第八章串行输入输出接口 -...

第八章串行输入/输出接口

一概述

二可编程串行通讯接口芯片8251A

三串行通信接口RS－232C

四 USB总线简介

一概述

计算机与外部信息交换方式有两种，一种是并行通信，另一种是串行通信。并行通信时，数据各位同时传送。而串行通信时，数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去。这样，虽然速度会慢一些，但传送距离比并行通信长，硬件电路也相应简单些。


串行通信的实现

1、串行通信的特点串行通信是逐位传送数据，所以一个多位数据需要多次传送。比如一个8位的字节型数据至少需要8次传送。它有如下特点：

速度较慢

引线少

距离长

计算机外设

TXD

RXD

TXD

RXD


2、串行通信的硬件条件

在硬件上，串行通信系统的核心部件是移位寄存器，其中在发端要有一个并入串出移位寄存器，在收端要有

一个串入并出移位寄存器。



D Q D Q

CLK

D Q

CLK……

……

D0D6

并入串出移位寄存器

D Q D Q

CLK

D Q

CLK……

……

D7D1

并出串入移位寄存器

0 0 1 1 0

0 0 0 0

0 0 0 1 1

0 0 0 0

0 0 0 0 1

0 0 0 1

D7

D0

3、串行通信的同步

为了可靠的串行通信，同步信号起到至关重要的作用。在理想情况下，同步信号应该在数据信号线上出现有效数据期间的中心点有效，因为这时数据线上的数据是最稳定的

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

同步脉冲



在典型的串行通信系统中，是不存在同步信号线的，如何实现串行通信的中数据传送的同步呢？系统从软件和硬件两方面采取了如下三个措施：

（1）设置波特率波特率是指单位时间内传送的位数，单位是比特/秒。



（2）设置数据的传送格式，一般地串行通信在传送数据时，并不是单纯地传送数据位信息。为了使数据传送可靠，还设定了其他一些辅助位。



（3）设置波特率因子

在异步通信方式进行通信时，发送端需要用时钟来决定每1位对应的时间长度，接收端也需要用一个时钟来测定每1位的时间长度，前一个时钟叫发送时钟，后一个时钟叫接收时钟。这两个时钟的频率可以是波特率的数倍，一般取16倍、32倍或64倍。这个倍数就称为波特率因子。



波特率1/波特

率因子

接收时钟

1200×16＝19200 1200



串行通信的基本技术1、串行通信方式

1) 异步通信

异步通信是指以字符为单位传送数据，用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束字符，两次传送时间隔不固定。

2) 同步通信

在大量数据传送时，为了提高速度，采用块传输方式，这就是同步通信。采用同步传送，在数据块开始处要用同步字符来指示，并在发送端和接收端之间要用时钟来实现同步。



1) 异步通信



2) 同步通信

传输开始，先发送1或2个同步字符。

收发双方须用同一个时钟协调，确定传输的每bit位置。

双方达到同步后，就可逐个字符连续发送一大块数据(信息帧)，不再需要起始位和停止位。

接收方利用同步字符，使其内部时钟与发送方同步，将其后的数据逐位移入，转换成并行格式。


2、串行通讯中的数据传送方向

1）单工单向通信，A只能发送数据，B只能接收数据

2）半双工每次只能有一个站发送。

3）完全双工两个站都能同时发送称完全双工。

。

第八章串行输入/输出接口串行通信的基本技术

3、异步接收/发送器（UART）串行接口的基本结构主要是异步接收/

发送器（UART），它不仅包括并行数据和串行数据之间的相互转换，还有检测串行通信在传送过程中可能发生错误的逻辑部件。

（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）



3、异步接收/发送器（UART）

串行通信的基本技术4、信号的调制和解调

将数字信号调制成模拟信号进行传输，用解调器把接收的模拟信号再转换成数字信号。

数字信号的频带宽，而普通通信线路频带较窄，如电话线频带范围仅300~3400Hz，所以采用普通通信线路进行远程数据通信时，需要在发送端用调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号，模拟信号经通信线路传送到接收方，接收方再以解调器（Demodulator），把模拟信号变为数字信号。


4、信号的调制和解调

大多数情况下，调制器和解调器合在一个装置中，称为调制解调器——Modem

Modem起着传输信号的作用，是一种数据通讯设备，简称DCE，接收设备和发送设备称为数据终端设备，简称DTE。


串行通信的基本技术

数字调制方法

1）幅度调制（ASK）

用改变信号幅度的方法来表示数字信号0和1

。一种调幅方法为：当接通f=387Hz的正弦波时表示数字1，断开时表示0。



数字调制方法

2）频率键移调制（FSK）

用一种频率信号表示数字0，另一种表示1。

2）频率键移调制（FSK）为了实现全双工通信，常使用四种不同的频率来表示不同方向上的两种不同数字。

例如，对于Bell 103A，300Bd FSK MODEM标准，规定在一个方向上用2025Hz的频率表示0，而用2225Hz表示1；另一个方向用1070Hz表示0，1270Hz表示1。



信息传输的检错和纠错串行数据在传输过程中，有可能出现信息的出错

如何发现传输中的错误，叫检错。

发现错误后，如何消除错误，叫纠错

最简单的检错方法是奇偶校验，即在传送字符的各位之外，再传送1位奇/偶校验位。

奇校验：偶校验：

奇偶校验能够检测出1位误码，但是不能纠错



一概述



四 USB总线简介


8251A芯片是INTEL公司生产的电路芯片，是与INTEL系列CPU兼容的可编程的串行通讯接口。虽然8251A功能较强，但它需要外部时钟电路。因此采用8251A作为接口电路时需要比较复杂的外围电路。


1、主要基本性能8251A是通用同步/异步数据收发器（USART），是常用的可编程通信接口器件，用于全双工通信并具有同步或异步工作方式。

同步方式：数据5～8位，波特率DC～64K位/秒，可选择内同步或外同步。

异步方式：数据5～8位, 波特率DC～19.2K位/秒，波特率系数（时钟速率/传输速率）1、16和64，停止位1、1.5或2位，能检查假启动位，可自动产生、检测和处理中止符等。

有检测奇偶校验错、溢出错和帧错误的功能。



2、内部结构



1)发送器a. 数据输出线TxDb. 发送时钟 TxCc. 发送器准备好 TxRDYd. 发送器空信号 TxEMPY

过程TxRDY有效CPU写数据到82518251发数据发送完毕，TxEMPY有效

2)接收器a. 数据输入线RxDb. 接收时钟 RxCc. 接收器准备好 RxRDY

过程8251接数据 RxRDY有效 CPU读8251

第八章串行输入/输出接口二可编程串行通讯接口芯片8251A

2、内部结构3)调制解调控制电路

DTR#——数据终端准备好信号。是由8251A

送往外设的，表示CPU当前已经准备就绪。DSR#——数据设备准备好。是外设送往

825lA的，表示当前外设已经准备好数据。RTS#——请求发送信号。是8251A送往外设

的，表示CPU已经准备好发送。CTS#——清除请求发送信号。由外设送往

825lA的，当为低电平时，允许825lA执行发送操作。


2、内部结构4)读/写控制电路


3、8251编程

1)方式选择控制字


RxC

TxC OUT CLK

GATE

+5v

1MHz

8251

8253

比特率/波特率因子和输入频率的关系

如果波特率为1200，波特率因子为16，问计数初值？

1200×16


2) 控制寄存器的格式（操作命令控制字）



TxRDY=1 发送数据缓冲器空，准备好接收数据。

PE=1 奇偶校验错。

OE=1 溢出错。

FE=1 帧错误，仅用于异步方式。

DSR=1，MODEM已准备好数据。

其余位的意义与引脚功能相同。

3) 状态寄存器的格式（状态控制字（读））二可编程串行通讯接口芯片8251A

向控制口写入复位命令字。写入方式字确定工作方式。

同步方式，方式字后需写入1或2个同步字符，随后写入命令字。

异步方式，写入方式字后，接着写入命令字。

若要改变数据传送方式，须写入复位命令字，再重新写入新的方式字和命令字。

工作中，可用IN指令读状态字，检查是否有错等。

没出错，可不断传送数据，直至数据全部传送完为止。

8251A编程流程图

4、举例例：编写8251异步模式下的接收和发送程序，设端口地址：90H，92H，波特率因子16，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验，每字符8位。


RxC

TxC OUT CLK

GATE

+5v

1.8432M

8251

8253


解：1)8253工作方式及计数初值

工作方式 mode38253输出频率：

fout＝9600*16=153600=153.6K


2)8251工作方式方式选择控制字

0 1 0 0 1 1 1 0 ＝4EH


3)操作命令控制字


0 0 1 1 0 1 1 1 ＝37H


4)状态字


TxRDY=1 发送数据缓冲器空，准备好接收数据。

PE=1 奇偶校验错。

OE=1 溢出错。

FE=1 帧错误，仅用于异步方式。

DSR=1，MODEM已准备好数据。

其余位的意义与引脚功能相同。


3、程序8251初始化设置：a、先对825lA软件复位，方法是：采用先送3

个 0，再送 1个40H的方法，这也是8251A的编程约定，40H是使8251A执行复位操作的实际代码。（8251的编程约定）

b、对8251A进行工作方式及操作命令设置


……MOV DX,8251_CTRLMOV AL,00H ；复位8251OUT DX,ALCALL DELAYOUT DX,ALCALL DELAYOUT DX,ALCALL DELAYMOV AL,40HOUT DX,ALCALL DELAY ；等待8251复位

MOV AL,01001110B ；置工作方式

OUT DX,ALMOV AL,00110111B ；操作命令OUT DX,AL……


SENDDAT PROC ；DL:要发送的数据MOV AH,DL

CHKTXR: MOV DX,8251_CTRLIN AL，DX ；输入状态字AND AL，01H ；查TXRDYJZ CHKTXRMOV AL,AHMOV DX,8251_DOUT DX，AL ；发送RET

SENDDAT ENDP


RECIDAT PROC ；AL:接收的数据CHKRXD: MOV DX,8251_CTRL

IN AL，DX ；输入状态字AND AL 02H ；查RXRDY？JZ CHKRXDMOV DX,8251_DIN AL，DX ；接收RET

RECIDAT ENDP


注：缺少错误检查；增加：

IN AL，DX

TEST AL，38H

JNZ ERROR

美国国家半导体公司（National Semiconductor

）的PC16550D是一个通用的异步接收器/发送器UART芯片，它与IBM早期推出的个人计算机IBM PC/XT所使用的UART芯片INS 8250 兼容，但最高波特率提高到1.5Mb/s，且具有接收器和发送器FIFO（first-in first-out先进先出）缓冲区，每个FIFO缓冲区长度均为16个字节。目前16550在PC机的外围芯片组中得到了广泛的

应用

第八章串行输入/输出接口串行接口芯片16550简介


串行接口芯片16550简介


一概述



四 USB总线简介


1、RS－232C电器特性及接口信号1）电气特性

在数据线TXD和RXD上：逻辑1=－3V～－15V逻辑0=＋3V～＋15V

在控制线和状态线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上：

信号有效＝＋3V～＋15V信号无效＝－3V～－15V


2）RS－232C与TTL转换RS－232C是用正负电压来表示逻辑状

态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的TTL器件连接，必须在RS－232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换

。



RS－232串行口有 9针D形连接器和DB25针连接器


三串行通信RS－232C

3．RS-232C的接口信号可以用电缆线直接连接标准RS232端

口，但通信距离较近(<12m)。若距离较远，可附加调制解调器（MODEM）。RS－232C规标准接口有25条线，最常用的信号线有9根。




三串行通信接口RS－232C电平转换电路MAX232和MAX233

二、RS－232C应用举例

1．RS－232C串口通信接线方法（三线制）

RS-232 MAX232 MCS51

TXD

RXD

TXD

RXD



二、RS－232C应用举例

1．RS－232C串口通信接线方法

MAX232



BIOS串行通信口功能

IBM PC及其兼容机提供了比较灵活的关于串行口的BIOS中断调用方法，即通过INT 14H调用ROM BIOS串行通信口例行程序。该例行程序包括将串行口初始化为指定的字节结构和传输速率，检查控制器的状态，读写字符等功能



举例

设通信双方有一台计算机为PC机，使用COM1端口。在串行通信中，必须首先设定通信双方所使用字符串的数据结构，才能进行软件编程。这里我们设数据在接收和发送的字符串中，序号为0的字节为数据长度，其后的字节为所接收的数据。



接收数据子程序：

receive proc far ；这是接收数据子程序，

；出口AL，AH

rec_check: mov ah,3 ；读通讯口状态字

mov dx,0

int 14h

test ah,20H ；测试数据准备好位

jz rec_check ；数据未准备好，再读状态字

mov ah,2 ；读通信端口数据

mov dx,0

int 14h

ret

receive endp



发送数据子程序：

send proc far ;这是发送数据子程序,

;输入参数:AL,输出参数:AL,AH

push ax

send_check: mov ah,3 ；读通讯口状态字

mov dx,0

int 14h

test ah,20h ；测试“发送保存寄存器空”位

jz send_check ；发送保存寄存器满，再读状态字

pop ax

mov ah,2 ；发送数据

mov dx,0

int 14h

ret

send endp




一概述



四 USB总线简介

USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是一种外部总线，用于电脑与外设的连接和通讯。

USB标准1994年

底提出，被大量

应用于常用外设，

后成功替代大部

分串口和并口，

成为个人机和许

多智能外设的必

配接口。

四 USB总线简介


四 USB总线简介1）USB的特点2）USB规范3）USB接口规范4）USB的数据编码5）USB的传输方式6）USB包7）USB设备的枚举


1）USB的特点

1.传输速度快

USB1.0提供两种传输速度:

USB低速 1.5Mbps 支持键盘、鼠标、U盘、数码相机等低速设备。

USB全速 12Mbps 适用于更大范围的多媒体设备

USB2.0 速度 480Mbps，即60MB/s

USB3.0 速度 5Gbps


1）USB的特点

2.连接简单快捷

支持热插拔与即插即用，可在通电状态下任意插拔，而且主机能自动识别USB设备。

3.通用连接器

4针USB连接器可连接多种外设，用来替代硬盘的IDE接口、串行的鼠标接口和并行的打印机接口等。


1）USB的特点

4.无须外接电源

插头插入时电源先接上，能从总线向设备提供

500mA /+5V电源，USB3.0则提高到900mA，用于键盘、鼠标、U盘等低功耗设备的电源。打印机等高功耗USB设备仍需自带电源。目前大部分手机已采用USB接口充电。

5.扩充外设能力强

USB采用星形层式结构和Hub技术，理论上允许

一个主控机连接127个外设，两个外设间的距离可达5米。现在，无线USB也已投入使用。


四 USB总线简介

1）USB的特点2）USB规范3）USB接口规范4）USB的数据编码5）USB的传输方式6）USB包7）USB设备的枚举


2）USB规范1. USB1.0

1996年推出，速率1.5Mbps(192KB/s)

1998年升级为USB1.1，速度提到12Mbps

(1.5MB /s)，称全速USB (FullSpeed) 。有些U盘、MP3等还在用。

2. USB2.0

2000年发布，半双工传输，速度480Mbps

，也称高速 USB (HighSpeed) ，兼容USB1.1，能满足大多数外设的速率要求。


2）USB规范

3. USB3.0

2008年发布，速度是USB2.0的10倍

兼容USB2.0，并有以下增强功能：

1）提高了带宽。新增加4根信号线，以对

偶单纯形四线制差分信号的形式，进行双向并发(即全双工)数据流传输，实际速率能达3.2Gbps(即400MB/s)。


2）USB规范2）增加了新的电源管理功能。USB3.0传输

采用中断驱动协议，在有中断请求数据传输之前，可让设备转入待机、休眠和暂停等低功耗状态。

3）能让主机为外设提供更多电源功率。新的9针接口可提供900mA/+5V电源，从而能将USB应用于无线USB适配器、LED照明等

4）能让主机更快识别器件。

5）进一步提高了数据处理效率。


2）USB规范4. USB OTG协议

随着USB应用领域的扩大，人们希望USB设备能摆脱主机控制，两个USB设备能直接互连。由此诞生了USB OTG (On-The-Go，正在进行中)协议。

2001年公布了USB OTG，之后又发布了USB2.0

OTG，它实际上是对USB2.0的补充，在完全兼容USB2.0基础上，增加了电源管理功能。USB设备将完全抛开PC，既可作主机，也可当外设，与另

一个设备进行点对点通讯，直接交换数据的速度达到480Mbps。


USB OTG的应用例子

移动硬盘

OTG插头

2）USB规范

5.无线USB规范

2005年又颁布了无线USB规范（Wireless

USB，WUSB），是USB规范的扩展。它

定义了一个易用的无线接口，具有有线USB技术的高速率和安全性。

速率:

3米内达到USB2.0的480Mb/s

310米为110Mb/s


四 USB总线简介



3）USB接口规范

1. USB接口的机械规范

USB的产品标识（logo）上图：

USB产品标识，出现在所有

USB插头上。

中图：

USB2.0（高速）产品标识

下图：

USB3.0（超高速）产品标识


USB连接器分为标准口和Mini口两类，各包括A、B两种规格

自左至右：

Mini-A插头、Mini-B插头、B插头、A插座、A插头

3）USB接口规范


标准USB A/B型接口上行A插头

连主机

下行B插头接打印机

3）USB接口规范第八章串行输入/输出接口

在D+和地之间插入了一个ID

信号, A型接地，B型悬空。

下行Mini B

插头

上行A插头

Mini USB A/B型接口

3）USB接口规范

此外,有的厂家还使用不同的Mini USB接口，如Mini B型4针，Mini B型8针，Mini B型8针2x4

Mini A和Mini B接口

3）USB接口规范

USB Micro接口2007年进一步发布了Micro口，属于USB2.0的便携版本，5线，有A/B插头、B型插槽和支持OTG的Micro-AB插槽。接口体积更小，多用于卡片式数码相机，手机等设备上。

3）USB接口规范

MiniUSB和Micro USB的对照

3）USB接口规范


USB3.0接口有A/B/BM/MINI/MICRO等多种，通常组合进了USB2.0信号。USB3.0连接器的塑料部分规定为蓝色。

3）USB接口规范

A型插头：

4根粗线为USB2.0

，较长的+5V和地

能保证电源先接通； 5 根细线是USB3.0，上下2根

各为接收和发送线，中间为地。


A型插头：双层BM型插头：大孔上下各有2根USB 2.0线，小孔中是5根USB3.0线。

3）USB接口规范第八章串行输入/输出接口

Micro-B型连接器

3）USB接口规范


USB 3.0 电缆

3）USB接口规范


2.USB设备的电气连接

如图，USB2.0电缆中的D+、D-是双绞信号线，传输表示数据的差分信号（Differential Signal），VBUS（即VCC）和GND为设备提供+5V电源。连接线最长5 m，信号线要有屏蔽层以减小干扰。

3）USB接口规范


全速USB设备的连接：设备端D+接1.5 kΩ上拉电阻Rpu，发送器端接2个15KΩ下拉电阻Rpd。无设备连接时，D+、D- 0V。设备接上，D+经Rpu接+5V，又经对方的Rpd接地，+5V分压后使D+近Vcc，D-仍为0。此电压保持2.5s，计算机就认为已有设备接上。若D+和D-都降到0.8V以下，并持续2.5s，表示设备已断开。D+高、D-低为全速设备。低速设备要将Rpu接到D-上，由D+低、D-高来区分。

2.USB设备的电气连接

3. USB设备及其体系结构

USB是通用串行总线，运行过程中外设可

被随时添加、设置、使用或拆除。一个完整的USB系统，由安装在主机上的USB主控制器和根集线器（Root Hub或RHub）以及USB集线器（USB Hub）、USB设备、电缆等硬件，再加上USB主控制器驱动程序、USB总线驱动程序、USB设备驱动程序等软件构成。

3）USB接口规范


1）USB设备有三类USB设备： USB主机（USB Host）：提供USB驱动程序模块，对USB设备进行配置并管理总线。

USB 集线器（Hub）：一个Hub有1个上游接口和4个（或7个）下游接口，以扩展连接多个USB设备。Hub由中继器和控制器构成，对所接设备进行电源管理和信号分配，并检测和恢复总线故障。主机中有一个RHub，用来连接次级Hub和USB设备。

USB设备：即连在USB总线上的外设，也叫USB功能设备（USB Function）。

3）USB接口规范

1拖7的USB

扩展器

3. USB设备及其体系结构2）USB总线连接可用菊花链形式扩充连到主机的

USB外设，形成下图的金字塔型结构，内部的物理连接是一个层叠的星型拓扑结构，Hub位于每个星的中心。最多可有7层，连接多达127个外设和Hub。

3）USB接口规范


3）USB的供电

Hub可用外接电源供电，并为其每个下

游插口提供500mA电流。

它也可通过总线供电，即从上游插口吸

取500mA，自身消耗100mA，并为4个下

游插口各提供100mA。

USB3.0则能从上游吸取900mA电流。

3）USB接口规范

3. USB设备及其体系结构4）USB的管理

端点（End Point）：每个USB外设只有1个逻辑地址，它的每个寄存器赋予不同端点号，主机通过设备地址和端点号与每个端点通信。

管道（Pipe）：数据传送发生在主机软件与USB

设备端点之间，端点和主机软件的联合称为管道。管道分为流管道和消息管道，中断、批量和同步传输通过流管道，控制传输通过消息管道。

USB描述符（USB Describer）：设在内存中的数据结构，记载USB设备的属性和配置信息，包括设备、设置、接口和端点等几种描述符，向主机提供USB设备的产品信息、遵循的标准版本号、供电方式、使用的驱动程序、设备地址、传输类型、数据包大小和带宽请求等信息。

3）USB接口规范


5）USB的系统结构：如图

3）USB接口规范


USB主控制器与主控制器驱动程序

主机中至少有1片USB主控制器（USB

HC）芯片，常用Intel的UHCI（通用主控制器接口）芯片，或 Microsoft 、Compaq、NSC联合设计的OHCI（开放主控制器接口）芯片作USB主控制器。

为管理该芯片，应在主机中安装相应的USB主控制器驱动程序（Host Controller

Driver，HCD），负责最底层的调度、

队列和控制器管理，以及数据的位编码、封包、循环校验、发送、错误处理等


USB驱动程序

简称USBD（USB Host Driver），是USB

系统软件与用户软件间的接口，位于HCD

之上，独立于硬件，为用户软件提供使用USB设备的功能，以管理每个USB设备，

包括配置管理、用户管理、总线管理和数据传输，还负责USB电力和带宽的自动处理，并管理Hub和设备的动态插拔。

3）USB接口规范


USB控制器和USB设备驱动程序

每个USB设备中有1个USB控制器，它由1个USB收发器（也叫串行接口引擎，SIE）与控制它的单片机（ MCU ）组成，如 Philips 公司的PDIUSBP12、NSC的USBN9603等都是收发器芯片。有些单片机植入了SIE形成单片USB控制器，如Cypress的EZ-USB FX和Microchip的PIC16C765芯片。还有针对扫描仪、打印机或鼠标等设备的专用USB控制芯片。

这样，每个USB设备有1个设备驱动程序，主机通过它来管理该USB设备，并依靠USBD为用户软件提供与该设备的接口和管道，控制它与主机间的数据流传输。

3）USB接口规范


PC机和手提电脑的操作系统中，均配置了常用USB设备的驱动程序。

通常将USB设备分成类（Class），具有相似特性的分到一类，并为它们提供一个通用的设备驱动程序。人机接口（Human InterfaceDevice，HID）类、音频类、静止图像类、海量存储类、显示类、图像类、通信类、电源供给类、Hub类设备等等。

如没有合适的驱动程序，主机会到InterNet上去寻找，并自动安装。

只有少数新产品，其驱动程序是随设备提供的，要由用户自己安装。

四 USB总线简介



4）USB的数据编码1.NRZI编码

数据要转换成NRZI码，与时钟一起调制后再传输。为保证转换连续，编码时还要进行位插入，封装成有固定间隔的数据包，并附上同步信号，使接收方能还原出总线时钟信号，实现解码。

USB电缆上传送的是在D+和D-线上变化的差动信号，摆幅3.3V，并定义：

逻辑“0” 电压跳变（0变为3.3V，或3.3V变为0）

逻辑“1” 电压不变

这称为不归零反转编码（NRZI，Non-Return-to-

Zero Inverted Code）。

图a上行是待传送的串行数据流，下行是NRZI编码后实际发送的数据流波形。

编码规则：逢1保持，逢0跳变，NRZI译码为相反操作。

图b是USB数据流的传送电路示意图。

4）USB的数据编码1.NRZI编码

2. 位填充(Bit-stuffing)

解码器在每1位时间检测跳变来同步数据，若遇无跳变长串会丢失同步。位填充在连续发6个1后，在码流中加1个跳变(0)。接收方用位反填充丢弃这个0。接收器能自动判定连续6个1后发生跳变，并将该跳变丢弃。若原数据第7位是0，会照样进行位填充。

要发送数据，含8

个1的长串。

在第6、7个1之间

加了填充位，使第7

个1的发送延迟了1位

实际发送出去的

NRZI数据流。

四 USB总线简介



5）USB的传输方式1. USB的数据流类型

USB有4种数据流类型：

1）控制信号流：设备插入时与系统软件间的控制信息传输，不允许出错或丢失。

2）实时数据流：连续的固定速率数据的传输，要求低延时传送，应开辟较大缓冲区，并确保低误码率。

3）块数据流：大批量数据的传送。

4）中断数据流：少量随机输入信号的传输，如事件通知信号、字符或坐标等。


2．USB的数据传输方式

USB有4种数据传输方式，也称事务格式。即：

1）控制传输（双向）：传输对设备的控制指令、设备状态查询和确认命令，以及设备枚举，按FIFO原则处理这些数据和命令。

2）批量（Bulk）传输（单/双向）：传输时间性不强但要求可靠的大批量数据，若出错应重新传输

3）同步（Isochronous）传输（单/双向）：传输速率固定、时间性强的连续实时数据，出错不重传

4）中断传输（单向）：仅输入主机的小量数据，需及时处理，如键盘、鼠标、操纵杆等输入设备


四 USB总线简介



6）USB包1.包的构成

USB数据传输包含1个或多个事务处理(Transaction，PCI总线中称为交易)。事务由信息包(Packet)组成，包是USB信息交换的基本单位。

信息包封装完美，因此主机可采取“广播”的形式，沿USB的塔形信号链路向下传输信息包，遇到地址符合的设备时才被捕获。信息包也可由外设发出，上行传输。

USB是串行通信，所有信息串，都按自左到右、先低位、后高位的顺序发送。


起始：D+、D-同时切到相反极性，通知接收方开始发送信息(Start)了。

同步：接着发6个跳变，并保持当前状态2个码位，形成同步信号(SYNC)。高速USB同步信号有32码位长。

标识：第9个码位起发信息，首字节是包标识符(PacketIdentification，PID)，指明包的内容。

选项：要发送的信息，含PID，长度为1～1025字节。终止：D+和D-保持两个码位低电平，表示包结束（

End of Packet，EOP）。

2. 包的类型

包有4类: 令牌包、数据包、握手包、专用包

每类包又包含几种类型，用8位PID的低4位来区分，高4位是低4位的补码，用于校验。

USB2.0增加了7种PID，主要用于高速传输包括

数据PID：DATA2、MDATA

握手PID：NYET

专用PID：ERR、SPLIT、PING、Reserved

6）USB包第八章串行输入/输出接口

USB的信息包

6）USB包

6）USB包

3. 包的格式采用基于PID的数据传输协议，包由域组成，包括：同步域SYNC： 8位同步信号，所有包均以

SYNC打头。类型域PID：8位PID，低4位指定包的类型。地址域ADDR：7位设备地址，即包的传输目的地，最多可有128个地址。

端点域ENDP：4位端点号，包要传去的端点，1个设备最多可有16个端点。

检查域CRC：5/16位检查域，循环冗余校验码，用于地址、端点和数据的校验。

数据域DATA：要传输的数据。

3.包的格式

4类信息包的构成：

1）令牌包4种令牌包: SOF，IN, OUT, SETUP

SOF 帧开始包（Start of Frame）格式：SYNC(8位)—PID(8位)—FR#(11位)—CRC(5位)

SOF包不含地址，被RHub广播到所有USB设备。

RHub每1ms传送1个SOF包，两SOF包的间隔为1帧。

1帧可传送1ms/12MHz=12000个码位或1500字节，去除同步和终止后，约1200字节，封装成若干数据包。

FR#域是11位（低速7位）序号标签，按包的顺序改变，在约2秒内从0增到2047再归0，然后重新计数。它是数据包的序号，可同步数据传送。接收端的音、视频设备等，可用FR#作节拍信号。

3.包的格式

IN，OUT，SETUP令牌包格式相同，即SYNC(8位)-PID(8位)-ADDR(7位)-ENDP(4位)-CRC(5

位)

IN 接收包：主机要求设备传回数据。过程：RHub广播接收包设备返回数据包RHub

发握手包。这适用于全部4种传输类型，但同步传输无握手包。 OUT 发送包：主机向设备发送数据。

过程：RHub广播发送包RHub发数据包设备发握手包。适用于同步传输外的其它3种传输类型，只有批传输才发回握手包。 SETUP 设置包：主机发此包表示传输开始，后面

会跟若干IN或OUT包。它是OUT包的特例，总指向双向控制的端点0，优

先级最高，指定设备必须接受它。

3.包的格式

2）数据包。传输数据由DATA0和DATA1包组成。格式：

SYNC(8位)-PID(8位)-DATA(0～1023位)-CRC(16位)

• DATA0和DATA1包只是PID不同，可含 0～ 1023位数据（USB2.0为0～8192位）。应交替发送两种包，接收方可检测是否交替来判断接收是否出错。

3）握手包。用来报告交换的状态，由接收方(设备或Hub)发给发送方。格式：

SYNC(8位)-PID(8位)

• 含ACK(确认包)、NAK(不确认包)、STALL(挂起包)等几种。

4）专用包。仅有前同步包(PREamble)，只含SYNC

和PID域。一般在与低速设备进行传输时发此包，只有控

制和中断传输才用到。

四 USB总线简介1）USB的特点2）USB规范3）USB接口规范4）USB的数据编码5）USB的传输方式6）USB包7）USB设备的枚举


7）USB设备的枚举USB设备的枚举(Enumeration)：

枚举过程：当USB电缆插入计算机USB

口时，操作系统发现有USB设备联机了

，并判断出是哪类设备，操作系统会寻

找合适的USB驱动程序，然后该USB端

口进行配置。

配置完成后，该USB设备将被赋予地址

，完成枚举。

1.控制传输事务

控制传输事务只在枚举和命令初始化阶段，发生在RHub与指定地址的USB设备端点0之间。控制传输事务包含三个阶段：1）建立阶段

主机通过 RHub 发 SETUP 令牌包（SETUP-ADDR-ENDP-CRC5）和配置数据包（DAT0-8字节配置数据-CRC16），外设收到后发回握手包（ACK）。在

配置进程的不同时间点，请求的内容不一样。

7）USB设备的枚举

1.控制传输事务

2）数据阶段

若配置数据超过8字节就应增加数据阶段，

数据也可由设备送回。

如有多个数据包，要交替使用DATA0和

DATA1的PID。数据量很大时应封装成n个

包，长度等于允许的最大长度，最后1个包

装余下数据，故能根据长度判断出最后的

包。


1.控制传输事务3）状态阶段

控制传输事务以状态阶段结尾，向主机报告建立阶段和

数据阶段的结果。约定用0长度数据包表示成功，而NAK

或STALL响应则出错了。会有三种返回状态：

外设提供状态：RHub发出IN令牌包，询问配置任务是否完成？外设送回空心数据包（DATA1-CRC16）表示成功完成，RHub发ACK握手包应答。

根集线器提供状态：RHub发出OUT令牌包，随后接1个空

心数据包表示建立过程已顺利结束，外设应答，表示明白了。

外设负面回应：Rhub发出IN令牌包，请外设回应。

外设忙碌，发回NAK握手包，表示还在忙于完成指令。

若建立阶段和数据阶段出错，命令序列没能完成，外设发回STALL握手包。


2.USB描述符描述符是记载USB设备属性和配置信息的数据结构，在枚举阶段发挥作用。

1）主机请求

枚举是主机通过RHub对刚连上的外设进行配置，将用控制传输向外设发一系列请求，包含8字节配置数据：

• 字节0规定传输方向，请求类型（标准的/按类的/

厂商定义的），送往设备、接口或端点。

• 字节1是请求代码0～12，如返回状态、返回描述符、给设备指定地址、设定配置等。

• 其余字节指定请求内容、接口/端点号、数据长度等。


2.USB描述符2）设备描述符（Device Descriptor）

• 即在内存中为设备定义的18字节表格，内容包括其USB

版本，属于的类（Class）、子类（Sub Class）及使用的协议、厂商标志、产品标志、设备序列号等。

• 类和子类指明是否能用系统支持的设备驱动程序；若不能归类，应说明类定义中有无使用协议，是否由供应商提供驱动程序。

3）配置描述符（Configuration Descriptor）

• 9字节，包括该配置支持的接口数、供电方式、最大功率等。

• 若只要总线提供100mA电流，在最大功耗字节填入50，主机就知道是低功率设备。


2.USB描述符4）接口描述符（Interface Descriptor）最小设备只有1个接口。若1个设备的配置支持几个接口，每个接口还需9字节接口描述符，以便为每个接口配备不同的设备驱动程序。接口描述符跟在配置描述符后送给主机。

5）端点描述符（Endpoint Descriptor）除0号端点，接口的其它端点也应有一个7字节端点描述符，规定端点号、传输方向、传输类型、能收发的最大数据包大小、多长时间可被访问一次等。它随接口描述符一起送出。

鼠标、键盘等属最小设备，只有1个接口，接口只有1个0号端口，配置过程较简单


3.设备检测以USB接口的鼠标为例：1）鼠标插入PC机USB插口，电源先接通，为鼠标接口供电。

2）上拉电阻使D+线电平从0升到3.3V，D-仍为0，Hub判定一个全速USB设备已连上。

3）发现新设备后，Hub设置状态寄存器中的标志位，并等待命令。

4）主机有规则地用中断传输轮询所有接入的Hub，多数情况下它们会回送NAK包，无东西可报告。

5）发现有设备接入的Hub，会用状态寄存器内容来回应，主机检测到此标志位状态后，便立即开始枚举过程。


4.枚举过程

枚举过程就是为新加入的Hub和USB设备编址。

主机通过RHub控制枚举过程，送出一系列请求，都是系统提供的标准函数。

链路中所有Hub都会接收到请求，它们的责任是在USB总线上重复这些信号，不会参加这个过程，因为在这期间它们未被主机编址。

只有刚插入的设备和接纳它的Hub会接收到这些请求。


4.枚举过程枚举过程如下：1）主机让Hub返回端口状态

其中包含状态寄存器中标志位的内容

2）主机让Hub清除此端口标志

表示已知道有设备连上

3）主机让该端口功能有效

Hub马上发复位命令给鼠标，让它准备枚举。同时将此动作记入状态寄存器，并允许端点进行USB通信

4）主机再让Hub送回端点状态

主机会从状态寄存器内容中发现外设已完成复位


4.枚举过程

5）主机让Hub清除端口标志

这时鼠标已通电和复位，处于设备地址=0的状态，可用这个地址回答主机的请求了。每个时刻只能有1个设备的地址为0。

6）主机请求鼠标送回设备描述符

7）主机为鼠标分配1个地址

之后的请求都发到这个新设备地址，鼠标进入已编制状态。下个接入的设备将被赋予缺省地址0

8）主机用新的地址再次向鼠标索要设备描述符

若回应与之前不同或超时，主机会转去处理错误，枚举过程可能会以出错终止。


4.枚举过程

9）主机请求鼠标的配置描述符

将从中获得鼠标信息，包括其接口和端点信息。

鼠标配置较为简单。若是功能复杂的设备，配置过程会较长；有的设备会有多个配置，也都要在此阶段完成；有时还会与用户交互，需要输入特定信息。

10）选择设备驱动程序

鼠标属于HID类外设，与键盘、游戏控制杆等

同属于键盘和指向设备子类，系统已在内存中准备了这类外设的驱动程序，很容易完成枚举过程

11）主机告诉鼠标：配置已完成，可以正常运行

第八章 串行输入 输出接口 -...

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第八章串行输入输出接口 -...