USB通信协议详解与应用

标题: 发一个以前学习USB通信的资料上来
- $等待$ 2009-03-21 18:32 阅读:1591
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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，他是个单独的单元，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，他使用的是3.3V的电压（注意哦，和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（能够在编程中配置的，至于硬件的实现机制，就不要管他了）。
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***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：和其他的相同，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0000 0001，用于本地时钟和输入同步
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，这是个很重要的部分，这里能够计算出，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，由此能够知道为什么一个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、握手包和特别包，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、配置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于配置输入命令的，输出包是用来配置输出命令的，而不是放据数的）
其中输入包、输出包和配置包的格式都是相同的：
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，即假如第一个数据包是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），任何的数据包都是为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
（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、输出或配置的事务
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，这是比较特别的。
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和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，就是主机会设备送数据，DATA0和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，设备往入主机返回ACK，通知主机能够发送新的数据，假如数据包发生了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；
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，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相同，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。