Active Device:正在使用的设备

Asynchronous Data:异步数据

Asynchronous RA:异步自适应速率

Asynchronous SRC: 异步抽样转换率

Audio Device:音频设备

AWG#(American Wire Gauge):美国电线标准

Babble:帧传输中的总线动作

Bandwidth:带宽

Big Endian:

Bit:比特

Bit Stuffing:数据填充,以使PLL可以提取时钟信号

b/s:每秒多少比特

B/s:每秒多少字节

Buffer:缓冲区

Bulk Transfer:批量传送

Bus Enumeration:总线标号

Byte: 字节 

Capabilities:能力

Characteristics:特征

Client:客户

Configuring Software:配置软件

Control Endpoint:控制端口

Control Pipe:控制通道

Control Transfer:控制传送

CTI:计算机电信组织

Cyclic Redundancy Check(CRC):循环冗余校验

Default Address:缺省地址

Default Pipe:缺省通道

Device:设备、器件

Device Address：设备地址

Device Endpoint：设备端口

Device Resource：设备资源

Device Software：设备软件

Downstream：下行

Driver：驱动

DWORD：双字                                                      

Dynamic Insertion and Removal：动态插入与拆除

Electrically Erasable Programmable Read Only Memory EEPROM：电擦写可 

                                    编程只读存储器  

End User：终端用户

Endpoint：端口

Endpoint Address：端口地址

Endpoint Direction：端口指向

Endpoint Number：端口号

EOF：帧结束

EOP：包结束

External Port：外设端口

False EOP：错误的包结束标志

Frame：帧

Frame Pattern：帧结构

Full-duplex：全双工

Function：功能、功能部件

Handshake Packet：握手包

Host：主机

Host Controller：主机控制器

Host Controller Driver(HCD)：主机控制驱动

Host Resourses：主机资源

Hub：集线器

Hub Tier：Hub层

Interrupt Request(IRQ)：中断请求

Interrupt Transfer：中断传送

I/O Request Packet（IRP）： 输出/输入请求包

Isochronous Data：同步数据

Isochronous Device：同步设备

Isochronous Sink Endpoint：同步接收端

Isochronous Sourse Endpoint：同步源端

Isochronous Transfer：同步传送

Jiffer：抖动

kb/s：传送速率每秒几千比特

kB/s：传送速率每秒几千字节

Little Endian：

LOA：有始无终的总线传输

LSb：最低比特

LSB：最低字节

Mb/s：传送速率每秒几兆比特

MB/s：传送速率每秒几兆比特

Message Pipe：消息通道

MSb：最高比特

MSB：最高字节

NAK：不确认

Non Return to Zero Invert(NRZI)：非归零翻转码

Object：对象

Packet：数据包

Packet Buffer：数据包缓冲区

Packet ID(PID)：数据包标示位

Phase：时项、相位

Phase Locked Loop(PLL)：锁相环

Physical Device：物理部件

Pipe：通道

Polling：查询

Port：口、端口

Power On Reset(POR)：电源复位

Programmable Data Rate：可编程数据速率

Protocol：协议

Rate Adaption（RA）：自适应速率

Request：请求、申请

Retire：取消、终止

Root Hub：根集线器、主机Hub

Root Port：根集线器的下游端口

Sample：取样、抽样

Sample Rate(Fs)：抽样速率

Sample Rate Conversion(SRC)：抽样转换率

Service：服务

Sevice Interval：服务间隙

Service Jitter：服务质量的抖动参数

Sevice Rate：指定端口每单位时间的服务数目

SOP：包开始

Stage：控制传输的某个阶段

Start-of-Frame(SOF)：帧开始

Stream Pipe：流通道

Synchronization Type：同步类型

Synchronous RA：同步的RA

Synchronous SRC：同步的SRC

Sysem Programming Interface(SPI)：系统可编程接口

Terminaton Time Division Multiplexing(TDM)：时分复用

Timeout：超时

Token Packet：标志包

Transaction：处理事务

Transfer：传送

Transfer Type：传送类型

Turn-around Time：USB传输中包与包之间的间隔时间,以防止传输冲突

Universal Serial Bus Driver(USBD)：USB驱动器

Univeral Serial Bus Resources：USB提供的资源

Upstream：上行

Virtual Device：虚拟设备

Word：字（16位）  

 第3章 体系结构概述 

     本章主要内容是关于USB的概述和一些关键的概念。USB是一种电缆总线,支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准的协议使各种设备分享USB带宽,当其它设备和主机在运行时,总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。

     后续章节将着重描述USB的细节。

3.1   USB系统的描述

     一个USB系统主要被定义为三个部分：

     ·USB的互连;

     ·USB的设备;

     ·USB的主机。

     USB的互连是指USB设备与主机之间进行连接和通信的操作,主要包括以下几方面：

     ·总线的拓扑结构：USB设备与主机之间的各种连接方式;

     ·内部层次关系：根据性能叠置,USB的任务被分配到系统的每一个层次;

     ·数据流模式：描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式;

     ·USB的调度：USB提供了一个共享的连接。对可以使用的连接进行了调度以支持同步数据传输,并且避免的优先级判别的开销。

     USB的设备及主机的细节将讲述于后。

3.1.1   总线布局技术

     USB连接了USB设备和USB主机,USB的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心,每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件,或从集线器到集线器或其功能部件,从图3-1中可看出USB的拓扑结构。

3.1.1.1   USB的主机

     在任何USB系统中,只有一个主机。USB和主机系统的接口称作主机控制器,主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。根集线器是由主机系统整合的,用以提供更多的连接点。关于主机更多的内容可参见4.9节和第9章。

4.1.1.2   USB的设备

     USB的设备如下所示:

     ·网络集线器,向USB提供了更多的连接点;

     ·功能器件：为系统提供具体功能,如ISDN的连接,数字的游戏杆或扬声器。

     USB设备提供的USB标准接口的主要依据：

     ·对USB协议的运用;

     ·对标准USB操作的反馈,如设置和复位;

     ·标准性能的描述性信息;

     关于USB设备的更多信息请参见3.8节和第8章。

 

3.2   物理接口

USB 的物理接口的电气特性在第六章,机械特性在第五章详细介绍。

 

3．2．1电气特性

USB传送信号和电源是通过一种四线的电缆,图3-2中的两根线是用于发送信号。

    存在两种数据传输率：

     ·USB的高速信号的比特率定为12Mbps;

     ·低速信号传送的模式定为1.5Mbps;

     低速模式需要更少的EMI保护。两种模式可在用同一USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将档妥芟叩睦 寐?所以该模式只支持有限个低带宽的设备(如鼠标)。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去,时钟信号被转换成NRZI码,并填充了比特以保证转换的连续性,每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出原时钟信号。

     电缆中包括VBUS 、GND二条线,向设备提供电源 。VBUS 使用+5V电源。USB对电缆长度的要求很宽,最长可为几米。通过选择合适的导线长度以匹配指定的IR drop和其它一些特性,如设备能源预算和电缆适应度。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离,并区分出高速,或低速设备。

3.2.2   机械特性

     电缆和连接器的机械特性将在第5章详述。所有设备都有一个上行的连接。上行连接器和下行连接器是不可简单的互换,这样就避免了集线器间的非法的循环往复的连接,电缆中有四根导线：一对互相缠绕的标准规格线,一对符合标准的电源线,连接器有四个方向,具有屏蔽层,以避免外界干扰,并有易拆装的特性。

3.3   电源

     主要包括两方面：

     ·电源分配：即USB的设备如何通过USB分配得到由主计算机提供的能源;

     ·电源管理：即通过电源管理系统,USB的系统软件和设备如何与主机协调工作。

3.3.1   电源分配

     每个USB单元通过电缆只能提供有限的能源。主机对那种直接相连的USB设备提供电源供其使用。并且每个USB设备都可能有自己的电源。那些完全依靠电缆提供能源的设备称作“总线供能”设备。相反,那些可选择能源来源的设备称作“自供电”设备。而且,集线器也可由与之相连的USB设备提供电源。受一定布局限制的带有“总线供能”集线器的体系结构将在第十章讨论。在图4-4(位于3.8)中,键盘,输入笔和鼠标均为“总线供能”设备。

3.3.2   电源管理

     USB主机与USB系统有相互独立的电源管理系统。USB的系统软件可以与主机的能源管理系统结合共同处理各种电源子件如挂起、唤醒,并且有特色的是,USB设备应用特有的电源管理特性,可让系统软件和控制其电源管理。

     USB的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中,如采用电池的笔记本电脑。

3.4   总线协议

     USB总线属一种轮讯方式的总线,主机控制端口初始化所有的数据传输。

     每一总线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则,在每次传送开始时,主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向,USB设备地址和终端号的USB数据包,这个数据包通常称为标志包(token packet)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始时,由标志包来标志数据的传输方向,然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的USB数据传输,在主机和设备的端口之间,可视为一个通道。存在两种类型的通道：流和消息。流的数据不像消息的数据,它没有USB所定义的结构,而且通道与数据带宽、传送服务类型,端口特性（如方向和缓冲区大小）有关。多数通道在USB设备设置完成后即存在。USB中有一个特殊的通道——缺省控制通道,它属于消息通道,当设备一启动即存在,从而为设备的设置、查询状况和输入控制信息提供一个入口。

     事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制,从而在硬件级上防止了对缓冲区的高估或低估,通过发送不确认握手信号从而阻塞了数据的传输速度。当不确认信号发过后,若总线有空闲,数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵活的任务安排,可使不同性质的流通道同时正常工作,这样多种流通常可在不同间隔进行工作,传送不同大小的数据包。

3.5   健壮性

     USB健壮性的特征在于：

     ·使用差分的驱动接收和防护,以保证信号完整性;

     ·在数据和控制信息上加了循环冗余码(CRC);

     ·对装卸的检测和系统级资源的设置;

     ·对丢失或损坏的数据包暂停传输、利用协议自我恢复;

     ·对流数据进行控制,以保证同步信号和硬件缓冲管理的安全;

     ·数据和控制通道的建立,使功能部件的相互不利的影响独立开,消除了负作用。

3.5.1   错误检测

     USB传输介质产生的错误率是与自然界的异常现象的概率相吻合,是瞬时一现的,因此就要在每个数据包中加入检测位来发现这些瞬时的错误,并且提供了一系列硬件和软件设施来保证数据的正确性。

     协议中对每个包中的控制和数据位都提供了循环冗余码校验,若出现了循环冗余码的错误则被认为是该数据包已被损坏,循环冗余码可对一位或两位的错误进行100%的修复。

3.5.2   错误处理

     协议在硬件或软件级上提供对错误的处理。硬件的错误处理包括汇报并重新进行上一次失败的传输、传输中若遇到错误,USB主机控制器将重新进行传输,最多可再进行三次。若错误依然存在,则对客户端软件报告错误,客户端软件可用一种特定的方法进行处理。

3.6   系统设置

     USB设备可以随时的安装和折卸,因此,系统软件在物理的总线布局上必须支持这种动态变化。

3.6.1   USB设备的安装

     所有的USB设备都是通过端口接在USB上,网络集线器知道这些指定的USB设备,集线器有一个状态指示器指明在其某个端口上,USB设备是否被安装或拆除了,主机将所有的集线器排成队列以取回其状态指示。在USB设备安装后,主机通过设备控制通道激活该端口并以预设的地址值给USB设备。

     主机对每个设备指定唯一的USB地址。并检测这种新装的USB设备是集线器还是功能部件。主机为USB设备建立了控制通道,使用指定的USB的地址和零号端口。

     如果安装的USB设备是集线器,并且USB设备连在其端口上,那上述过程对每个USB设备的安装都要做一遍。

     如果安装的设备是功能部件,那么主机中关于该设备的软件将因设备的连接而被引发。

3.6.2   USB设备的拆卸

     当USB设备从集线器的端口拆除后,集线器关闭该端口,并且向主机报告该设备已不存在。USB的系统软件将准确进行处理,如果去除的USB设备上集线器,USB的系统软件将对集线器反连在其上的所有设备进行处理。

3.6.3   总线标号

     总线标号就是对连接在总线上的设备指定唯一的地址的一种动作,因为USB允许USB设备在任何时刻从USB上安装或拆卸,所以总线标号是USB的系统软件始终要作的动作,而且总线标号还包括对拆除设备的检测和处理。

3.7   数据流种类

     数据和控制信号在主