USB基础知识

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作者：陈鹏   2005-09-28
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USB 介绍
1994年，一个由四个行业伙伴(Compaq、Intel、Microsoft 和 NEC)组成的联盟开始制定 USB 协议。该协议最初的目的是将 PC 与电话相连并提供容易扩展和重新配置的 I/O 接口。1996年 1月，发表了 USB 规范的第一个版本，1998年 9月发表了后续版本(版本 1.1)。这个规范允许 127台设备同时连接到一起，总的通信带宽限制为 12 Mbps。后来，又有三个成员(Hewlett-Packard、Lucent 和 Philips)加入了这个联盟。2000年 4月，发表了 USB 规范的 2.0版本，它支持高达 480 Mbps 的传输率。今天，USB 在高速(视频、图像、储存)和全速(音频、宽带、麦克风)数据传输应用中起了关键作用。它还使各种低速设备(键盘、鼠标、游戏外设、虚拟现实外设)连接到 PC 上。
USB 协议有严格的层次结构。在所有 USB 系统中，只有一个主设备，到主计算机的的 USB 接口称为 主控器(host controller)。主控器有两个标准――开放主控器接口(Compaq 的 Open Host Controller Interface，OHCI)和通用主控器接口(Intel 的 Universal Host Controller Interface，UHCI)。这两个标准提供了同样的能力，并可用于所有的 USB 设备，UHCI 的硬件实现更简单一些，但是需要更复杂的设备驱动程序(因而 CPU 的负荷更大一些)。
USB 物理互连是分层的星形拓朴，最多有七层。一个 hub 是每个星形的中心，USB 主机被认为是 root hub。每一段连线都是 hub 与 USB 设备的点对点连接，后者可以是为系统提供更多附加点的另一个 hub，也可以是一个提供功能的某种设备。主机使用主/从协议与 USB 设备通信。这种方式解决了包冲突的问题，但是同时也阻止了附加的设备彼此建立直接通信。
所有传输的数据都是由主控器发起的。数据从主机流向设备称为 下行(downstream)或者 输出(out)传输，数据从设备流向主机称为 上行(upstream)或者 输入(in)传输。数据传输发生在主机和 USB 设备上特定的 端点(endpoint) 之间，主机与端点之间的数据链接称为 管道 (pipe)。一个给定的 USB 设备可以有许多个端点，主机与设备之间数据管道的数量与该设备上端点的数量相同。一个管道可以是单向或者是双向的，一个管道中的数据流与所有其他管道中的数据流无关。
USB 网络中的通信可以使用下面四种数据传输类型中的任意一种：
控制传输：这些是一些短的数据包，用于设备控制和配置，特别是在设备附加到主机上时。
批量传输：这些是数量相对大的数据包。像扫描仪或者 SCSI 适配器这样的设备使用这种传输类型。
中断传输：这些是定期轮询的数据包。主控器会以特定的间隔自动发出一个中断。
等时传输：这些是实时的数据流，它们对带宽的要求高于可靠性要求。音频和视频设备一般使用这种传输类型。
像串行端口一样，计算机上每一个 USB 端口都由 USB 控制器指定了一个惟一的标识数字(端口 ID)。当 USB 设备附加到 USB 端口上时，就将这个惟一端口 ID 分配给这台设备，并且 USB 控制器会读取 设备描述符。设备描述符包括适用于该设备的全局信息、以及设备的 配置信息。配置定义了一台 USB 设备的功能和 I/O 行为。一台 USB 设备可以有一个或者多个配置，这由它们相应的配置描述符所描述。每一个配置都有一个或者多个 接口，它可以视为一个物理通信渠道；每一个接口有零个或者多个端点，它可以是数据提供者或者数据消费者，或者同时具有这两种身份。接口由接口描述符描述，端点由端点描述符描述。并且一台 USB 设备可能还有字符串描述符以提供像厂商名、设备名或者序列号这样的附加信息。
USB 设备、USB 驱动、USB 应用程序

1.USB 设备硬件部分
  a.这个硬件的标识是用的 Vender ID 和 Product ID, 即“厂家标识”和“产品标识”
  b.这个硬件规定了各个 End Point (端点) 的性质, 读/写 及 类型 (Control/Interrupt/Bulk/Isochronous)
  c.这个硬件的固件里面有 DeviceIoControl 的实现部分, 规定了这个函数的具体参数和动作
2.USB 设备驱动
①硬件接口
  a.需要识别 Vender ID 和 Product ID
  b.对每个 EndPoint 的每个 I/O 分配一个 Pipe, 并且起一个名字作为软件接口
  c.做 DeviceIoControl 的接口
②软件接口
  a.GUID, 驱动程序的标识, 每个驱动程序使用不同的 GUID, GUID 是识别驱动的, 与硬件无关 (驱动程序升级版本 GUID 不能修改)
  b.硬件接口里面的 b: Pipe 名字是软件接口, 这个 Pipe 名字纯粹由驱动定义的, 和硬件无关, 升级驱动不能改 Pipe 的名字
  c.硬件接口里面的 c 的各个参数也是软件的接口, 这些参数是由硬件带来的, 不是驱动规定的, 当然也可以在驱动里面转义, 隐藏设备的真实情况
③这个驱动程序是用 WinDDK 编译的, 可以用文本编辑器或其他开发工具的编辑器编程序代码, 然后调用 WinDDK 编译
3.读写 USB 口的程序
①与驱动的接口
  a.利用驱动程序里面的 GUID 找出设备的文件名, 用 CreateFile 函数打开设备。我前面的程序里面的 OpenUsbDevice 就是这个作用
  b.通过 a.得到的设备文件名和驱动程序里面的 Pipe 名打开 Pipe, 访问这个 Pipe 对应的 USB 端点 (读写数据)
  c.使用 a.的 CreateFile 得到的句柄, 通过 DeviceIoControl 实现设备规定的动作
②有关需要的资料
  a.Vender ID, Product ID 和 GUID 一般在驱动程序的 .inf 文件里面能看到, 如果找不到就需要和厂家联系
  b.Pipe 的名字是驱动程序规定的, 需要有驱动程序的资料才能知道
  c.DeviceIoControl 的参数需要有驱动程序的资料或者硬件资料才能知道
③这个程序一般用 C/C++ 直接编写, 如果使用其他语言(VB/PB等)需要调用 C/C++ 编的 DLL


其他相关内容:

USB 驱动程序可以到注册表里面找到：
"HKEY_LOCAL_MACHINE\\SYSTEM\\ControlSet001\\Enum\\USB\\Vid_厂家标识&Pid_产品标识\\驱动程序"

里面的 ClassGUID 就是驱动程序的 GUID 标识, 例如 {36FC9E60-C465-11CF-8056-444553540000}
相当于程序的: DEFINE_GUID(USB_DRIVER_GUID, 0x36FC9E60,0xC465,0x11CF,0x80,0x56,0x44,0x45,0x53,0x54,0x00,0x00);
另外在这个注册表键里面还可找到有关设备的其他描述, 例如 DeviceDesc = "USB Mass Storage Device" 等
参考文章：
C++ 爱好者 - 网友留言 - 回复内容  http://www.cppfans.com/forum/guestbkans.asp?id=1231
在 Java 应用程序中访问 USB 设备 http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/java/j-usb/