[发明专利]将多功能设备以USB组合设备呈现给主机的方法、装置及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种USB设备处理器，特别涉及一种将多功能设备以USB组合设备呈现给主机的方法、USB设备处理器以及包含该USB设备处理器的智能设备。

背景技术

现有的多功能设备，例如手机或多功能打印机，在通过USB接口连接到计算机时都可以提供多种功能。例如手机可以是调制解调器（modem）、U盘以及摄像头等。多功能打印机可以是打印机、扫描仪以及传真机等。目前，这些多功能设备都是以合成设备（composite device）的形式呈现给主机的。也就是说这些功能是合成在一个USB设备里的，在主机端必须有一个合成设备驱动程序将各功能分离出来后才能进一步使用各功能设备的驱动程序。目前，大多数功能设备的驱动程序已有标准通用版，不必为各具体设备另写。但由于多功能设备的差异性很大，以及USB规范在合成设备定义方面的缺陷，还没有能够实现通用水平的合成设备驱动程序。这使得多功能设备都必须自带合成设备驱动程序，从而使得多功能设备无法做到无软件安装即插即用。这给多功能设备的使用带来了麻烦。另外，一个合成设备里所含有的功能模块不能独立地增加或减少，功能模块的配置必须在USB设备接入主机时确定。只有在重新将USB设备接入主机时才能改变，而不能在保持某一功能模块与主机联接的情况下改变其它功能模块的配置。这使得USB不能用于复杂的应用，例如在智能手机里，操作系统可以运行在一个纯CPU或CPU+显示的环境里，而所有其它外部设备如键盘、大容量存储、modem、摄像头等都可以通过USB来接入，但以合成设备的形式来将它们整合起来再接入操作系统就不能被接受，原因就是合成设备缺乏管理上的灵活性。

USB标准定义了另一种将多功能设备接入主机的结构：组合设备（compound device）．它是用集线器（HUB）连接起来的多个USB设备（相当于一棵USB子树）．每个功能以一个独立USB设备（也被称作功能设备）的形式接入主机。由于组合设备的每一功能是一个独立的USB设备，可以直接使用主机的功能设备驱动程序，因而组合设备没有合成设备驱动程序的问题，可以做到无软件安装即插即用，在对各功能设备的管理上也有相当的灵活性，可以用来整合多个外部设备并将它们接入操作系统。但如将每个功能做成独立的USB设备显然有成本上的问题。

对于通讯中的基本问题：如何在一条物理线路上传输多路逻辑上独立的数据流，USB的方案是：定义一个单向数据传输的基本单元“端口”（endpoint），端口包含一个数据缓冲区，由主机以轮询的方式，以会话（transaction）为单位将数据由设备的端口数据缓冲区读入主机（即输入），或将数据由主机写入设备的端口数据缓冲区（即输出，USB的数据传输方向总是以主机为参考点而定义的）。USB的会话是由硬件实现的，程序只要将数据放入端口的数据缓冲区或直接从端口的数据缓冲区读取数据就可以了。因此，由包（packet）处理直至会话处理的会话控制器就构成了USB硬件的主要部分。端口在USB系统中由一个三元组＜USB设备地址，端口号（endpoint number），端口数据方向＞唯一寻址，每个设备由主机设定一个唯一的设备地址并可有至多16个端口号即32个端口，这样，各个设备的各个端口的独立数据流就复用了同一条物理USB线。

会话总是由主机发起的，通常包含2至3个包。一个典型的输入会话是这样的：主机发出会话启动包（IN，设备地址，端口号），设备如无数据发往主机，则回一包（NAK），会话结束；设备如有数据发往主机，则回以数据包（DATA，数据），主机收到数据后回以一确认包（ACK），表示数据已收到，可从设备的端口数据缓冲区中除去。会话是USB数据交换的最小单位，一定是一个会话接一个会话顺序地进行的，属于不同会话的包是不会交叉在一起的（USB3 SuperSpeed除外）。因此，一个USB设备虽然可有多个端口，却只需要一个会话控制器．

USB会话的这一顺序特征隐含的另一性质是：如果需要，一个会话控制器可以为所有USB系统中的设备处理会话。有些发明正是基于这一点试图通过复用会话控制器来使一个USB设备拥有多于一个设备的功能。但是到目前为止，这些方案都只满足于使用一个会话控制器来实现多于一个USB设备的功能，而对已有的USB设备处理器技术却未加利用，因此，从所提的技术方案来看，其实施难度相当于重新设计一个USB设备处理器，成本较高。这些难以实施的技术方案反过来又使人们忽略了将多功能设备以USB组合设备呈现给主机这一技术方案，使之至今没有得到很好的应用。