原创 USB学习基础知识1

一、USB电源信号线规定

VCC：电源    GND：地线   D+和D-：差分输入线

------------- Vcc
------------- D+
------------- D-
------------- GND

二、响应方式

对于主机请求，设备的响应方式分为：

ACK：响应正常
NAK：设备忙，请稍候再发
STALL：非法请求，请求失败，终端失败
不响应：表示数据出现错误

三、USB最多在主机上级联127个设备，单条线缆长不超过5m，加5个集线器后可到30m

四、USB理论最高速率480Mbit/s，实际可用带宽为200Mbit/s-300Mbit/s，而传输640*480*24(bit)*30(Fram/s)的信号时，需要的带宽约为220Mbit/s，已经几乎是USB2.0可用带宽的全部了

五、USB开发的困难

USB在对用户增加了易用性的同时，却大大增加了开发者的难度。

1.USB协议复杂

2.测试工作困难

3.USB控制芯片自身有缺陷：协议不断完善，硬件也随着完善

六、USB的逻辑结构

1.所有设备都共享一条数据通道（在连入同一集线器的情况下），可以把这些数据通道理解为一条粗的管道。在高速模式下，这条管道带宽480Mbit/s，而在这条管道中，最多可容纳127条小管道，每条管道的终点便是一个USB设备。

2.每条小管道中流动的数据都带有一个称为令牌（Token）的信息包，它给出了数据的流向。如果令牌信息为IN，则数据流向为由设备到主机；如果为OUT，则从主机到设备。

3.每个令牌中有7位数据用来寻址设备，最多寻址128个设备。但00H默认分配给刚刚连入的设备暂时使用。实际工作中的寻址设备为127个。

4.令牌中还包含了4位的端点（End Point）地址，因此，在每一条小管道内又可分为16条微管道，也就是可以16个输入/输出的端点，该端点就是数据中最基本的信息单元，每个端点可携带不同的信息，如：数据，音频，视频及控制信号等。

七、USB所需的支持

1.主机控制器的支持（主机主要指PC机）

    主机控制器负责数据总线路上的数据交换（Transaction），根集线器（Root Hub）负责为设备提供端口

在USB开发者论坛中，提供了检测PC是否支持USB的测试工具http://www.acwsoft.de/acw-usb2.html

USB主机控制器按驱动程序接口不同可分为：

    开放式主机控制器（Open Host Controller,OHC）：Microsot,Compaq和National Semiconductor等厂商联合制定

   通用式主机控制器（Universal Host Controller,UHC)：Intel自己研发

对用户来讲，功能上没有区别

2.操作系统的支持：如Windows XP，Windows 2000等

八、开发过程应用应考虑的问题

1.选择合适的USB控制器芯片
（1）所需的速度：速度越高，开发工作越复杂

（2）是否有集成于内部的CPU：内置的CPU可简化一定的数据处理工作
（3）连接端口的数量：确定所选芯片的信息端口能否能满足工作的需要
（4）合适的数据存储器：确定所选芯片的RAM大小能否满足需要，通常为128－1024Byte之间
（5）程序存储器
要使USB设备正常工作，还需要特定的用于初始化的设备和主机进行通信的程序，这样的程序在USB中称为“固件”。根据应用确定所需程序存储器的大小。
（6）其他：驱动示例的支持，模拟环境的提供等都作为芯片选择应考虑的因素。

2.确定创建固件所需的语言环境：根据编写固件的要求，采用汇编或C

3.硬件电路设计时的考虑
除了USB控制器本身的外围电路外，还要考虑用户要用USB连接的外设。
（1）USB控制器内建电压5V。因此，首先考虑相关外设的电压匹配与驱动能力的问题。
（2）USB控制器向下接入外设时的数据信号，控制信号的连接。（USB向上游连接入主机的接口及相关电路已成为标准化的规定，不用考虑）
（3）完成硬件电路的设计与绘制。以小巧和简便易用为目标。

4.主机中设备驱动的编写
       要使开发的产品能在计算机上顺利工作，计算机要“识别”用户的产品，并将其引导入系统中，对其进行协调和控制，这个“识别”过程由设备驱动程序完成。
       对于标准设备（如键盘，鼠标）已内建支持的驱动程序，对用户自己开发的产品，则需要自己编写该设备的驱动。
       设备驱动的编写：用Win DDK方式开发或利用其他的开发软件，编译平台可以是标准C或Visual C++等

5.应用程序的实现

         顺利将设备连入主机后，USB开发才真正地迈出了第一步。应用程序是设备满足用户需求的基础，这部分程序根据产品的不同而不同，主要是在计算机上实现对所开发产品的应用和控制。

6.相关的辅助软硬件设备
           就产品硬件来说，需要考虑必要的辅助电路（如数据的读写与存储，产品外形的设计等）；|
           就USB接口的开发过程来说，除了开发板，模拟运行平台等，还可能需要用到必要的监控程序，协议分析器等设备

九、开发工作流程
          （1）硬件的设计：主要考虑控制器与主机的连接，与外设的匹配，以及它们之间的协调工作。
          （2）USB控制芯片固件的实现：注意到具体的应用环境，控制器芯片中各种寄存器、控制器的不同的应用与实现。
           （3）Windows驱动的编写：包括检测设备时的系统要用到的引导文件、设备信息文件等。
           （4）应用程序的实现
           （5）几部分的联合测试与协调
下图是基本的开发流程图

总的来讲，USB的开发包括软硬件两方面的开发：硬件考虑芯片、外围电路以及相应的接口电路；软件考虑设备的驱动和固件的编写