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USB 协议基本知识

时间:2017-06-01 20:55来源:网络整理 作者:USB开发频道 点击:

  

USB 基本知识
USB的重要关键概念:
1、 端点,位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区,用来存放和发送USB的各种数据,每一个端点都有惟一的确定地址,有不同的传输特性(如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点)
2、 帧,时间概念,在USB中,一帧就是1MS,它是一个独立的单元,包含了一系列总线动作,USB将1帧分为好几份,每一份中是一个USB的传输动作。
3、上行、下行:设备到主机为上行,主机到设备为下行

一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成,D+和D-是差分输入线,它使用的是3.3V的电压(注意哦,与CMOS的5V电平不同),而电源线和地线可向设备提供5V电压,最大电流为500MA(可以在编程中设置的,至于硬件的实现机制,就不要管它了)。

数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。

USB数据是由二进制数字串构成的,首先数字串构成域(有七种),域再构成包,包再构成事务(IN、OUT、SETUP),事务最后构成传输(中断传输、并行传输、批量传输和控制传输)。下面简单介绍一下域、包、事务、传输,请注意他们之间的关系。 织梦内容管理系统

一、 域是USB数据最小的单位,由若干位组成(至于是多少位由具体的域决定),域可分为七个类型:
1、 同步域(SYNC),八位,值固定为0000 0001,用于本地时钟与输入同步
2、 标识域(PID),由四位标识符+四位标识符反码构成,表明包的类型和格式。
3、 地址域(ADDR):七位地址,代表了设备在主机上的地址,地址000 0000被命名为零地址,是任何一个设备第一次连接到主机时,在被主机配置、枚举前的默认地址。
4、 端点域(ENDP),四位,由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。
5、 帧号域(FRAM),11位,每一个帧都有一个特定的帧号,帧号域最大容量0x800。
6、 数据域(DATA):长度为0~1023字节,在不同的传输类型中,数据域的长度各不相同,但必须为整数个字节的长度
7、 校验域(CRC):对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法。

二、 包由域构成,有四种类型,分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包,前面三种是重要的包,不同的包的域结构不同,介绍如下
包,可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包(注意这里的输入包是用于设置输入命令的,输出包是用来设置输出命令的,而不是放据数的),其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的:SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5(五位的校验码)

本文来自织梦

1、 帧起始包的格式:
SYNC+PID+11位FRAM+CRC5(五位的校验码)
2、 数据包:分为DATA0包和DATA1包,当USB发送数据的时候,当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时,就需要把数据包分为好几个包,分批发送,DATA0包和DATA1包交替发送,即如果第一个数据包是DATA0,那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况,在同步传输中(四类传输类型中之一),所有的数据包都是为DATA0,格式如下:
SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

3、 握手包:结构最为简单的包,格式如下
SYNC+PID

三、 事务分为IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务,每一种事务都由令牌包、数据包、握手包构成,每个包的发送有一定的时间先后顺序,因此事务分为三个阶段:
1、 令牌包阶段:启动一个输入、输出或设置的事务
2、 数据包阶段:按输入、输出发送相应的数据
3、 握手包阶段:返回数据接收情况,在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段,这是比较特殊的。

1、 IN事务:
令牌包阶段:主机发送一个PID为IN的输入包给设备,通知设备要往主机发送数据。
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数据包阶段:设备根据情况会作出三种应答(要注意:数据包阶段也不总是传送数据的,
根据传输情况还会提前进入握手包阶段)
A、 设备端点正常,设备往入主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)。
B、 设备正在忙,无法往主机发出数据包就发送NAK无效包,IN事务提前结束。
C、 相应设备端点被禁止,发送错误包STALL包,事务也就提前结束了,总线进入空闲状态。
握手包阶段:主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。
2、 OUT事务:
令牌包阶段:主机发送一个PID为OUT的输出包给设备,通知设备要接收数据;
数据包阶段:比较简单,就是主机会设备送数据,DATA0与DATA1交替
握手包阶段:设备根据情况会作出三种反应
A、 设备端点接收正确,设备往入主机返回ACK,通知主机可以发送新的数据,如果数据包
发生了CRC校验错误,将不返回任何握手信息;
B、 设备正在忙,无法往主机发出数据包就发送NAK无效包,通知主机再次发送数据;
C、 相应设备端点被禁止,发送错误包STALL包,事务提前结束,总线直接进入空闲状态。 织梦好,好织梦
3、 SETUT事务:
A、 令牌包阶段:主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备,通知设备要接收数据;
B、 数据包阶段:比较简单,就是主机会设备送数据,注意,这里只有一个固定为8个字节的DATA0包,这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令,共有11条。
C、 握手包阶段:设备接收到主机的命令信息后,返回ACK,此后总线进入空闲状态,并准备下一个传输(在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输)。

四、传输:传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成,传输有四种类型:中断传输、批量传输、同步传输、控制传输,中断传输和批量转输的结构一样,同步传输有最简单的结构,而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。
1、 中断传输:由OUT事务和IN事务构成,用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中
2、 批量传输:由OUT事务和IN事务构成,用于大容量数据传输,没有固定的传输速率,也不占用带宽,当总线忙时,USB会优先进行其他类型的数据传输,而暂时停止批量转输。
3、 同步传输:由OUT事务和IN事务构成,有两个特殊地方,第一,在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的;第二,在数据包阶段所有的数据包都为DATA0 织梦内容管理系统
4、 控制传输:最重要的也是最复杂的传输,控制传输由三个阶段构成(初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤),每一个阶段可以看成一个的传输,
控制传输其实是由三个传输构成的,用来于USB设备初次加接到主机之后,主机通过控制传输来交换信息,设备地址和读取设备的描述符,使得主机识别设备,并安装相应的驱动程序,这是每一个USB开发者都要关心的问题。

1、 初始设置:就是一个由SET事务构成的传输
2、 可选数据:就是一个由IN或OUT事务构成的传输,这个步骤是可选的,要看初始设置步骤有没有要求读/写数据(由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定)
3、 状态信息:获取状态信息,由IN或OUT事务构成的传输,但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同:
A、传输方向相反,通常IN表示设备往主机送数据,OUT表示主机往设备送数据;在这里,IN表示主机往设备送数据,而OUT表示设备往主机送数据。
B、在这个里,数据包阶段的数据包都是0长度的,即SYNC+PID+CRC16

总结:USB的最小单元是“域”,由“域”构成了“包”,在由“包”构成了“事务”,最后由“事务”构成了“传输”,在应用层面,我们看到的只是传输,所以USB协议栈就需要完成传输以下的所有事情。这对标准的USB协议栈提出了最基本的要求。
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