簡單了解USB通信協(xié)議

一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在一個USB通信系統(tǒng)中，只能有一個主機(jī)存在，USB通信只存在于主機(jī)和設(shè)備之間 ，每次通信都必須由主機(jī)發(fā)起 ，而設(shè)備和設(shè)備之間無法通信 。如圖1，USB系統(tǒng)是一個分層的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以使用hub來擴(kuò)展設(shè)備。

圖1

二、邏輯部件

如圖2， 在設(shè)備端的通信傳輸最終呈現(xiàn)在端點(diǎn)上， 端點(diǎn)在物理上就是一塊特殊的內(nèi)存區(qū)域 ，它特殊就特殊在：既可以被CPU訪問（也就是通過寫程序用地址訪問），也 可以被USB硬件引擎訪問（ 因此稱之為 硬件緩沖區(qū)）。 最底層通信管道就是在設(shè)備的端點(diǎn)和主機(jī)應(yīng)用程序的緩存之間進(jìn)行。

圖2

三、電氣特性

使用差分線傳輸， 差分線上的信號不是原始數(shù)據(jù)，是經(jīng)過了NRZI編碼的 （關(guān)于NRZI編碼此處不展開了，很簡單的編碼，網(wǎng)上也有非常多的資料） ，并且還加了位填充 （防止長時間電平不變化不利于信號接收的同步）

四、插入檢測機(jī)制

主機(jī)端，差分線D+、D-都做了弱下拉處理。設(shè)備端，會在D+或D-上進(jìn)行上拉處理，具體的，全速和高速設(shè)備對D+上拉，低速設(shè)備對D-上拉。因此 主機(jī)通過判斷差分線的電平來進(jìn)行插入檢測，任意一根線的電平被拉高說明有設(shè)備插入 。

五、描述符

描述符就是設(shè)備記錄自己的信息， 在程序中以結(jié)構(gòu)體作為容器進(jìn)行存儲 。對USB1.1來說，有 設(shè)備描述符、配置描述符 、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符。具體細(xì)節(jié)不展開

六、枚舉過程

枚舉使用控制傳輸，這里只羅列一下大概的內(nèi)容：

1.設(shè)備插入后，主機(jī)對設(shè)備復(fù)位。 設(shè)備復(fù)位后地址變?yōu)?，主機(jī)使用地址0與其通信 ，獲取設(shè)備描述符的前8個字節(jié)，主機(jī)就此得知端點(diǎn)0的最大包長度

2.主機(jī)再次對設(shè)備復(fù)位，給設(shè)備分配一個地址。此后訪問該設(shè)備使用分配的地址而不是地址0

3.主機(jī)再次獲取設(shè)備描述符，需要獲取設(shè)備描述符的全部字節(jié)

4.主機(jī)獲取配置描述符，然后根據(jù)配置描述符中描述的配置集合總長度，獲取配置集合

以上過程參考圖3

圖3

七、傳輸數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)

參考圖4，

1.結(jié)構(gòu)從上到下為Transfer（傳輸） Transaction（事務(wù)） Packet（包）

2.一次傳輸可以包含一個或多個事務(wù) （ 控制傳輸包含三個過程，建立過程和狀態(tài)過程分別是一個事務(wù)，中間的數(shù)據(jù)過程可能包含多個事務(wù) ；其他三種傳輸，批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸，一次傳輸只包含一個事務(wù)）， 一個事務(wù)一般包含兩個或三個包 （令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包， 同步傳輸中的事務(wù)沒有握手包 ）

圖4

八、包

包是傳輸?shù)淖罨締卧?/p>

1.包的類型：分為令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包，SOF包（表示幀首）屬于令牌包

2.包的組成：參考圖5，

（1）由四個部分組成：SOP, SYNC, Packet Content, EOP；其中SOP SYNC EOP為總線信號

**注意這里的SOP是包起始信號(start of packet)，和SOF包是兩回事(start of frame) **

圖5

（2）包的內(nèi)容即以上Packet Content的展開

一個包可能總共包含五個域，其中 PID域指示了當(dāng)前包的類型 ，如圖6， 不同類型的包其包內(nèi)容包含1到5個域之間 ，此處具體不展開

圖6

3.數(shù)據(jù)包類型的pid切換機(jī)制（ data pid toggle ）

數(shù)據(jù)包有4種pid：DATA0、DATA1、DATA2、DATAM。在傳輸數(shù)據(jù)包的過程中，如果發(fā)送或者接收成功，發(fā)生數(shù)據(jù)包類型的pid切換，這是一個傳輸檢錯機(jī)制 ，此處不展開

九、事務(wù)

1.事務(wù)由兩個或三個包組成：令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包

2.同步傳輸中的事務(wù)沒有握手包

3.批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸?shù)囊淮蝹鬏斁褪且粋€事務(wù)組成；控制傳輸由三個過程(stage)組成：建立過程和狀態(tài)過程各自為一個事務(wù)，數(shù)據(jù)過程則可能包含多個事務(wù)

十、傳輸

四種類型的傳輸：控制傳輸、批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸

1.控制傳輸：每個USB設(shè)備都必須有控制端點(diǎn)，支持控制傳輸來進(jìn)行命令和狀態(tài)的傳輸。USB主機(jī)驅(qū)動將通過控制傳輸與USB設(shè)備的控制端點(diǎn)通信，完成USB設(shè)備的枚舉和配置

2.批量傳輸：適合大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)珜?shí)時性沒有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，如U盤

3.同步傳輸：不做握手，速度快，數(shù)據(jù)易丟失。適合對實(shí)時性要求高但可以容忍少量數(shù)據(jù)錯誤的應(yīng)用，如音頻、視頻

4.中斷傳輸：適合數(shù)據(jù)量小、需要周期性通信的應(yīng)用，如鼠標(biāo)、鍵盤