USB傳輸協議。——Arvin，usb傳輸arvin

USB傳輸協議。——Arvin，usb傳輸arvin

問題一：USB的傳輸線結構是如何的呢？ 答案一：一條USB的傳輸線分別由地線、電源線、D+、D-四條線構成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓（注意哦，與CMOS的5V電平不同），而電源線和地線可向設備提供5V電壓，最大電流為500MA（可以在編程中設置的，至於硬件的實現機制，就不要管它了）。 問題二：數據是如何在USB傳輸線裡面傳送的？ 答案二：數據在USB線裡傳送是由低位到高位發送的。 問題三：USB的編碼方案？ 答案三：USB采用不歸零取反來傳輸數據，當傳輸線上的差分數據輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，為了確保信號發送的准確性，當在USB總線上發送一個包時，傳輸設備就要進行位插入***作（即在數據流中每連續6個1後就插入一個0），從而強迫NRZI碼發生變化。這個了解就行了，這些是由專門硬件處理的。 問題四：USB的數據格式是怎麼樣的呢？ 答案四：和其他的一樣，USB數據是由二進制數字串構成的，首先數字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、OUT、SETUP），事務最後構成傳輸（中斷傳輸、並行傳輸、批量傳輸和控制傳輸）。  ---------------------- 下面簡單介紹一下域、包、事務、傳輸，請注意他們之間的關系。 （一）域：是USB數據最小的單位，由若干位組成（至於是多少位由具體的域決定），域可分為七個類型： 1、同步域（SYNC），八位，值固定為0000 0001，用於本地時鐘與輸入同步 2、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這裡可以計算出，USB的標識碼有16種，具體分類請看問題五。 3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個設備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道為什麼一個USB主機只能接127個設備的原因。 4、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備有的端點數量最大為16個。 5、幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對於同步傳輸有重要意義（同步傳輸為四種傳輸類型之一，請看下面）。 6、數據域（DATA）：長度為0~1023字節，在不同的傳輸類型中，數據域的長度各不相同，但必須為整數個字節的長度。 7、校驗域（CRC）：對令牌包和數據包（對於包的分類請看下面）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至於具體的校驗方法這裡就不多說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同於10進制中的除法。 （二）包：由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、數據包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結構不同，介紹如下 1、令牌包：可分為輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這裡的輸入包是用於設置輸入命令的，輸出包是用來設置輸出命令的，而不是放據數的） 其中輸入包、輸出包和設置包的格式都是一樣的： SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼）   （上面的縮寫解釋請看上面域的介紹，PID碼的具體定義請看問題五） 幀起始包的格式： SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼） 2、數據包：分為DATA0包和DATA1包，當USB發送數據的時候，當一次發送的數據長度大於相應端點的容量時，就需要把數據包分為好幾個包，分批發送，DATA0包和DATA1包交替發送，即如果第一個數據包是DATA0，那第二個數據包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），所有的數據包都是為DATA0，格式如下： SYNC+PID+0~1023字節+CRC16 3、握手包：結構最為簡單的包，格式如下 SYNC+PID （注上面每種包都有不同類型的，USB1.1共定義了十種包，具體請見問題五） （三）事務：分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、數據包、握手包三個階段構成，這裡用階段的意思是因為這些包的發送是有一定的時間先後順序的，事務的三個階段如下： 1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設置的事務 2、數據包階段：按輸入、輸出發送相應的數據 3、握手包階段：返回數據接收情況，在同步傳輸的IN和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特殊的。 事務的三種類型如下（以下按三個階段來說明一個事務）： 1、 IN事務： 令牌包階段——主機發送一個PID為IN的輸入包給設備，通知設備要往主機發送數據； 數據包階段——設備根據情況會作出三種反應（要注意：數據包階段也不總是傳送數據的，根據傳輸情況還會提前進入握手包階段） 1） 設備端點正常，設備往入主機裡面發出數據包（DATA0與DATA1交替）； 2）設備正在忙，無法往主機發出數據包就發送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續； 3） 相應設備端點被禁止，發送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，總線進入空閒狀態。 握手包階段——主機正確接收到數據之後就會向設備發送ACK包。 2、 OUT事務： 令牌包階段——主機發送一個PID為OUT的輸出包給設備，通知設備要接收數據； 數據包階段——比較簡單，就是主機會設備送數據，DATA0與DATA1交替 握手包階段——設備根據情況會作出三種反應 1）設備端點接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機可以發送新的數據，如果數據包發生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息； 2） 設備正在忙，無法往主機發出數據包就發送NAK無效包，通知主機再次發送數據； 3） 相應設備端點被禁止，發送錯誤包STALL包，事務提前結束，總線直接進入空閒狀態。 3、SETUT事務： 令牌包階段——主機發送一個PID為SETUP的輸出包給設備，通知設備要接收數據； 數據包階段——比較簡單，就是主機會設備送數據，注意，這裡只有一個固定為8個字節的DATA0包，這8個字節的內容就是標准的USB設備請求命令（共有11條，具體請看問題七） 握手包階段——設備接收到主機的命令信息後，返回ACK，此後總線進入空閒狀態，並准備下一個傳輸（在SETUP事務後通常是一個IN或OUT事務構成的傳輸） （四）傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務其中的事務構成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉輸的結構一樣，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最復雜的傳輸。 1、中斷傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於鍵盤、鼠標等HID設備的數據傳輸中 2、批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於大容量數據傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線忙時，USB會優先進行其他類型的數據傳輸，而暫時停止批量轉輸。 3、同步傳輸：由OUT事務和IN事務構成，有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸的IN和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在數據包階段所有的數據包都為DATA0 4、控制傳輸：最重要的也是最復雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構成（初始設置階段、可選數據階段、狀態信息步驟），每一個階段可以看成一個的傳輸，也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來於USB設備初次加接到主機之後，主機通過控制傳輸來交換信息，設備地址和讀取設備的描述符，使得主機識別設備，並安裝相應的驅動程序，這是每一個USB開發者都要關心的問題。  1、初始設置步驟：就是一個由SET事務構成的傳輸 2、可選數據步驟：就是一個由IN或OUT事務構成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設置步驟有沒有要求讀/寫數據（由SET事務的數據包階段發送的標准請求命令決定） 3、 狀態信息步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態信息，由IN或OUT事務構成構成的傳輸，但是要注意這裡的IN和OUT事務和之前的INT和OUT事務有兩點不同： 1） 傳輸方向相反，通常IN表示設備往主機送數據，OUT表示主機往設備送數據；在這裡，IN表示主機往設備送數據，而OUT表示設備往主機送數據，這是為了和可選數據步驟相結合； 2） 在這個步驟裡，數據包階段的數據包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16  除了以上兩點有區別外，其他的一樣，這裡就不多說 （思考：這些傳輸模式在實際***作中應如何通過什麼方式去設置？） 問題五：標識碼有哪些？ 答案五：如同前面所說的標識碼由四位數據組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規范裡面，只用了十種標識碼，USB2.0使用了十六種標識碼，標識碼的作用是用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯系在一起的，首先簡單介紹一下數據包的類型，數據包分為令牌包、數據、握手包和特殊包四種（具體分類請看問題七），標識碼分別有以下十六種： 令牌包 : 0x01  輸出(OUT）啟動一個方向為主機到設備的傳輸，並包含了設備地址和標號 0x09  輸入 (IN) 啟動一個方向為設備到主機的傳輸，並包含了設備地址和標號 0x05  幀起始（SOF）表示一個幀的開始，並且包含了相應的幀號 0x0d  設置（SETUP）啟動一個控制傳輸，用於主機對設備的初始化 數據包 : 0x03  偶數據包（DATA0）， 0x0b  奇數據包（DATA1） 握手包: 0x02  確認接收到無誤的數據包（ACK） 0x0a  無效，接收（發送）端正在忙而無法接收（發送）信息 0x0e  錯誤，端點被禁止或不支持控制管道請求 特殊包 0x0C  前導，用於啟動下行端口的低速設備的數據傳輸 問題六：USB主機是如何識別USB設備的？ 答案六：當USB設備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設備進行枚舉配置（配置是屬於枚舉的一個態，態表示暫時的狀態），這這些態如下：         1、接入態（Attached）：設備接入主機後，主機通過檢測信號線上的電平變化來發現設備的接入；         2、供電態（Powered）：就是給設備供電，分為設備接入時的默認供電值，配置階段後的供電值（按數據中要求的最大值，可通過編程設置）         3、缺省態（Default）：USB在被配置之前，通過缺省地址0與主機進行通信；         4、地址態（Address）：經過了配置，USB設備被復位後，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通信，這種狀態就是地址態；         5、配置態（Configured）：通過各種標准的USB請求命令來獲取設備的各種信息，並對設備的某此信息進行改變或設置。         6、掛起態（Suspended）：總線供電設備在3ms內沒有總線***作，即USB總線處於空閒狀態的話，該設備就要自動進入掛起狀態，在進入掛起狀態後，總的電流功耗不超過280UA。 問題七：剛才在答案四提到的標准的USB設備請求命令究竟是什麼？ 答案七：標准的USB設備請求命令是用在控制傳輸中的“初始設置步驟”裡的數據包階段（即DATA0，由八個字節構成），請看回問答四的內容。標准USB設備請求命令共有11個，大小都是8個字節，具有相同的結構，由5個字段構成（字段是標准請求命令的數據部分），結構如下（括號中的數字表示字節數，首字母bm,b,w分別表示位圖、字節，雙字節）： bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2） 各字段的意義如下： 1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0 D7=0主機到設備 =1設備到主機； D6D5=00標准請求命令      =01 類請求命令      =10用戶定義的命令     =11保留值 D4D3D2D1D0=00000 接收者為設備             =00001 接收者為設備             =00010 接收者為端點             =00011 接收者為其他接收者             =其他  其他值保留 2、bRequest：請求命令代碼，在標准的USB命令中，每一個命令都定義了編號，編號的值就為字段的值，編號與命令名稱如下（要注意這裡的命令代碼要與其他字段結合使用，可以說命令代碼是標准請求命令代碼的核心，正是因為這些命令代碼而決定了11個USB標准請求命令）： 0） 0  GET_STATUS：用來返回特定接收者的狀態 1） 1  CLEAR_FEATURE：用來清除或禁止接收者的某些特性 2） 3  SET_FEATURE：用來啟用或激活命令接收者的某些特性 3） 5  SET_ADDRESS：用來給設備分配地址 4） 6  GET_DEscriptOR：用於主機獲取設備的特定描述符 5） 7  SET_DEscriptOR：修改設備中有關的描述符，或者增加新的描述符 6） 8  GET_CONFIGURATION：用於主機獲取設備當前設備的配置值（注同上面的不同）  7） 9  SET_CONFIGURATION：用於主機指示設備采用的要求的配置 8） 10  GET_INTERFACE：用於獲取當前某個接口描述符編號 9） 11  SET_INTERFACE：用於主機要求設備用某個描述符來描述接口 10） 12 SYNCH_FRAME：用於設備設置和報告一個端點的同步幀 以上的11個命令要說得明白真的有一匹布那麼長，請各位去看書吧，這裡就不多說了，控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是控制傳輸的重心，所以這11個命令是重中之重，這個搞明白了，USB就算是入門了。 問題八：在標准的USB請求命令中，經常會看到Descriptor，這是什麼來的呢？ 回答八：Descriptor即描述符，是一個完整的數據結構，可以通過C語言等編程實現，並存儲在USB設備中，用於描述一個USB設備的所有屬性，USB主機是通過一系列命令來要求設備發送這些信息的。它的作用就是通過如問答節中的命令***作來給主機傳遞信息，從而讓主機知道設備具有什麼功能、屬於哪一類設備、要占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數據量的大小，只有主機確定了這些信息之後，設備才能真正開始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。標准的描述符有5種，USB為這些描述符定義了編號： 1——設備描述符 2——配置描述符 3——字符描述符 4——接口描述符 5——端點描述符 上面的描述符之間有一定的關系，一個設備只有一個設備描述符，而一個設備描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述符可以包含多個接口描述符，一個接口使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這間描述符是用一定的字段構成的，分別如下說明： 1、設備描述符

struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，為0x01
WORD bcdUSB;           //USB版本號
BYTE bDeviceClass;  //USB分配的設備類代碼，0x01~0xfe為標准設備類，0xff為廠商自定義類型
                        //0x00不是在設備描述符中定義的，如HID
    BYTE bDeviceSubClass;   //usb分配的子類代碼，同上，值由USB規定和分配的
    BYTE bDeviceProtocl;    //USB分配的設備協議代碼，同上
    BYTE bMaxPacketSize0;   //端點0的最大包的大小
    WORD idVendor;          //廠商編號
    WORD idProduct;         //產品編號
    WORD bcdDevice;         //設備出廠編號
    BYTE iManufacturer;     //描述廠商字符串的索引
    BYTE iProduct;          //描述產品字符串的索引
    BYTE iSerialNumber;     //描述設備序列號字符串的索引
    BYTE bNumConfiguration; //可能的配置數量
}

2、配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，為0x01
WORD wTotalLength;     //配置所返回的所有數量的大小
BYTE bNumInterface;    //此配置所支持的接口數量
BYTE bConfigurationVale;   //Set_Configuration命令需要的參數值
BYTE iConfiguration;       //描述該配置的字符串的索引值
BYTE bmAttribute;          //供電模式的選擇
BYTE MaxPower;             //設備從總線提取的最大電流 
}

3、字符描述符

struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，為0x01
BYTE SomeDescriptor[36];          //UNICODE編碼的字符串
}

4、接口描述符

struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，為0x01
BYTE bInterfaceNunber; //接口的編號
BYTE bAlternateSetting;//備用的接口描述符編號
BYTE bNumEndpoints;    //該接口使用端點數，不包括端點0
BYTE bInterfaceClass;  //接口類型
BYTE bInterfaceSubClass;//接口子類型
BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的協議
BYTE iInterface;        //描述該接口的字符串索引值
}

5、端點描述符

struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，為0x01
BYTE bEndpointAddress; //端點地址及輸入輸出屬性
BYTE bmAttribute;      //端點的傳輸類型屬性
WORD wMaxPacketSize;   //端點收、發的最大包的大小
BYTE bInterval;        //主機查詢端點的時間間隔
}

 

----------------------------------------------------------- 更新：20161009 關聯：http://blog.csdn.net/t5studio Email：[email protected]