USB 協(xié)議基本知識[轉貼]

平凡的小白 2012-06-30

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USB的重要關鍵概念:

1. 端點，位于USB設備或主機上的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送USB的各種數(shù)據(jù)，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）

2. 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作，USB將1幀分為好幾份，每一份中是一個USB的傳輸動作。

3. 上行、下行：設備到主機為上行，主機到設備為下行

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，至于硬件的實現(xiàn)機制，就不要管它了）。

數(shù)據(jù)在USB線里傳送是由低位到高位發(fā)送的。

USB數(shù)據(jù)是由二進制數(shù)字串構成的，首先數(shù)字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、OUT、SETUP），事務最后構成傳輸（中斷傳輸、并行傳輸、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(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成（至于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，用于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

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

4. 端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備有的端點數(shù)量最大為16

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

6. 數(shù)據(jù)域（DATA）：長度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數(shù)據(jù)域的長度各不相同，但必須為整數(shù)個字節(jié)的長度

7. 校驗域（CRC）：對令牌包和數(shù)據(jù)包中非PID域進行校驗的一種方法

二. 包由域構成，有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)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。

包，可分為輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用于設置輸入命令的，輸出包是用來設置輸出命令的，而不是放據(jù)數(shù)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）

1. 幀起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼）

2. 數(shù)據(jù)包：分為DATA0包和DATA1包，當USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，當一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大于相應端點的容量時，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個包，分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個數(shù)據(jù)包是DATA0，那第二個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包都是為DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字節(jié)+CRC16

3. 握手包：結構最為簡單的包，格式如下

SYNC+PID

三. 事務分為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(shù)據(jù)包、握手包構成，每個包的發(fā)送有一定的時間先后順序，因此事務分為三個階段：

1. 令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設置的事務

2. 數(shù)據(jù)包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應的數(shù)據(jù)

3. 握手包階段：返回數(shù)據(jù)接收情況，在同步傳輸?shù)?/span>IN和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特殊的。

1. IN事務：

令牌包階段：主機發(fā)送一個PID為IN的輸入包給設備，通知設備要往主機發(fā)送數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)包階段：設備根據(jù)情況會作出三種應答（要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會提前進入握手包階段）

A. 設備端點正常，設備往入主機里面發(fā)出數(shù)據(jù)包（DATA0與DATA1交替）

B. 設備正在忙，無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，IN事務提前結束

C. 相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，總線進入空閑狀態(tài)

握手包階段：主機正確接收到數(shù)據(jù)之后就會向設備發(fā)送ACK包

2. OUT事務：

令牌包階段：主機發(fā)送一個PID為OUT的輸出包給設備，通知設備要接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)包階段：比較簡單，就是主機會設備送數(shù)據(jù)，DATA0與DATA1交替

握手包階段：設備根據(jù)情況會作出三種反應

A. 設備端點接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息

B. 設備正在忙，無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，通知主機再次發(fā)送數(shù)據(jù)

C. 相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務提前結束，總線直接進入空閑狀態(tài)

3. SETUT事務：

A. 令牌包階段：主機發(fā)送一個PID為SETUP的輸出包給設備，通知設備要接收數(shù)據(jù)

B. 數(shù)據(jù)包階段：比較簡單，就是主機會設備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個固定為8個字節(jié)的DATA0包，這8個字節(jié)的內(nèi)容就是標準的USB設備請求命令，共有11條

C. 握手包階段：設備接收到主機的命令信息后，返回ACK，此后總線進入空閑狀態(tài)，并準備下一個傳輸（在SETUP事務后通常是一個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，中斷傳輸和批量轉輸?shù)慕Y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，用于鍵盤、鼠標等HID設備的數(shù)據(jù)傳輸中

2. 批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用于大容量數(shù)據(jù)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(yōu)先進行其他類型的數(shù)據(jù)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?shù)?/span>IN和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在數(shù)據(jù)包階段所有的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟），每一個階段可以看成一個的傳輸，控制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來于USB設備初次加接到主機之后，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，并安裝相應的驅動程序，這是每一個USB開發(fā)者都要關心的問題。

1. 初始設置：就是一個由SET事務構成的傳輸

2. 可選數(shù)據(jù)：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(shù)據(jù)（由SET事務的數(shù)據(jù)包階段發(fā)送的標準請求命令決定）

3. 狀態(tài)信息：獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務構成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務和之前的INT和OUT事務有兩點不同：