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USB DIY 講座（二） --- USB 特質

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接下來，我繼續先說明有關USB 的基本認知，或許，您想作的東西，跟我的內容不是很相稱，對不起，我也不知該如何滿足您，說真的，技術的東西，怎麼講也講不完的，也不可能涵蓋所有的東西，但我相信這些基本的概念，至少讓我做一些相關的東西時，卻是得心應手，我不是很厲害，厲害的是訂出規格的人，用這樣一個簡單的規格，卻能讓我們玩出這麼多花樣，才是真正厲害的人。所以，我常建議有理想有抱負的年輕人，您若有機會出去國外走走或甚至唸書，請不要客氣。可別只為了貪圖眼前的股票紅利喔。

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特質三：USB 到底可以多快？ (我才不要講規格的東西，眼見為憑！）

我們是工程師，講的事事求是的精神，上圖是一個 Bulk Out 傳輸內容，兩個SOF (見下面特質6的說明）的間隔是 1mSec ，我們傳了 17 個 Packets ，所以是：17x64 Bytes/1mSec = 1.088 MB/Sec = 8.704 Mbps <12 Mbps，為什麼會小於 12Mbps 呢？因為在傳輸過程中，還要塞進 PID/ACK/CRC 等這些Token ，所以，以我們要傳的資料內容來說，是不可能達到 12 Mbps 的。

您不要看我上面的傳輸的很漂亮，連一個NAK 都沒出現。您知道嗎？只要您 USB Device 的 MCU (如8051 不管是12 T 或 4T) 只要有任何一點遲疑的話，我指的是像去 Movx 一個Registers 時，就會塞進好幾個 NAK ，您傳輸的速度，當場就會被拉下來，因為USB 的Protocol 是不等您的。這樣您就會瞭解，人家說USB 控制器內的MCU 性能是一項很重要的關鍵了。另外一點是，像我上圖的內容來說：Bulk out 是PC將資料往外傳，如果您 USB Device 的 Data Buffer 不夠大的話，您也勢必要先對USB 喊暫停（回NAK），再用MCU把資料移走或處理掉，否則，您又會對USB 這條高速公路造成塞車。明顯的，除了USB 內的控制器的MCU 執行速度的快慢會影響USB 速度外，您USB 控制器內的Buffer 容量也是一個重要關鍵。所以，您不真的一味的聽信說：USB 2.0 很快。如果以我上述的問題關鍵您視而不見的話，您還是開一台破車在一條筆直的戰備道上。同理，若您的傳輸方向的Bulk In (PC跟您的 USB Device 要資料)，您USB Device 的資料若處理來不及給USB 來抓走的話，也是一樣。PC USB來問完就走了。因為您一定得回NAK，叫他等一等，這樣子，您覺得您可以怪USB 太慢嗎？

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特質四：An Endpoint Is an addressable FIFO

	USB Specification: a source or sink of data
	CONTROL : endpoint is bi-directional
	Others are uni-directional
	Four address bits plus a direction bit selects between 32 buffers (FIFOs)
	Different USB chips support
	Various numbers of endpoints
	Various buffer sizes 其實，每一個endpoint 您就把他想像成一個水管（在術語上他也是稱為Pipe)，然後，他每一個都有自己的方向與所指到的資料記憶體儲存空間。然後，在第一項中所指的CONTROL pipe ，其實，在應用上就很好用了，我再想他大概就可以取代一部份UART的功能了。我們不是喜歡透過 RS232 來下一些命令（甚至帶參數的），然後，再讀一些外面周邊的一些回應嗎？，這個CONTROL pipe 因為是雙向的，所以，就已經很夠用了。講一個您看規格可能看不到的東西：您知道嗎？一次的 Control In 或Control out 最多可以傳 4KBytes (USB 1.1) 的資料。以傳命令來說：夠大了吧。這個現象好像是作業系統底層的關係。您可能要問一下Microsoft ~ 他大概也不會跟您講原因吧？！另外是，因為每一個 Endpoint 在傳輸過程中，都會指向某一個記體體空間，所以，我是認為Endpoint 夠用就好了，否則，是很浪費空間的。Cypress 的USB 控制晶片，好像他的Endpoint 都不少，所以，他賣得貴不是沒道理的。

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特質五：USB Supports Four Transfer Types

	Bulk: "巨量？怪怪的翻譯"
	Guaranteed accuracy , but delivery time is variable. 作Tools 介面最好了。
	Best for "bursty" data
	Isochronous: 。相對"巨量"來說，這才是巨量。只不過，用"同步"比較傳神。
	Guaranteed delivery time, but accuracy is not guaranteed. 這就是同步：像影音資料。稍縱即逝。
	Control :
	Enumeration and device control.簡單來說，就是下命令用的。(您也可以拿來傳資料。）
	Interrupt:
	Predictable polling time.低速用的，不過您可只為了這個功能犧牲掉您USB 的Performance。對於這四種傳輸方式來說，對一般人來說，應該還是主要是Control 及Bulk ，以相對取代RS232 或Parallel 來說，也是這兩個。但許多人，不知是為了貪便宜呢？還是真的不是很瞭解USB ，還真的常用Interrupt 。說真的，我們都知道，所謂HID 或為了Polling 外面周邊像按鍵來說：除非就像鍵盤，笨得只是按鍵用。否則，一般的應用還有許多功能，您可別忘了，USB Device 是要寫程式的，所以，對鍵盤這種東西，我們還是會以傳統方式來Debounce 來讀鍵盤，然後，再將讀到的擲回傳給主機。您想想：Setup Control token 至少每 3mSec 就會來一次，您覺得用主機來作比較有效率呢？還是直接用Device 的單晶片來作比較好呢？！另外，若是Isochronous 的傳輸來說，因為您在主機上還有一個很上層的應用程式，您若軟體的功力不足的話，就算您USB 速度夠，您寫出來的應用程式，還會有所謂影音不同步，或是像社會新聞中，那種定格監視器拍到的東西一樣，能看嗎？！所以，以一般來說，我還是以大眾需求為主，講Control 及Bulk 就好了。若您要問我其他的～抱歉！沒興趣。

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特質六：USB Transfers Occur in 1ms Frames (USB 1.1)

	Host Sends "SOF" (Start of Frame) token every 1mSec . 這是鐵律！
	Host schedules packets inside frames. 您一定要有這個觀念。
	Isochronous data FIFOS "ping-pong" every SOF. 記住，這個東西是很會搶頻寬的。從上圖，您就會很明瞭的發現了。注意喔，USB 裝置是串接的，當同一PORT上面接了這幾種傳輸介面時，是會搶頻寬的。就可憐的就是Bulk ，撿人家剩下的。這是由主機決定的。但在早期還分OHCI 及UHCI 兩大陣營時，現象是有一點不太一樣，但基本觀念是一樣的。(註：所謂OHCI 指的是主機板南橋規格：像ALI 及SIS 就是；而UHCI指的就是INTEL及VIA 南橋晶片）據我所知，有多USB 控制晶片也有提供所謂SOF 中斷向量，以我的經驗是，這是留給萬一USB 控制晶片有碰到一些相容性問題時，動用的，否則，您一旦打開（Enabel,致能）這個中斷功能，包您的Device 的單晶片，什麼事都不用作了，您想一想，就算是您的8051是4T的，光push/pop 進進出出中斷，就可憐了，更何況您用高階C語言。　再動一下滑鼠換頁吧。回到頁首

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