指纹采集系统中USB接口的设计(二)

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·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，并且避免了优先级判别的开销。

2.2.2 USB设备

USB设备分类

USB设备主要分为两类：集线器和功能部件。集线器可以提供更多的USB的连接点，功能部件提供了具体的功能。

USB设备端点

一个端点是一个可唯一识别的USB设备的端口，它是主机与设备间通信流的一个结束点。一系列相互独立的端点在一起构成了USB逻辑设备。每个逻辑设备有一个唯一的地址，这个地址是在设备连上主机时由主机分配。而设备中的每个端点在设备内部有唯一的端点号，这个端点号是在设备设计时被给定。每个端点都是一个简单的连接点，或者支持数据流进设备，或者支持数据流出设备。

一个端点的特性决定了它与客户软件进行的传送的类型。一个端点有以下特性：

·端点的总线访问频率要求

·端点的总线延迟要求

·端点的带宽要求

·端点的端点号

·对错误处理的要求

·端点能接收或发送的包的最大长度

·端点的传送类型

·端点与主机的数据传送方向

端点号不为O的端点在被设置前处于未知状态，不能被主机访问。

USB通道

一个USB通道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主机上缓存和端点间传送数据的能力。

有两种不同的且互斥的通道通信格式：

·流（Stream）：指不具有USB定义的格式的数据流。

·消息（Message）：指具有某种USB定义的格式的数据流。

USB不解释在通道中传送的数据的内容。消息通道要求数据组织成USB定义的格式，但它的内容USB是不管的。

USB设备描述符

USB设备构架定义了一些描述符（descriptor），用于存放USB设备的各种信息。描述符是一个带有一定格式的数据结构。每个USB设备都必须有设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。这些描述符提供的信息包括目标USB设备的地址、数据传输的类型、数据传输包的大小和数据传输带宽请求等。

·设备描述符：一个USB设备只有一个设备描述符，它包含了设备设置所用的默认通道的信息和设备的一般信息；

·配置描述符：一个USB设备有一个或多个配置描述符。配置描述符包含配置的一般信息和配置时所需要的接口数，每个配置有一个或多个接口，当主机请求配置描述符时，接口描述符和端点描述符也一同返回；

·接口描述符：一种配置可能支持一个或多个接口。接口描述符提供接口的一般信息，也用于指定具体接口所支持的设备类型和该接口通信时所用的端点描述符数（不将端点0计算在内）；

·端点描述符：一个接口可能含有一个或多个端点描述符，分别定义各自的通信端点，端点描述符提供的是该端点所支持的传输类型和最大传输速率。

用户驱动程序通过设备的描述符来获取设备的相关信息，在设备接入主机时，USB系统软件根据这些信息进行相关操作。

2.2.3 USB主机

USB主机在整个USB系统中是唯一的，它包括三个层次：

·USB总线接口

·USB系统（USB System）

·USB客户（Client）

其中，USB总线接口处理电气及协议层的互连。从互连的角度看，USB设备和USB主机都提供类似的USB总线接口，如串行接口引擎（Serial Interface Engine SIE）。由于主机在USB系统中的特殊性，USB主机上的总线接口还必须具备主机控制器的功能（Host Controller）。主机控制器具有一个内集成的集线器（根集线器）提供与USB电缆的连接。

USB系统（USB System）使用主机控制器来管理主机与USB设备的数据传输。USB系统层相对于主机控制器而言，其处理的是以客户角度见到的数据传输及客户与设备的交互。USB系统还必须管理USB的系统资源，以使得客户的访问成为可能。

客户层描述的是直接与USB设备进行交互所需要的软件包。当所有的设备都己连上系统时，客户就可以直接与设备进行通信。一个客户不能直接访问设备的硬件。

图2　主机通信图

2.2.4 USB系统拓扑结构

USB系统的拓扑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它功能部件，或从集线器到集线器或其它功能部件。

2.3 USB传输类型

USB通过通道在主机缓冲区与设备端点间传送数据。USB定义了4种数据传输类型：

（１）控制传输：可靠的、非周期性的、由主机软件发起的请求或者回应的传输。控制传输通常用于命令事务和状态事务，支持在客户软件和它的应用之间的关于设置信息、命令信息、状态信息的传输。

（２）同步传输：在主机与设备之问的周期性的、连续的通信。同步传输一般用于传输与时间相关的信息。同步传输有以下几个特点：

·固定的延迟下，确保对USB带宽的访问；

·只要数据能提供得上，就能保证通道上的恒定数据传送速度；

·如果由于错误而造成传送失败，并不重传数据。

（３）中断传输：小规模数据的、低速的、固定延迟的传输。

（４）批量传输：非周期性的，大包的可靠的传输。典型地用传输那些可以利用任何带宽的数据，而且这些数据当没有可用带宽时，可以容忍等待。批量传输有以下特点：

·只有当有可获得的带宽时，批量传输才会发生。如果USB有较多的空闲带宽，则批量传输发生的相对频繁，如果空闲带宽较少，可能有很长时间没有批量传输发生；

·如果总线出现错误而传输夫败，可进行重发；

·可以保证数据必被传输，但不保证传输的带宽和延迟。

2.4 USB协议

USB数据位被发送到总线的时候，首先是最低有效位（LSb），跟着是下一个最低有效位，最后是最高有效位（MSb）。

同步字段

所有的包都从同步（SYNC）字段开始的。同步字段作为空闲状态出现在总线上，后面跟着以NRZI编码的二进制串“KJKJKJKK”。同步字段里的最后的2位是同步字段结束的记号，并且标志了包标识符（PID, Packet Identifier）开始。

包标识符字段

所有USB包的同步字段后都紧跟着包标识符（PID）。包标识符由4位的包类型字段和其后4位的校验字段（包类型字段的补码）构成。包标识符指出了包的类型，并由此隐含地指出了包的格式和包上所用错误检测的类型。

主机和所有功能部件都必须对得到的全部PID字段实行完整的译码。任何收到的包标识符如果含有失败的校验字段或者经译码得到未定义的值，则该包标识符被假定是被损坏的，而目包的余项将被包接收机忽略。如果一个功能部件收到了包含它所不支持的事务类型或方向的合法包标识符，则不必应答。例如，只能输入的端口（IN only Endpoint）必须忽略输出标记（Token）。表２包标识符类型、编码及其描述。

表2　PID类型

PID类型 PID名 PID[3:0] 描述

标记(Token) 输出（OUT）输入（IN）帧开始（SOF）建立（SETUP） 0001B1001B0101B1101B 在主机到功能部件的事务中有地址＋端口号在功能部件到主机的事务中有地址＋端口号帧开始标记和帧号在主机到功能部件建立一个控制管道的事务中有地址+端口号

数据（DATE）数据0（DATE0）数据1（DATE1） 0011B 1011B 偶数据包PID 奇数据包PID

握手（Handshake）确认(ACK)不确认(NAK)停止(STALL) 00l0Bl0l0B1110B 接收器收到无错数据包接收设备部不能接收数据，或发送设备不能发送数据端口挂起或一个控制管道请求不被支持

专用（Special）前同步(PRE) 1100B 主机发送的前同步字，打开到低速设备的下行总线通信

地址字段和端口字段

功能部件端口使用２个字段：功能部件地址字段和端口字段。功能部件对地址和端口字段都需要进行译码。不允许使用地址或端口的别名，并且任何一个字段不匹配此标记都必须被忽略。另外，对未初始化端口的访问将使得访问被忽略。

地址字段

功能部件地址（ADDR）字段指定功能部件的地址。ADDR<６：０>指定了总共128个地址。

端口字段

附加的４位的端口（ENDP）字段在功能部件需要一个以上端口时允许更灵活地寻址。除了端口地址０之外，端口个数是由功能部件决定的。端口字段只对输入，建立和输出标记PID有定义。所有的功能部件都必须在端口0提供一个控制管道（缺省控制管道）。对于低速（Low Speed）设备，每个功能部件最多提供3个管道：在端口0的控制管道加上2个附加管道（或是2个控制管道，或是1个控制管道和1个中断端口，或是2个中断端口）。全速（Full Speed）功能部件可以支持最多可达16个的任何类型的端口。

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