摘要：以ＵＳＢ１．１为根底评论了ＵＳＢ的根本原理、作业流程、通讯协议和相应的关键技能，并介绍了一种ＵＳＢ接口的１０Ｍ以太网卡的规划计划。现已发布的ＵＳＢ２．０支撑４８０Ｍｂｐｓ的高速数据传输，这将使ＰＣ能够经过ＵＳＢ接口传输更高速更很多的数据。还论说了ＵＳＢ２．０的改善和长处。
关键词：通用串行总线(ＵＳＢ) 设备驱动程序 ＷＤＭ
通用串行总线ＵＳＢ (Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ＳｅｒｉａｌＢｕｓ)是Ｉｎｔｅｌ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ等大厂商为处理计算机外设品种的日益添加与有限的主板插槽和端口之间的对立而于１９９５年提出拟定的。它是一种用于将适用ＵＳＢ的外围设备衔接到主机的外部总线结构，首要用在中速和低速的外设。ＵＳＢ一起又是一种通讯协议，支撑主机和ＵＳＢ的外围设备之间的数据传输。现在较多设备支撑的是ＵＳＢ１．１?１?，最新的ＵＳＢ２．０?３?已于２０００年４月正式发布。
ＵＳＢ设备具有较高的数据传输率、运用灵敏、易扩展等长处。
ＵＳＢ１．１有全速和低速两种办法，低速办法的速率为１．５Ｍｂｐｓ，支撑一些不需求很大数据吞吐量和很高实时性的设备，如鼠标等；全速形式为１２Ｍｂｐｓ，能够外接速率更高的外设。在刚刚发布的ＵＳＢ２．０中，添加了一种高速办法，数据传输率抵达４８０Ｍｂｐｓ，能够满意愈加高速的外设的需求。
装置ＵＳＢ设备不用翻开主机箱，它支撑即插即用(Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ) 和热插拔(Ｈｏｔ Ｐｌｕｇ)。当刺进ＵＳＢ设备的时分，主机检测该外设而且经过主动加载相关的驱动程序来对该设备进行装备，并使其正常作业。
１ ＵＳＢ的结构与作业原理
１．１物理结构
ＵＳＢ的物理拓扑结构如图１所示。在ＵＳＢ２．０中，高速办法下Ｈｕｂ使全速和低速办法的信令环境独立出来，图２中显现了高速办法下Ｈｕｂ的效果。
经过运用集线器(Ｈｕｂ)扩展可外接多达１２７个外设。ＵＳＢ的电缆有四根线，两根传送的是５Ｖ的电源，别的的两根是数据线。功率不大的外围设备能够直接经过ＵＳＢ总线供电，而不用外接电源。ＵＳＢ总线最大能够供给５Ｖ ５００ｍＡ电流，并支撑节约能源的挂机和唤醒形式。
１．２ ＵＳＢ设备逻辑结构
ＵＳＢ的设备能够分红多个不同类型，同类型的设备能够具有一些一起的行为特征和作业协议，这样能够使设备驱动程序的编写变得简略一些。ＵＳＢ Ｆｏｒｕｍ在ＵＳＢ类标准?２?中界说了ＵＳＢ的设备类型，比方音频、通讯、ＨＩＤ、ＨＵＢ等设备类。
每一个ＵＳＢ设备会有一个或许多个的逻辑衔接点在里边?每个衔接点叫端点。在ＵＳＢ的标准顶用４位地址标识端点地址，每个设备最多有１６个端点。端点０都被用来传送装备和操控信息。在ＮＳ公司的ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２?４?中有７个端点。
管道完成了在主机的一个内存缓冲区和设备的端点之间的数据传输，衔接端点０的叫做缺省管道。管道是具有多个特征的信道，如带宽分配，包巨细，管道类别以及数据流向。管道有两品种型别离是流管道(ｓｔｒｅａｍ ｐｉｐｅ)和音讯管道(ｍｅｓｓａｇｅｐｉｐｅ)。流管道传输的数据包的内容不具有ＵＳＢ要求的结构，它是单向传输的；流管道支撑批量、等时和中止传输办法。而音讯管道与流管道具有不同的行为。首要，由主机发恳求给ＵＳＢ设备，然后在恰当的方向上传输数据，最终是抵达一个状况阶段。为了确保三个阶段的数据传输，音讯管道界说了一个数据结构使指令可靠地被辨认和传输。音讯管道是双向的，它只支撑操控传输办法。
关于相同性质的一组端点的组合叫做接口，假如一个设备包含不止一个接口就能够称之为复合设备(见图１)。
关于相同类型接口的组合能够称之为装备。可是每次只能有一个装备是可用的，而一旦该装备被激活，里边的接口和端点就都一起能够运用。主机从设备发过来的描绘字中来判别用的是哪个装备?哪个接口等等?而这些描绘字一般是在端点０中传送的。
１．３ ＵＳＢ通讯分层模型
一台主机到设备的衔接需求许多层与实体之间的相互效果。ＵＳＢ总线接口层供给了主机和设备之间的物理／信令／包的衔接。在体系软件看来，ＵＳＢ设备层履行的是一般的ＵＳＢ操作。功用接口层供给和运用软件层相对应的附加功用。分层模型如图３所示，尽管逻辑上ＵＳＢ设备层和功用层各自与主机上的相应层通讯，但物理上都是经过ＵＳＢ总线接口层完成数据传输的。
１．４ 四种传输办法
ＵＳＢ供给了四种传输办法，以习惯各种设备的需求。这四种传输办法别离是：
操控传输办法：操控传输是双向传输，数据量一般较小，首要用来进行查询、装备和给ＵＳＢ设备发送通用的指令。操控传输首要用在主计算机和ＵＳＢ外设中端点０之间。
等时传输办法：等时传输供给了确认的带宽和间隔时刻。它被用于时刻严厉并具有较强容错性的流数据传输，或许用于要求稳定的数据传送率的即时运用中。例如进行语音业务传输时，运用等时传输办法是很好的挑选。
中止传输办法：中止办法传送是单向的而且关于主机来说只要输入的办法。中止传输办法首要用于守时查询设备是否有中止数据要传送，该传输办法运用在少数的、涣散的、不行猜测的数据传输。键盘、游戏杆和鼠标就归于这一类型。
很多传输办法：首要运用在没有带宽和间隔时刻要求的很多数据的传送和接纳，它要求确保传输。打印机和扫描仪归于这品种型。
在开发ＵＳＢ设备时经过设置接口芯片中相应的存放器使端点处于不同的作业办法。
１．５ ＵＳＢ通讯协议
ＵＳＢ的物理协议规则了在总线上传输的数据格式，一个全速的数据帧有１５００字节，而关于低速的帧有１８７字节。帧的效果是分配带宽给不同的数据传送办法。
一个最小的ＵＳＢ的数据块叫做包，包一般有同步信号，包标识，地址、传送的数据和ＣＲＣ。包的ＩＤ由八位组成，其间后四位是纠错位。依据包功用的不同，在ＵＳＢ１．１中界说了以下四类十种：
ｔｏｋｅｎ ＯＵＴ ＩＮ ＳＯＦ ＳＥＴＵＰ
ｄａｔａ ＤＡＴＡ０ ＤＡＴＡ１
ｈａｎｄｓｈａｋｅ ＡＣＫ ＮＡＫ ＳＴＡＬＬ
ｓｐｅｃｉａｌ ＰＲＥ
在ＵＳＢ２．０中又添加了几品种型的包以满意高速传输的需求。其间ｄａｔａ类型添加了ＤＡＴＡ２和ＭＤＡＴＡ，ｈａｎｄｓｈａｋｅ类型添加了ＮＹＥＴ，ｓｐｅｃｉａｌ类型则添加了ＥＲＲ，ＳＰＬＩＴ，ＰＩＮＧ，Ｒｅｓｅｒｖｅｄ。
业务是在主机和设备之间不接连地数据交换。一个业务一般由主机开端，一般分三个阶段，榜首阶段发送ｔｏｋｅｎ包，第二阶段发送是ｄａｔａ包(能够向上也能够向下)，在数据包传送完之后，就会由设备回来一个ｈａｎｄｓｈａｋｅ包。
当客户端程序经过一个ＵＳＢ管道发送或接纳数据时，它首要会调用Ｗｉｎ３２ＡＰＩ，ＡＰＩ会发送一个ＩＲＰ到ＵＳＢ设备驱动程序。ＵＳＢ设备驱动程序的使命便是把客户端的恳求经过一个管道发送到外设适宜的端点。为了完成这个使命，ＵＳＢ设备驱动程序会递送恳求给总线驱动程序，总线驱动程序能够把这些恳求转变成业务，然后将这些业务组合成帧在总线上传输。
１．６ ＵＳＢ带宽剖析举例
在ＵＳＢ１．１标准中将其有用的带宽分红帧，每帧一般是１ｍｓ长。但因为ＵＳＢ２．０的传输速率可高达４８０Ｍｂｐｓ，因而在ＵＳＢ２．０添加了一种微帧，它只要本来帧的１／８，这使得在传输数据时运用更小的缓冲。在完成了体系的装备信息和衔接之后，ＵＳＢ的主机就会对不同的端点和传输办法做一个统筹安排，用来习惯它的带宽。对全速和低速的端点，体系为等时和中止办法的传输保存整个带宽的９０％，即占每个帧时刻的９０％，剩下的就安排给操控办法传送数据。在ＵＳＢ２．０中，关于高速的端点，则为等时和中止办法的传输保存每个微帧的８０％。
以等时传输为例，在某个装备中作为一个等时传输管道的端点，界说了它能传输的数据有用负载的长度。ＵＳＢ体系软件用这个长度约束去确保满意的总线时刻使每帧的内容能包容最多的数据有用负载。假如有满意的总线时刻，装备才会树立。每个等时管道的数据有用负载能够是１，２，４，．．．，５１２，１０２３字节。
例如，当数据包最大有用负载为５１２个字节时，一个全速帧(１５００字节)最多能够传输２个这样的包。除掉协议开支的１８个字节，剩下４５８个字节能够用于其他业务的传输。因而每帧有用字节数为２个包的字节即１０２４字节，因而最大带宽为１．０２４Ｍｂｙｔｅ／ｓ，每个包的有用字节占整个帧的３５％。相同可计算，数据有用负载长度为６４、１２８或２５６时其最大带宽值最大，为１．２８Ｍｂｙｔｅ／ｓ。
在ＵＳＢ２．０高速作业办法下，每个等时管道的数据有用负载能够是１，２，４，．．．，２０４８，３０７２字节。当数据有用负载长度为１０２４时其最大带宽值最大，为５．７３４４Ｍｂｙｔｅ／ｓ，每个包的有用字节占整个微帧的１４％。
２ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＵＳＢ驱动程序接口
ＵＳＢ的驱动程序和以往的直接跟硬件打交道的Ｗｉｎ９５的ＶｘＤ(Ｖｉｒｔｕａｌ ＤｅｖｉｃｅＤｒｉｖｅｒ)驱动程序不同，它归于ＷＤＭ(Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ)类型的，Ｗｉｎ９８、Ｗｉｎ２０００等操作体系均支撑该类型的驱动程序。ＷＤＭ首要界说了一个根本的中心驱动程序模型，处理一切类型的数据，使驱动程序模型的内核完成愈加的固定。ＷＤＭ驱动程序仍是一种分层的程序结构，能够看做是ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ驱动程序的改善，ＷＤＭ驱动程序支撑即插即用、电源办理和ＷＭＩ(Ｗｉｎｄｏｗｓ ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ)特性。Ｗｉｎ９８和Ｗｉｎ２０００供给了一系列的体系驱动程序，它们具有为许多标准类型设备服务所需的一切根本功用。
ＵＳＢ的ＷＤＭ驱动程序接口框图如图４所示。
Ｗｉｎｄｏｗｓ供给了ＵＳＢ的体系类驱动程序，它处理ＵＳＢ上的一切底层通讯，这样其他驱动程序就有了一个界说好的接口能够运用。ＵＳＢＨｕｂ．ｓｙｓ是ＵＳＢ集线器的驱动程序。ＵＳＢＤ．ｓｙｓ是ＵＳＢ类驱动程序，它运用图４中ＵＨＣＤ．ｓｙｓ或ＯｐｅｎＨＣＩ．ｓｙｓ别离驱动两品种型的操控器?ＵＨＣＩ(ＵＳＢ Ｈｏｓｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｄｒｉｖｅｒ)，ＯＨＣＩ(Ｏｐｅｎ Ｈｏｓｔ ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ)。当ＰＣＩ枚举器发现ＵＳＢ主机操控器后，就会装入相关的驱动程序。
一般一些设备都需求开发者写一个核形式的驱动程序来使硬件正常作业。在核形式下?驱动程序经过ＩＲＰ(Ｉ／Ｏ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｐａｃｋｅｔ)来安排和操作一些由其他部分发过来的要求和指令。而ＩＲＰ又是经过ＵＲＢ(ＵＳＢ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｂｌｏｃｋｓ)来完成的。但关于一些ＨＩＤ(Ｈｕｍａｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ)的ＵＳＢ设备，象键盘、鼠标和游戏操纵杆之类的设备能够被操作体系主动辨认而且支撑，开发者不需求再另写驱动程序。
３ ＵＳＢ接口１０Ｍ以太网卡的完成
３．１ 挑选器材
现在市场上ＵＳＢ的接口产品有两种，一种是集成了ＵＳＢ接口的单片机，另一种是不带单片机的ＵＳＢ接口芯片。因为前者需求专用的开发机故开发本钱较高，本文将介绍一种运用廉价ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０２(ＮＳ公司)加高速的５１单片机完成１０Ｍ以太网卡的计划。
在做规划之前一定要计算好外设所要求的带宽和ＵＳＢ的速度是否匹配。一个ＵＳＢ以太网卡应该包含ＵＳＢ通讯接口(ＵＳＢＮ９６０２)、８０５１单片机以及ＩＥＥＥ８０２．３的ＭＡＣ层和物理层。ＵＳＢＮ９６０２在全速作业办法下能够抵达１２Ｍｂｉｔ／ｓ，选用ＵＳＢＮ９６０２根本能够满意１０Ｍ以太网的带宽需求。为抵达较高的传输速率，ＵＳＢＮ９６０２还应该用ＤＭＡ办法与单片机通讯。电路框图如图５所示。
３．２ 规划单片机操控程序
关于单片机操控程序，现在没有任何厂商供给主动生成微码(ｆｉｒｍｗａｒｅ)的东西。ＵＳＢ单片机操控程序一般由三部分组成，榜首、初始化单片机和一切的外围电路(包含ＵＳＢＮ９６０２)；第二、主循环部分，其使命是能够中止；第三、中止句柄，其使命是对时刻灵敏的，有必要立刻履行。
３．３ 开发ＵＳＢ网卡驱动程序
开发ＵＳＢ设备驱动程序一般选用ＷｉｎｄｏｗｓＤＤＫ来完成，但现在有许多第三方软件厂商供给了各式各样的生成东西，象Ｃｏｍｐｕｗａｒｅ的Ｄｒｉｖｅｒ Ｗｏｒｋｓ，ＢｌｕｅＷａｔｅｒｓ的ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ等软件能够方便地生成高质量的ＵＳＢ的驱动程序。没有ＤＤＫ或ＷＤＭ根底的开发人员可运用ＫＲＦＴｅｃｈ公司的开发软件ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ，它的最新版别４．３２现已支撑ＵＳＢ驱动程序的开发。最终的驱动程序调试作业能够运用Ｃｏｍｐｕｗａｒｅ的Ｓｏｆｔｉｃｅ或Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｄｅｂｕｇｇｅｒ来进行。
Ｗｉｎｄｏｗｓ下的网卡驱动程序需契合ＮＤＩＳ标准(Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｄｒｉｖｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ)。网络驱动程序不直接调用操作体系的例程，而是经过ＮＤＩＳ进行体系调用，ＮＤＩＳ还依据需求调用了驱动程序供给的例程，一起完成网卡的功用。
ＵＳＢ网卡驱动程序可分为ＮＤＩＳ中心介质小端口驱动程序和ＵＳＢ驱动程序两部分，然后将两部分驱动程序动态衔接。假如ＵＳＢ设备未衔接和被制止，使ＵＳＢ驱动不行用，那么ＮＤＩＳ驱动会回来一个ＮＯＴ＿ＡＶＡＩＬＡＢＬＥ的状况。这种完成办法能够确保用户不用重新装置ＮＤＩＳ或重启就能够衔接或拔掉ＵＳＢ设备。
４ 小结与展望
现在Ｗｉｎ９８、Ｗｉｎ２０００和ＷｉｎＣＥ均支撑ＵＳＢ设备，ＵＳＢ而且现已得到了一个由４５０家技能公司组成的技能联盟的支撑，往后新ＰＣ都会装有ＵＳＢ端口。ＡＰＰＬＥ公司更是推出了彻底选用ＵＳＢ技能完成计算机与外设衔接的新式计算机ｉＭＡＣ系列。市场上也现已呈现了越来越多的支撑ＵＳＢ的外设，用户将从中享受到对外设挑选规模更广和与外设数据交换速度更快的优点。据Ｄａｔａｑｕｅｓｔ公司计算成果显现，２０００年全球将会售出近１亿台ＵＳＢ设备。
ＵＳＢ２．０现已于２０００年４月２７日正式发布。ＵＳＢ２．０将向下兼容，运用与１．１版相同的电缆、衔接器、软件接口、拓扑结构。对普通用户来说，在运用时不会觉得有什么改动，可是ＵＳＢ２．０将能够抵达４８０Ｍｂｐｓ的高速，用户将从２．０所供给的更高速的外设中获益。估计２０００年第四季度ＵＳＢ２．０的外围设备将试出产，２００１年将投入商业出产，ＵＳＢ２．０使ＵＳＢ具有了更好的运用远景。
