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USB的基础知识

看到很多坛友发布一些关于USB的资料,但是很多都不是基于例程来分析的,最近在搞USB这块的程序,在这里记录一下,自己学习USB的过程,同时也写出来分享给大家,希望能给大家在USB学习方面提供一些帮助。
我使用的硬件是金龙107开发板,主芯片STM32F107VCT6,该芯片支持USB从机以及主机,支持OTG功能,例程是基于ST官网的例程,做了一些简单的修改,后面我会把完整的工程上传上来。
基于金龙107开发板的所有例程都在另外一个帖子里面[url= http://www.amobbs.com/thread-5572266-1-1.html]金龙107开发板全部例程[/url]  ,每个例程都有说明文档,有兴趣的大家可以查看一下。








首先发一些关于USB的基础知识,是本人转来的。
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***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。 


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):对令牌包和数据包(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+0~1023字节+CRC16 






3、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***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 


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***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: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_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_DEs criptOR:用于主机获取设备的特定描述符 


5) 7 SET_DEs criptOR: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 


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Des criptor,这是什么来的呢? 


回答八:Des criptor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命令***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_DEs criptOR_STRUCT 





BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小,为0x12 


BYTE bDes criptorType; //描述符类型编号,为0x01 


WORD bcdUSB; //USB版本号 


BYTE bDeviceClass; //USB分配的设备类代码,0x01~0xfe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HID 


BYTE 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_DEs criptOR_STRUCT 





BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小,为0x12 


BYTE bDes criptorType; //描述符类型编号,为0x01 


WORD 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_DEs criptOR_STRUCT 





BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小,为0x12 


BYTE bDes criptorType; //描述符类型编号,为0x01 


BYTE SomeDes criptor[36]; //UNICODE编码的字符串 









4、接口描述符 


struct _INTERFACE_DEs criptOR_STRUCT 





BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小,为0x12 


BYTE bDes criptorType; //描述符类型编号,为0x01 


BYTE 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0 


BYTE bInterfaceClass; //接口类型 


BYTE bInterfaceSubClass;//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_DEs criptOR_STRUCT 





BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小,为0x12 


BYTE bDes criptorType; //描述符类型编号,为0x01 


BYTE 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; //主机查询端点的时间间隔 





了解了上述这些知识,会对于USB的学习提供一个较好的帮助。


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