實(shí)用USB術(shù)語

摘要：如果您剛開始接觸USB，在深入研究Maxim公司關(guān)于USB的應(yīng)用筆記之前了解一些USB術(shù)語將很有幫助的。該應(yīng)用筆記介紹了基本的USB術(shù)語，尤其針對MAX3420E USB控制器和MAX3421E USB外設(shè)/主機(jī)控制器做了詳細(xì)說明。

主機(jī)
功能部件
速率
入-出方向
端點(diǎn)
集線器
枚舉
第九章(更多關(guān)于枚舉的內(nèi)容)
SIE
數(shù)據(jù)觸發(fā)
控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸
總線復(fù)位
USB驅(qū)動程序

主機(jī)

USB是一種“主-從”式總線，包括一個主機(jī)和多個從機(jī)。從機(jī)稱作外設(shè)，在USB術(shù)語中也稱作功能部件。主機(jī)稱作主設(shè)備。所有USB傳輸都由主機(jī)啟動；外設(shè)總是響應(yīng)傳輸，不會啟動傳輸。最常用的主機(jī)是PC機(jī)，主機(jī)通過USB-A連接器連接到下行設(shè)備。嵌入式主機(jī)不包括PC機(jī)，而是用一個微控制器作為專用主機(jī)，或許只能與一類USB設(shè)備通信。

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MAX3421E與控制器連接，可構(gòu)成嵌入式主機(jī)。

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功能部件

功能部件是USB設(shè)備，也稱作USB外設(shè)。USB外設(shè)是主機(jī)的“下行”設(shè)備，使用USB B型連接器連接。

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• MAX3420E是外設(shè)控制器。
• MAX3421E可作為USB主機(jī)或外設(shè)控制器。

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速率

USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以下三種傳輸速率：

1. 低速模式傳輸速率為1.5Mbps，多用于鍵盤和鼠標(biāo)。
2. 全速模式傳輸速率為12Mbps。
3. 高速模式傳輸速率為480Mbps。

市場上關(guān)于“USB 2.0兼容”的概念有一些混亂。這種混亂源于USB標(biāo)準(zhǔn)版本的升級，首先推出的是USB 1.0，緊接著有了比1.0更理想的USB1.1。USB1.x支持低速和全速兩種USB總線速度。2.0版本增加了高速模式，完全替代了1.1。所以，如果使用的是工作在12Mbps速率下的全速器件，則可認(rèn)為它與USB 2.0兼容，即使許多人僅將USB 2.0用于高速(480Mbps)操作。

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• MAX3420E為全速外設(shè)。
• MAX3421E為全速外設(shè)或全速/低速主機(jī)。

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入-出方向

USB系統(tǒng)以主機(jī)為中心。因此，解釋USB術(shù)語時假設(shè)面向的是主機(jī)。所以，從主機(jī)側(cè)看，“入”表示傳輸方向從外設(shè)到主機(jī)；同樣，“出”表示傳輸方向從主機(jī)到外設(shè)。

當(dāng)向MAX3420E寫入代碼裝載“INFIFO”時，數(shù)據(jù)是由芯片發(fā)出的，這一定義似乎有些奇怪。然而，如果牢記主機(jī)是主控制器，就會容易理解。

端點(diǎn)

端點(diǎn)位于USB外設(shè)內(nèi)部，所有通信數(shù)據(jù)的來源或目的都基于這些端點(diǎn)，是一個可尋址的FIFO。每個USB外設(shè)有一個唯一的地址，可能包含最多十六個端點(diǎn)。主機(jī)通過發(fā)出器件地址和每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩它c(diǎn)號，向一個具體端點(diǎn)(FIFO)發(fā)送數(shù)據(jù)。

每個端點(diǎn)的地址為0到15，一個端點(diǎn)地址對應(yīng)一個方向。所以，端點(diǎn)2-IN與端點(diǎn)2-OUT完全不同。 每個器件有一個默認(rèn)的雙向控制端點(diǎn)0，因此不存在端點(diǎn)0-IN和端點(diǎn)0-OUT。

外設(shè)中端點(diǎn)的編號是任意的。枚舉期間外設(shè)向主機(jī)報告其端點(diǎn)號和特征。

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MAX3420E提供以下端點(diǎn)：

• EP0：默認(rèn)控制點(diǎn)(CONTROL)
• EP1-OUT
• EP2-IN
• EP3-IN

當(dāng)作為外設(shè)工作時，MAX3421E提供和MAX3420E相同的端點(diǎn)。然而，作為主機(jī)使用時，MAX3421E用SNDFIFO和RCVFIFO向所有外圍地址和端點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。MAX3421E固件將功能部件地址和期望的端點(diǎn)號載入寄存器，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包。

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集線器

集線器擴(kuò)展了USB主機(jī)所能連接設(shè)備的數(shù)量。PC機(jī)的USB控制器內(nèi)置一個集線器，負(fù)責(zé)完成一些底層USB功能，如檢測設(shè)備的插入或拔出。集線器以全速或高速連接到上行端口(到PC)，以低速、全速或高速連接到下行端口(到外設(shè))。PC的根集線器可為每個A型連接器提供5V、500mA電源。一個總線供電的外部集線器可為每端口提供100mA電流。由于USB為外部集線器電路分配100mA電流，因此，一個總線供電的集線器可以有四個下行端口。如果集線器有自己的電源(自供電)，每個下行端口可提供高達(dá)500mA電流。

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• MAX3420E固件不了解集線器上連接多少個設(shè)備。
• MAX3421E提供一種特定模式，用來同連接到集線器的低速外設(shè)通信。

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枚舉

插入USB設(shè)備時，主機(jī)獲取連接通知，繼而識別剛剛插入的是什么。主機(jī)需要得到一系列描述符(數(shù)據(jù)表)，該描述符來自插入的設(shè)備，所有USB設(shè)備在插入USB端口時，主機(jī)都通過默認(rèn)的CONTROL端點(diǎn)0與設(shè)備進(jìn)行通訊。如果主機(jī)確認(rèn)它從設(shè)備接收的數(shù)據(jù)正確，則配置該設(shè)備使之開始工作。如果主機(jī)認(rèn)為設(shè)備的數(shù)據(jù)不正確(例如，某個描述符數(shù)據(jù)有沖突或超出了規(guī)范)，則忽略該設(shè)備。這時會彈出一個對話窗，說明該USB設(shè)備出了一些問題。

第九章(關(guān)于枚舉的更多信息)

USB標(biāo)準(zhǔn)的第9章定義了枚舉期間主機(jī)送到外設(shè)的所有請求，以及外設(shè)響應(yīng)的數(shù)據(jù)格式。如果訪問USB官方網(wǎng)站，將找到一個名為USBCV (USB命令驗(yàn)證器)的軟件工具，其中有一部分名為“第9章測試”。這些測試可以證明您的枚舉代碼是否正確。在進(jìn)行USB實(shí)驗(yàn)室測試時也要用到USBCV。因此，如果已在自己的實(shí)驗(yàn)室里通過了這一USB驗(yàn)證，則實(shí)驗(yàn)室測試也不成問題。

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Maxim提供關(guān)于MAX3420E的應(yīng)用筆記，其中包含已通過USBCV測試的枚舉代碼。

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SIE

SIE指串行接口引擎，是所有USB控制器內(nèi)部的“核心”。SIE負(fù)責(zé)處理底層協(xié)議，如填充位，CRC生成和校驗(yàn)，并可發(fā)出錯誤報告。SIE的主要任務(wù)是將低級信號轉(zhuǎn)換成字節(jié)，以供控制器使用，某些SIE會更加先進(jìn)靈活。它處理的底層信號細(xì)節(jié)越多，控制固件越簡單。例如，某些SIE只報告端點(diǎn)數(shù)據(jù)觸發(fā)的結(jié)果(參見下文)，并將它留給固件以確定如何處理。

數(shù)據(jù)觸發(fā)

USB包從PID或ID開始。數(shù)據(jù)傳輸用到兩種PID：DATA0和DATA1。主機(jī)和外設(shè)均包含數(shù)據(jù)觸發(fā)位，每個端點(diǎn)一個。觸發(fā)位確定這些數(shù)據(jù)PID中的哪一個用于數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)外設(shè)脫離復(fù)位狀態(tài)，主機(jī)和外設(shè)均將其內(nèi)部數(shù)據(jù)觸發(fā)位復(fù)位到零。因此，第一個傳送的是DATA0 PID數(shù)據(jù)包。

當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸無誤時(發(fā)送方接收到ACK PID信號，表明數(shù)據(jù)傳輸無誤)，發(fā)送方和接收方補(bǔ)償其數(shù)據(jù)觸發(fā)值。然后用DATA1 PID向端點(diǎn)發(fā)送第二個數(shù)據(jù)包。成功傳輸后，DATA0 PID和DATA1 PID數(shù)據(jù)包交替發(fā)送(或再次觸發(fā))。USB將該機(jī)制作為其誤差校正的一部分。

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• MAX3420E可自動保持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)。當(dāng)重新配置器件或主機(jī)發(fā)送Clear_Feature (ENDPOINT HALT)請求時，才需要涉及固件。 MAX3420E包含寄存器位，以清除每個端點(diǎn)的觸發(fā)位。
• 當(dāng)作為主機(jī)時，一旦正確設(shè)置了端點(diǎn)的觸發(fā)值，MAX3421E保持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)值。在完成到一個特定端點(diǎn)的傳輸以后，固件通常保存觸發(fā)值。然后在向同一個端點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)之前初始化觸發(fā)。向同一個端點(diǎn)傳輸多個包期間，SIE保持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)值。

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控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸、同步傳輸

USB有上述四種傳輸類型。枚舉期間外設(shè)告訴主機(jī)每個端點(diǎn)支持哪種傳輸類型。

只有主機(jī)能夠發(fā)出控制傳輸，該傳輸由兩個或三段組成。先通過設(shè)置數(shù)據(jù)包(8字節(jié)長)發(fā)送具體的主機(jī)請求。然后用一個可選數(shù)據(jù)包移動描述符表等數(shù)據(jù)。最后，用握手(狀態(tài))包終止控制傳輸。作為“關(guān)鍵”傳輸，控制傳輸有高總線優(yōu)先權(quán)和最全面的誤差校驗(yàn)。每個USB外設(shè)都需要一個默認(rèn)的控制端點(diǎn)0。

批量傳輸使用流控制和誤差校驗(yàn)移動數(shù)據(jù)。批量傳輸為異步方式，這意味著預(yù)定傳輸時間不固定或不能保證。主機(jī)安排批量傳輸?shù)膬?yōu)先級為低。這并不說明批量傳輸很慢；如果總線被輕微加載，批量傳輸即可在所有可用帶寬上進(jìn)行。

實(shí)際上，中斷傳輸和批量傳輸很難區(qū)分。他們之間的唯一區(qū)別是中斷點(diǎn)包含輪詢間隔值，用來告訴主機(jī)多長時間“ping”一次端點(diǎn)。所以批量和中斷傳輸之間的唯一區(qū)別是主機(jī)多長時間安排一次傳輸。

同步(ISO)傳輸用于數(shù)據(jù)流，例如音頻或視頻，此時數(shù)據(jù)必須及時到達(dá)以避免音頻或視頻數(shù)據(jù)中斷。當(dāng)器件枚舉時告訴主機(jī)其ISO端點(diǎn)對帶寬的要求。如果帶寬適當(dāng)，主機(jī)保證每隔1ms發(fā)送一個USB幀，包含一個發(fā)往或來自設(shè)備的ISO數(shù)據(jù)包。ISO不使用握手(ACK/NAK)或總線重試。同步傳輸僅適用于全速和高速設(shè)備。

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• MAX3420E (或處于外設(shè)模式下的MAX3421E)有默認(rèn)的控制端點(diǎn)0，并且還有其它三個端點(diǎn)，可以用做批量或中斷端點(diǎn)。
• MAX3421E (主機(jī))啟動向所有四種類型端點(diǎn)的傳輸。

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總線復(fù)位

主機(jī)通過發(fā)出總線復(fù)位信號復(fù)位USB外設(shè)。全速和低速USB的D+和D-線上通常使用差分信號。但也有例外，總線復(fù)位和包結(jié)束信號使用的是單端零信號，此時D+和D-均為低。

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• MAX3420E檢測到總線復(fù)位并產(chǎn)生中斷信號。
• 當(dāng)與之連接的微控制器使記數(shù)器位置位時，MAX3421E (主機(jī))產(chǎn)生一個總線復(fù)位信號，然后等待中斷完成。

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USB驅(qū)動程序

Windows?中內(nèi)置了支持各種USB設(shè)備的驅(qū)動程序。如果固件支持這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一，則USB產(chǎn)品不需要安裝定制驅(qū)動程序(沒人真的想要寫Windows驅(qū)動)。 Windows包含標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動程序，如HID (人機(jī)接口設(shè)備)和大容量存儲器(磁盤驅(qū)動器、CD-ROM、存儲器條)。