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1、USB基础知识USB接口的基础理论知识USB的重要关键字:1、端点：位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区,用来存放和发送USB的各种数据,每一个端点都有惟一的确定地址,有不同的传输特性（如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点）2、帧：时间概念,在USB中,一帧就是1MS,它是一个独立的单元,包含了一系列总线动作,USB将1帧分为好几份,每一份中是一个USB的传输动作。3、上行、下行：设备到主机为上行,主机到设备为下行下面以一问一答的形式开始学习吧：问题一：USB的传输线结构是如何的呢？答案一：一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成,D+和D-是差分输入线,它使用的是

2、3.3V的电压（注意哦,与CMOS的5V电平不同）,而电源线和地线可向设备提供5V电压,最大电流为500MA（可以在编程中设置的,至于硬件的实现机制,就不要管它了）。问题二：数据是如何在USB传输线里面传送的答案二：数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。问题三：USB的编码方案？答案三：USB采用不归零取反来传输数据,当传输线上的差分数据输入0时就取反,输入1时就保持原值,为了确保信号发送的准确性,当在USB总线上发送一个包时,传输设备就要进行位插入操作（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0）,从而强迫NRZI码发生变化。这个了解就行了,这些是由专门硬件处理的。问题四：USB的数据格式是

3、怎么样的呢？答案四：和其他的一样,USB数据是由二进制数字串构成的,首先数字串构成域（有七种）,域再构成包,包再构成事务（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）。下面简单介绍一下域、包、事务、传输,请注意他们之间的关系。（一）域：是USB数据最小的单位,由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定）,域可分为七个类型：1、同步域（SYNC）,八位,值固定为0000 0001,用于本地时钟与输入同步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,这是一个很重要的部分,这里可以计算出,USB的标识码有16种,具体分类请看问题五

4、。3、地址域（ADDR）：七位地址,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,由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。4、端点域（ENDP）,四位,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,对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一,请看下面）。6、数据域（DATA）：长度为01023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）：对令牌包和数据包

5、（对于包的分类请看下面）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这里就不多说,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。（二）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（五位的校验码）（上面的缩写解释请看上面域

6、的介绍,PID码的具体定义请看问题五）帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）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,格式如下：SYNC+PID+01023字节+CRC163、握手包：结构最为简单的包,格式如下SYNC+PID（注上面每种包都有不同类型的,USB1.1共定义了

7、十种包,具体请见问题五）（三）事务：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,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：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。事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：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（要注意：数据包阶段

8、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出数据包（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。 2、 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,就是主机会设备送数据,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,设备往入

9、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。 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,就是主机会设备送数据,注意,这里只有一个固定为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（共有11条,具体请看问题七）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

10、一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）（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。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

11、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DATA04、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,这是每一个USB开发者都要关心的问题。1、初始设置步骤：就是一个由SET事务构成的传输2、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输,这个步骤是可选的,要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事

12、务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）3、状态信息步骤：顾名思义,这个步骤就是要获取状态信息,由IN或OUT事务构成构成的传输,但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：1）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;2）在这个步骤里,数据包阶段的数据包都是0长度的,即SYNC+PID+CRC16除了以上两点有区别外,其他的一样,这里就不多说（思考：这些传输模式在实际操作中应如何通过什么方式去设置？）问题五：标识码有哪些？答案五：如同前面所说的标

13、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,首先简单介绍一下数据包的类型,数据包分为令牌包、数据、握手包和特殊包四种（具体分类请看问题七）,标识码分别有以下十六种：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

14、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问题六：USB主机是如何识别USB设备的？答案六：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）：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;2、供电态（Powered）：就是给设

15、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内没有总线操作,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。问题

16、七：刚才在答案四提到的标准的USB设备请求命令究竟是什么？答案七：标准的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）,请看回问答四的内容。标准USB设备请求命令共有11个,大小都是8个字节,具有相同的结构,由5 个字段构成（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）：bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2）各字段的意义如下：1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0D7=0

17、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 接收者为设备=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_FEATU

18、RE：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

19、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以上的11个命令要说得明白真的有一匹布那么长,请各位去看书吧,这里就不多说了,控制传输是USB的重心,而这11个命令是控制传输的重心,所以这11个命令是重中之重,这个搞明白了,USB就算是入门了。问题八：在标准的USB请求命令中,经常会看到Descriptor,这是什么来的呢？回答八：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。它的作用就是通过如问答节中的

20、命令操作来给主机传递信息,从而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2配置描述符3字符描述符4接口描述符5端点描述符上面的描述符之间有一定的关系,一个设备只有一个设备描述符,而一个设备描述符可以包含多个配置描述符,而一个配置描述符可以包含多个接口描述符,一个接口使用了几个端点,就有几个端点描述符。这间描述符是用一定的字段构成的,分别如下说明：1、设备描述符struct _DEVICE_DE

21、scriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小,为0x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号,为0x01WORD bcdUSB; /USB版本号BYTE bDeviceClass; /USB分配的设备类代码,0x010xfe为标准设备类,0xff为厂商自定义类型/0x00不是在设备描述符中定义的,如HIDBYTE bDeviceSubClass; /usb分配的子类代码,同上,值由USB规定和分配的BYTE bDeviceProtocl; /USB分配的设备协议代码,同上BYTE bMaxPacketSize0; /端点0的最大包的

22、大小WORD idVendor; /厂商编号WORD idProduct; /产品编号WORD bcdDevice; /设备出厂编号BYTE iManufacturer; /描述厂商字符串的索引BYTE iProduct; /描述产品字符串的索引BYTE iSerialNumber; /描述设备序列号字符串的索引BYTE bNumConfiguration; /可能的配置数量2、配置描述符struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小,为0x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号,为0

23、x01WORD wTotalLength; /配置所返回的所有数量的大小BYTE bNumInterface; /此配置所支持的接口数量BYTE bConfigurationVale; /Set_Configuration命令需要的参数值BYTE iConfiguration; /描述该配置的字符串的索引值BYTE bmAttribute; /供电模式的选择BYTE MaxPower; /设备从总线提取的最大电流3、字符描述符struct _STRING_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小,为0x12BYTE bDescriptorType;

24、 /描述符类型编号,为0x01BYTE SomeDescriptor36; /UNICODE编码的字符串4、接口描述符struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小,为0x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号,为0x01BYTE bInterfaceNunber; /接口的编号BYTE bAlternateSetting;/备用的接口描述符编号BYTE bNumEndpoints; /该接口使用端点数,不包括端点0BYTE bInterfaceClass; /接口类型BYTE bInterf

25、aceSubClass;/接口子类型BYTE bInterfaceProtocol;/接口所遵循的协议BYTE iInterface; /描述该接口的字符串索引值5、端点描述符struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCTBYTE bLength; /设备描述符的字节数大小,为0x12BYTE bDescriptorType; /描述符类型编号,为0x01BYTE bEndpointAddress; /端点地址及输入输出属性BYTE bmAttribute; /端点的传输类型属性WORD wMaxPacketSize; /端点收、发的最大包的大小BYTE bInterval

26、; /主机查询端点的时间间隔 用到SL811这个host芯片，要对底层协议有一定的了解，因此这是篇好文呐。大体上讲了一个USB包的构成以及传输的要点，特别是控制传输及三大事务（程序里用PID_IN, PID_OUT, PID_SETUP标识），根据这些结合SL811提供的官方程序，可以对USB底层传输有深入了解了。BYTE usbXfer(BYTE usbaddr, BYTE endpoint, BYTE pid,WORD wPayload, WORD wLen, BYTE *buffer)这个程序是基本的数据传输程序，要发一个数据包，先配置好SL811芯片级的寄存器，再设置好一组（EP0或E

27、P1）传输控制级的寄存器（函数形参里的pid，设备端点，设备地址等信息）芯片内部除了那一大堆寄存器外的寻址空间（10H-FFH）则存放待发送的数据。程序流程大致按照传输事务来的USB 介绍1994年，一个由四个行业伙伴(Compaq、Intel、Microsoft 和 NEC)组成的联盟开始制定 USB 协议。该协议最初的目的是将 PC 与电话相连并提供容易扩展和重新配置的 I/O 接口。1996年 1月，发表了 USB 规范的第一个版本，1998年 9月发表了后续版本(版本 1.1)。这个规范允许 127台设备同时连接到一起，总的通信带宽限制为 12 Mbps。后来，又有三个成员(Hewle

28、tt-Packard、Lucent 和 Philips)加入了这个联盟。2000年 4月，发表了 USB 规范的 2.0版本，它支持高达 480 Mbps 的传输率。今天，USB 在高速(视频、图像、储存)和全速(音频、宽带、麦克风)数据传输应用中起了关键作用。它还使各种低速设备(键盘、鼠标、游戏外设、虚拟现实外设)连接到 PC 上。USB 协议有严格的层次结构。在所有 USB 系统中，只有一个主设备，到主计算机的的 USB 接口称为 主控器(host controller)。主控器有两个标准开放主控器接口(Compaq 的 Open Host Controller Interface，OHC

29、I)和通用主控器接口(Intel 的 Universal Host Controller Interface，UHCI)。这两个标准提供了同样的能力，并可用于所有的 USB 设备，UHCI 的硬件实现更简单一些，但是需要更复杂的设备驱动程序(因而 CPU 的负荷更大一些)。USB 物理互连是分层的星形拓朴，最多有七层。一个 hub 是每个星形的中心，USB 主机被认为是 root hub。每一段连线都是 hub 与 USB 设备的点对点连接，后者可以是为系统提供更多附加点的另一个 hub，也可以是一个提供功能的某种设备。主机使用主/从协议与 USB 设备通信。这种方式解决了包冲突的问题，但是同

30、时也阻止了附加的设备彼此建立直接通信。所有传输的数据都是由主控器发起的。数据从主机流向设备称为下行(downstream)或者 输出(out)传输，数据从设备流向主机称为上行(upstream)或者 输入(in)传输。数据传输发生在主机和 USB 设备上特定的 端点(endpoint) 之间，主机与端点之间的数据链接称为 管道 (pipe)。一个给定的 USB 设备可以有许多个端点，主机与设备之间数据管道的数量与该设备上端点的数量相同。一个管道可以是单向或者是双向的，一个管道中的数据流与所有其他管道中的数据流无关。USB 网络中的通信可以使用下面四种数据传输类型中的任意一种： 控制传输：这些是

31、一些短的数据包，用于设备控制和配置，特别是在设备附加到主机上时。 批量传输：这些是数量相对大的数据包。像扫描仪或者 SCSI 适配器这样的设备使用这种传输类型。 中断传输：这些是定期轮询的数据包。主控器会以特定的间隔自动发出一个中断。 等时传输：这些是实时的数据流，它们对带宽的要求高于可靠性要求。音频和视频设备一般使用这种传输类型。像串行端口一样，计算机上每一个 USB 端口都由 USB 控制器指定了一个惟一的标识数字(端口 ID)。当 USB 设备附加到 USB 端口上时，就将这个惟一端口 ID 分配给这台设备，并且 USB 控制器会读取设备描述符。设备描述符包括适用于该设备的全局信息、以及设备的配置信息。配置定义了一台 USB 设备的功能和 I/O 行为。一台 USB 设备可以有一个或者多个配置，这由它们相应的配置描述符所描述。每一个配置都有一个或者多个接口，它可以视为一个物理通信渠道；每一个接口有零个或者多个端点，它可以是数据提供者或者数据消费者，或者同时具有这两种身份。接口由接口描述符描述，端点由端点描述符描述。并且一台 USB 设备可能还有字符串描述符以提供像厂商名、设备名或者序列号这样的