USB協議詳解

浩克博士 2019-03-13 14:58:11  4628  已收藏 37

文章標籤： USB協議

版權

本部落格整理自網路，僅供學習參考，如有侵權，聯絡刪除。郵箱：rom100@163.com

一個transfer(傳輸)由一個或多個transaction(事務)構成，一個transaction(事務)由一個或多個packet(包)構成，一個packet(包)由一個或多個sync(域)構成。

1.傳輸資料通訊

USB的資料通訊首先是基於傳輸(transfer)的，傳輸的型別有:中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸。

2.事務資料通訊

一次傳輸由一個或多個事務(transaction)構成，事務可以分為:in事務、out事務、setup事務。

3.包資料通訊

一個事務由一個或多個包(packet)構成，包可分為:令牌包(setup)、資料包(data)、握手包(ack)、特殊包。

4.域資料通訊

一個包由多個域構成，域可分為：同步域(sync)、標識域(pid)、地址域(addr)、端點域(endp)、幀號域(fram)、資料域(data)、校驗域(crc)。

USB傳輸

傳輸分為四種型別：批量傳輸、等時(同步)傳輸、中斷傳輸、控制傳輸。

1、批量(大容量資料)傳輸(Bulk Transfers): 非週期性，突發 
大容量資料的通訊，資料可以佔用任意頻寬，並容忍延遲 。如USB印表機、掃描器、大容量儲存裝置等。

批量輸出事務：
（1）主機先發出一個OUT令牌包（包含裝置地址，端點號）。
（2）然後再傳送一個DATA包，這時地址和端點匹配的裝置就會收下這個資料包，主機切換到接收模式，等待裝置返回握手包。
（3）裝置解碼令牌包，資料包都準確無誤，並且有足夠的緩衝區來儲存資料後就會使用ACK/NYET握手包來應答主機（只有高速模式才有NYET握手包，他表示本次資料成功接收，但是沒有能力接收下一次傳輸），如果沒有足夠的緩衝區來儲存資料，就返回NAC，告訴主機目前沒有緩衝區可用，主機會在稍後時間重新該批量傳輸事務。如果裝置檢查到資料正確，但端點處於掛起狀態，返回STALL。如果檢測到有錯誤（如校驗錯誤，位填充錯誤），則不做任何響應，讓主機等待超時。
批量輸入事務：
（1）主機首先傳送一個IN令牌包（包含裝置地址，端點號）。
（2）主機切換到接收資料狀態等待裝置返回資料。如果裝置檢測到錯誤，不做任何響應，主機等待超時。如果此時有地址和端點匹配的裝置，並且沒有檢測到錯誤，則該裝置作出反應：裝置有資料需要返回，就將一個資料包放在匯流排上；如果沒有資料需要返回，裝置返回NAK響應主機；如果該端點處於掛起狀態，裝置返回STALL。如果主機收到裝置傳送的資料包並解碼正確後，使用ACK握手包應答裝置。如果主機檢測到錯誤，則不做任何響應，裝置會檢測到超時。注意：USB協議規定，不允許主機使用NAK來拒絕接收資料包。主機收到NAK，知道裝置暫時沒有資料返回，主機會在稍後時間重新該批量輸入事務。

2、中斷傳輸(Interrupt Transfers): 週期性，低頻率。
允許有限延遲的通訊 如人機介面裝置（HID）中的滑鼠、鍵盤、軌跡球等。
中斷傳輸是一種保證查詢頻率的傳輸。中斷端點在端點描述符中要報告它的查詢間隔，主機會保證在小於這個時間間隔的範圍內安排一次傳輸。

3、等時(同步)傳輸(Isochronous Transfers): 週期性 。
持續性的傳輸，用於傳輸與時效相關的資訊，並且在資料中儲存時間戳的資訊 ,如音訊視訊裝置。

等時（同步）傳輸用在資料量大、對實時性要求高的場合，如音訊裝置，視訊裝置等，這些裝置對資料的延遲很敏感。對於音訊或視訊裝置資料的100%正確性要求不高，少量的資料錯誤是可以容忍的，主要是保證資料不能停頓，所以等時傳輸是不保證資料100%正確的。當資料錯誤時，不再重傳操作。因此等時傳輸沒有應答包，資料是否正確，由資料的CRC校驗來確認。
 

4、控制傳輸(Control Transfers): 非週期性，突發。
用於命令和狀態的傳輸

控制傳輸可分為三個過程：（1）建立過程 （2）資料過程（可選） （3）狀態過程
特性:  
每個USB裝置都必須有控制端點，支援控制傳輸來進行命令和狀態的傳輸。USB主機驅動將通過控制傳輸與USB裝置的控制端點通訊，完成USB裝置的列舉和配置 。
方向:  
控制傳輸是雙向的傳輸，必須有IN和OUT兩個方向上的特定端點號的控制端點來完成兩個方向上的控制傳輸 。

USB事物

 

USB包

包的組成：

包的內容：

1、PID：

這裡只用（PID0~4）,PID4~7是PID0~4的取反，用來校驗PID
PID1~0：01 令牌包、11 資料包、10 握手包、00 特殊包

2、地址：

3、幀號：

4、資料:

5、CRC:

Packet分四大類： 命令 (Token) 、Packet 幀首 (Start of Frame) 、Packet 資料 (Data) 、Packet 握手 (Handshake) Packet

不同型別包，以上的組成部件有所不同

1、四種Packet型別之令牌包(Token Packet):
令牌包用來啟動一次USB傳輸。
輸出（OUT）令牌包：用來通知裝置將要輸出一個資料包
輸入（IN）令牌包：用來通知裝置返回一個資料包
建立（SETUP）令牌包：只用在控制傳輸中，和輸出令牌包作用一樣，也是通知裝置將要輸出一個資料包，兩者區別在於:
SETUP令牌包後只使用DATA0資料包，且只能傳送到裝置的控制端點，並且裝置必須要接收，而OUT令牌包沒有這些限制

例子：

2、四種Packet型別之SOF Packet
幀起始包：在每幀（或微幀）開始時傳送，以廣播的形式傳送，所有USB全速裝置和高速裝置都可以接收到SOF包。

 

例子：

0xA5：1010 0101：對應上面PID表可知是幀起始包
3、四種Packet型別之Data Packet

例子：

4、四種Packet型別之Handshake Packet 

例子：

USB 裝置列舉及描述符介紹 
當一個USB裝置插入主機後，會有以下活動: 

 在USB裝置的邏輯組織中，包含裝置、配置、介面和端點4個層次。裝置通常有一個或多個配置，配置通常有一個或多個介面，介面通常有零個或多個端點。  

 

 

例程分析

我們插上滑鼠後後出現如下的資訊，我們先來分析第一個傳輸：

我們看到第一個是控制傳輸，它包含了4個事物，分別是：1個setup事務，3個in事務，1個out事務，我們先開啟setup事務：

 

我們看到這個事務裡包含了3個包

第一個包是令牌包，它由主控制器傳送給目標裝置的0號埠，用於設定目標裝置的地址和埠號，我們看到後面兩個包都預設了地址與埠號。在usb系統中，所有的通訊都是由主機發出相應的令牌所引起的。

第二個是資料包，由主控器傳送給目標裝置，其中資料的內容表示：

80：表示要求裝置向主機傳送資訊

06：表示GET_DESCRIPTOR，即裝置向主機傳送裝置描述符

00與01：Word-sized field that varies according to request

00與40：Word-sized field that varies according to request; typically used to pass an index or offset

00：Number of bytes to transfer if there is a:Data stage

總結一下第二個包就是向預設地址0 傳送GET_DESCRIPTOR 指令包，請求裝置傳送裝置描述符

第三個是應答包：裝置接收到主機傳送的資料後會給出應答

接著我們看第一個in事務

 

我們看到這個事務裡也有三個包

第一個是in包：由主機傳送給裝置，表示要裝置向主機傳送上面請求的裝置描述符

第二個是資料包：由裝置傳送給主機，當然是傳送裝置描述符，我們來分析一下：

12：表示接下來要求主機向裝置傳送資訊

01：CLEAR_FEATURE、

第三個是應答包，由主機傳送給裝置

接著我們來看第二個in事務

 

這個事務裡依舊是3個包

第一個是in包：由主機傳送給裝置，表示需要輸入

第二個是資料包：由裝置傳送給主機，我們來解析一下：

6D：表示要求主機發給裝置資料

04：Reserved for future use

第三個是主機給裝置的應答包

最後來看out事務

第一個是out包：由主機發給裝置

第二個是資料包：由主機發給裝置，無資料

第三個包是裝置給主機的應答包