USB總線協(xié)議概述

USB總線屬于一種輪詢式總線，主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一總線動(dòng)作最多傳送三個(gè)數(shù)據(jù)包，包括令牌(Token)、數(shù)據(jù)(Data)、聯(lián)絡(luò)(HandShake)。

按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開(kāi)始時(shí)，主機(jī)送一個(gè)描述傳輸動(dòng)作的種類、方向、USB設(shè)備地址和終端號(hào)的USB數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包通常被稱為令牌包(TokenPacket)。USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機(jī)到設(shè)備就是從設(shè)備到主機(jī)。

在傳輸開(kāi)始時(shí)，由標(biāo)志包來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端開(kāi)始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應(yīng)發(fā)送一個(gè)握手的數(shù)據(jù)包表明是否傳送成功。發(fā)送端和接收端之間的USB數(shù)據(jù)傳輸，在主機(jī)和設(shè)備的端口之間，可視為一個(gè)通道。USB中有一個(gè)特殊的通道一缺省控制通道，它屬于消息通道，設(shè)備一啟動(dòng)即存在，從而為設(shè)備的設(shè)置、狀態(tài)查詢和輸入控制信息提供一個(gè)入口。

數(shù)據(jù)和控制信號(hào)在主機(jī)和USB設(shè)備間的交換存在兩種通道:單向和雙向。

USB的數(shù)據(jù)傳送是在主機(jī)軟件和一個(gè)USB設(shè)備的指定端口之間。這種主機(jī)軟件和USB設(shè)備的端口間的聯(lián)系稱作通道?？偟膩?lái)說(shuō)，各通道之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是相互獨(dú)立的。一個(gè)指定的USB設(shè)備可有許多通道。例如，一個(gè)USB設(shè)備存在一個(gè)端口，可建立一個(gè)向其它USB設(shè)備的端口，發(fā)送數(shù)據(jù)的通道，它可建立一個(gè)從其它USB設(shè)備的端口接收數(shù)據(jù)的通道。

USB包含四種基本的數(shù)據(jù)傳輸類型:

控制傳輸:設(shè)備連接時(shí)用來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，還可對(duì)指定設(shè)備進(jìn)行控制。

批量傳輸:大批量產(chǎn)生并使用的數(shù)據(jù)，在傳輸約束下，具有很廣的動(dòng)態(tài)范圍。

中斷傳輸:用來(lái)描述或匹配人的感覺(jué)或?qū)μ卣鞣磻?yīng)的回饋。

同步傳輸:由預(yù)先確定的傳送延遲來(lái)填滿預(yù)定的USB帶寬。

USB OTG標(biāo)準(zhǔn)在完全兼容USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增添了電源管理(節(jié)省功耗)功能，它允許設(shè)備既可作為主機(jī)，也可作為外設(shè)操作(兩用OTG)。OTG兩用設(shè)備完全符合USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，并可提供一定的主機(jī)檢測(cè)能力，支持主機(jī)通令協(xié)議(HNP)和對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)。在OTG中，初始主機(jī)設(shè)備稱為A設(shè)備，外設(shè)稱為B設(shè)備。可用電纜的連接方式來(lái)決定初始角色。圖2所示是用第5個(gè)ID腳確定默認(rèn)主機(jī)的示意圖，兩用設(shè)備使用新型mini-AB插座，從而使mini-A插頭、mini-B插頭和mini-AB插座增添了第五個(gè)引腳(ID)，以用于識(shí)別不同的電纜端點(diǎn)。mini-A插頭中的ID引腳接地，mini-B插頭中的ID引腳浮空。當(dāng)OTG設(shè)備檢測(cè)到接地的ID引腳時(shí)，表示默認(rèn)的是A設(shè)備(主機(jī))，而檢測(cè)到ID引腳浮空的設(shè)備則認(rèn)為是B設(shè)備(外設(shè))。系統(tǒng)一旦連接后，OTG的角色還可以更換。主機(jī)與外設(shè)采用新的HNP，A設(shè)備作為默認(rèn)主機(jī)半提供VBUS電源，并在檢測(cè)到有設(shè)備連接時(shí)復(fù)位總線、枚舉并配置B設(shè)備。OTG標(biāo)準(zhǔn)為USB增添的第二個(gè)新協(xié)議稱為對(duì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)。SRP允許B設(shè)備請(qǐng)求A設(shè)備打開(kāi)VBUS電源并啟動(dòng)一次對(duì)話。一次OTG對(duì)話可通過(guò)A設(shè)備提供VBUS電源的時(shí)間來(lái)確定(注:A設(shè)備總是為VBUS供電，即使作為外設(shè))。也可通過(guò)A設(shè)備關(guān)閉VBUS電源來(lái)結(jié)束一會(huì)話以節(jié)省功耗，這在電池供電產(chǎn)品中是非常重要的。例如，在兩臺(tái)蜂窩電話通過(guò)連接互相交換信息時(shí)，一臺(tái)連接在電費(fèi)的mini-A端，是A設(shè)備，默認(rèn)為主機(jī)。另一臺(tái)是B設(shè)備，默認(rèn)為外設(shè)。當(dāng)在不需要USB通信時(shí)，A設(shè)備可以關(guān)閉VBUS線，此時(shí)B設(shè)備就會(huì)檢測(cè)到該狀態(tài)并進(jìn)入低功耗模式。

CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動(dòng)電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點(diǎn)間的傳輸過(guò)程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼/解碼、位定時(shí)和同步的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

BOSCH CAN基本上沒(méi)有對(duì)物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層進(jìn)行了定義。設(shè)計(jì)一個(gè)CAN系統(tǒng)時(shí)，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CAN協(xié)議中媒體訪問(wèn)層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲取總線競(jìng)爭(zhēng)的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒(méi)有發(fā)送顯性位時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時(shí)，總線處于隱性狀態(tài);當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層:分別是物理信號(hào)層(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介質(zhì)附件(Physical MediaAttachment，PMA)層和介質(zhì)從屬接口(Media Dependent:Inter-face，MDI)層。其中PLS連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI兩層有很多不同的國(guó)際或國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是ISOll898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標(biāo)準(zhǔn)。

CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不分主從，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)的"調(diào)度"。 CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下);通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。 CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要決定于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè);報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種(CAN2.0A)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問(wèn)控制(Medium Access control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問(wèn)管理、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過(guò)程展開(kāi)的。

允許外設(shè)在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來(lái)127個(gè)外設(shè)，傳輸速率可達(dá)480MB/S，P它可以向低壓設(shè)備提供5伏電源，同時(shí)可以減少PC機(jī)I/O接口數(shù)量。