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    2020-10-16 16:27:51
    第 3 章 USB 3.0 体系结构概览 第 4 章 超高速数据流模型 第 5 章 机械结构 第 6 章 物理层 第 7 章 链路层 第 8 章 协议层 第 9 章 设备框架 第 10 章 集线器,主机下行口以及设备上行口规范
  • USB接口简介

    2019-10-09 10:30:15
    概述 USB的英文全称为Universal Serial Bus,中文含义是通用串行总线,它是一种快速的,双向的,同步...全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s,比串口快了整整100倍,而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480M...

    概述
    USB的英文全称为Universal Serial Bus,中文含义是通用串行总线,它是一种快速的,双向的,同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。USB接口使用方便,它可以连接多个不同的设备,而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快是USB技术的突出特点之一。全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s,比串口快了整整100倍,而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s,最新的USB3.1支持高达10Gb/s的传输速率,USB发展历程如图 1所示。
    在这里插入图片描述
    图 1 USB发展历程
    USB(Universal Serial Bus)体系包括“主机(Host)”、“设备(Device)”以及“物理连接(Connector)”三个部分。其中主机是一个提供USB 接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体,可以是PC,也可以是OTG 设备。一个USB 系统中仅有一个USB 主机(Host);设备(Device)包括USB 功能设备(Function)和USB HUB,最多支持127 个设备;物理连接即指的是USB 的传输线。
    最常见的USB 系统为PC 机和USB 外设的系统, 一个PC机通常集成了USB Host 和USB Root Hub。USB Hub 是市场上很常见的USB 接口扩展设备;U 盘,USB Modem,USB 网卡等是很常见的USB 功能设备。
    USB 接口的标准
    机械标准
    USB2.0 标准规定USB 接口的物理规范如下
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    对于USB 线缆,USB2.0 标准只能为以下的三种插头形式的组合:
    ①标准可插拔线缆(Detachable Cable):一端为A 型插座,另外一端为B 型插座;
    ②高速/全速不可分离电缆(Captive Cable):一端为A 型插座,另外一端厂商根据实际高速/全速USB 产品指定,如手机,MP3 的USB 配线;USB 键盘等;
    ③低速电缆不可分离电缆(Captive Cable):一端为A型插座,另外一端厂商根据实际低速USB产品指定。
    标准也规定了USB2.0 Cable的最长长度为5m。
    在这里插入图片描述
    图 4 USB3.0插座与USB2.0的兼容
    电气标准
    USB2.0的BUS由四根线组成:电源VBUS(Red),GND(Black),信号D+(Green),信号D-(White),USB标准里面也指定了这四根线在USB电缆里面的颜色(上一句括号里面已标明)。其中电源线VBUS可用于由USB主设备向从设备供电,供电电压为+5V,一个USB Host端口最多可以提供500mA的电流。
    对于工作于High-Speed模式下信号线,关键的电气参数如下:
    1、单端信号高电平范围:360mV~440mV;单端信号低电平范围:-10mv~10mV;
    2、单端输出阻抗:45Ω;差分输出阻抗:90Ω; (PCB布线时要求阻抗控制为90Ω)
    3、对于工作于Full-Speed模式下信号线,关键的电气参数如下:
    4、单端信号高电平范围:2.8V~3.6V(比较常见的是3.3V信号电平);单端信号低电平范围:0v~0.3V;
    5、差分输出阻抗:90Ω±15%。
    USB3.0总线由8根线组成,除了USB2.0的电源VBUS(Red),GND(Black),信号D+(Green),信号D-(White),还有TX/RX两对SDP(屏蔽差分线对),如图 5所示
    在这里插入图片描述
    图 5 USB3.0线缆结构
    对于工作于SuperSpeed模式下信号线,要求单端输出阻抗:45Ω±3Ω;差分输出阻抗:90Ω±5Ω(PCB布线时要求差分阻抗控制为90Ω)。
    USB主设备供电及Inrush(启动)电流
    USB主设备对从设备有三种供电方式:从设备自供电,主设备对从设备完全供电,主设备对从设备部分供电(USB Host端口最多提供500mA的电流,从设备需要的其它电流由自己供电,但两部分电源应该分开)。
    USB设备在热插时均会产生强电流(Inrush Current),这种强电流会导致USB总线供电电压下降(最大允许Droop电压为330mV),一方面会导致总线上的其它Device不能正常工作;另一方面可能导致插入的Device无法启动,更严重的情况会烧坏Host设备。Inrush电流产生的原因如下: 在热插或设备的工作状态由低功耗切换为高功耗时,由于从设备上Vcc对地存在的电容及瞬间负载过大的影响,在Vcc上将会由主设备向从设备注入瞬间强电流。
    为保证USB接口的可靠的设计,通常需要使用一些限流电路。最常见最通用的限流电流就是直接利用板上已有DC-DC电源电路的限流功能,但这很显然不是一种很好的方法;其它比较常用的方法有使用保险丝和USB专用过流保护供电芯片两种方式,如G5250芯片。
    另外在热拔时会由于线上的电感效应的存在,突变的电流会在Host端和Device端会产生Flyback Voltage,在Host端的表现为引入了噪声,在Device端则需要注意反转电压的幅度不能过大。但这些现象一般影响很有限,设计上基本上没有进行相应的考虑。

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    须知

    注意, NXP官方的 Linux内核默认已经使能了 U盘!

    所以我们可以插上直接使用

    使能U盘

    虽然可以直接使用,但是我们还是要学习一下如何手动配置Linux内核,使能U盘

    U盘使用 SCSI协议,因此要先使能 Linux内核中的 SCSI协议,配置路径如下:

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    我们还需要使能 USB Mass Storage,也就是 USB接口的大容量存储设备,配置路径如下:
    在这里插入图片描述
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    U盘测试

    在插入U盘之前

    ls /dev
    

    在这里插入图片描述

    准备好一个 U盘,注意 U盘要为 FAT32格式的! NTFS和 exFAT由于版权问题所以在 Linux下支持的不完善,操作的话可能会有问题,比如只能读,不能写或者无法识别等。准备好以后
    将 U盘插入到开发板 USB HUB扩展出来的 HOST接口上,此时会输出如图

    在这里插入图片描述
    从图可以看出,系统检测到 U盘插入,大小为 32GB,对应的设备文件为 /dev/sda和 /dev/sda1

    再次查看/dev
    在这里插入图片描述

    /dev/sda是整个 U盘, /dev/sda1是 U盘的第一个分区,我们一般使用 U盘的时候都是只有一个分区。要想访问 U盘我们需要先对 U盘进行挂载,理论上挂载到任意一个目录下都可以,这里我创建一个
    /mnt/usb_disk目录,然后将 U盘挂载到 /mnt/usb_disk目录下,命令如下:

    mkdir /tmp/usb_disk -p //创建目录
    

    在这里插入图片描述

    mount /dev/sda1 /tmp/usb_disk/ -t vfat -o iocharset=utf8 //挂载
    

    -t指定挂载所使用的文件系统类型,这里设置为 vfat,也就是 FAT文件系统,“ ,“-o iocharset
    设置硬盘编码格式为 utf8,否则的话 U盘里面的中文会显示乱码!

    挂载成功以后进入到
    /tmp/usb_disk目录下,输入 ls命令查看 U盘文件,如图所示:
    在这里插入图片描述
    至此 U盘就能正常读写操作了,直接对 /tmp/usb_disk目录进行操作就行了。如果要拔出 U盘要执行一个 sync命令进行同步,然后在使用 unmount进行 U盘卸载,命令如下所示:
    在这里插入图片描述
    如果处于 /tmp/usb_disk目录的话这时候需要先退出来,否则卸载的时候提示设备忙,导致卸载失败,切记!
    在这里插入图片描述
    退出目录之后执行 umount /tmp/usb_disk/
    在这里插入图片描述
    查看是否卸载U盘成功,进入到刚才挂在的目录usb_disk,可以看到已经没有了文件
    在这里插入图片描述

    USB接口信息的查看

    USB有很强的扩展性, 可以传输音频、视频等数据,当然也有usb转网口这样的使用方法,所以,对于USBHUB的灵活使用非常重要,我们大部分的应用场景,都集成好了驱动,只需要打开相应的驱动就可以了。

    首先来学习如何查看已经开启了的USB驱动

     cd /sys/bus/usb-serial/drivers/
    

    在这里插入图片描述

    dmesg |grep 'interface driver'
    

    在这里插入图片描述

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    今天给大侠带来基于 FPGA 的 USB 接口控制器设计(VHDL),由于篇幅较长,分三篇。今天带来第一篇,上篇,USB 接口简介 以及 USB 体系结构。话不多说,上货。

    之前有关于 Veriliog HDL 实现的 USB 接口控制器设计,这里放上超链接,仅供各位大侠参考。

    源码系列:基于 FPGA 的 USB2.0 设计

    导读 

     

     

    2019年9月4日,USB-IF终于正式公布USB 4规范。它引入了Intel此前捐献给USB推广组织的Thunderbolt雷电协议规范,双链路运行(Two-lane),传输带宽因此提升,与雷电3持平,都是40Gbps。需要注意的是,你想要体验最高传输速度,就必须使用经过认证的全新数据线。USB4保留了良好的兼容性,可向下兼容USB 3.2/3.1/3.0、雷电3。除此之外,USB4将只有USB Type-C一种接口,并支持多种数据、显示协议,包括DisplayPort,可以一起充分利用高速带宽,也支持USB PD供电。

    比较遗憾的是,USB4的发布时间至今暂未公布。值得注意的是,此次发布的USB4是规范,而并非USB4.0。在此之前,USB Implementers Forum(USB-IF)计划取消USB 3.0/3.1命名,统一划归为USB 3.2。其中USB 3.0更名USB 3.2 Gen 1(5Gbps),USB 3.1更名USB 3.2 Gen 2(10Gbps),USB 3.2更名为USB 3.2 Gen 2x2(20Gbps)。以上就是关于USB标准以及命名的讯息。

    现在大部分USB设备(比如USB接口的鼠标、键盘、闪存、U盘等等)都是采用了USB通用驱动,而你的系统有USB通用驱动的话(比如XP就内建了USB通用驱动)就能用。而有些USB设备是需要特殊驱动的,比如某些手机,连接到电脑的USB口,是需要安装驱动才能使用的。下面我们一起动手做一做USB接口控制器设计,了解一下如何设计。

    第一篇内容摘要:本篇会介绍USB 接口简介,包括USB 发展历史、USB 特点和应用;USB 体系结构,包括USB 系统描述、USB 物理接口、USB电源管理、USB设备以及USB主机等相关内容。

     

    一、USB 接口简介

     

     

    1.1 USB 发展历史

    USB 是英文 Universal Serial Bus 的缩写,中文含义是“通用串行总线”,它是一种应用在 PC 领域的新型接口技术。1994 年,Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom 等 7 家世界著名的计算机和通信公司成立了 USB 论坛,花了近两年的时间形成了统一的意见,于 1995 年 11 月正式制定了 USB 0.9 通用串行总线(Universal Serial Bus)规范,1997 年开始有真正符合 USB 技术标准的设备出现。1999 年初在 Intel 的开发者论坛大会上,与会者介绍了 USB 2.0 规范,该规范的支持者除了原有的 Compaq、Intel、Microsoft 和 NEC 4个成员外,还有惠普、朗讯和飞利浦 3 个新成员。USB 2.0 向下兼容 USB 1.1,最高数据传输速度将达到 480Mbit/s,还支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。

    2019年9月4日,USB-IF终于正式公布USB 4规范。它引入了Intel此前捐献给USB推广组织的Thunderbolt雷电协议规范,双链路运行(Two-lane),传输带宽因此提升,与雷电3持平,都是40Gbps。需要注意的是,你想要体验最高传输速度,就必须使用经过认证的全新数据线。USB4保留了良好的兼容性,可向下兼容USB 3.2/3.1/3.0、雷电3。除此之外,USB4将只有USB Type-C一种接口,并支持多种数据、显示协议,包括DisplayPort,可以一起充分利用高速带宽,也支持USB PD供电。

    图1 所示是一些常见的 USB 设备。

     

    图 1 常见 USB 设备

     

     

    1.2 USB 特点和应用

    此前的 USB 设备普遍都兼容 USB 1.1 协议,该协议主要应用在中低速外部设备上,它提供的传输速度有低速 1.5Mbit/s 和全速 12Mbit/s 两种,低速的 USB 带宽(1.5Mbit/s)支持低速设备,例如显示器、调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软驱等。全速的 USB 带宽(12Mbit/s)支持大范围的多媒体设备。1999 年推出的 USB 2.0 协议使得 USB接口的性能有了大大的提高,其速度比 USB 1.0/1.1 快 40 倍,达到 480Mbit/s。USB 2.0 协议的推出使 USB 接口的应用推广到硬盘、电缆调制解调器、信息家电网络产品和其他高速外设。

    表 1 按照数据传输率(USB 可以达到的)对 USB 设备进行了分类。

    表 1 不同传输速率 USB 设备应用分类表

     

    USB 之所以能得到广泛支持和快速普及,是因为它具备如下的特点。

    • 使用方便、即插即用。使用 USB 接口可以连接多个不同的设备,支持热插拔,在软件方面,为 USB 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动,无需用户干预。USB 设备也不涉及 IRQ冲突等问题,它单独使用自己的保留中断,不会同其他设备争用 PC 机有限的资源,为用户省去了硬件配置的烦恼。所以,USB 设备能真正做到“即插即用”。

    • 传输速度快。高速传输是 USB 技术的突出特点之一。USB 1.1 协议支持的低速传输速率为 1.5Mbit/s,其全速传输速率可达 12Mbit/s,比串口快了整整 100 倍,比并口也快了十多倍。而目前的 USB 2.0 协议支持的最高传输速率甚至高达 480Mbit/s,这使得高分辨率、真彩色的大容量图像的实时传送成为可能。

    • 连接灵活、可扩展性强。USB 接口具有很强的可扩展性,一个 USB 口理论上可以连接 127个 USB 设备。连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器(Hub)把多个设备连接在一起,再同 PC 机的 USB 口相接。此外,所有的 USB 设备都在机箱外连接,不必打开机箱;允许设备热插拔,而不必关闭主机电源。USB 采用“级联”方式,即每个 USB 设备用一个 USB 插头连接到一个设备的 USB 插座上,而其本身又提供一个 USB 插座供下一个 USB设备连接用。通过这种类似菊花链式的连接,一个 USB 控制器可以连接多达 127 个设备,而每个设备间距离(线缆长度)可达 5m。

    • 独立供电。使用串口或者并口的设备都需要单独的供电系统,而 USB 设备则不需要,因为 USB 接口提供了内置电源。USB 电源能向低压设备提供 5V 的电源,因此新的设备就不需要专门的交流电源,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。

    • 丰富的多媒体支持。USB 提供了对电话的两路数据支持,USB 可支持异步以及等时数据传输,使电话可与 PC 集成,共享语音邮件及其他特性。USB 还具有高保真音频。由于 USB 音频信息生成于计算机外,因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会,从而使音频系统具有更高的保真度。

     

    二、USB 体系结构

     

    2.1 USB 系统描述

    一个 USB 系统是由 3 部分来描述的,即 USB 互连(USB Interconnect)、USB 设备(USBDevices)和 USB 主机(USB Host)。所谓 USB 互连实际上是指一种 USB 器件和 USB 主机进行通信的方法。它包括:

    (1)总线的拓扑(由一点分出多点的网络形式),即设备和主机连接的模式;

    (2)各层之间的关系,即组成 USB 系统的各个部分在完成一个特定的 USB 任务时,各自之间的分工与合作;

    (3)数据流动的模式,即 USB 总线的数据传输方式;

    (4)USB 的“分时复用”,因为 USB 提供的是一种共享连接方式,因而为了进行数据的同步传输,这是 USB 数据传输和处理必须的机制。

    USB 接口连接了 USB 设备和 USB 主机,USB 的物理连接是有层次性的星形结构,星形结构的中心是网络集线器。无论是从主机到集线器或其功能部件,还是从集线器到集线器或其功能部件,之间的连接都是点点连接。图 2 表示了 USB 体系的拓扑结构。

     

    图 6-2 USB 总线拓扑结构

     

    在任何 USB 系统中,只有一个主机。USB 和主机系统的接口称作主机控制器(HostController),主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。一块具有 USB 接口的主板通常集成了一个称为根集线器(Root Hub)的部件,它为主机提供一到多个 USB 设备的 USB 扩展接口,我们通常在主板上见到的 USB 接口都是由根集线器提供的。

    USB 器件可以分为两种:即 USB 集线器(USB Hub)和 USB 功能器件(Function Device)。其中,USB 集线器向 USB 提供了更多的连接点;USB 功能器件则是提供具体应用功能的器件,常见的 USB 鼠标、USB 摄像头、USB 打印机等都可以归属于 USB 功能器件。

    USB 设备提供的 USB 标准接口的主要依据有 3 条:

    • 对 USB 协议的运用;

    • 对标准 USB 操作的反馈,如设置和复位;

    • 标准性能的描述性信息。

     

     

    2.2 USB 物理接口

    USB 物理接口包括两部分,一部分指的是用于实现设备到主机或 USB 集线器连接的 USB 电缆(USB Cable),另一部分是指 USB 主机或 USB 设备上的接口。USB 电缆的物理结构如图 3 所示,从严格意义上讲,USB 电缆应属于 USB 器件的接口部分。

    USB 电缆其中一根是电源线 VBus,一根是地线 GND,其余两根是用于差动信号传输的数据线 D+和 D-。将数据流信号驱动成为差动信号的目的是为了提高信号的抗干扰能力(EMI)。USB传输分为高速和低速两种模式,低速模式需要的 EMI 保护相对较少。两种模式可在用同一 USB总线传输的情况下自动地动态切换。因为过多的低速模式的使用将降低总线的利用率,所以该模式只支持有限个低带宽的设备(如鼠标)。时钟被调制后与差分数据一同被传送出去,时钟信号被转换成 NRZI 码,并填充了比特以保证转换的连续性,每一数据包中附有同步信号以使得收方可还原出时钟信号。

     

    图 3 USB 电缆物理结构示意图

     

    对于集线器来说,判别所连接的设备是否是高速设备,仅仅只需要检测在设备被初次连接时,D+或 D-上的信号是高或是低即可。因为 USB 协议要求低速设备在其 D-端接接地电阻,而高速设备则在 D+端接同样的电阻。在加电时,根据低速设备的 D-线和高速设备的 D+线所处的状态,集线器就很容易辨认设备的速度,从而为器件配置不同的信息。为提高数据传输的可靠性以及系统的兼容性,协议对用于 USB 的线缆提出了较为严格的要求,如用于高速传输的 USB电缆,其最大长度不应超过 5m,而用于低速传输的线缆,每根数据线的电阻应为 90Ω。

    USB 是一种统一的传输规范,但是接插口有许多种,最常见的就是普通计算机上用的扁平外形的 A 型口。接插口又分为公口和母口,一般电缆上带的是公口,机器上带的是母口。图4 所示的就是 A 型和 B 型的接插口。

     

    图 4 A、B 型接插口

     

     

    2.3 USB电源管理

    USB 系统可以通过 USB 电缆为其设备提供不高于+5V、500mA 的总线电源。那些完全依靠USB 电缆来提供电源的器件被称为总线供电设备(Bus-powered Device),而自带电源的器件则被称为自供电设备(Self-powered Device)。需要注意的是,无论是总线供电设备还是自供电设备,当初次连接到 USB 接口上时都不使用其自带的电源,而是通过 USB 电缆提供的电源来使其处于 Powered 状态。

    USB 主机与 USB 系统有相互独立的电源管理系统。USB 的系统软件可以与主机的电源管理系统进行交互,共同处理各种系统电源事件(例如挂起、唤醒)。此外,USB 设备还具有特殊的电源管理特性,使得设备的电源完全由系统软件进行管理。

    USB 的电源分配和电源管理特性使之可以被设计在电源传感系统中,如采用电池的笔记本电脑。此类的 USB 系统会在一台设备长时间(这个时间一般在 3.0ms 以内)处于不工作状态时自动将该设备挂起(Suspend),当一台 USB 设备处于挂起状态时,USB 总线通过 USB 电缆为该设备仅仅提供 500μA 以下的电流,同时将所占用的 USB 带宽分配给其他的 USB 设备。

     

     

    2.4 USB设备

    最为常用的 USB 设备可以分为两类:集线器和功能部件。典型的 USB 集线器如图 5 所示,它可以提供更多的 USB 连接点。功能部件是一种通过 USB 总线进行数据发送和接收的 USB 设备,它们可以直接连接到主机的 USB 接口上,也可以连接在集线器的某个端口上。功能设备一般是一种相互无关的设备,如图 1 所示的所有 USB 设备都是功能部件。除了集线器和功能部件,还有一种 USB 设备同时包括了功能部件和集线器,此类设备通常被称为复合设备。

    图 5 典型的 USB 集线器

     

     

    2.5 USB主机

    USB 主机不是一种单纯的硬件,而是指 USB 设备所服务对象的硬件和软件的集合。比如有一个 USB 移动硬盘用于一台 PC 机上,则此 PC 机以及其所安装的操作系统称为 USB 主机,而USB 移动硬盘就是 USB 设备。USB 主机是整个 USB 系统通信的控制方,它通过主机控制器与 USB设备进行交互。

     

    USB 主机的主要功能如下:

    • 检测 USB 设备的安装和拆卸;

    • 管理在主机和 USB 设备之间的控制流;

    • 管理在主机和 USB 设备之间的数据流;

    • 收集状态和动作信息;

    • 给连接的 USB 设备供电。

     

    USB 主机可以分为 3 个层次:

    • USB 总线接口;

    • USB 系统;

    • 用户。

     

    一般的 USB 系统开发主要集中在 USB 设备的开发上,所以 USB 主机开发相关的内容将不在本篇中介绍。

     

     

    本篇到此结束,下一篇带来基于 FPGA 的 USB 接口控制器设计(VHDL)(中),会介绍USB通信原理,包括USB 传输模型、USB 设备检测过程;USB 系统开发,包括USB 硬件系统,USB 接口芯片 PDIUSBD12;USB 设计实例,包括设计需求分析以及设计方案等相关内容。

     

     

    END

     

    后续会持续更新,带来Vivado、 ISE、Quartus II 、candence等安装相关设计教程,学习资源、项目资源、好文推荐等,希望大侠持续关注。

    大侠们,江湖偌大,继续闯荡,愿一切安好,有缘再见!

     

     

     

     

     

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  • USB3.0规范中文

    2020-10-16 16:14:51
    USB协议中文版共413页,第 3 章 USB 3.0 体系结构概览 第 4 章 超高速数据流模型 第 5 章 机械结构 第 6 章 物理层 第 7 章 链路层 第 8 章 协议层 第 9 章 设备框架 第 10 章 集线器,主机下行口以及设备上行口...
  • USB规范范中文版 规范了USB工业标准、USB总线特征、USB协议、USB接口编程等
  • STM32F4 USB接口上下拉电阻

    千次阅读 2019-01-14 09:10:38
    根据《STM32F4XX中文参考手册》931页 USB部分的介绍: STM32F4 的OTG_FS模块集成了DP/DM的上下拉电阻,所以外部不再需要额外的上下拉电阻。    

    根据《STM32F4XX中文参考手册》931页 USB部分的介绍:

    STM32F4 的OTG_FS模块集成了DP/DM的上下拉电阻,所以外部不再需要额外的上下拉电阻。

     

     

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空空如也

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usb接口中文