USB开发步骤之标准篇

USB开发步骤之标准篇

通用串行总线（Universal Serial Bus）

   是用于将适用USB的外围设备连接到主机的外部总线结构,其主要是用在中速和低速的外设。USB是通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接，实现数据的传送。

    USB同时又是一种通信协议，他支持主系统(host)和USB的外围设备(device)之间的数据传送，在USB的网络协议中，每个USB的系统有且 只有一个host，因此，很多的朋友问我是否可以将两台PC的USB口通过A-A头连接起来，是否可以实现通信，这样是不行的，因为对于电脑主板上的 USB设备，都是host,如果连起来就是两个host的通信，这样一来的一个USB的系统有了两个的host，与它的网络协议冲突。 Anchorchip出了一个可以直接连接的设备(好象是AN2720SC)，实际上是一个由两个背靠背的USB的device组合起来的一块芯片，要卖 80多个刀乐，太贵了，呵呵！

USB的优点有以下几条：

USB为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。这样一来就简化了USB外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务,实现了单一的数据通用接口。

USB排除了各个设备象鼠标、调制解调器、键盘和打印机设备对去系统资源的需求，因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用，整个的USB的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。

USB支持热插拔(hot plug)，也就是说在不关PC的情况下可以安全的插上和断开USB设备，动态的加载驱动程序。其他普通的外围连接标准，如SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能增加或移走外围设备。

USB支持PNP。当插入USB设备的时候，计算机系统检测该外设并且通过自动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作。

USB在设备供电方面提供了灵活性。USB直接连接到Hub或者是连接到Host的设备可以通过USB电缆供电，也可以通过电池或者其它的电力设备来供电，或使用两种供电方式的组合.并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。

USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率来适应各种不同类型的外设。

针对不能处理突然发生的非连续传送的设备，如音频和视频设备，USB可以保证其固定带宽。

为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB提供了四种不同的数据传送类型。

USB使得多个外围设备可以跟主机通信。

USB的目的:1,使用方便 2,可以提供实时的数据给PC 3,端口的灵活扩展性

   USB标准可以在www.usb.org/developer中找到,并且你还可以在该站点找到另外的一个USB的测试工具:usbcomp.exe,它 包含一个usbcheck的工具可以检测到设备是否一些USB的高层次的要求。同时它还有一个usbcheck的工具可以检测HID(human interface device)的设备。而Win98还有一个"Ignore hubs"(Memphis only)的检测窗口。在W2K DDK中包含的一个USBView的工具可以看出系统中所有的USB总线以及USB总线上的所有的设备。

USB论坛(USB forum)的成员每年只需要支付$2500就可以获得一个Vendor ID,其实,每个Vendor ID的零售价格只是$200,不过每个USB论坛的成员可以在关于USB的支持方面可以得到许多的好处。(对于俺们中国人来说,去弄一个什么USB成员是 很浪费钱的)

USB的设备类型(device class)

    虽然USB设备都会表现USB的一些基本的特征。但是,USB的设备还是可以分成多个不同类型,同类型的设备可以拥有一些共同的行为特征和工作协议,从而使设备的驱动程序的书写变得简单一些。下表中就给出一些基本的USB的设备类型分类。

设备类型(device class) 设备举例 类型常量(Class constant)
音频(audio) 扬声器 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO
通信 MODEM USB_DECICE_CLASS_COMMUNICATIONS
HID 键盘 鼠标 USB_DEVICE_CLASS_HUMAN INTERFACE
显示 监视器 USB_DEVICE_CLASS_MONITOR
物理回应设备 动力回馈式游戏操纵杆 USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE
电源 不间断电源供应 USB_DEVICE_CLASS_POWER
打印机  USB_DEVICE_CLASS_PRINTER
大量的存储器 硬盘 USB_DEVICE_CLASS_STORAGE
HUB  USB_DEVICE_CLASS_HUB

USB的基本特性
每一个设备(device)会有一个或者多个的逻辑连接点在里面,每个连接点叫 endpoint.每个endpoint有四种数据传送方式:控制(Control)方式传送;同步(isochronous)方式传送;中断 (interrupt)方式传送;大量(bulk)传送.但是所有的endpoint0都被用来传送配置和控制信息。
在host和设备的endpoint之间的连接叫作管道"pipe",endpoint0叫做缺省(default pipe)。
对于同样性质的一组的endpoint的组合叫做接口(interface),如果一个设备包含不止一个的接口就可以称之为复合设备(composite device)。
同样的道理,对于同样的类型的接口的组合可以称之为"配置"(configuration)。但是每次只能有一个配置是可用的,而一旦该配置激活,里面的接口和endpoint就都同时可以使用。
host从设备发过来的描述字(descriptors)中来判断用的是哪个配置,哪个接口等等,而这些的描述字通常是在endpoint0中传送。

Windows USB 驱动程序接口
系统中的USB的驱动程序完成许多的工作。
实际上对于一些HID的USB设 备,象键盘,鼠标和游戏操纵杆之类的设备可以自动的被系统识别并且支持.而除此之外的设备就需要自己写一个驱动程序来完成硬件和软件之间的联系。在核心模 式(kernel mode)下,驱动程序用IOCTL来组织和操作一些由其他部分发过来的要求和命令。而IOCTL又是通过URB(USB request blocks)来实现数据的传送的。
在正式的介绍USB的驱动程序之前,先还是来看看USB的物理和逻辑结构。

传输方式
在USB的数据传送的方式下,有四种的传输方式:控制(Control)同步 (isochronous)中断(interrupt)大量(bulk)。如果你是从硬件开始来设计整个的系统,你还要正确选择传送的方式,而作为一个驱 动程序的书写者,就只需要弄清楚他是采用的什么工作方式就行了。
通常所有的传送方式下的主动权都在PC边,也就是host边。

控制(Control)方式传送：控制传送是双向传送，数据量通常较小。USB系统软 件用来主要进行查询、配置和给USB设备发送通用的命令。控制传送方式可以包括8、16、32和64字节的数据，这依赖于设备和传输速度。控制传输典型地 用在主计算机和USB外设之间的端点(Endpoint)0之间的传输，但是指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。

同步(isochronous)方式传送：同步传 输提供了确定的带宽和间隔时间（latency)。它被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。例如执行 即时通话的网络电话应用时，使用同步传输模式是很好的选择。同步数据要求确定的带宽值和确定的最大传送次数。对于同步传送来说，即时的数据传递比完美的精 度和数据的完整性更重要一些。

中断(interrupt)方式传送：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数 据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1到255ms之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据的传输。键盘、操纵杆 和鼠标就属于这一类型。中断方式传送是单向的并且对于host来说只有输入的方式。

大量(bulk)传送：主要应用在数据大量传送传送和接受数据上，同时又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。这种类型的设备适合于传输非常慢和大量被延迟的传输，可以等到所有其它类型的数据的传送完成之后再传送和接收数据。

USB将其有效的带宽分成各个不同的桢(frame),每桢通常是1ms时间长。每个 设备每桢只能传送一个同步的传送包。在完成了系统的配置信息和连接之后,USB的host就会对不同的传送点和传送方式做一个统筹安排,用来适应整个的 USB的带宽。通常情况下,同步方式和中断方式的传送会占据整个带宽的90%,剩下的就安排给控制方式传送数据。

USB的低层结构
USB设备
USB的设备可以接在PC上的任意的USB接口上。而使用HUB还可以扩展使更多的 USB设备连接到系统中,USB的HUB有一个上行的端口(到host),有多个的下行端口(连接其它的设备),从而可以使整个的系统可以扩展的连接 127个外设,其中HUB也酸外设。对于USB系统来说,USB的host永远是PC边,所有的其他连接到host都称为设备,在设备与设备之间是无法实 现直线通信的,只有通过host的管理与调节才能够实现数据的互相传送.在系统中,通常会有一个根HUB,这个HUB一般有两个下行的端口。
一个PC可以拥有一个或多个的USB host控制器。一般有两种类型的控制器:UHCI(USB host控制器接口),OHCI(开放的host控制器接口)。Windows的USB类驱动程序对于每一种的控制器类型都有一种miniclass驱动程序来支持。

USB的物理信号
USB的电缆有四根线,两根传送的是5V的电源,有一些直接和电源HUB相连的设备可 以直接利用它来供电。另外的两根是数据线,数据线是单工的,在整个的一个系统中的数据速率是一定的,要么是高速,要么是低速,没有一个可以中间变速的设备 来实现数据码流的变速.在这一点上,USB和1394有明显的差别。
USB的总线可以在不使用的时候被挂起,这样一来就可以节约能源。
在有些时候的总线还有可能挡机(stall),比如说象数据传送的时候突然被打断，这个时候通过host的重新配置可以实现总线的重新工作。

低层协议
USB的物理协议规定了大多数的在总线上的数据格式，通常一个全速的数据桢可以最多有的1500bytes,而对于低速的桢最多有187bytes。
桢通常是用来分配带宽给不同的数据传送方式。同时由于桢结构的规律性，桢的这种特性也可以用来做同步信号来使用。
一个最小的USB的数据块叫做包(packet)，包包括同步信号，包标识（packet ID)，CRC和传送的数据。Packet ID共有以下十种：
token OUT IN SOF SETUP
data DATA0 DATA1
handshake ACK NAK STALL
special PRE

Transactions（数据交换）
一个transaction是在host和设备（device)之间的不连续相互数据 交换，通常由host开始交换，交换的开始是由Token的包开始的，接下来是双方向上的数据包，在数据包传送完之后，就会由设备（device）返回一 个握手（handshake)包。USB系统通过IN,OUT,和SETUP的包来指定USB地址和endpoint（最多是128个，0通常被用来用做 缺省的传送配置信息的）,并且这些被指定的设备必须通过上面形式的包来回应这种形式的指定。每个SETUP的包包含8个byte的数据，数据用来指示传送 的数据类型。对于DATA数据包来说，设置两种类型的数据包是为了能够在传送数据的时候做到更加的精确。ACK handshake的包用来指示数据传送的正确性，而STALL handshake则表示数据包在传送的过程中出了故障，并且请示host重新发数据或者清除这次传送。PRE格式的包主要是用在在一个USB的系统中如 果存在不同速率的设备的时候，将不同于总线速度的设备中就会回应一个PRE的包从而会忽略该设备。
各种不同类型的包的大小是不同的，DATA的数据包最大是1023bytes.

Start of Frame(SOF)
SOF是host用来指示frame的开头的。SOF的包包括11个bit的桢序号，从0到0X7FF(i.e. USBD_ISO_START_FRAME_RANGE-1)，SOF对于所有的高速设备来说是有效的。

Power
每个设备可以从总线上获得100mA的电流，如果特殊的向系统申请，最多可以获得500mA的电流，在挂机的状态下，电流只有500uA. 

驱动程序的安装步骤
Windows用设备描述字或者接口描述字来了解到底是什么样的设备被接入到系统。 Windows初始化的Hardware ID中有设备提供商的ID域（IDVendor,IDProduct,和BCDDevice）。如果你没有向系统提供一个INF文件的话，系统就会自动选 择提供一个兼容ID（可能不是工作得很好，就像你买了一个Rockswell的Modem，而你使用标准Modem的驱动程序，你的Modem可能会工作 的有很多的毛病，也可能跑得飞快，电脑的事情，什么都可能发生，就像中国足球........我在九四年就发誓不再为中国足球恼火，可是俺前不久还是骂了 一下那个叫章鱼鳞的小伙子，怎么就.......好歹还是一孩子，就原谅一回吧，哎!）

USB的新特性
共享性 一个物理设备可以使用许多不同的pipe
实时性 可以实现和一个设备之间有效的实时通信
动态性 可以实现接口间的动态切换
联合性 不同的而又有相近的特性的接口可以联合起来，
多能性 各个不同的接口可以使用不同的供电模式
自动性 缺省的pipe的使用使基系统的建立和配置变得自动并且快速

以上几个方面只是简要的介绍了一下USB的标准的一些情况，介绍得非常非常之浅，还有 象USB的host在系统中的唯一性和device的带宽分布，以及hub，和USB的电气特性等等，以及网络分层结构等方面我就不赘述了，在标准里面有 详细的叙述。鄙人仅致力于用中文给大家一个比较浅显的介绍，希望不会给大家不正确的引导。（诸位大虾倘要做USB设备，当阅读美利坚合众国之原版文章。切 记，切记！不瞒大家，朕亦十分反感大不列颠国之文字，一日，吾弟问朕，国人何以皆学洋文，朕曰寡人如何得知，料想倘念好洋文，就有机会去诳洋人钱财。）

本来想单独开一个USB2.0的页，可是敲中文实在是太麻烦，再加上现在的 USB2.0只是一个DEMO的期间，USB2.0的器件更是没有，关于USB2.0没有什么改变，所有的硬件不用改变，就可以跑USB2.0,到时候 400多Mb可以让你任何的器件都可以通过USB来玩了，不过，现在只是在USB的高速的host和USB的高速HUB间可以有这么高的速度，普通的外设 就差了一些，不知道以后会不会变化！稍后我将给出USB2.0的专题介绍。