USB应用技术
usb应用技术
通用串行总线(universal serial bus，简称usb)从诞生后发展到今天，已将近十年。伴随着计算机技术的迅猛发展，usb协议从1.1过渡到2.0，作为其最重要指标的设备传输速度也从1.5mb/s的低速和12mb/s的全速提高到如今的480mb/s的高速。usb作为过去几年里计算机和嵌入式系统领域中的热点，推动了计算机外设的飞速发展。毫无疑问的是，usb已经占领了pc和外设的市场；而在未来，usb又将以otg再次引领计算机外设产业的发展方向，同时也将把计算机和嵌入式领域的学术研究带入更为深入的层次。
图1 带有usb接口的pc外设 usb设备开发技术
1994年11月，以intel为首的7家公司推出了usb协议规范的第一个草案。自从1996年2月usb版本1.0发布后短短几年内，usb不光成为了pc主板上的标准接口，而且成为了所有pc外部设备如键盘、鼠标、显示器、打印机、数码相机、扫描仪和游戏手柄等与pc相连的标准协议之一，迅速占领了计算机中低速外部设备的市场，大有取代串口和并口之势。图1展示了几款带有usb接口的pc外设、数码家电和通信产品。
首先，我们总结出usb设备开发的基本内容：
usb设备作为一个完整的硬件设备，是由硬件和固件两部分来组成的。其中固件中包括了有关系统配置和cpu的一些设置模块、usb协议栈模块等几部分。usb总线上的信息有两种：一种是差模数据线上的包；另一种则是有特殊定义的数据线的信号，比如复位信号、远程唤醒信号等等。因此，设备的usb栈就要能够识别并处理这些不同的信息内容。同时，在上层，这些信息又要被组成各种传输的类型来加以处理。所以，整个协议栈的内容是非常庞大的。
一般来说，usb设备在硬件上要由usb的芯片来实现。这个芯片的作用有：管理和实现usb物理层差模信号；提供给连接的端口；电源管理(主要指提供3.3v的电源)；以寄存器的形式提供各种端点；提供各种配置和存储寄存器。因此，固件就是以这些硬件资源为基础来实现usb的功能。一般的usb芯片都会提供几个标准的端点，每个端点都支持单一的总线传输方式。其中端点0必须支持控制传输，而其他的端点则可以支持同步传输、批量传输或中断传输中的任意一种传输方式。管理和使用这些端点，就需要通过相应的控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和数据寄存器来实现。其中，控制寄存器用于设置端点的工作模式、启用端点的功能等；状态寄存器用于查询端点的当前状态；中断寄存器则用于设置端点的中断触发和响应功能；数据寄存器则是设备与主机交换数据用的缓冲区。合理和有效地使用这些寄存器，是编好usb协议栈的关键。
简而言之，usb的协议栈以设备端点的使用和管理作为基础和核心。而在端点的这些寄存器中，对中断寄存器的管理尤其重要。也因此，编写usb的中断服务程序是整个设备端usb固件编写的主要内容。可以分为三个步骤：
usb主机的嵌入式开发技术
usb主机嵌入式化的必要性
随着usb应用领域的逐渐扩大，人们希望usb能应用在各种计算机领域中，尤其是在移动数据交换等没有pc的领域中。
非pc应用领域？这正是usb一个致命的弱点。usb的拓扑结构中居于核心地位的是主机(host)，任何一次usb的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的usb设备都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，大量的扮演主机角色的是个人电脑(pc)。因此，我们目前所买到和使用的usb移动设备，都是usb的设备，比如usb的移动硬盘、usb接口的数码相机等等。所有这些设备都只能在pc上使用，只能通过pc来进行相互的文件和数据交换。没有了pc，这些设备就“失灵”了(就数据交换的功能而言)。
因此，“如何将usb应用到嵌入式领域？如何实现usb点对点的通信？”等问题，开始进入了usb开发者的讨论议程。正是在这种新的需求之下，usb 主机的嵌入式应用成了usb领域新的兴奋点。
pc上usb主机的功能与工作原理
usb主机完成的主要功能包括以下5个方面：检测usb设备的连接和断开、管理主机和设备之间的标准控制管道、管理主机和设备之间的数据流、收集设备的状态和统计总线的活动、控制和管理主机控制器与设备之间的电气接口。
剖析pc上usb主机部分的结构，可以看到，pc主板上一般都有两个usb端口，并由一个usb主机接口芯片控制；这个usb主机接口芯片又通过pci总线，与cpu进行通信；此外，芯片附近还有一些电源管理的部分，用于对usb外设进行电源的供给和管理。这是其硬件部分。软件部分，很显然，就是pc的操作系统所能够提供的各种驱动程序和应用程序支持，具体来说，包括三部分：usb主控制器驱动程序，其负责cpu与usb主机接口芯片的通讯，处理底层usb包的发送与接收；usb核心驱动程序，这部分是usb底层与用户程序之间的桥梁，负责解释用户程序中对usb的各种操作命令，并解码后发送给底层驱动；usb用户程序和类协议驱动程序，这部分就是上层的应用层，主要包括操作系统提供给用户的api、以及用户自己定义的对usb设备的各种操作，比如读取usb设备某几个特定的数据等等。
嵌入式usb主机系统的设计内容
毒俟©程，获取usb设备的描述符并加以利用等。
移动usb——usb otg的发展
usb on-the-go，顾名思义，是usb应用在便携式移动设备领域中，因此，我们姑且将其翻译为“便携式usb”(或者“移动usb”)，简记成usb otg。otg 1.0作为usb 2.0的补充协议，基本上符合usb 2.0规范。但是，有所不同的是符合usb otg的设备完全抛开了pc，既可以作为主机，也可以作为外设，而与另一个otg设备直接实现点对点(pear to pear)通讯。因此，这类otg设备也被称为是双角色设备(dual-role device，简称为drd)，并能够根据接入设备的特性和数据传输过程中的情况，自动切换为主机或是设备。需要注意的是，usb otg设备保留了作为普通usb 2.0设备的功能，可以作为外设直接连接到pc的usb主机上。
结语
综观usb技术的整个发展过程，从诞生→成为绝大多数pc外设的标准接口→提高速度后应用遍及几乎所有pc外设领域→出现嵌入式usb主机技术和产品→发布usb otg标准，我们可以看到，usb在不断地自我完善。随着usb新技术的不断出现，usb的应用领域也越发的广泛。
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一般来说，usb设备在硬件上要由usb的芯片来实现。这个芯片的作用有：管理和实现usb物理层差模信号；提供给连接的端口；电源管理(主要指提供3.3v的电源)；以寄存器的形式提供各种端点；提供各种配置和存储寄存器。因此，固件就是以这些硬件资源为基础来实现usb的功能。一般的usb芯片都会提供几个标准的端点，每个端点都支持单一的总线传输方式。其中端点0必须支持控制传输，而其他的端点则可以支持同步传输、批量传输或中断传输中的任意一种传输方式。管理和使用这些端点，就需要通过相应的控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和数据寄存器来实现。其中，控制寄存器用于设置端点的工作模式、启用端点的功能等；状态寄存器用于查询端点的当前状态；中断寄存器则用于设置端点的中断触发和响应功能；数据寄存器则是设备与主机交换数据用的缓冲区。合理和有效地使用这些寄存器，是编好usb协议栈的关键。
简而言之，usb的协议栈以设备端点的使用和管理作为基础和核心。而在端点的这些寄存器中，对中断寄存器的管理尤其重要。也因此，编写usb的中断服务程序是整个设备端usb固件编写的主要内容。可以分为三个步骤：
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