第4章 USB通用串行总线讲解

USB的数据格式和类型
（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一样；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，所有USB 设备的工作均由控制传输开始。
1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标 等HID（人机交互）设备的数据传输中。 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会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输， 如U盘。 3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方， 第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的； 第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0 4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三 个阶段构成（初始设置阶段、[可选]数据阶段、状态信息阶 段），每一个阶段可以看成一个独立的传输，也即控制传输 其实是由三个传输构成的，用来在USB设备初次接到主机之 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。
备，通知设备要接收数据；
数据包阶段——比较简单，就是主机会向设备送数据， DATA0与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，设备向主机返回ACK，通知主 机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将 不返回任何握手信息；
2） 设备正在忙，无法接收主机发出的数据包就发送 NAK无效包，通知主机再次发送数据；
USB的数据格式和类型
（二）包：由域构成的包有四种类型： 1、令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包 （注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来 设置输出命令的，而不是放据数的） 其中输入包、输出包和设置包的格式相同：
SYNC8+PID8+ADDR7+ENDP4+CRC5 帧起始包的格式：
USB设备有两种供电方式，自给方式(设备自带电源)和 总线供给方式。USB Hub采用自给方式。
USB主机有一个独立于USB的电源管理系统(APM)。 USB系统软件与主机电源管理系统交互来处理诸如挂 起和唤醒等电源事件。为了节省能源，对于暂时不用 的USB设备，电源管理系统将其置为挂起状态，等有 数据传输时，再唤醒设备。
若一个中断等待处理，那么该设备会把中断信息作为数据
包返回，主机收到该数据包，如果校验正确，就向设备发送 ACK，如果不正确，则不返回任何握手信息。
批量传输：
通过差错检测和重传机制，批量传输可以保证主机和设备间进行 无差错的数据传递。操作过程：
输入—— 1) 主机向设备端点发送一个PID为IN的令牌包 2) 若设备未准备好，则返回一个NAK握手包；
bmRequestType(1) + bRequest(1) + wvalue(2) + wIndex(2) + wLength(2)
标准USB设备请求命令
各字段意义： 1、请求类型bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0
D7
D6 D5
D4 D3 D2 D1 D0
1 0 11 10 01 00 其他 00011 00010 00001 00000
若设备端点被禁止，需要软件干预，则返回一个STALL握手包； 否则设备返回数据包(DATA0和DATA1交替)，主机如果正确接 收，返回ACK，如果校验错误，返回NAK。 输出—— 1) 主机向设备端点发送一个PID为OUT的令牌包 2) 主机向设备端点发送一个数据包(显然为DATA0) 3) 若设备返回ACK握手包，说明数据包已被正确接收，主机可以 继续发送数据包(0/1交替)； 若设备返回NAK，说明收到的数据正确，但该设备暂时无法接 收更多数据(如缓冲区已满)，因此主机应重发该数据； 若返回STALL，说明设备存在错误，主机不应继续重试； 若收到的数据包存在CRC校验错误，则不会返回任何握手包。
USB串行数据 编码
USB串行数据是用NRZI(None Return Zero lnvert，非 归零反向码)进行编码的，编码过程在数据传输之前完 成，数据传输采用差分方式传输，传输到目的方的数 据再被解码。对数据编码和采用差分信号传输有助于 确保数据的完整性和消除噪声干扰。
USB的数据格式和类型
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的配置值 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
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事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）
标准USB设备请求命令
标准USB设备请求命令是用在控制传输中的“初始设置步 骤”里的数据包阶段（即DATA0，由八个字节构成），共 有11个，大小都是8字节，具有相同的结构，由5个字段构 成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号 中的数字表示字节数，首字母bm,b,w分别表示位图、字节 、双字节）：
中断传输： 中断传输仅包含一个IN事务，结构比较简单。 1) 主机定期向某设备端点发送PID为IN的令牌包。 2) 若该端点没有新的中断信息可供返回，也即设备没有中断 请求，则直接进入握手阶段，设备向主机返回一个NAK握手 包；
若一个端点被禁止而需要主机进行软件干预，则设备向主 机返回一个STALL握手包；
PID域格式及包格式
帧开始包格式
接受和发送包的格式
USB的数据格式和类型
（三）事务Transaction：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，事务的三个阶段如下：
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 和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。
事务的三种类型（按三个阶段来说明）：
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（注意： 数据包阶段不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入 握手包阶段）：
1） 设备端点正常，设备往主机里面发出数据包 （DATA0与DATA1交替）；
设主保 用 类 标 值 接
接
接
接
备机留 户 请 准 保 收
收
收
收
到到值 定 求 请 留 者
者
者
者
主设
义命求
为
为
为
为
机备
源自文库
的令命
其
端
设
设
命
令
他
点
备备
令
接
收
者
标准USB设备请求命令
2、请求命令代码bRequest：在标准USB命令中，每一个命 令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称 如下。命令代码是标准设备请求命令的核心，它们决定了11 个USB标准请求命令：
第4章 通用串行总线USB
USB系统组成 USB系统的接口信号和电气特性 USB数据流类型和传输类型 USB交换的包格式 USB设备状态和总线枚举 USB外围芯片及应用 USB接口数据采集系统硬件电路设计
USB的技术优势
使用USB，用户不需要扩展插卡，无须了解DIP开关 设置、跳线、中断IRQ设置、DMA通道及IO地址等细 节，无须开发底层设备驱动程序。
USB硬件
USB系统 组成
USB主控制器/根集线器 USB集线器 USB设备
USB设备驱动程序
USB软件 USB驱动程序
USB主控制器驱动程序
USB的拓扑结构
物理接口
USB的物理接口有两种类型：A口和B口
B口外形图(公口)
USB系统的接口信号
USB总线包括4根信号线:
GND:地线 -------------黑色 D+: 信号线-------------绿色 D-: 信号线-------------白色 VCC:电源线-------------红色
2） 设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送握手包 NAK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，发送握手包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。
事务的三种类型（按三个阶段来说明）：
2、 OUT事务： 令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设
•与机器的连接方法
USB接口电气特性
USB 主 机 或 根 Hub 对 设 备 提 供 的 对 地 电 源 电 压 为 4．75~5．25V，设备吸入的最大电流值为500mA。当 USB 设 备 第 一 次 被 USB 主 机 检 测 到 时 ， 设 备 从 USB Hub吸入的电流值应小于100mA。
SYNC8+PID8+DATA(0~1023Byte)+CRC16
USB的数据格式和类型
3、握手包：结构最为简单的包，格式如下 SYNC8+PID8
有3种类型的握手包：ACK、NAK、STALL
4、特殊包
标识域与包类型
标识域 = 标识码 + 标识码 标识码由四位数据组成，可以表示16种标识码。在USB1.1规范 里，只用了10种标识码，USB2.0使用了16种：
SYNC8+PID8+FRAM11+CRC5
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，即如果第一个数据包是DATA0，那第二个数据包 就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中，所有的数据 包都是为DATA0。格式如下：
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。
事务的三种类型（按三个阶段来说明）：
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，主机会向设备送一个固定为 8Byte的DATA0包，这8Byte的内容就是标准的USB设备请求 命令（共11条）
连接USB外设只需简单地插上插座即可，甚至不需关 闭电源，真正“即插即用”。
得到400多家大公司的支持，开发了USB电信产品、外 设及软件。
传输波特率(即传输速率)为1.5Mb/s~12Mb/s(USB2.0的 速率达到480Mb/s)，通过Hub最多可连接127个外设。
USB系统组成
USB数据由二进制数字串构成，bit序列串构成域（有七 种），域构成包，包构成事务（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）。
（一）域：USB数据最小单位，可分为七个类型： 1、同步域（SYNC），8位，固定为0000 0001，用于同步 2、标识域（PID），4位标识符+4位标识符反码，表明包的 类型和格式。（USB的标识码有16种） 3、地址域（ADDR）：7位，代表了设备在主机上的地址。 4、端点域（ENDP），4位。 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。 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Byte。 7、校验域（CRC）：对令牌包和数据包中非PID域进行校验。