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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 :don@mindshare.com 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