新手都能看懂的 USB 通信協(xié)議

硬件筆記本

點(diǎn)擊上方名片關(guān)注了解更多
+ j+ z6 Z2 J# B+ u' S" F

3 f0 K% X* M' N4 b' I4 oUSB接口隨處可見，手機(jī)、電腦、電視，以及各種電子產(chǎn)品充電口（雖然是USB-C，但它也是USB)都有USB的身影。
USB應(yīng)用非常廣泛，很多嵌入式設(shè)備也具有USB通信能力，這里給大家分享一下USB通信協(xié)議主要內(nèi)容，新手都能看明白（當(dāng)然，最好還是有一定通信協(xié)議基礎(chǔ)才行）。
7 ^. j+ q! ]& Z, F- \
   1、基本概念一個【傳輸】(控制、批量、中斷、等時)：由多個【事務(wù)】組成；一個【事務(wù)】(IN、OUT、SETUP)：由一多個【Packet】組成。USB數(shù)據(jù)在【主機(jī)軟件】與【USB設(shè)備特定的端點(diǎn)】間被傳輸�！局鳈C(jī)軟件】與【USB設(shè)備特定的端點(diǎn)】間的關(guān)聯(lián)叫做【pipes】。一個USB設(shè)備可以有多個管道(pipes)。  2 、包(Packet)包（Packet）是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕�本單元，所有�?shù)據(jù)都是經(jīng)過打包后在總線上傳輸?shù)�。�?shù)據(jù)在 USB總線上的傳輸以包為單位，包只能在幀內(nèi)傳輸。高速USB 總線的幀周期為125us，全速以及低速 USB 總線的幀周期為 1ms。幀的起始由一個特定的包（SOF 包）表示，幀尾為 EOF。EOF不是一個包，而是一種電平狀態(tài)，EOF期間不允許有數(shù)據(jù)傳輸。注意：雖然高速USB總線和全速/低速USB總線的幀周期不一樣，但是SOF包中幀編號的增加速度是一樣的，因為在高速USB系統(tǒng)中，SOF包中幀編號實(shí)際上取得是計數(shù)器的高11位，最低三位作為微幀編號沒有使用，因此其幀編號的增加周期也為 1mSUSB總線上的情形是怎樣的？

6 X( B4 C6 l' H3 h0 Q' d
' ~) \! P! `! S& k  C; k) v包是USB總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚�單位，不能被打斷或干擾，否則會引發(fā)錯誤。若干個數(shù)據(jù)包組成一次事務(wù)傳輸，一次事務(wù)傳輸也不能打斷，屬于一次事務(wù)傳輸?shù)膸讉�包必須連續(xù)，不能跨幀完成。一次傳輸由一次到多次事務(wù)傳輸構(gòu)成，可以跨幀完成。
8 Y) ^. g7 k0 YUSB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標(biāo)識符字段（PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗字段（CRC）和包結(jié)尾字段（EOP），包的基本格式如下圖：

1.1 PID類型(即包類型)



1.2 Token Packets
4 E4 R3 L; J6 c# r2 k
+ F2 q( L+ x/ S+ p6 J此格式適用于IN、OUT、SETUP、PING。
# ?% U& j3 A& J5 s: ]PID 數(shù)據(jù)傳輸方向IN Device->HostOUT Host->DeviceSETUP Host->DevicePING Device->Host1.3 Start-of-Frame(SOF) PacketsSOF包由Host發(fā)送給Device。對于full-speed總線，每隔1.00 ms ±0.0005 ms發(fā)送一次；
對于high-speed總線，每隔125 μs ±0.0625 μs發(fā)送一次；
% `+ O. v" A. }7 ~[/ol]SOF包構(gòu)成如下圖所示
: T9 i$ G" N( X# q4 Q
: [- W2 |3 z4 t  a3 p

" }! I( R% z1 \+ P1.4 Data Packets
# Z1 x& j; U; ]& j
  O* F+ ~6 j+ Z  E6 `) U有四種類類型的數(shù)據(jù)包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID來區(qū)分。DATA0和DATA1被定義為支持?jǐn)?shù)據(jù)切換同步(data toggle synchronization)。
1.5 Handshake Packets

ACK: 對于IN事務(wù)，它將由host發(fā)出；對于OUT、SETUP和PING事務(wù)，它將由device發(fā)出。
3 L  W& o% ]5 o3 p6 q  A9 WNAK: 在數(shù)據(jù)階段，對于IN事務(wù)，它將由device發(fā)出；在握手階段，對于OUT和PING事務(wù)，它也將由device發(fā)出；host從不發(fā)送NAK包。   2、事務(wù)(Transaction)在USB上數(shù)據(jù)信息的一次接收或發(fā)送的處理過程稱為事務(wù)處理（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一個事務(wù)由一系統(tǒng)packet組成，具體由哪些packet組成，它取決于具體的事務(wù)�？赡苡扇缦掳�組成：一個token packet可選的data pcket可選的handshake packet可選的special packet2.1 輸入（IN）事務(wù)處理輸入事務(wù)處理：表示USB主機(jī)從總線上的某個USB設(shè)備接收一個數(shù)據(jù)包的過程。【正�！康妮斎胧聞�(wù)處理


# c1 ?& O8 h" B. b8 e【設(shè)備忙】時的輸入事務(wù)處理
: _4 f" ?. G' c; I: Q# j

【設(shè)備出錯】時的輸入事務(wù)處理

* Z8 Q. Y1 t+ j+ Y
" M! S' S9 M8 p! E0 R2.2. 輸出（OUT）事務(wù)處理輸出事務(wù)處理：表示USB主機(jī)把一個數(shù)據(jù)包輸出到總線上的某個USB設(shè)備接收的過程。【正�！康妮敵鍪聞�(wù)處理
2 {" g# F9 n. ^8 g. @$ z- m( ^

# d8 ?  R& u) ?* U' {3 n! T3 A8 h【設(shè)備忙時】的輸出事務(wù)處理
  X7 p9 T1 h! R8 C5 Y9 z0 Z& E

1 S1 w6 X% u% G5 H, e% h【設(shè)備出錯】的輸出事務(wù)處理
( d5 d3 x6 c, ^: A3 Z: q

2.3 設(shè)置（SETUP）事務(wù)處理【正�！康脑O(shè)置事務(wù)處理

, p) j  S3 `  T- v9 c
, \! f- j, G6 Q6 |. G【設(shè)備忙時】的設(shè)置事務(wù)處理

8 z4 T2 J( Z- J/ c' T& e
0 t9 B  x2 h+ S2 m) F4 [1 A: w' d3 [【設(shè)備出錯】的設(shè)置事務(wù)處理
5 [- f7 ^+ q# i

  y; k8 X8 A# _4 \8 ], m, A   3、USB傳輸類型 在USB的傳輸中，定義了4種傳輸類型：控制傳輸 (Control Transfer)
, k+ j9 I3 w8 M; m; C, R1 d% r中斷傳輸 (Interrupt Transfer)
批量傳輸 (Bulk Transfer)
8 u' g' U$ j+ Q0 ]同步傳輸 (Isochronous)
3.1 控制傳輸 (Control Transfer)控制傳輸由2～3個階段組成：建立階段(Setup)
數(shù)據(jù)階段（無數(shù)據(jù)控制沒有此階段）(DATA)
狀態(tài)階段(Status)
[/ol]每個階段都由一次或多次（數(shù)據(jù)階段）事務(wù)傳輸組成（Transaction）�？刂茢�(shù)據(jù)由USB系統(tǒng)軟件用于配置設(shè)備(在枚舉時)，其它的驅(qū)動軟件可以選擇使用control transfer實(shí)現(xiàn)具體的功能，數(shù)據(jù)傳輸是不可丟失的。3.1.1 建立階段主機(jī)從USB設(shè)備獲取配置信息，并設(shè)置設(shè)備的配置值。建立階段的數(shù)據(jù)交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其后的DATA0數(shù)據(jù)封包以及ACK握手封包。它的作用是執(zhí)行一個設(shè)置（概念含糊）的數(shù)據(jù)交換，并定義此控制傳輸?shù)膬?nèi)容(即：在Data Stage中IN或OUT的data包個數(shù)，及發(fā)送方向，在Setup Stage已經(jīng)被設(shè)定)。
% _) j: ~+ V( a8 e* k
6 i! e6 L% O  J; c, [, r2 s3.1.2 數(shù)據(jù)階段根據(jù)數(shù)據(jù)階段的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较�，控制傳輸又可分�?種類型：控制讀�。ㄗx取USB描述符）
; N2 p+ W2 `" W- B控制寫入（配置USB設(shè)備）
無數(shù)據(jù)控制
[/ol]數(shù)據(jù)傳輸階段：用來傳輸主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)。控制讀取
" B3 V$ M8 J& ?+ g* \是將數(shù)據(jù)從設(shè)備讀到主機(jī)上，讀取的數(shù)據(jù)USB設(shè)備描述符。該過程如下圖的【Control Read】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，首先，主機(jī)會發(fā)送一個IN令牌信息包，表示要讀數(shù)據(jù)進(jìn)來。然后，設(shè)備將數(shù)據(jù)通過DATA1/DATA0數(shù)據(jù)信息包回傳給主機(jī)。最后，主機(jī)將以下列的方式加以響應(yīng)：當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收時，主機(jī)送出ACK令牌信息包；當(dāng)主機(jī)正在忙碌時，發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯誤時，主機(jī)發(fā)出STALL握手信息包。控制寫入
是將數(shù)據(jù)從主機(jī)傳到設(shè)備上，所傳的數(shù)據(jù)即為對USB設(shè)備的配置信息，該過程如下的圖【Control Wirte】所示。對每一個數(shù)據(jù)信息包而言，主機(jī)將會送出一個OUT令牌信息包，表示數(shù)據(jù)要送出去。緊接著，主機(jī)將數(shù)據(jù)通過DATA1/DATA0數(shù)據(jù)信息包傳遞至設(shè)備。最后，設(shè)備將以下列方式加以響應(yīng)：當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收時，設(shè)備送出ACK令牌信息包；當(dāng)設(shè)備正在忙碌時，設(shè)備發(fā)出NAK握手信息包；當(dāng)發(fā)生了錯誤時，設(shè)備發(fā)出STALL握手信息包。

3.1.3 狀態(tài)階段狀態(tài)階段：用來表示整個傳輸?shù)倪^程已完全結(jié)束。狀態(tài)階段傳輸?shù)姆较虮仨毰c數(shù)據(jù)階段的方向相反，即原來是IN令牌封包，這個階段應(yīng)為OUT令牌封包；反之，原來是OUT令牌封包，這個階段應(yīng)為IN令牌封包。對于【控制讀取】而言，主機(jī)會送出OUT令牌封包，其后再跟著0長度的DATA1封包。而此時，設(shè)備也會做出相對應(yīng)的動作，送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。相對地對于【控制寫入】傳輸，主機(jī)會送出IN令牌封包，然后設(shè)備送出表示完成狀態(tài)階段的0長度的DATA1封包，主機(jī)再做出相對應(yīng)的動作：送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。3.2 批量傳輸 (Bulk Transfer)用于傳輸大量數(shù)據(jù)，要求傳輸不能出錯，但對時間沒有要求，適用于打印機(jī)、存儲設(shè)備等。批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來表明傳輸?shù)慕Y(jié)果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務(wù)傳輸來完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過程中數(shù)據(jù)包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻轉(zhuǎn)，以保證發(fā)送端和接收端的同步。USB 允許連續(xù) 3次以下的傳輸錯誤，會重試該傳輸，若成功則將錯誤次數(shù)計數(shù)器清零，否則累加該計數(shù)器。超過三次后，HOST 認(rèn)為該端點(diǎn)功能錯誤（STALL），放棄該端點(diǎn)的傳輸任務(wù)。一次批量傳輸（Transfer）由 1 次到多次批量事務(wù)傳輸（Transaction）組成。翻轉(zhuǎn)同步：發(fā)送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，只有成功的事務(wù)傳輸才會導(dǎo)致 PID 翻轉(zhuǎn)，也就是說發(fā)送端只有在接收到 ACK 后才會翻轉(zhuǎn) PID，發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則會重試本次事務(wù)傳輸。同樣，若在接收端發(fā)現(xiàn)接收到到的數(shù)據(jù)包不是按照此順序翻轉(zhuǎn)的，比如連續(xù)收到兩個 DATA0，那么接收端認(rèn)為第二個 DATA0 是前一個 DATA0 的重傳。它通過在硬件級執(zhí)行“錯誤檢測”和“重傳”來確保host與device之間“準(zhǔn)確無誤”地傳輸數(shù)據(jù)，即可靠傳輸。它由三種包組成(即IN事務(wù)或OUT事務(wù))：token
data
% }3 O! S- D1 xhandshake
7 W, C/ T0 q$ a9 B+ _[/ol]
% l' l8 a; t. _& Y/ D! d! S( }
1 |7 e3 e. |4 sFor IN Token (即：IN Transaction)
[/ol]ACK: 表示host正確無誤地接收到數(shù)據(jù)
1 {' v1 L6 O1 X% w6 W) ]% b. eNAK: 指示設(shè)備暫時不能返回或接收數(shù)據(jù) (如：設(shè)備忙)
4 J- O/ [/ i( lSTALL:指示設(shè)備永遠(yuǎn)停止，需要host軟件的干預(yù) (如：設(shè)備出錯)
( ]  }- {. n# X4 E5 {4 JFor OUT Token (即：OUT Transaction)
2 k7 L* i- L; \0 y! H) a9 \! ]1 n[/ol]如果接收到的數(shù)據(jù)包有誤，如：CRC錯誤，Device不發(fā)送任何handshake包ACK: Device已經(jīng)正確無誤地接收到數(shù)據(jù)包，且通知Host可以按順序發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包
NAK: Device 已經(jīng)正確無誤地接收到數(shù)據(jù)包，且通知Host重傳數(shù)據(jù)，由于Device臨時狀況(如buffer滿)
" B% d+ o/ i) E/ {! `( F) x/ uSTALL: 指示Device endpoint已經(jīng)停止，且通知Host不再重傳
9 [: r( R; \/ \8 [. RBulk讀寫序列
+ K$ x1 |+ x* A6 e- T' [9 |[/ol]
2 _1 F: C* @, N2 p
即由一系統(tǒng)IN事務(wù)或OUT事務(wù)組成。3.3 中斷傳輸(Interrupt Transfer)中斷傳輸由IN或OUT事務(wù)組成。中斷傳輸在流程上除不支持PING 之外，其他的跟批量傳輸是一樣的。他們之間的區(qū)別也僅在于事務(wù)傳輸發(fā)生的端點(diǎn)不一樣、支持的最大包長度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這樣一些對用戶來說透明的東西。主機(jī)在排定中斷傳輸任務(wù)時，會根據(jù)對應(yīng)中斷端點(diǎn)描述符中指定的查詢間隔發(fā)起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優(yōu)先級，僅次于同步傳輸。同樣中斷傳輸也采用PID翻轉(zhuǎn)的機(jī)制來保證收發(fā)端數(shù)據(jù)同步。下圖為中斷傳輸?shù)牧鞒虉D。中斷傳輸方式總是用于對設(shè)備的查詢，以確定是否有數(shù)據(jù)需要傳輸。因此中斷傳輸?shù)姆较蚩偸菑腢SB設(shè)備到主機(jī)。

DATA0或DATA1中的包含的是中斷信息，而不是中斷數(shù)據(jù)。3.4 同步傳輸(Isochronous Transfer)它由兩種包組成：
" [0 {1 m3 t& Y7 b1 m3 J& [& J6 Ntoken
/ F# U7 {0 o1 j1 f: ~0 `data
[/ol]同步傳輸不支持“handshake”和“重傳能力”，所以它是不可靠傳輸。同步傳輸是不可靠的傳輸，所以它沒有握手包，也不支持PID翻轉(zhuǎn)。主機(jī)在排定事務(wù)傳輸時，同步傳輸有最高的優(yōu)先級。同步傳輸適用于必須以固定速率抵達(dá)或在指定時刻抵達(dá)，可以容忍偶爾錯誤的數(shù)據(jù)上。實(shí)時傳輸一般用于麥 克風(fēng)、喇叭、UVC Camera等設(shè)備。實(shí)時傳輸只需令牌與數(shù)據(jù)兩個信息包階段，沒有握手包，故數(shù)據(jù)傳錯時不會重傳。
  I& h3 Z1 s# ~) e& U/ _
6 ?# Q6 E3 [% u* U! v

來源地址：https://blog.csdn.net/myarrow/article/details/8484113


; ^. S) x: n) ^
聲明：
) l- V- F1 e$ l4 [8 K) x- ?& l聲明：文章來源網(wǎng)絡(luò)，作者：Arrow。本號對所有原創(chuàng)、轉(zhuǎn)載文章的陳述與觀點(diǎn)均保持中立，推送文章僅供讀者學(xué)習(xí)和交流。文章、圖片等版權(quán)歸原作者享有，如有侵權(quán)，聯(lián)系刪除。投稿/招聘/推廣/宣傳 請加微信：woniu26a推薦閱讀▼
電路設(shè)計-電路分析
emc相關(guān)文章
% t2 B1 V" f$ z) K# w! f4 t電子元器件
& n" n/ y/ G. f* R2 \0 e; A: m后臺回復(fù)“加群”，管理員拉你加入同行技術(shù)交流群。