指紋采集系統中USB接口的設計(二)

·USB的調度：USB提供了一個共享的連接，對可以使用的連接進行了調度以支持同步數據傳輸，并且避免了優先級判別的開銷。

2.2.2  USB設備

USB設備分類

USB設備主要分為兩類：集線器和功能部件。集線器可以提供更多的USB的連接點，功能部件提供了具體的功能。

USB設備端點

一個端點是一個可唯一識別的USB設備的端口，它是主機與設備間通信流的一個結束點。一系列相互獨立的端點在一起構成了USB邏輯設備。每個邏輯設備有一個唯一的地址，這個地址是在設備連上主機時由主機分配。而設備中的每個端點在設備內部有唯一的端點號，這個端點號是在設備設計時被給定。每個端點都是一個簡單的連接點，或者支持數據流進設備，或者支持數據流出設備。

一個端點的特性決定了它與客戶軟件進行的傳送的類型。一個端點有以下特性：

·端點的總線訪問頻率要求

·端點的總線延遲要求

·端點的帶寬要求

·端點的端點號

·對錯誤處理的要求

·端點能接收或發送的包的最大長度

·端點的傳送類型

·端點與主機的數據傳送方向

端點號不為O的端點在被設置前處于未知狀態，不能被主機訪問。

USB通道

一個USB通道是設備上的一個端點和主機上軟件之間的聯系。體現了主機上緩存和端點間傳送數據的能力。

有兩種不同的且互斥的通道通信格式：

·流（Stream）：指不具有USB定義的格式的數據流。

·消息（Message）：指具有某種USB定義的格式的數據流。

USB不解釋在通道中傳送的數據的內容。消息通道要求數據組織成USB定義的格式，但它的內容USB是不管的。

USB設備描述符

USB設備構架定義了一些描述符（descriptor），用于存放USB設備的各種信息。描述符是一個帶有一定格式的數據結構。每個USB設備都必須有設備描述符、配置描述符、接口描述符和端點描述符。這些描述符提供的信息包括目標USB設備的地址、數據傳輸的類型、數據傳輸包的大小和數據傳輸帶寬請求等。

·設備描述符：一個USB設備只有一個設備描述符，它包含了設備設置所用的默認通道的信息和設備的一般信息；

    ·配置描述符：一個USB設備有一個或多個配置描述符。配置描述符包含配置的一般信息和配置時所需要的接口數，每個配置有一個或多個接口，當主機請求配置描述符時，接口描述符和端點描述符也一同返回；

    ·接口描述符：一種配置可能支持一個或多個接口。接口描述符提供接口的一般信息，也用于指定具體接口所支持的設備類型和該接口通信時所用的端點描述符數（不將端點0計算在內）；

    ·端點描述符：一個接口可能含有一個或多個端點描述符，分別定義各自的通信端點，端點描述符提供的是該端點所支持的傳輸類型和最大傳輸速率。

用戶驅動程序通過設備的描述符來獲取設備的相關信息，在設備接入主機時，USB系統軟件根據這些信息進行相關操作。

2.2.3  USB主機

USB主機在整個USB系統中是唯一的，它包括三個層次：

·USB總線接口

·USB系統（USB System）

·USB客戶（Client）

其中，USB總線接口處理電氣及協議層的互連。從互連的角度看，USB設備和USB主機都提供類似的USB總線接口，如串行接口引擎（Serial Interface Engine SIE）。由于主機在USB系統中的特殊性，USB主機上的總線接口還必須具備主機控制器的功能（Host Controller）。主機控制器具有一個內集成的集線器（根集線器）提供與USB電纜的連接。

USB系統（USB System）使用主機控制器來管理主機與USB設備的數據傳輸。USB系統層相對于主機控制器而言，其處理的是以客戶角度見到的數據傳輸及客戶與設備的交互。USB系統還必須管理USB的系統資源，以使得客戶的訪問成為可能。

客戶層描述的是直接與USB設備進行交互所需要的軟件包。當所有的設備都己連上系統時，客戶就可以直接與設備進行通信。一個客戶不能直接訪問設備的硬件。

圖2　主機通信圖

2.2.4  USB系統拓撲結構

USB系統的拓撲連接是有層次性的星型結構。每個網絡集線器是在星型的中心，每條線段是點點連接，從主機到集線器或其它功能部件，或從集線器到集線器或其它功能部件。

2.3  USB傳輸類型

USB通過通道在主機緩沖區與設備端點間傳送數據。USB定義了4種數據傳輸類型：

（１）控制傳輸：可靠的、非周期性的、由主機軟件發起的請求或者回應的傳輸。控制傳輸通常用于命令事務和狀態事務，支持在客戶軟件和它的應用之間的關于設置信息、命令信息、狀態信息的傳輸。

（２）同步傳輸：在主機與設備之問的周期性的、連續的通信。同步傳輸一般用于傳輸與時間相關的信息。同步傳輸有以下幾個特點：

·固定的延遲下，確保對USB帶寬的訪問；

    ·只要數據能提供得上，就能保證通道上的恒定數據傳送速度；

·如果由于錯誤而造成傳送失敗，并不重傳數據。

（３）中斷傳輸：小規模數據的、低速的、固定延遲的傳輸。

（４）批量傳輸：非周期性的，大包的可靠的傳輸。典型地用傳輸那些可以利用任何帶寬的數據，而且這些數據當沒有可用帶寬時，可以容忍等待。批量傳輸有以下特點：

·只有當有可獲得的帶寬時，批量傳輸才會發生。如果USB有較多的空閑帶寬，則批量傳輸發生的相對頻繁，如果空閑帶寬較少，可能有很長時間沒有批量傳輸發生；

·如果總線出現錯誤而傳輸夫敗，可進行重發；

·可以保證數據必被傳輸，但不保證傳輸的帶寬和延遲。

2.4  USB協議

USB數據位被發送到總線的時候，首先是最低有效位（LSb），跟著是下一個最低有效位，最后是最高有效位（MSb）。

同步字段

所有的包都從同步（SYNC）字段開始的。同步字段作為空閑狀態出現在總線上，后面跟著以NRZI編碼的二進制串“KJKJKJKK”。同步字段里的最后的2位是同步字段結束的記號，并且標志了包標識符（PID, Packet Identifier）開始。

包標識符字段

所有USB包的同步字段后都緊跟著包標識符（PID）。包標識符由4位的包類型字段和其后4位的校驗字段（包類型字段的補碼）構成。包標識符指出了包的類型，并由此隱含地指出了包的格式和包上所用錯誤檢測的類型。

主機和所有功能部件都必須對得到的全部PID字段實行完整的譯碼。任何收到的包標識符如果含有失敗的校驗字段或者經譯碼得到未定義的值，則該包標識符被假定是被損壞的，而目包的余項將被包接收機忽略。如果一個功能部件收到了包含它所不支持的事務類型或方向的合法包標識符，則不必應答。例如，只能輸入的端口（IN only Endpoint）必須忽略輸出標記（Token）。表２包標識符類型、編碼及其描述。

表2　PID類型

PID類型 PID名 PID[3:0] 描述

標記(Token) 輸出（OUT）輸入（IN）幀開始（SOF）建立（SETUP） 0001B1001B0101B1101B 在主機到功能部件的事務中有地址＋端口號               在功能部件到主機的事務中有地址＋端口號               幀開始標記和幀號                                     在主機到功能部件建立一個控制管道的事務中有地址+端口號

數據（DATE） 數據0（DATE0） 數據1（DATE1） 0011B  1011B 偶數據包PID                                         奇數據包PID

握手（Handshake） 確認(ACK)不確認(NAK)停止(STALL) 00l0Bl0l0B1110B 接收器收到無錯數據包                                 接收設備部不能接收數據，或發送設備不能發送數據        端口掛起或一個控制管道請求不被支持 

專用（Special） 前同步(PRE) 1100B 主機發送的前同步字，打開到低速設備的下行總線通信

地址字段和端口字段

功能部件端口使用２個字段：功能部件地址字段和端口字段。功能部件對地址和端口字段都需要進行譯碼。不允許使用地址或端口的別名，并且任何一個字段不匹配此標記都必須被忽略。另外，對未初始化端口的訪問將使得訪問被忽略。

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>指定了總共128個地址。

端口字段