USB接口的基础理论知识

USB接口的基础理论知识1）说明是HUB:就是大家常说的集线器,USB－HUB：在通俗一点的说就是：一头是个usb头，把它插到电脑的usb插孔上，另一头是个小盒子上面有好多的usb插孔。用这个设备可以解决电脑usb插孔不够用的问题。呵呵够清楚吧。一种可以将一个USB接口转换为多个(通常为4个),并可以使这些接口同时使用的装置。2）不同的USB类适用于不同的传输类型，如：HID=HumanInterfaceDevice，适用于鼠标、键盘、游戏棒等人机接口设备。MassStorage是大容量存储设备，常见的U盘、USB硬盘、USB光盘等。Printer是打印设备。CDC=CommunicationsDeviceClass是通信设备，如Modem、以太网等。这样分类是为了有效地区分不同的数据类型，达到高效传输的目的。打个不十分恰当的比喻，USB通道好比铁轨，四种USB传输方式相当于不同速度的火车，分快车、慢车、客车、货车等；最基本的是空的车皮，可以装载任何货物，但为了有效地装卸，一般人们都不采取散货的运输方式，设计了各种不同的箱子包装不同类型的货物。USB的类相当于对于货箱的定义，最基本的USB传输相当于空的车皮；所谓USB万能驱动就相当于散货的运输方式，传输效率可想而知了。当然如果发货方和收获方对货物的装载方式有明确的约定，又不需要达到通用的目的，使用散货的方式倒是一种简便的途径。3）最近在看usb的相关东西，标准中有提到设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。它们之间的关系，网上的资料大多数都简单的说成前面的包含有多个后面的，如设备描述符包含多个配置描述符。但是，我的问题是：有一个设备，如支持视频和音频的一个播放器。那么，对于上面提到的4个描述符，对它们设置的时候，它们分别对于哪一个描述符呢？从我现在的理解来看，这样一个设备对应一个设备描述符，支持视频的功能对应一个接口描述符，支持音频功能的对应一个接口描述符。为了支持视频，在下层有多个端口同时工作为提供视频数据传输的支持，所以有多个端点描述符。USB的重要关键字: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，主机到设备为下行下面以一问一答的形式开始学习吧：问题一：USB的传输线结构是如何的呢？答案一：一条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）。问题二：数据是如何在USB传输线里面传送的答案二：数据在USB线里传送是由低位到高位发送（LSB）的。问题三：USB的编码方案？答案三：USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入动作（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0），从而强迫NRZI码发生变化。这个了解就行了，这些是由专门硬件处理的。问题四：USB的数据格式是怎么样的呢？答案四：和其他的一样，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。（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00000001，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，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种，具体分类请看问题五。3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址0000000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，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。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，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一，请看下面）。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（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。（二）包：由域构成的包有四种类型，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1、令牌包：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，而不是放数据的）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）（上面的缩写解释请看上面域的介绍，PID码的具体定义请看问题五）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+CRC163、握手包：结构最为简单的包，格式如下SYNC+PID（注上面每种包都有不同类型的，USB1.1共定义了十种包，具体请见问题五）（三）事务：分别有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、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：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。事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：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；数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（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）1）设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）；2）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，到了下一个IN事务才继续；3）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，就是主机往设备送数据，DATA0与DATA1交替握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应1）设备端点接收正确，设备往主机返回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；2）设备正在忙，无法向主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；3）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。3、SETUT事务：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；数据包阶段——比较简单，就是主机向设备送数据，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，具体请看问题七）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，其中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DATA04、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，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用于USB设备初次连接到主机之后，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、初始设置步骤：就是一个由SETUP事务构成的传输2、可选数据步骤：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SETUP事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）3、状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，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IN和OUT事务有两点不同：1）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，这是为了和可选数据步骤相结合；2）在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16除了以上两点有区别外，其他的一样，这里就不多说（思考：这些传输模式在实际动作中应如何通过什么方式去设置？）问题五：标识码有哪些？答案五：如同前面所说的标识码由四位数据组成，因此可以表示十六种标识码，在USB1.1规范里面，只用了十种标识码，USB2.0使用了十六种标识码，标识码的作用是用来说明包的属性的，标识码是和包联系在一起的，首先简单介绍一下数据包的类型，数据包分为令牌包、数据、握手包和特殊包四种（具体分类请看问题七），标识码分别有以下十六种：令牌包:0x01输出(OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号0x09输入(IN)启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号0x05帧起始（SOF）表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号0x0d设置（SETUP）启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化数据包:0x03偶数据包（DATA0），0x0b奇数据包（DATA1）握手包:0x02确认接收到无误的数据包（ACK）0x0a无效，接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息0x0e错误，端点被禁止或不支持控制管道请求特殊包0x0C前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输问题六：USB主机是如何识别USB设备的？答案六：当USB设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属于枚举的一个态，态表示暂时的状态），这这些态如下：1、接入态（Attached）：设