USB應用技術(shù)

USB應用技術(shù)

通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB)從誕生后發(fā)展到今天，已將近十年。伴隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，USB協(xié)議從1.1過(guò)渡到2.0，作為其最重要指標的設備傳輸速度也從1.5Mb/s的低速和12Mb/s的全速提高到如今的480Mb/s的高速。USB作為過(guò)去幾年里計算機和嵌入式系統領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，推動(dòng)了計算機外設的飛速發(fā)展。毫無(wú)疑問(wèn)的是，USB已經(jīng)占領(lǐng)了PC和外設的市場(chǎng)；而在未來(lái)，USB又將以OTG再次引領(lǐng)計算機外設產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，同時(shí)也將把計算機和嵌入式領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究帶入更為深入的層次。

圖1 帶有USB接口的PC外設 USB設備開(kāi)發(fā)技術(shù)
1994年11月，以Intel為首的7家公司推出了USB協(xié)議規范的第一個(gè)草案。自從1996年2月USB版本1.0發(fā)布后短短幾年內，USB不光成為了PC主板上的標準接口，而且成為了所有PC外部設備如鍵盤(pán)、鼠標、顯示器、打印機、數碼相機、掃描儀和游戲手柄等與PC相連的標準協(xié)議之一，迅速占領(lǐng)了計算機中低速外部設備的市場(chǎng)，大有取代串口和并口之勢。圖1展示了幾款帶有USB接口的PC外設、數碼家電和通信產(chǎn)品。
首先，我們總結出USB設備開(kāi)發(fā)的基本內容：

USB設備作為一個(gè)完整的硬件設備，是由硬件和固件兩部分來(lái)組成的。其中固件中包括了有關(guān)系統配置和CPU的一些設置模塊、USB協(xié)議棧模塊等幾部分。USB總線(xiàn)上的信息有兩種：一種是差模數據線(xiàn)上的包；另一種則是有特殊定義的數據線(xiàn)的信號，比如復位信號、遠程喚醒信號等等。因此，設備的USB棧就要能夠識別并處理這些不同的信息內容。同時(shí)，在上層，這些信息又要被組成各種傳輸的類(lèi)型來(lái)加以處理。所以，整個(gè)協(xié)議棧的內容是非常龐大的。
一般來(lái)說(shuō)，USB設備在硬件上要由USB的芯片來(lái)實(shí)現。這個(gè)芯片的作用有：管理和實(shí)現USB物理層差模信號；提供給連接的端口；電源管理(主要指提供3.3V的電源)；以寄存器的形式提供各種端點(diǎn)；提供各種配置和存儲寄存器。因此，固件就是以這些硬件資源為基礎來(lái)實(shí)現USB的功能。一般的USB芯片都會(huì )提供幾個(gè)標準的端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)都支持單一的總線(xiàn)傳輸方式。其中端點(diǎn)0必須支持控制傳輸，而其他的端點(diǎn)則可以支持同步傳輸、批量傳輸或中斷傳輸中的任意一種傳輸方式。管理和使用這些端點(diǎn)，就需要通過(guò)相應的控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和數據寄存器來(lái)實(shí)現。其中，控制寄存器用于設置端點(diǎn)的工作模式、啟用端點(diǎn)的功能等；狀態(tài)寄存器用于查詢(xún)端點(diǎn)的當前狀態(tài)；中斷寄存器則用于設置端點(diǎn)的中斷觸發(fā)和響應功能；數據寄存器則是設備與主機交換數據用的緩沖區。合理和有效地使用這些寄存器，是編好USB協(xié)議棧的關(guān)鍵。
簡(jiǎn)而言之，USB的協(xié)議棧以設備端點(diǎn)的使用和管理作為基礎和核心。而在端點(diǎn)的這些寄存器中，對中斷寄存器的管理尤其重要。也因此，編寫(xiě)USB的中斷服務(wù)程序是整個(gè)設備端USB固件編寫(xiě)的主要內容?？梢苑譃槿齻€(gè)步驟：

USB主機的嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)

USB主機嵌入式化的必要性
隨著(zhù)USB應用領(lǐng)域的逐漸擴大，人們希望USB能應用在各種計算機領(lǐng)域中，尤其是在移動(dòng)數據交換等沒(méi)有PC的領(lǐng)域中。
非PC應用領(lǐng)域？這正是USB一個(gè)致命的弱點(diǎn)。USB的拓撲結構中居于核心地位的是主機(Host)，任何一次USB的數據傳輸都必須由主機來(lái)發(fā)起和控制，所有的USB設備都只能和主機建立連接，任何兩個(gè)外設之間或是兩個(gè)主機之間無(wú)法直接通信。而目前，大量的扮演主機角色的是個(gè)人電腦(PC)。因此，我們目前所買(mǎi)到和使用的USB移動(dòng)設備，都是USB的設備，比如USB的移動(dòng)硬盤(pán)、USB接口的數碼相機等等。所有這些設備都只能在PC上使用，只能通過(guò)PC來(lái)進(jìn)行相互的文件和數據交換。沒(méi)有了PC，這些設備就“失靈”了(就數據交換的功能而言)。
因此，“如何將USB應用到嵌入式領(lǐng)域？如何實(shí)現USB點(diǎn)對點(diǎn)的通信？”等問(wèn)題，開(kāi)始進(jìn)入了USB開(kāi)發(fā)者的討論議程。正是在這種新的需求之下，USB 主機的嵌入式應用成了USB領(lǐng)域新的興奮點(diǎn)。
PC上USB主機的功能與工作原理
USB主機完成的主要功能包括以下5個(gè)方面：檢測USB設備的連接和斷開(kāi)、管理主機和設備之間的標準控制管道、管理主機和設備之間的數據流、收集設備的狀態(tài)和統計總線(xiàn)的活動(dòng)、控制和管理主機控制器與設備之間的電氣接口。
剖析PC上USB主機部分的結構，可以看到，PC主板上一般都有兩個(gè)USB端口，并由一個(gè)USB主機接口芯片控制；這個(gè)USB主機接口芯片又通過(guò)PCI總線(xiàn)，與CPU進(jìn)行通信；此外，芯片附近還有一些電源管理的部分，用于對USB外設進(jìn)行電源的供給和管理。這是其硬件部分。軟件部分，很顯然，就是PC的操作系統所能夠提供的各種驅動(dòng)程序和應用程序支持，具體來(lái)說(shuō)，包括三部分：USB主控制器驅動(dòng)程序，其負責CPU與USB主機接口芯片的通訊，處理底層USB包的發(fā)送與接收；USB核心驅動(dòng)程序，這部分是USB底層與用戶(hù)程序之間的橋梁，負責解釋用戶(hù)程序中對USB的各種操作命令，并解碼后發(fā)送給底層驅動(dòng)；USB用戶(hù)程序和類(lèi)協(xié)議驅動(dòng)程序，這部分就是上層的應用層，主要包括操作系統提供給用戶(hù)的API、以及用戶(hù)自己定義的對USB設備的各種操作，比如讀取USB設備某幾個(gè)特定的數據等等。
嵌入式USB主機系統的設計內容
毒俟copy;程，獲取USB設備的描述符并加以利用等。

移動(dòng)USB——USB OTG的發(fā)展
USB On-The-Go，顧名思義，是USB應用在便攜式移動(dòng)設備領(lǐng)域中，因此，我們姑且將其翻譯為“便攜式USB”(或者“移動(dòng)USB”)，簡(jiǎn)記成USB OTG。OTG 1.0作為USB 2.0的補充協(xié)議，基本上符合USB 2.0規范。但是，有所不同的是符合USB OTG的設備完全拋開(kāi)了PC，既可以作為主機，也可以作為外設，而與另一個(gè)OTG設備直接實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)(Pear to Pear)通訊。因此，這類(lèi)OTG設備也被稱(chēng)為是雙角色設備(Dual-Role Device，簡(jiǎn)稱(chēng)為DRD)，并能夠根據接入設備的特性和數據傳輸過(guò)程中的情況，自動(dòng)切換為主機或是設備。需要