USB的通讯协议(通俗易懂)

《嵌入式技术基础与实践》第16章USB接口与编程实例主要内容：•USB概述•USB设备•USB物理特性•USB通信协议•JB8的USB模块的编程方法《嵌入式技术基础与实践》16.1USB概述•USB协议有两种：USB1.1和USB2.0。USB2.0和USB1.1完全兼容。USB1.1支持的数据传输率为12Mbps和1.5Mbps（用于慢速外设），USB2.0支持的数据传速率可达480Mbps。在普通用户看来，USB系统就是外设通过一根USB电缆和PC机连接起来。通常把外设称为USB设备，把其所连接的PC机称为USB主机。将指向USB主机的数据传输方向称为上行通信，把指向USB设备的数据传输方向称为下行通信。《嵌入式技术基础与实践》16.1USB概述•USB网络采用阶梯式星形拓扑结构，如图16-1。一个USB网络中只能有一个主机。主机内设置了一个根集线器，提供了主机上的初始附属点。集线器（复合设备）游戏杆USB设备(根阶梯)阶梯0扫描仪鼠标集线器USB设备阶梯1阶梯2PC主机（根集线器）图16-1USB主机和USB设备的连接《嵌入式技术基础与实践》16.1USB概述•主机定时对集线器的状态进行查询。当一个新设备接入集线器时，主机会检测到集线器状态改变，主机发出一个命令使该端口有效并对其进行设置。位于这个端口上的设备进行响应，主机收到关于设备的信息，主机的操作系统确定对这个设备使用那种驱动程序，接着设备被分配一个唯一标识的地址，范围从0~127，其中0为所有的设备在没有分配惟一地址时使用的默认地址。主机向它发出内部设置请求。当一个设备从总线上移走时，主机就从其可用资源列表中将这个设备删除。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.1USB主机USB的所有数据通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机启动，所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。在USB系统中只允许有一个主机。从开发人员的角度看，USB主机可分为三个不同的功能模块：客户软件、USB系统软件和USB总线接口。•(1)客户软件•(2)USB系统软件•(3)USB总线接口《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.1USB主机–(1)客户软件客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能。一般由开发人员自行开发。客户软件不能直接访问USB设备，其与USB设备功能单元的通信必须经过USB系统软件和USB总线接口模块才能实现。客户软件一般包括USB设备驱动程序和界面应用程序两部分。USB设备驱动程序负责和USB系统软件进行通信。通常，它向USB总线驱动程序发出I/O请求包（IRP）以启动一次USB数据传输。此外，根据数据传输的方向，它还应提供一个或空或满的数据缓冲区以存储这些数据。界面应用程序负责和USB设备驱动程序进行通信，以控制USB设备。它是最上层的软件，只能看到向USB设备发送的原始数据和从USB设备接收的最终数据。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.1USB主机•(2)USB系统软件USB系统软件负责和USB逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传输。USB逻辑设备是程序员与USB设备打交道的部分。USB系统软件一般包括USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序这两部分。这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.1USB主机•(3)USB总线接口USB总线接口包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为USB系统提供连接起点，用于给USB系统提供一个或多个连接点（端口）。主控制器负责完成主机和USB设备之间数据的实际传输，包括对传输的数据进行串行编解码、差错控制等。该部分与USB系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现，开发人员不必掌握。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.2USB设备一个USB设备由三个功能模块组成：USB总线接口、USB逻辑设备和功能单元。这里的USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；USB逻辑设备被USB系统软件看作是一个端点的集合；功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。SIE、端点和接口都是USB设备的组成单元。为了更好地描述USB设备的特征，USB提出了设备架构的概念。从这个角度来看，可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个USB设备可以含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用USB设备前，必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行自举时完成的，我们在后面会进一步介绍。USB设备使用各种描述符来说明其设备架构，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，它们通常被保存在USB设备的固件程序中。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.2USB设备①设备设备代表一个USB设备，它由一个或多个配置组成。设备描述符用于说明设备的总体信息，并指明其所含的配置的个数。一个USB设备只能有一个设备描述符。②配置一个USB设备可以包含一个或多个配置，如USB设备的低功耗模式和高功耗模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前，必须为其选择一个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性，如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一个配置描述符。③接口一个配置可以包含一个或多个接口，如对一个光驱来说，当用于文件传输时使用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其音频接口。接口是端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置，用户能够在USB处于配置状态时，改变当前接口所含的个数和特性。接口描述符用于说明USB设备中各个接口的特性，如接口所属的设备类及其子类等。USB设备的每个接口都必须有一个接口描述符。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.2USB设备•④端点端点是USB设备中的实际物理单元，USB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。端点一般由USB接口芯片提供，例如Freescale的MC68HC908JB8。USB设备中的每一个端点都有唯一的端点号，每个端点所支持的数据传输方向一般而言也是确定的：或是输入（IN）或是输出（OUT），也有些芯片提供的端点的数据方向是可以配置的，例如MC68HC908JB8包含有两个用于数据收发的端点：端点1和端点2。其中端点1只能用于数据发送，即支持输入（IN），端点2既能用于数据发送也可用于数据接收，即支持输入（IN）和输出（OUT）操作。需要注意的是，在这里数据的传输方向是站在主机的立场上来看得。比如端点1只能发送数据，在主机看来是端点1向主机输入数据，即IN操作；当端点2配置为接收数据时，主机向端点2输出数据，即OUT操作。这一点是初学者比较容易产生混淆的地方。利用设备地址、端点号和传输方向就可以指定一个端点，并和它进行通信。0号端点比较特殊，它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理单元，且只能支持控制传输。《嵌入式技术基础与实践》16.2USB系统基本概念•16.2.2USB设备•⑤字符串在USB设备中通常还含有字符串描述符，以说明一些专用信息，如制造商的名称、设备的序列号等。它的内容以UNICODE的形式给出，且可以被客户软件所读取。对USB设备来说，字符串描述符是可选的。•⑥管道在USB系统结构中，可以认为数据传输是在主机软件（USB系统软件或客户软件）和USB设备的各个端点之间直接进行的，它们之间的连接称为管道。管道是在USB设备的配置过程中建立的。管道是对主机和USB设备间通信流的抽象，它表示主机的数据缓冲区和USB设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的。管道和USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有多少个端点，其和主机进行通信时就可以使用多少条管道，且端点的类型决定了管道中数据的传输类型，如中断端点对应中断管道，且该管道只能进行中断传输。传输类型在后面会介绍。不论存在着多少条管道，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的。《嵌入式技术基础与实践》16.3USB物理特性•16.3.1USB接口USB使用一根屏蔽的4线电缆与网络上的设备进行互联。数据传输通过一个差分双绞线进行，这两根线分别标为D+和D-，另外两根线是Vcc和Ground，其中Vcc向USB设备供电。使用USB电源的设备称为总线供电设备，而使用自己外部电源的设备叫做自供电设备。为了避免混淆，USB电缆中的线都用不同的颜色标记，如表16-1所示。引脚编号信号名称缆线颜色1Vcc红2Data-(D-)白3Data+(D+)绿4Ground黑表16-1USB缆线的信号与颜色《嵌入式技术基础与实践》16.3USB物理特性16.3.1USB接口从一个设备连回到主机，称为上行连接；从主机到设备的连接，称为下行连接。为了防止回环情况的发生，上行和下行端口使用不同的连接器所以USB在电缆和设备的连接中分别采用了两种类型的连接头，即图16-2所示的A型连接头和B型连接头。每个连接头内的电线号与图16-2的引脚编号是一致的。A型连接头，用于上行连接，即在主机或集线器上有一个A型插座，而在连接到主机或集线器的电缆的一端是A型插头。在USB设备上有B型插座，而B型插头在从主机或集线器接出的下行电缆的一端。采用这种连接方式，可以确保USB设备、主机/集线器和USB电缆始终以正确的方式连接，而不出现电缆接入方式出错，或直接将两个USB设备连接到一起的情况。12341243A型连接头B型连接头图16-2USB连接头《嵌入式技术基础与实践》16.3USB物理特性•16.3.2USB信号(1)差分信号技术特点传统的传输方式大多使用“正信号”或者“负信号”二进制表达机制，这些信号利用单线传输。用不同的信号电平范围来分别表示1和0，它们之间有一个临界值，如果在数据传输过程中受到中低强度的干扰，高低电平不会突破临界值，那么信号传输可以正常进行。但如果遇到强干扰，高低电平突破临界值，由此造成数据传输出错。差分信号技术最大的特点是：必须使用两条线路才能表达一个比特位，用两条线路传输信号的压差作为判断1还是0的依据。这种做法的优点是具有极强的抗干扰性。倘若遭受外界强烈干扰，两条线路对应的电平同样会出现大幅度提升或降低的情况，但二者的电平改变方向和幅度几乎相同，电压差值就可始终保持相对稳定，因此数据的准确性并不会因干扰噪声而有所降低。《嵌入式技术基础与实践》（2）USB通信的格式图16-3在USB电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输NRZI编码器电缆段差分驱动器NRZI解码器差分驱动器D+D-USB的数据包使用反向不归零编码（NRZI）。图16-3描述了在USB电缆段上传输信息的步骤。反向不归零编码由传送信息的USB代理程序完成；然后，被编码的数据通过差分驱动器送到USB电缆上；接着，接收器将输入的差分信号进行放大，将其送给解码器。使用该编码和差动信号传输方式可以更好地保证数据的完整性并减少噪声干扰。《嵌入式技术基础与实践》（2）USB通信的格式图16-4反向不归零编码空闲数据反向不归零码01101000111010使用反向不归零编码方式可以保证数据传输的完整性，而且不要求传输过程中有独立的时钟信号。反向不归零编码不是一个新的编码方式。它在许多方面都有应用。图16-4给出了一个数据流和编码之后的结果。在反向不归零编码时，遇到“0”转换，遇到“1”保持。反向不归零码必须保持与输入数据的同步性，以确保数据采样正确。反向不归零码数据流必须在一个数据窗口被采样，无论前一个位时间是否发生过转换。解码器在每个位时间采样数据以检查是否有转换。《嵌入式技术基础与实践》（2）USB通信的格式图16-5在USB电缆上使用双向不归零编码和差动信号的传输00011111111011数据