USB协议.ppt

1、*1USB 协议简介*2主要内容1.USB 概述2.USB物理电气规范3.USB 通信协议4.实现难点*31.USB 概述USB（Universal Serial BUS）通用串行总线现在存在四种 USB协议USB1.0 低速 1.5Mbps 192KB/sUSB1.1 全速 12Mbps 1.5MB/sUSB2.0 高速 480Mbps60MB/sUSB3.0 超速 5Gbps 640MB/s*41.USB 概述USB系统包括 USB主机、USB设备和物理连接三部分将指向 USB 主机的数据传输方向称为上行通信，把指向 USB设备的数据传输方向称为下行通信。*51.USB 概述USB 主机是

2、一个提供 USB 接口及接口管理能力的硬件、软件及固件的复合体，可以是 PC，也可以是OTG 设备。一个 USB 系统中仅有一个 USB 主机；包括(1)客户软件(2)USB 系统软件(3)USB 总线接口*61.USB 概述USB设备一个 USB 设备由三个功能模块组成：功能单元USB 逻辑设备USB 总线接口 即串行接口引擎（SIE）从设备架构角度来看，USB 含有一个或多个配置，在每个配置中可含有一个或多个接口，在每个接口中可含有若干个端点。其中，配置和接口是对 USB 设备功能的抽象，实际的数据传输由端点来完成。在使用 USB 设备前，必须指明其采用的配置和接口*71.USB 概述US

3、B 设备（设备架构角度）设备描述符包含总体信息，配置个数配置 1 配置描述符 1接口 1接口描述符 1端点 1端点号 1端点 2端点号 2-端点 N端点号 N接口 2接口描述符 2接口 N接口描述符 N配置 2配置描述符 2配置 N配置描述符 N*81.USB 概述USB 主机和 USB 设备的互连*91.USB 概述 USB 网络 采用阶梯式星形拓扑结构。一个 USB 网络中只能有一个主机。主机内设置了一个根集线器，提供了主机上的初始附属点。支持最多 7 个阶梯 USB 设备包括 USB 功能设备和 USB 集线器，最多支持 127 个设备；*10主要内容1.USB 概述2.USB物理电气规

4、范3.USB 通信协议4.实现难点*112.USB 物理电气规范USB 接口*122.USB 物理电气规范USB 缆线高速/全速要求使用内含双绞线的屏蔽线低速不要求但推荐使用双绞线和屏蔽线电缆最大长度取决于信号衰减和传播延迟，同时受电压跌落限制（跌落电压 125mV）*132.USB 物理电气规范低速/全速传输识别*142.USB 物理电气规范USB 信号编码方式NRZI（No Return Zero Inverse）非归零反向编码*152.USB 物理电气规范USB 信号差分传输有利于降低噪声干扰*2.USB 物理电气规范信号电平FS/LS 电平16*USB 电气规范数据信号发送USB 数据

5、包采用差分信号传输；低速/全速数据信号发送The start of a packet(SOP)is signaled by the originating port by driving the D+and D-lines from the Idle state to the opposite logic level(K state).8bit（L/F）/32bit(FULL)SYNC signal for a packet start；The SE0 state is used to signal an end-of-packet(EOP).EOP=2bit SE0+1 bit J stat

6、e；then,bus recover to Idle state；17*USB 电气规范挂起 所有的设备都必须能支持挂起状态，并可从任一电平状态进入挂起态。当设备发现它们的上行总线上的空闲态持续时间超 3.0ms 时，它们便进入挂起态。当设备的所有端口上的总线不活动时间不超过10ms 后，设备必须被真正的挂起，此时它仅从总线上获得挂起电流。如果总线缺少其他的通信流量时，SOF 令牌将在每（微）帧中出现一次，以防止全速/高速设备被挂起。当任一低速设备缺乏通信流量时，在 SOF 令牌出现的每一帧中至少有一个低速设备处于活动态，以避免它们不被挂起。当处在挂起状态时，设备必须继续为它的 D+(高速)或

7、 D-(低速)上的 Rpu 电阻提供电压从而维持一个空闲态，这样上行集线器才能为设备维持正确的连结状态。18*USB 电气规范挂起又可分为全局挂起和局部挂起。全局挂起 当在总线的任何地方没有通信需要时，就要用到全局挂起，此时所有总线都处在挂起状态。主机通过中止它所有的传送(包括 SOF 令牌)来发送开始全局挂起信号。当总上的每个设备识别总线的空闲态持续适当时间时，它将进入挂起状态。局部挂起 可以通过向集线器端口发送 SetPortFeature(PORT-SUSPEND)来使与其相连的总线部分被挂起，此时处于那部分的设备经过上面所说的适当时延后进入挂起状态。19*USB 电气规范唤醒 处在挂起

8、状态的设备，当它的上行端口接收到任一非空闲信号时，它的操作将被唤醒。特别地，如果设备的远程唤醒功能被 USB 系统软件开启时，它也可以发信号给系统来完成唤醒操作。唤醒信号由主机或设备使用，以使一个挂起的总线段回到活动态。集线器在唤醒信号的生成和传播中起了十分重要的作用。设备唤醒时总有一个先后次序，我们将在后面详细介绍。USB 系统软件必须提供 10ms 的唤醒恢复时间，在这段时间内，它将不对与被唤醒的部分总线相连的任一设备进行操作。端口的中断与连接也可以使集线器发送一个复位信号，从而唤醒系统，但仅当集线器具有远程唤醒使能时，这些事件才能引起集线器发送唤醒信号。20*21主要内容1.USB 概述

9、2.USB物理电气规范3.USB 通信协议4.实现难点*223.USB 通信协议3.1 USB 包包（Packet）是 USB 系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。USB 包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下图：同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）*233.USB 通信协议3.1 USB 包SYNC 字段:由 8 位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使 USB 设备与总线的包传输率

10、同步，它的数值固定为 00000001。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）*243.USB 通信协议3.1 USB 包3.1.1PID 字段:用来表示数据封包的类型。包标识符中的校验字段是通过对类型字段的每个位求反码产生的。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）*253.USB 通信协议3.1.2 数据字段数据字段:是用来携带主机与设备之间要传递的信息，其内容和长度根据包标识符、传输类型的不同而各不相同。数据字段可以包含设备地址、端点号、帧序列号以及数据等

11、内容。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）*263.USB 通信协议3.1.3 数据字段设备地址 ADDR 数据域由 7 位组成，可寻址127 个。端点（ENDP）数据域由 4 位组成，可寻址32 个端点。ENDP 数据域仅用在 IN、OUT 与SETUP 令牌信息包中。对于慢速设备可支持端点0 以及端点 1 作为中断传输模式，而全速设备则可以拥有 16 个输入端点（IN）与 16 个输出端点（OUT）共 32 个端点。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）

12、*273.USB 通信协议3.1.3 数据字段帧序列号。当 USB 令牌包的 PID 为 SOF 时，其数据字段必须为 11 位的帧序列号。帧序列号由主机产生，且每个数据帧自动加一，最大数值为 0 x7FF。当帧序列号达到最大数时将自动从 0开始循环。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）*283.USB 通信协议3.1.3 数据字段数据。它仅存于 DATA 信息包内，根据不同的传输类型，拥有不同的字节大小，从 0 到 1023字节。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字

13、段（EOP）*293.USB 通信协议3.1.4 CRC 字段循环冗余码 CRC 字段由不同数目的位所组成。根据不同的信息包类型，CRC 数据域由不同数目的位所组成。其中重要的数据信息包采用 CRC16的数据域（16 个位），而其余的信息包类型则采用 CRC5 的数据域（5 个位）。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段包结尾字段（包结尾字段（EOP）*303.USB 通信协议3.1.5 包结尾字段包结尾字段即发送方在包的结尾发出包结尾信号。USB 主机根据 EOP 判断数据包的结束。同步字段（同步字段（SYNC）PID字段字段数据字段数据字段CRC字段字段

14、包结尾字段（包结尾字段（EOP）*313.USB 通信协议3.2 信息包格式3.2.1 令牌（token）包 只有主机能发送令牌包 三个重要的令牌包：IN、OUT、SETUP*323.USB 通信协议 3.2.2 数据（data）包 数据封包含有 4 个域：SYNC、PID、DATA 与 CRC16。DATA 数据域的位值是根据 USB 设备的传输速度及传输类型而定，且须以 8 字节为基本单位。也就是，若传输的数据不足 8 字节，或传输到最后所剩余的也不足 8字节，仍须传输 8 字节的数据域。8位位8位位0102301023 位位16位位SYNCPIDPIDDATACRC16*333.USB

15、通信协议 3.2.3 握手（Handshake）包 握手信息包是最简单的信息包类型。在这个握手信息包中仅包含一个 PID 数据域而已。PIDPIDPIDPIDSYNCSYNC8 8位位位位8 8位位位位PIDPIDPIDPIDSYNCSYNC8 8位位位位8 8位位位位*343.USB 通信协议3.3 事物处理在在 USB 上数据信息的一次接收或发送的处理过程称上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理（为事务处理（Transaction）。事务处理的类型包括输入）。事务处理的类型包括输入(IN)事务处理、输出事务处理、输出(OUT)事务处理、设置事务处理、设置(SETUP)事务事务处理

16、和帧开始、帧结尾等类型。处理和帧开始、帧结尾等类型。在输出在输出(OUT)事务处理和设置事务处理和设置(SETUP)事务处理中，事务处理中，紧接着紧接着 SETUP 和和 OUT 包后的是包后的是 DATA 包，包，DATA0 和和 DATA1 包是交替地发送的，在包是交替地发送的，在 DATA 包后面，设备将回应一包后面，设备将回应一个握手信号，如果设备可以接收数据，就回应个握手信号，如果设备可以接收数据，就回应 ACK 包，包，如果设备忙，就回应如果设备忙，就回应 NAK 包，如果设备出错，则回应包，如果设备出错，则回应 STALL 包。包。*353.USB 通信协议3.3 事物处理在在 IN 事务中，事务中，IN 包后面是设备发来的包后面是设备发来的 DATA 包或包或 NAK 包或包或 STALL 包，若设备忙或出错，就发包，若设备忙或出错，就发 NAK 包或包或 STALL 包给主机，若设备数据准备好发送，则发包给主机，若设备数据准备好发送，则发 DATA 包，包，DATA0 和和 DATA1 包也是交替地发送的，紧接着包也是交替地发送的，紧接着 DATA 包后包后面是主机发