USB 学习笔记
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刚刚开始接触USB,记录一些基本知识。
注:有大量转载别人的内容。
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。
4. USB数据是有二进制数字串构成的。数字串构成域(有七种域),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,控制传输)。
5. 域:是USB最小的单位,由若干位组成,可以分为7个类型:
1)同步域:SYNC,8位,值固定为0000 0001,用于本地时钟和输入同步。
2)标示域:PID,4位标识符和4位标识符反吗构成,共有2^4=16种USB标识码。
3)地址域:ADDR,7位地址,代表设备在主机上的地址,其中地址000 0000被命名为零地址,是任何设备第一次连接到主机,在被主机配置,枚举前的默认地址。可见一个USB主机最多可分配的地址为2^7 - 1 =127,这意味着只能最多连接127个USB设备。
4)端点域:ENDP,4位,可知一个USB设备具有的最多端点数量为16个。
5)帧号域:FRAM,11位,每个帧都有一个特定帧号,帧号域最大容量为0x7FF。
6)数据域:DATA,长度为0-1024字节,在不同的传输类型中,数据域的长度不同,但是必须为整数个字节的长度。
7)校验域:CRC,对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法。
6. 包:由域构成的包有4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。
1)令牌包:可分为输入包,输出包,设置包和帧起始包。
其中输入包,输出包,设置包的格式相同:
SYNC + PID + ADDR + ENDP + CRC 5
帧起始包的格式为:
SYNC + PID + FRAM 11 + CRC 5
2) 数据包:分为DATA0包和DATA1包。在USB发送数据的时候,当一次发送的数据长度大于相应的端点容量时,就需要把数据包分为好几个包,分批发送,并且DATA0和DATA1包交替发送。但是当处于同步传输中,所有的数据包都是DATA0。
数据包的格式为:
SYNC + PID + 0-1023字节 + CRC 16
3)握手包:结构为:
SYNC + PID
握手包有4种普通形式和1种特殊形式:
a. ACK 表示数据包接收成功。对于Host,ACK在IN传输中返回;对于function在PING,OUT,SETUP过程中返回。
b. NAK 表示function无法输出或者输入数据,Host无法返回。
7. 事务:分别由IN,OUT,SETUP这3个事务。每个事务都由令牌包,数据包,握手包这3个阶段构成。事务的3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事务和OUT事务中没有这个阶段。
事务的3种类型如下:
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--设备根据情况会做出3种反应:
a. 设备端点正常,设备往主机内发出数据,DATA0和DATA1交替发送。
b. 设备正在繁忙,无法往主机发出数据包,此时发送NAK无效包,IN事务提前结束,到了下一个IN事务才继续。
c. 相应设备端点被禁止,此时发送STALL错误包,事务提前结束,总线进入空闲状态。
握手包阶段--主机在正确接收到数据后,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,通知设备要接收主机数据。
数据包阶段--主机交替发送数据DATA0和DATA1。
握手包阶段--设备根据情况做出3种反应:
a. 设备端点接收正确,设备向主机返回ACK包,通知主机可以发送新的数据,如果数据包发送了CRC校验数据,将不返回任何握手信息。
b. 设备正在忙碌,无法从主机接收数据包就发送NAK无效包,通知主机再次发送数据。
c. 相应设备端点被禁止,发送错误STALL包,事务提前结束,总线直接进入空闲状态。
3) SETUP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--主机设备发送数据,注意这里只有一个固定为8个字节的DATA0包,其中就是标准的USB设备请求指令。
握手包阶段--设备接收到主机的命令信息后,返回ACK包,此后总线进入空闲状态,并准备下一个传输。一般来说,在SETUP事务后面通常是一个IN或OUT事务构成的传输。
8. 传输:由OUT,IN,SETUP事务构成,有4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传输结构相同,同步传输结构最简单,控制传输时最重要最复杂的传输。(可以记忆为 中批同控)
1) 中断传输:由OUT事务和IN事务构成,通常用于键盘,鼠标等HID设备的传输中。
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会优先其他类型的传输而暂时停止批量传输。
3) 同步传输:由OUT事务和IN事务构成。它简单在于2个地方,一是在同步传输的IN和OUT事务中没有返回包阶段的;一是在数据包所有阶段中均为DATA0。
4) 控制传输:最重要也是最复杂的传输方式。控制传输由3个阶段构成(初始设置阶段,可选数据阶段,状态信息阶段)。其中的每一个阶段可以看出一个单独的传输构成,用来在USB设备初次连接到主机后,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。
a. 初始设置阶段:这是个有SETUP事务构成的传输。
b. 可选数据阶段:就是一个由IN或OUT事务构成的传输,这个阶段取决于初始设置阶段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)。
c. 状态信息阶段:获取状态信息,由IN或OUT事务构成的传输,但是这里的IN,OUT事务和之前的IN,OUT事务有2点不同。1是传输方向相反,通常IN表示设备往主机内送数据,OUT表示主机往设备里送数据;这里恰好相反,IN表示向设备里面传送数据,OUT表示数据向主机里送数据,这是为了和可选数据阶段向结合。2是这个阶段里,数据包都是0长度,即SYNC + PID + CRC 16。
9. 标识码,在USB2.0中有16个标识符。这个部分待编辑。
10. USB主机识别USB设备的过程:
1)接入态(Attached):设备接入主机后,主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备接入。
2)供电态(Powered): 就是给设备供电,分为设备接入时的默认供电值,配置阶段后的供电值。
3)缺省态(Default): USB在配置之前,通过缺省地址0和主机进行通信。
4)地址态(Address): 经过配置,USB设备被复位后,就可以按主机分配给它的唯一地址和主机进行通信。
5)配置态(Configured):通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息,并对设备的某项信息进行改变或设置。
6)挂起态(Suspecned):总线供电设备在3ms内没有总线操作,自动进入挂起状态。
11. USB设备请求命令,这是在控制传输中的初始设置步骤的中数据包阶段中发送的。即DATA0,共8个字节,共有11个命令,具有相同的结构,由5个字段构成。
bmRequestType(1) + bRequest(1) + wValue(2) + wIndex(2) + wLength(2)
其中
1) bmRequestType:D7D6D5D4D3D2D1D0
2) bRequest 为请求命令代码,是标准请求命令代码的核心,这些命令代码决定了11个USB标准请求指令。
(0) 0 GET_STATUS:用来返回特定接收者的状态
(1) 1 CLEAR_FEATURE:用来清除或禁止接收者的某些特性
(2) 3 SET_FEATURE:用来启用或激活命令接收者的某些特性
(3) 5 SET_ADDRESS:用来给设备分配地址
(4) 6 GET_DESCRIPTOR:用于主机获取设备的特定描述符
(5) 7 SET_DESCRIPTOR:修改设备中有关的描述符,或者增加新的描述符
(6) 8 GET_CONFIGURATION:用于主机获取设备当前设备的配置值(注同上面的不同)
(7) 9 SET_CONFIGURATION:用于主机指示设备采用的要求的配置
(8) 10 GET_INTERFACE:用于获取当前某个接口描述符编号
(9) 11 SET_INTERFACE:用于主机要求设备用某个描述符来描述接口
(10)12 SYNCH_FRAME:用于设备设置和报告一个端点的同步帧
这11个命令是控制传输的核心,控制传输是USB的核心。
12. 描述符号:Descriptor,是一个完整的数据结构,可以通过c编程实现,并存储在USB设备中,用于描述一个USB设备的所有属性,USB主机通过一系列命令来要求设备发送这些信息。标准的描述分为以下几种:
1--设备描述符
2--配置描述符
3--字符描述符
4--接口描述符
5--端点描述符
其中一个设备只有一个描述符,而一个设备可以包含几个配置描述符,而一个配置描述符可以包含多个接口描述符,一个接口使用了几个端点就有几个端点描述符。