USB设备结构(一)

USB设备结构（一）   

    USB设备可被划分三层：

    ·底层是传送和接收数据包的总线接口

    ·中间层处理总线接口与不同端点之间的数据路由，端节点是数据的终结提供处或使用处，它可被看作数据源或数据接收端(Sink)

    ·最上层的功能由串行总线设备提供，比如鼠标，或ISDN接口。

     本章描述的是USB设备中间层的通用属性与操作。这些属性与操作由设备的特定功能的部分用于通过总线接口最终与主机(host)的通信。 

1  外置的设备状态

    本小节描述的是外部可见的USB设备状态(见图1-1)。表8-1汇集这些外置设备状态之间的转化关系。

    注意：USB设备会响应上行端口(upstream Port)传来一个复位(reset)信号进行复位操作。当reset信号完成的时候，USB设备业已复位。

连 接	加 电	缺 省	编 址	配 置	挂 起	说   明
不	__ __	__ __	__ __	__ __	__ __	设备尚未连接至接口.其他特性无关
是	不	__ __	__ __	__ __	__ __	设备已连接至接口,但未加电. 其他特性无关.
是	是	不	__ __	__ __	__ __	设备已连接至接口,并且已加电.但尚未被复位.
是	是	是	不	__ __	__ __	设备已连接至接口,已加电. 并被复位. 但尚未分配地址.设备在缺省地址处可寻址.
是	是	是	是	不	__ __	设备已连接至接口,已加电. 并被复位.且分配了唯一地址. 尚未被配置.
是	是	是	是	是	不	设备已连接至接口,已加电. 并被复位.且分配了唯一地址,并被配置. 设备功能可被使用.

表1-1.  外置(可见)的设备状态

 

1.1  连接状态

    USB设备可被连接到USB接口上或从接口断开，USB设备处在断开时的设备状态不包括在本篇说明之中。本说明中仅讨论那些处在连接状态的设备特性与操作。

1.2  加电状态(Powered)

        USB设备的电源可来自外部电源，也可从USB接口的集线器而来。电源来自外部电源的USB设备被称作自给电源式的(self-powered)。尽管自给电源式的USB设备可能在连接上USB接口以前可能已经带电，但它们直到连线上USB接口后才能被看作是加电状态(Powered state)。而这时候VBUS已经对设备产生作用了。 

1.3  缺省状态

        设备加电以后，在它从总线接收到复位信号之前不应对总线传输发生响应。在接收到复位信号之后，设备才在缺省地址处变得可寻址。

 

1.4  地址状态

    所有的USB设备在加电复位以后都使用缺省地址。每一设备在连接或复位后由主机分配一个唯一的地址。当USB设备处于挂起状态时，它保持这个地址不变。

        USB设备只对缺省通道(Pipe)请求发生响应，而不管设备是否已经被分配地址或在使用缺省地址。 

1.5  Configured (配置状态)

    在USB设备正常工作以前，设备必须被正确配置。从设备的角度来看，配置包括一个将非零值写入设备配置寄存器的操作。配置一个设备或改变一个可变的设备设置会使得与这个相关接口的终端结点的所有的状态与配置值被设成缺省值。这包括将正在使用(date toggle)的结点(end point)的(Date toggle)被设置成DATAO。 

1.6  中止状态

        为节省电源，USB设备在探测不到总线传输时自动进入中止状态。当中止时，USB设备保持本身的内部状态，包括它的地址及配置。

1.7  Bus Enumeration总线标号

    当USB设备接上或从USB设备移开的时候，主机启动一个被称作总线标识(bus enumeration)的进程，来标识并管理设备状态的改变，当USB设备接上一个加电端口时，系统当采取以下操作：

    1.USB设备所连的集线器通过其通向主机的状态改变通道向主机，汇报本USB设备已连接上。此时，USB设备处于加电状态，它所连接的端口是无效的。

    2.主机通过寻问集线器决定此次状态改变的确切含义。

    3.主机一旦得知新设备已连上以后，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及设备电源稳定工作。然后主机发出端口使能及复位命令给那个端口。

    4.集线器将发向端口的复位信号持续10ms。当复位信号撤消后，端口已经有效了。这时USB设备处于缺省状态，并且可从VBUS汲取小于100mA的电能，所有设备寄存器及状态已经被复位，设备可对缺省地址产生响应。

    5.主机给设备分配一个唯一的地址，设备转向编址状态。(Address state)。

    6.在USB设备接受设备地址之前，它的缺省控制通道(Default Control Pipe)在缺省地址处自然是可寻址的，主机通过读取设备描述表，判决设备缺省通道的实际净数据负载。

    7.主机从设备读取配置信息要从配置0读到配置n-1，其中n为配置个数，此操作须花费几个毫秒。

    8.基于从设备取来的配置信息及设备如何被使用的信息，主机给设备一个配置值，此刻，设备就处于配置状态(Configured state)并此配置有关的所有端节点，都按照配置各就各位，USB设备现在可以从VBUS得到描述中所要求的电量了。从设备的角度来讲，它已经准备就绪了。

    当UBS设备被取走时，集线器同样会通知主机，断开一个设备连接会使得设备所连接的端口无效，一收到断开通知后，主机就会更新的拓扑信息。 

2  通用USB设备操作(Generic USB Device Operations)

       所有的USB设备支持通用的操作集，这一节主要描述的这些操作。

2.1  动态插接与拔开

    USB设备必须在任意时刻允许被插接与拔开。提供连接点或端口的集线器应当负责汇报端口的状态改变情况。当主机探测到连接操作后，会使得所连的集线器端口生效，设备也会因此而复位，一个被复位了的USB设备有如下特性：

    ·对缺省USB地址发生响应

    ·没有被配置

    ·初始状态不是挂起

    当设备从一个集线器端口移去时，集线器会使得原来连接的端口失效，并且通知主机设备已移去。 

2.2  地址分配

        当USB设备连接以后，由主机负责给此设备分配一个唯一的地址，这个操作是在设备复位及端口使能操作以后。

2.3  配置

    USB设备在正常被使用以前，必须被配置，由主机负责配置设备。主机一般会从USB设备获取配置信息后再准定此设备有哪些功能。作为配置操作的一部分，主机会设置设备的配置值，并且，如果必要的话会选择合适的接口的备选设置。

    只须一个简单配置，一个设备可能支持多重接口。一个接口是一组端结点集合，它们代表了设备向主机提供的单一的功能或特性，用来与这组相关端结点通信的协议以及接口内各端结点的目的可以作为一个设备类的一部分或者由厂商制定具体定义。

    另外，一个配置中的接口可能有备选设置。这些备选设置会重定义相关端结点的数目或特性。如果是这样的话，设备必须支持Get Interface(接口请求)与Set Interface(接口设置)请求，来汇报及选择指定的接口的设备选设置。

    在每个设备配置下，每个接口描述表可能包括用来标识接口的及备选设置的域，接口被从0～N-1编号。n为配置所支持的能同时使用的接口数目，类似的设置的编号也从0开始。当设备初始化配置后，缺省设置是备选设置0。

    为了支持通用的设备驱动程序管理一组相关的BUS设备，设备与接口描述表中包含了类(Class)，子类(Sub class)，及协议(Protocol)域。这些域用来标识一个设备的功能及用于通信的协议。

        一个类值被分配给一组按照特性划分成USB类说明一部分的设备。一个类的设备可进一步划分成子类，并且在一个类或子类中，一个协议代值可定义主机软件是怎样与设备通信的。 

2.4  数据传送

    数据可能以四种方式在USB设备端结点与主机之间传送。四种传送方式参见（usb的传送方式）。在不同设置下，一个终端结点可能被用于不同的传输方式，但一旦设置选定，传送方式就选定了。 

2.5  电源管理

    USB设备的电源管理包括以下说明部分的几条。

2.5.1  电源

    USB总线电源是一个有限的资源，在设备标识(device enumeration)阶段，主机估测电源的需求。如果电源的需求量超过USB总线所能提供的电量，主机软件则不能选择那个配置。

2.5.2  远程唤醒

    远程唤醒能力参许一个被挂起的USB设备发达信号给处于挂起状态的主机。这个信号会使得主机醒来，处理触发事件。USB设备通过配置描述来向主机汇报其远程唤醒的能力。USB设备的远程唤醒能力应能被禁止的。 

2.6  请求处理

    除SetAddress请求以外，在安装完成返回ACK信号以后，设备就开始处理请求。在某一状态成功结束以前，设备应当“完成”对请求的处理。许多请求费时较多，像这样的请求，该设备类应定义一个方法而不是等待交换状态信息阶段(StatusStage)的结束来表示该操作已经完成。像这样的操作有：集线器端口的复位至少需10ms来完成。当端口复位产生时，SetPortFeature (PORT-RESET)请求就结束了。当端口状态改变并表明此端口已经生效时，一个信号就会产生表明复位信号已经结束。这种技术可以防止当主机知道某一个请求费时较长的情况一直探测此请求是否已完成。

2.6.1  请求处理的定时处理

    所有的设备应当及时处理请求，USB给定一个5秒的命令处理的时间上界。这个限制并不是对所有情况都适用的。这些限制在接下来的部分给予描述，应当说明的是，下面的限制包括实现的很大的范围。如果所有设备都采用最大的请求处理允许时间的话，用户是无法忍受的。应此，具体实现应当尽可能快地完成请求的处理。

2.6.2  复位/继续  恢复时间

    当一个端口被复位或从中止态继续的时候，USB系统软件应当等待一个10ms的恢复时间才能确保端口对数据传输产生响应。一旦恢复时间段结束(从reset信号结束，或resume信号结尾的EOP结束开始计时)设备必须在任意时刻都能对数据传输作出响应。

2.6.3  设置地址的处理

    在reset/resume恢复时间段以后，如果设备收到SetAddress(  )请求，设备必须能在50ms内完成请求的处理，并完成状态的转换，在SetAddress ( )的请求下，当设备发出O长度的状态数据包或设备收到状态数据包的响应信号ACK就表明状态转换结束了。

    在状态转换结束后，设备有2ms的SetAddress (  )恢复时间。在这段时间结束以后，设备必须能在新地址处接受Setup数据包，并且，必须确保此时设备不对旧地址的信号产生响应。(当然，除非新旧地址是一样的)。

2.6.4  标准设备请求

    对于不须传送数据标准的设备请求，一个设备必须在收到请求的50ms以内结束对请求的处理及状态的转换。

    对于需要数据传输的标准设备请求，设备必须在收到请求的500ms以内返回第一个数据包。接下来的数据包必须在前一个数据包发送起的500ms以内开始发送。设备必须在最后一个数据包返回以后的50ms以内结束状态的转换。

    对于需要数据传输的标准设备请求，5秒的限制就起作用了。这意味着设备必须能在主机以设备最大能接受的速率发送数据包的情况下接收所有的数据包并且完成状态切换，数据包之间时延是主机让设备完成请求处理而加入的。

2.6.5  与类有关的请求

除非在类文档中特别说明，所有的类有关的请求必须按照标准请求的时间限制。

    类说明文档可能要求设备反应比这部分讲的要快。标准设备请求与与类有关的设备请求可被要求反应更快。 

2.7  请求错误

    如果一设备收到一个请求，它或是在设备中无定义，或是不适用于当前设置，或是数值不对，这时就会产生一个请求错误。设备在下一个数据传输阶段或状态交换阶段(Status stage)返回一个表明错误的STALL PID信号，一般在下一个数据传输返回更好，这样可减少不必要的总线活动。