关于USB的知识 by allegro_tyc

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关于USB的知识 by allegro_tyc

主机(Host)、设备(Device)、接口(Interface)

管道(Pipe)：管道是主机与设备端点数据传输的连接通道，代表了主机的数据缓冲区与设备端点之间交换数据的能力。管道包括数据流管道和消息管道。
端点(Endpoint)：端点，实际上是设备硬件上具有一定大小的数据缓冲区。USB系统中，每一个端点都有唯一的地址，是由设备地址和端点号给出的。默认设置端点0用作控制传输端点，其他端点必须在设备被主机配置后才能使用。

USB数据通讯结构：USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域(七种)，域再构成包(令牌包、数据包、握手包)，包再构成事务(IN、OUT、SETUP)，事务最后构成传输(中断传输、同步传输、批量传输和控制传输)。

域：是USB数据最小的单位，由若干位组成，域可分为七种类型：
1、同步域(SYNC)：8位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步，标志一个包的起始
2、标识域(PID)：由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，可以计算出USB的标识码有16种
3、地址域(ADDR)：7位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，因此一个USB主机只能接127个设备
4、端点域(ENDP)：4位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个
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，帧号连续增加，到0x7ff后从自动0开始，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，但必须为整数个字节的长度
7、校验域(CRC)：对令牌包(CRC5)和数据包(CRC16)中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法

包：由域构成的包有四种类型，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，介绍如下：
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都是一样的：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5，帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+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(四类传输类型中之一)，所有的数据包都是为DATA0。
格式：SYNC+PID+0-1023字节+CRC16
3、握手包：结构最为简单的包，格式：SYNC+PID

事务：有IN事务、OUT事务、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，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：
令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务
数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据
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
事务的三种类型如下(以下按三个阶段来说明一个事务)：
1、SETUT事务：
令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的设置包给设备，通知设备要接收数据；
数据包阶段——主机给设备发送数据，固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令。
握手包阶段——设备到主机，设备正确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)
整个过程为：
主机-->设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
2、 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(要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段)；
   1设备端点正常，设备往入主机里面发送数据(发送数据太长时拆分成多个IN事务，DATA0与DATA1交替)；
   2设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，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，发送错误包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。
整个过程为：
主机-->设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备-->主机，SYNC+DATA1/0+(0-1023)字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
主机-->设备，SYNC+ACK
3、 OUT事务：
令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；
数据包阶段——比较简单，就是主机给设备发送数据(发送数据太长时拆分成多个IN事务，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，设备往入主机返回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，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；
   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。
整个过程为：
主机-->设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA1/0+(0-1023)字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL

传输：传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，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。
1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID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。
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事务中是没有握手包阶段的；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、状态信息步骤)，每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用

来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设置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，这是每一个USB开发者都要关心的问题。
a、传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合；
b、在这个步骤，数据包阶段的数据包都是0长度的DATA1包，即SYNC+PID+CRC16
控制输入时：
1)初始设置步骤：
主机-->设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
2)可选数据步骤：(数据较多时，此步骤可以分多次，此时DATA0/DATA1交替传送)
主机-->设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备-->主机，SYNC+DATA1+n字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
主机-->设备，SYNC+ACK
3)状态信息步骤：
主机-->设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA1+0字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
控制输出时：
1)初始设置步骤：
主机-->设备，SYNC+SETUP+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA0+8字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
2)可选数据步骤：(数据较多时，此步骤可以分多次，此时DATA0/DATA1交替传送)
主机-->设备，SYNC+OUT+ADDR+ENDP+CRC5
主机-->设备，SYNC+DATA1+n字节+CRC16
设备-->主机，SYNC+ACK/NAK/STALL
3)状态信息步骤：
主机-->设备，SYNC+IN+ADDR+ENDP+CRC5
设备-->主机，SYNC+DATA1+0字节+CRC16或SYNC+NAK/STALL
主机-->设备，SYNC+ACK

标识码：由四位数据组成，因此可以表示十六种标识码，在USB1.1规范里面，只用了十种标识码，USB2.0使用了十六种标识码，标识码的作用是用来说明包的属性的，标识码是和包联系在一起的
USB1.1的标识码分别有以下十种：
令牌包 :
0x01  输出(OUT)启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号
0x09  输入 (IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号
0x05  帧起始(SOF)表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号
0x0d  设置(SETUP)启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化
数据包 :
0x03  偶数据包(DATA0)
0x0b  奇数据包(DATA1)
握手包:
0x02  确认接收到无误的数据包(ACK)
0x0a  无效，接收(发送)端正在忙而无法接收(发送)信息
0x0e  错误，端点被禁止或不支持控制管道请求
特殊包 0x0C  前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输

USB主机识别USB设备的过程
当USB设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属于枚举的一个态，态表示暂时的状态），这这些态如下：
1、接入态(Attached)：全/高速设备D+引脚外接1.5k上拉电阻，低速设备D-引脚外接1.5k上拉电阻，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的接入，并获取设备速度；
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(按数据中要求的最大值，可通过编程设置)；
3、缺省态(Default)：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；
4、地址态(Address)：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
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，并对设备的某此信息进行改变或设置；
6、挂起态(Suspended)：总线供电设备在3ms内没有总线动作，即USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280uA；

标准的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)，命令共有11个，大小都是8个字节，具有相同的结构，由5个字段构成，结构如下：
bmRequestType(1)+bRequest(1)+wvalue(2)+wIndex(2)+wLength(2)
各字段的意义如下：
1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0
D7  =0主机到设备
    =1设备到主机
D6D5=00标准请求命令
    =01 类请求命令
    =10用户定义的命令     
    =11保留值
D4D3D2D1D0=00000 接收者为设备
          =00001 接收者为接口
          =00010 接收者为端点
          =00011 接收者为其他接收者
          =其他  其他值保留
2、bRequest：请求命令代码，在标准的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(要注意这里的命令代码要与其他字段结合使用，可以说命令代码是标准请求命令代码的核心，正是因为这些命令代码而决定了11个USB标准请求命令)：
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

Descriptor即描述符
是一个完整的数据结构，可以通过C语言等编程实现，并存储在USB设备中，用于描述一个USB设备的所有属性，USB主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息的。它的作用就是通过问答方式让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小，只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。标准的描述符有5种，USB为这些描述符定义了编号：
1、设备描述符，描述遵循USB版本号、设备类型等信息，一个USB设备只有一个设备描述符。
2、配置描述符，用于描述一个USB设备的属性和能力等配置信息，如接口总数、当前配置、供电方式、远程唤醒和须获取电流量等，一个USB设备可以有几种相对独立的配置。
3、字符描述符，可选。
4、接口描述符，描述一个接口的属性，如接口类型、使用了哪些非0端点等。一个配置可拥n个接口，每个接口有唯一编号。