[轉載]USB 基本知識

USB的重要關鍵字:

一、端點：位於USB設備或主機上的一個數據緩衝區，用來存放和發送USB的各類數據，每個端點都有唯一的肯定地址，有不一樣的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）

二、幀：時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動做，USB將1幀分爲好幾份，每一份中是一個USB的傳輸動做。

三、上行、下行：設備到主機爲上行，主機到設備爲下行

 

 

下面以一問一答的形式開始學習吧。

 

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電平不一樣），而電源線和地線可向設備提供5V電壓，最大電流爲500MA（能夠在編程中設置的，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傳輸線裏面傳送的

答案二：數據在USB線裏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採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，爲了確保信號發送的準確性，當在USB總線上發送一個包時，傳輸設備就要進行位插入***做（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。這個瞭解就好了，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：和其餘的同樣，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係。

（一）域：是USB數據最小的單位，由若干位組成（至因而多少位由具體的域決定），域可分爲七個類型：

一、同步域（SYNC），八位，值固定爲0000 0001，用於本地時鐘與輸入同步

二、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，代表包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這裏能夠計算出，USB的標識碼有16種，具體分類請看問題五。

三、地址域（ADDR）：七位地址，表明了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名爲零地址，是任何一個設備第一次鏈接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此能夠知道爲何一個USB主機只能接127個設備的緣由。

四、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備有的端點數量最大爲16個。

五、幀號域（FRAM），11位，每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（同步傳輸爲四種傳輸類型之一，請看下面）。

六、數據域（DATA）：長度爲0~1023字節，在不一樣的傳輸類型中，數據域的長度各不相同，但必須爲整數個字節的長度

七、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校驗在通信中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至於具體的校驗方法這裏就很少說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不一樣於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，不一樣的包的域結構不一樣，介紹以下

 

一、令牌包：可分爲輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這裏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同樣的：

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）

 

二、數據包：分爲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，就須要把數據包分爲好幾個包，分批發送，DATA0包和DATA1包交替發送，即若是第一個數據包是DATA0，那第二個數據包就是DATA1。但也有例外狀況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），全部的數據包都是爲DATA0，格式以下：

SYNC+PID+0~1023字節+CRC16

 

三、握手包：結構最爲簡單的包，格式以下

SYNC+PID

 

（註上面每種包都有不一樣類型的，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，這裏用階段的意思是由於這些包的發送是有必定的時間前後順序的，事務的三個階段以下：

一、令牌包階段：啓動一個輸入、輸出或設置的事務

二、數據包階段：按輸入、輸出發送相應的數據

三、握手包階段：返回數據接收狀況，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。

事務的三種類型以下（如下按三個階段來講明一個事務）：

一、 IN事務：

令牌包階段——主機發送一個PID爲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——設備根據狀況會做出三種反應（要注意：數據包階段也不老是傳送數據的，根據傳輸狀況還會提早進入握手包階段）

1） 設備端點正常，設備往入主機裏面發出數據包（DATA0與DATA1交替）；

2） 設備正在忙，沒法往主機發出數據包就發送NAK無效包，IN事務提早結束，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，事務也就提早結束了，總線進入空閒狀態。

握手包階段——主機正確接收到數據以後就會向設備發送ACK包。

 

二、 OUT事務：

令牌包階段——主機發送一個PID爲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——設備根據狀況會做出三種反應

1）設備端點接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機能夠發送新的數據，若是數據包發生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息；

2） 設備正在忙，沒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，事務提早結束，總線直接進入空閒狀態。

 

三、SETUT事務：

令牌包階段——主機發送一個PID爲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，這裏只有一個固定爲8個字節的DATA0包，這8個字節的內容就是標準的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，並準備下一個傳輸（在SETUP事務後一般是一個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同樣，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最複雜的傳輸。

一、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

二、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，也不佔用帶寬，當總線忙時，USB會優先進行其餘類型的數據傳輸，而暫時中止批量轉輸。

三、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，在數據包階段全部的數據包都爲DATA0

四、控制傳輸：最重要的也是最複雜的傳輸，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），每個階段能夠當作一個的傳輸，也就是說控制傳輸實際上是由三個傳輸構成的，用來於USB設備初次加接到主機以後，主機經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，這是每個USB開發者都要關心的問題。

一、初始設置步驟：就是一個由SET事務構成的傳輸

二、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準請求命令決定）

三、 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，可是要注意這裏的IN和OUT事務和以前的INT和OUT事務有兩點不一樣：

1） 傳輸方向相反，一般IN表示設備往主機送數據，OUT表示主機往設備送數據；在這裏，IN表示主機往設備送數據，而OUT表示設備往主機送數據，這是爲了和可選數據步驟相結合；

2） 在這個步驟裏，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，其餘的同樣，這裏就很少說

 

（思考：這些傳輸模式在實際***做中應如何經過什麼方式去設置？）

 

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，所以能夠表示十六種標識碼，在USB1.1規範裏面，只用了十種標識碼，USB2.0使用了十六種標識碼，標識碼的做用是用來講明包的屬性的，標識碼是和包聯繫在一塊兒的，首先簡單介紹一下數據包的類型，數據包分爲令牌包、數據、握手包和特殊包四種（具體分類請看問題七），標識碼分別有如下十六種：

令牌包 :

0x01  輸出(OUT）啓動一個方向爲主機到設備的傳輸，幷包含了設備地址和標號

0x09  輸入 (IN) 啓動一個方向爲設備到主機的傳輸，幷包含了設備地址和標號

0x05  幀起始（SOF）表示一個幀的開始，而且包含了相應的幀號

0x0d  設置（SETUP）啓動一個控制傳輸，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）

0x 0a  無效，接收（發送）端正在忙而沒法接收（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，用於啓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，主機就經過一系列的動做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），這這些態以下：

        一、接入態（Attached）：設備接入主機後，主機經過檢測信號線上的電平變化來發現設備的接入；

        二、供電態（Powered）：就是給設備供電，分爲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，可經過編程設置）

        三、缺省態（Default）：USB在被配置以前，經過缺省地址0與主機進行通訊；

        四、地址態（Address）：通過了配置，USB設備被複位後，就能夠按主機分配給它的惟一地址來與主機通訊，這種狀態就是地址態；

        五、配置態（Configured）：經過各類標準的USB請求命令來獲取設備的各類信息，並對設備的某此信息進行改變或設置。

        六、掛起態（Suspended）：總線供電設備在3ms內沒有總線***做，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：剛纔在答案四提到的標準的USB設備請求命令到底是什麼？

答案七：標準的USB設備請求命令是用在控制傳輸中的「初始設置步驟」裏的數據包階段（即DATA0，由八個字節構成），請看回問答四的內容。標準USB設備請求命令共有11個，大小都是8個字節，具備相同的結構，由5個字段構成（字段是標準請求命令的數據部分），結構以下（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）

 

各字段的意義以下：

一、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0

D7=0主機到設備

=1設備到主機；

D6D5=00標準請求命令

     =01 類請求命令

     =10用戶定義的命令    

=11保留值

D4D3D2D1D0=00000 接收者爲設備

            =00001 接收者爲設備

            =00010 接收者爲端點

            =00011 接收者爲其餘接收者

            =其餘  其餘值保留

二、bRequest：請求命令代碼，在標準的USB命令中，每個命令都定義了編號，編號的值就爲字段的值，編號與命令名稱以下（要注意這裏的命令代碼要與其餘字段結合使用，能夠說命令代碼是標準請求命令代碼的核心，正是由於這些命令代碼而決定了11個USB標準請求命令）：

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：用來啓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，或者增長新的描述符

6） 8  GET_CONFIGURATION：用於主機獲取設備當前設備的配置值（注同上面的不一樣） 

7） 9  SET_CONFIGURATION：用於主機指示設備採用的要求的配置

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，這裏就很少說了，控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是控制傳輸的重心，因此這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：在標準的USB請求命令中，常常會看到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，能夠經過C語言等編程實現，並存儲在USB設備中，用於描述一個USB設備的全部屬性，USB主機是經過一系列命令來要求設備發送這些信息的。它的做用就是經過如問答節中的命令***做來給主機傳遞信息，從而讓主機知道設備具備什麼功能、屬於哪一類設備、要佔用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數據量的大小，只有主機肯定了這些信息以後，設備才能真正開始工做，因此描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。標準的描述符有5種，USB爲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必定的關係，一個設備只有一個設備描述符，而一個設備描述符能夠包含多個配置描述符，而一個配置描述符能夠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。這間描述符是用必定的字段構成的，分別以下說明：

一、設備描述符

struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT

{

 BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，爲0x12

 BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，爲0x01

 WORD bcdUSB;           //USB版本號

 BYTE bDeviceClass;  //USB分配的設備類代碼，0x01~0xfe爲標準設備類，0xff爲廠商自定義類型

                        //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

   

}

 

 

二、配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT

{

 BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，爲0x12

 BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，爲0x01

 WORD wTotalLength;     //配置所返回的全部數量的大小

 BYTE bNumInterface;    //此配置所支持的接口數量

 BYTE bConfigurationVale;   //Set_Configuration命令須要的參數值

 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

}

 

三、字符描述符

struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT

{

 BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，爲0x12

 BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，爲0x01

 BYTE SomeDescriptor[36];          //UNICODE編碼的字符串

}

 

四、接口描述符

struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT

{

 BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，爲0x12

 BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，爲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

}

五、端點描述符

struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT

{

 BYTE bLength;          //設備描述符的字節數大小，爲0x12

 BYTE bDescriptorType;  //描述符類型編號，爲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

}

 

在搞明白了上面的八個問題以後，就能夠進入USB的下一步學習了。