 1 毫 秒 2 毫 秒 4 毫 秒 8 毫 秒 16 毫 秒 和 32 毫 秒 的 时 隙 调 度 291

314 附 录 D 中 断 0 中 断 1 中 断 2 中 断 3 中 断 4 中 断 5 中 断 6 中 断 7 中 断 8 中 断 9 中 断 10 中 断 11 中 断 12 中 断 13 中 断 14 中 断 15 中 断 16 中 断 17 中 断 18 中 断 19 中 断 20 中 断 21 中 断 22 中 断 23 中 断 24 中 断 25 中 断 26 中 断 27 中 断 28 中 断 29 中 断 30 中 断 31 中 断 头 指 针 终 点 轮 询 时 间 间 隔 同 步 端 点 中 断 描 述 符 位 置 控 制 图 D-4 中 断 调 度 终 点 描 述 符 每 个 USB 终 点 都 有 终 点 描 述 符, 提 供 和 位 置 相 关 的 信 息 ( 设 备 地 址 和 终 点 号 ) 和 终 点 的 特 性 另 外, 当 UHCD 排 定 传 输 时, 终 点 描 述 符 还 包 含 指 向 传 输 描 述 符 的 指 针 图 D-5 是 终 点 描 述 符 的 格 式, 表 D-1 到 表 D-4 定 义 了 描 述 符 中 的 每 个 字 段 传 输 描 述 符 队 列 尾 指 针 (TailP) 传 输 描 述 符 队 列 头 指 针 (Headp) 下 一 终 点 描 述 符 (NextED) 292 图 D-5 终 点 描 述 符 格 式

315 开 放 主 机 控 制 器 表 D-1 终 点 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 0) 位 字 段 名 描 述 6:0 FA 设 备 地 址 包 含 目 标 终 点 的 USB 设 备 10:7 EN 端 点 号 设 备 中 的 目 标 终 点 地 址 12:11 D 方 向 传 输 方 向, 编 码 如 下 : 00b= 从 传 输 描 述 符 获 取 方 向 01b=OUT 10b=IN 11b= 从 TC 获 取 方 向 13 S 速 度 终 点 的 速 率 0= 全 速 (12Mb/s) 1= 低 速 (1.5Mb/s) 14 K 跳 过 设 置 主 机 控 制 器 集 线 器 到 下 一 个 端 点 描 述 符 时, 不 处 理 和 这 个 终 点 描 述 符 相 关 的 任 何 传 输 描 述 符 15 F 格 式 定 义 传 输 描 述 符 链 接 到 终 点 描 述 符 的 格 式 0= 中 断 批 量 或 者 控 制 传 输 描 述 符 格 式 1= 同 步 传 输 描 述 符 格 式 26:16 MPS 最 大 包 值 规 定 终 点 支 持 的 最 大 包 值 表 D-2 终 点 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 1) 位 字 段 名 描 述 3:0 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 31:4 尾 指 针 传 输 描 述 符 队 尾 指 针 指 向 和 终 点 描 述 符 相 关 的 传 输 描 述 符 队 列 中 的 最 后 一 个 传 输 描 述 符 的 指 针 如 果 尾 指 针 和 头 指 针 值 相 同, 则 终 点 描 述 符 不 包 含 主 机 控 制 器 所 能 处 理 的 传 输 描 述 符 如 果 值 不 同, 则 传 输 描 述 符 指 定 一 个 有 效 的 内 存 缓 冲 区 来 从 中 或 向 其 传 输 信 息 表 D-3 终 点 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 2) 位 字 段 名 描 述 0 H 停 止 当 设 置 了 这 个 位 时, 它 指 示 处 理 的 传 输 描 述 符 队 列 停 止 了, 通 常 是 因 为 处 理 的 传 输 描 述 符 队 列 时 发 生 了 错 误 1 C 切 换 触 发 器 当 切 换 位 必 须 从 一 个 传 输 描 述 符 转 到 下 一 个 传 输 描 述 符 时, 这 个 位 包 含 切 换 位 的 值 2 0 主 机 控 制 器 必 须 将 这 个 字 段 写 0 31:4 头 指 针 传 输 描 述 符 队 头 指 针 指 向 这 个 终 点 要 处 理 的 下 一 个 链 表 的 传 输 描 述 符 的 指 针 293

316 附 录 D 表 D-4 终 点 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 3) 位 字 段 名 描 述 3:0 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 31:4 下 一 个 终 点 描 述 符 下 一 个 终 点 描 述 符 指 向 链 表 中 下 一 个 终 点 描 述 符, 如 果 为 0, 则 指 定 链 表 的 末 尾 传 输 描 述 符 传 输 描 述 符 在 IRP 包 传 输 到 OHCD 时 被 排 列 传 输 描 述 符 包 含 执 行 传 输 的 必 要 信 息, 例 如 OUT 和 IN 数 据 的 内 存 缓 冲 区 位 置 指 定 的 传 输 会 在 好 几 个 帧 中 完 成, 完 成 状 态 在 传 输 描 述 符 中 报 告 有 两 种 传 输 描 述 符 类 型 : 一 般 传 输 描 述 符 同 步 传 输 描 述 符 除 了 同 步 传 输 外 都 使 用 一 般 传 输 描 述 符 支 持 同 步 传 输 的 设 备 驱 动 一 般 在 第 一 个 完 成 之 前 请 求 额 外 传 输, 这 些 驱 动 也 提 供 缓 冲 区 来 匹 配 数 据 速 率 同 步 传 输 描 述 符 支 持 这 个 机 制 一 般 传 输 描 述 符 一 般 传 输 描 述 符 的 定 义 如 图 D-6 所 示, 每 个 字 段 的 内 容 在 表 D-5 到 表 D-8 中 定 义 当 前 缓 冲 区 指 针 (CBP) 下 一 传 输 描 述 符 指 针 (NextTD) 内 存 缓 冲 区 结 束 (BE) 图 D-6 传 输 描 述 符 格 式 表 D-5 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 0) 位 字 段 名 描 述 17:0 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 18 R 缓 冲 区 凑 整 如 果 为 0, 这 个 位 指 示 从 端 点 来 的 最 后 数 据 包 必 须 刚 294

317 开 放 主 机 控 制 器 好 填 满 定 义 的 缓 冲 区 ; 如 果 为 1, 最 后 的 数 据 包 可 以 比 缓 冲 区 小, 而 不 会 引 起 错 误 续 表 位 字 段 名 描 述 20:19 DP 方 向 / 包 标 识 符 这 个 字 段 中 指 定 的 传 输 的 包 标 识 符, 也 定 义 了 传 输 方 向 编 码 如 下 : 00b= 准 备 阶 段 01b=OUT 10b=IN 11b= 保 留 23:21 DI 中 断 延 时 包 括 一 个 延 时 计 数 器, 指 定 主 机 在 生 成 一 个 中 断 前 必 须 等 待 的 帧 数, 指 示 传 输 描 述 符 成 功 完 成 如 果 这 个 字 段 包 括 111b, 那 么 完 成 传 输 描 述 符 没 有 中 断 25:24 T 数 据 切 换 这 个 字 段 的 最 低 有 效 位, 包 括 数 据 切 换 状 态 这 个 值 只 在 这 个 字 段 的 最 高 有 效 位 是 1 的 时 候 有 效 如 果 最 高 有 效 位 是 0, 那 么 切 换 位 必 须 从 终 点 描 述 符 的 切 换 触 发 器 获 取 27:26 EC 错 误 计 数 器 这 个 字 段 包 括 在 处 理 传 输 描 述 符 过 程 中 与 事 务 错 误 相 关 的 错 误 计 数 器 每 当 检 测 到 错 误, 计 数 器 就 加 1 当 值 增 加 到 3, 错 误 类 型 就 记 入 错 误 请 求 编 码 字 段 ( 位 31:28), 终 点 停 止 当 传 输 描 述 符 在 3 个 错 误 之 前 完 成, 这 个 字 段 复 位 为 0 31:28 CC 错 误 情 况 编 码 指 定 执 行 传 输 描 述 符 中 所 发 生 错 误 的 类 型 表 D-6 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 1) 位 字 段 名 描 述 31:0 CBP 当 前 缓 冲 区 指 针 指 向 下 一 个 访 问 终 点 数 据 要 使 用 的 内 存 缓 冲 区 的 物 理 地 址 0 值 表 明 这 个 传 输 描 述 符 中 的 所 有 字 节 被 传 输 了 表 D-7 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 2) 位 字 段 名 描 述 3:0 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 31:4 下 一 个 传 输 描 述 符 下 一 个 传 输 描 述 符 指 向 这 个 终 点 链 表 中 下 一 个 传 输 描 述 符 表 D-8 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 3) 位 字 段 名 描 述 31:0 BE 内 存 缓 冲 区 尾 地 址 包 含 这 个 传 输 要 使 用 的 295

318 附 录 D 内 存 缓 冲 区 最 后 一 个 字 节 的 物 理 地 址 同 步 传 输 描 述 符 图 D-7 是 32 个 字 节 的 同 步 传 输 描 述 符 的 定 义 由 于 同 步 终 点 有 一 个 定 时 单 元 来 保 证 数 据 速 率 匹 配, 因 此 同 步 传 输 描 述 符 可 以 执 行 跟 踪 缓 冲 最 多 8 个 连 续 帧 的 数 据 SF 缓 冲 页 面 0 (BP0) 下 一 传 输 描 述 符 指 针 (NextTD) 内 存 缓 冲 区 结 束 (BE) 偏 移 l/psw1 偏 移 0/PSW0 偏 移 3/PSW3 偏 移 2/PSW2 偏 移 5/PSW5 偏 移 4/PSW4 偏 移 7/PSW7 偏 移 6/PSW6 图 D-7 同 步 传 输 描 述 符 格 式 描 述 符 包 括 一 个 开 始 帧 号 ( 在 开 始 帧 字 段 ), 帧 号 包 括 16 位 定 义 什 么 时 候 开 始 同 步 传 输 OHC 从 每 个 实 际 帧 的 低 16 位 中, 减 去 这 16 位 的 开 始 帧 值, 决 定 传 输 什 么 时 候 开 始 如 果 结 果 是 负 数, 控 制 器 就 知 道 开 始 点 没 有 到 达, 处 理 下 一 个 终 点 描 述 符 但 是, 当 开 始 帧 和 当 前 帧 号 匹 配 时,OHC 开 始 以 帧 号 0 传 输 数 据 数 据 放 到 被 标 记 了 缓 冲 区 第 0 页 和 最 后 一 页 的 缓 冲 区 数 据 在 缓 冲 区 中 的 实 际 位 置 在 偏 移 0 字 段 定 义 下 一 个 帧 的 数 据 放 在 偏 移 1, 依 此 类 推 每 个 数 据 包 传 输 后, 传 输 描 述 符 中 的 偏 移 值 重 新 放 入 完 成 状 态 信 息, 称 为 包 状 态 字 (PSW) 高 4 位 定 义 情 况 编 码, 剩 下 的 位 指 示 传 输 的 大 小 同 步 传 输 符 的 每 个 字 段 在 表 D-9 到 表 D-13 中 定 义 表 D-9 同 步 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 0) 位 字 段 名 描 述 296

319 开 放 主 机 控 制 器 15:0 SF 开 始 帧 包 含 16 位 的 帧 号, 在 这 个 帧 中 同 步 传 输 开 始 被 调 度 20:16 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 续 表 位 字 段 名 描 述 23:21 DI 中 断 延 时 包 括 一 个 延 时 计 数 器, 指 定 主 机 在 生 成 一 个 中 断 前 必 须 等 待 的 帧 数, 指 示 传 输 描 述 符 成 功 完 成 如 果 这 个 字 段 包 括 111b, 那 么 完 成 传 输 描 述 符 没 有 中 断 25:24 PC 帧 计 数 器 由 传 输 描 述 符 定 义 的 数 据 包 ( 帧 ) 的 数 目,0=1 个 帧,7=8 个 帧 27 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 31:28 CC 错 误 情 况 编 码 执 行 传 输 描 述 符 中 发 生 错 误 的 类 型 表 D-10 同 步 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 1) 位 字 段 名 描 述 11:0 无 没 有 定 义 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 可 以 使 用 这 些 字 段 做 任 何 事 情, 被 主 机 控 制 器 忽 略 31:12 BP0 缓 冲 区 页 0 表 明 这 个 传 输 描 述 符 数 据 缓 冲 区 开 始 的 物 理 页 号 表 D-11 同 步 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 2) 位 字 段 名 描 述 3:0 0 保 留 ( 置 零 ) 31:4 下 一 个 传 输 描 述 符 下 一 个 传 输 描 述 符 指 向 这 个 终 点 链 表 中 下 一 个 同 步 传 输 描 述 符 表 D-12 同 步 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 3) 位 字 段 名 描 述 31:0 BE 内 存 缓 冲 区 尾 地 址 包 含 这 个 传 输 要 使 用 的 内 存 缓 冲 区 最 后 一 个 字 节 的 物 理 地 址 表 D-13 同 步 传 输 描 述 符 字 段 定 义 ( 双 字 4~7) 位 字 段 名 描 述 15:0 31:16 偏 移 N 偏 移 0~7 这 是 这 个 帧 中 所 存 储 的 数 据 在 数 据 缓 冲 区 中 的 偏 移 31:4 PSWN 包 状 态 字 0~7 用 来 报 告 每 个 放 到 缓 冲 区 297

320 附 录 D 中 的 包 的 完 成 状 态 也 指 定 了 实 际 传 输 的 数 据 大 小 开 放 主 机 控 制 器 寄 存 器 开 放 主 机 控 制 器 寄 存 器 通 过 PCI 配 置 基 地 址 寄 存 器 映 射 到 PCI 内 存 地 址 空 间 这 些 寄 存 器 可 以 被 分 为 几 个 功 能 组, 如 图 D-8 所 示 控 制 和 状 态 组 内 存 指 针 组 帧 计 数 器 组 根 集 线 器 组 图 D-8 开 放 主 机 控 制 器 寄 存 器 主 机 控 制 器 控 制 和 状 态 这 些 寄 存 器 定 义 主 机 控 制 器 的 操 作 模 式, 反 映 主 机 控 制 器 的 当 前 状 态, 提 供 中 断 控 制 器 和 状 态, 反 映 错 误 情 况 内 存 指 针 这 些 寄 存 器 提 供 指 向 数 据 结 构 的 指 针, 这 些 数 据 结 构 是 和 主 机 控 制 器 驱 动 程 序 通 信 所 必 需 的, 基 于 内 存 中 的 这 些 传 输 描 述 符 来 执 行 事 务 298

321 开 放 主 机 控 制 器 帧 计 数 器 和 控 制 设 置 这 些 寄 存 器 提 供 帧 定 时 器 状 态 和 控 制, 管 理 开 始 帧 定 时 器, 控 制 绑 定 到 帧 定 时 时 隙 的 事 件 根 集 线 器 状 态 和 控 制 器 这 些 寄 存 器 用 于 根 集 线 器 功 能 寄 存 器 的 两 套 设 置 包 含 到 控 制 的 两 个 部 分 欲 详 细 了 解 这 些 寄 存 器 请 参 考 开 放 主 机 控 制 器 规 范 299