一文詳解USB的傳輸、編碼、數(shù)據(jù)格式

幾個最基礎(chǔ)的概念

端點：

位于USB設(shè)備或主機上的一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送USB的各種數(shù)據(jù)，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性(如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點)

幀：

時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動作，USB將1幀分為好幾份，每一份中是一個USB的傳輸動作。

上行、下行：

設(shè)備到主機為上行，主機到設(shè)備為下行

下面以一問一答的形式開始學(xué)習(xí)吧。

問題一： USB的傳輸線結(jié)構(gòu)是如何的呢?

答案一：

一條 USB的傳輸線分別由地線、電源線、D+、D-四條線構(gòu)成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓(注意哦，與CMOS的5V電平不同)，而 電源線和地線可向設(shè)備提供5V電壓，最大電流為500MA(可以在編程中設(shè)置的，至于硬件的實現(xiàn)機制，就不要管它了)。

問題二：數(shù)據(jù)是如何在USB傳輸線里面?zhèn)魉偷?/p>

答案二：

數(shù)據(jù)在USB線里傳送是由低位到高位發(fā)送的。

問題三：USB的編碼方案?

答案三：

USB 采用不歸零取反來傳輸數(shù)據(jù)，當傳輸線上的差分數(shù)據(jù)輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，為了確保信號發(fā)送的準確性，當在USB總線上發(fā)送一個包時，傳輸設(shè) 備就要進行位插入***作(即在數(shù)據(jù)流中每連續(xù)6個1后就插入一個0)，從而強迫NRZI碼發(fā)生變化。這個了解就行了，這些是由專門硬件處理的。

問題四： USB的數(shù)據(jù)格式是怎么樣的呢?

答案四：

和其他的一樣，USB數(shù)據(jù)是由二進制數(shù)字串構(gòu)成的，首先數(shù)字串構(gòu)成域(有七種)，域再構(gòu)成包，包再構(gòu)成事務(wù)(IN、OUT、SETUP)，事務(wù)最后構(gòu)成傳輸(中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸)。下面簡單介紹一下域、包、事務(wù)、傳輸，請注意他們之間的關(guān)系。

(一)域：是USB數(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成(至于是多少位由具體的域決定)，域可分為七個類型：

1、同步域(SYNC)，八位，值固定為0000 0001，用于本地時鐘與輸入同步

2、標識域(PID)，由四位標識符+四位標識符反碼構(gòu)成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這里可以計算出，USB的標識碼有16種，具體分類請看問題五。

3、地址域(ADDR)：七位地址，代表了設(shè)備在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個設(shè)備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道為什么一個USB主機只能接127個設(shè)備的原因。

4、端點域(ENDP)，四位，由此可知一個USB設(shè)備有的端點數(shù)量最大為16個。

5、幀號域(FRAM)，11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對于同步傳輸有重要意義(同步傳輸為四種傳輸類型之一，請看下面)。

6、數(shù)據(jù)域(DATA)：長度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數(shù)據(jù)域的長度各不相同，但必須為整數(shù)個字節(jié)的長度

7、校驗域(CRC)：對令牌包和數(shù)據(jù)包(對于包的分類請看下面)中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應(yīng)用很泛，是一種很好的校驗方法，至于具體的校驗方法這里就不多說，請查閱相關(guān)資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同于10進制中的除法。

(二)包：由域構(gòu)成的包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結(jié)構(gòu)不同，介紹如下

1、令牌包：可分為輸入包、輸出包、設(shè)置包和幀起始包(注意這里的輸入包是用于設(shè)置輸入命令的，輸出包是用來設(shè)置輸出命令的，而不是放據(jù)數(shù)的)

其中輸入包、輸出包和設(shè)置包的格式都是一樣的：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5(五位的校驗碼)

(上面的縮寫解釋請看上面域的介紹，PID碼的具體定義請看問題五)

幀起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5(五位的校驗碼)

2、數(shù)據(jù)包：分為DATA0包和DATA1包，當USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，當一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大于相應(yīng)端點的容量時，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個包，分批發(fā) 送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個數(shù)據(jù)包是DATA0，那第二個數(shù)據(jù)包就DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中(四類傳輸類型中 之一)，所有的數(shù)據(jù)包都是為DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字節(jié)+CRC16

3、握手包：結(jié)構(gòu)最為簡單的包，格式如下

SYNC+PID

(注上面每種包都有不同類型的，USB1.1共定義了十種包，具體請見問題五)

(三)事務(wù)：分別有IN事務(wù)、OUT事務(wù)和SETUP事務(wù)三大事務(wù)，每一種事務(wù)都由令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包三個階段構(gòu)成，這里用階段的意思是因為這些包的發(fā)送是有一定的時間先后順序的，事務(wù)的三個階段如下：

1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設(shè)置的事務(wù)

2、數(shù)據(jù)包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)

3、握手包階段：返回數(shù)據(jù)接收情況，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中沒有這個階段，這是比較特殊的。

事務(wù)的三種類型如下(以下按三個階段來說明一個事務(wù))：

1、 IN事務(wù)：

令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為IN的輸入包給設(shè)備，通知設(shè)備要往主機發(fā)送數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)包階段——設(shè)備根據(jù)情況會作出三種反應(yīng)(要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會提前進入握手包階段)

1) 設(shè)備端點正常，設(shè)備往入主機里面發(fā)出數(shù)據(jù)包(DATA0與DATA1交替);

2) 設(shè)備正在忙，無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，IN事務(wù)提前結(jié)束，到了下一個IN事務(wù)才繼續(xù);

3) 相應(yīng)設(shè)備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務(wù)也就提前結(jié)束了，總線進入空閑狀態(tài)。

握手包階段——主機正確接收到數(shù)據(jù)之后就會向設(shè)備發(fā)送ACK包。

2、 OUT事務(wù)：

令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為OUT的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)包階段——比較簡單，就是主機會設(shè)備送數(shù)據(jù)，DATA0與DATA1交替

握手包階段——設(shè)備根據(jù)情況會作出三種反應(yīng)

1)設(shè)備端點接收正確，設(shè)備往入主機返回ACK，通知主機可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息;

2) 設(shè)備正在忙，無法往主機發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，通知主機再次發(fā)送數(shù)據(jù);

3) 相應(yīng)設(shè)備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務(wù)提前結(jié)束，總線直接進入空閑狀態(tài)。

3、SETUP事務(wù)：

令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為SETUP的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)包階段——比較簡單，就是主機會設(shè)備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個固定為8個字節(jié)的DATA0包，這8個字節(jié)的內(nèi)容就是標準的USB設(shè)備請求命令(共有11條，具體請看問題七)

握手包階段——設(shè)備接收到主機的命令信息后，返回ACK，此后總線進入空閑狀態(tài)，并準備下一個傳輸(在SETUP事務(wù)后通常是一個IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸)

(四)傳輸：

傳輸由OUT、IN、SETUP事務(wù)其中的事務(wù)構(gòu)成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉(zhuǎn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)一樣，同步傳輸有最簡單的結(jié)構(gòu)，而控制傳輸是最重要的也是最復(fù)雜的傳輸。

1、中斷傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于鍵盤、鼠標等HID設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸中

2、批量傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線忙時，USB會優(yōu)先進行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，而暫時停止批量轉(zhuǎn)輸。如U盤

3、同步傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中是沒有返回包階段的;第二，在數(shù)據(jù)包階段所有的數(shù)據(jù)包都為DATA0，如視頻音頻傳輸

4、控制傳輸：最重要的也是最復(fù)雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構(gòu)成(初始設(shè)置階段、可選數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟)，每一個階段可以看成一個的傳輸，也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構(gòu)成的，用來于

USB設(shè)備初次加接到主機之后，主機通過控制傳輸來交換信息，設(shè)備地址和讀取設(shè)備的描述符，使得主機識別設(shè)備，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，這是每一個USB開發(fā)者都要關(guān)心的問題。

1、初始設(shè)置步驟：就是一個由SET事務(wù)構(gòu)成的傳輸

2、可選數(shù)據(jù)步驟：就是一個由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設(shè)置步驟有沒有要求讀/寫數(shù)據(jù)(由SET事務(wù)的數(shù)據(jù)包階段發(fā)送的標準請求命令決定)

3、 狀態(tài)信息步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成構(gòu)成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務(wù)和之前的INT和OUT事務(wù)有兩點不同：

1) 傳輸方向相反，通常IN表示設(shè)備往主機送數(shù)據(jù)，OUT表示主機往設(shè)備送數(shù)據(jù);在這里，IN表示主機往設(shè)備送數(shù)據(jù)，而OUT表示設(shè)備往主機送數(shù)據(jù)，這是為了和可選數(shù)據(jù)步驟相結(jié)合;

2) 在這個步驟里，數(shù)據(jù)包階段的數(shù)據(jù)包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16

除了以上兩點有區(qū)別外，其他的一樣，這里就不多說

(思考：這些傳輸模式在實際操作中應(yīng)如何通過什么方式去設(shè)置?)

問題五：標識碼有哪些?

答案五：

如同前 面所說的標識碼由四位數(shù)據(jù)組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規(guī)范里面，只用了十種標識碼，USB2.0使用了十六種標識碼，標識碼的作用是 用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯(lián)系在一起的，首先簡單介紹一下數(shù)據(jù)包的類型，數(shù)據(jù)包分為令牌包、數(shù)據(jù)、握手包和特殊包四種(具體分類請看問題七)，標 識碼分別有以下十六種：

令牌包 :

數(shù)據(jù)包 :

握手包:

特殊包 0x0C 前導(dǎo)，用于啟動下行端口的低速設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸

問題六：USB主機是如何識別USB設(shè)備的?

答案六：

當USB設(shè)備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設(shè)備進行枚舉配置(配置是屬于枚舉的一個態(tài)，態(tài)表示暫時的狀態(tài))，這這些態(tài)如下：

1、接入態(tài)(Attached)：設(shè)備接入主機后，主機通過檢測信號線上的電平變化來發(fā)現(xiàn)設(shè)備的接入;

2、供電態(tài)(Powered)：就是給設(shè)備供電，分為設(shè)備接入時的默認供電值，配置階段后的供電值(按數(shù)據(jù)中要求的最大值，可通過編程設(shè)置)

3、缺省態(tài)(Default)：USB在被配置之前，通過缺省地址0與主機進行通信;

4、地址態(tài)(Address)：經(jīng)過了配置，USB設(shè)備被復(fù)位后，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通信，這種狀態(tài)就是地址態(tài);

5、配置態(tài)(Configured)：通過各種標準的USB請求命令來獲取設(shè)備的各種信息，并對設(shè)備的某此信息進行改變或設(shè)置。

6、掛起態(tài)(Suspended)：總線供電設(shè)備在3ms內(nèi)沒有總線***作，即USB總線處于空閑狀態(tài)的話，該設(shè)備就要自動進入掛起狀態(tài)，在進入掛起狀態(tài)后，總的電流功耗不超過280UA。

問題七：剛才在答案四提到的標準的USB設(shè)備請求命令究竟是什么?

答案七：

標準的 USB設(shè)備請求命令是用在控制傳輸中的“初始設(shè)置步驟”里的數(shù)據(jù)包階段(即DATA0，由八個字節(jié)構(gòu)成)，請看回問答四的內(nèi)容。標準USB設(shè)備請求命令共 有11個，大小都是8個字節(jié)，具有相同的結(jié)構(gòu)，由5個字段構(gòu)成(字段是標準請求命令的數(shù)據(jù)部分)，結(jié)構(gòu)如下(括號中的數(shù)字表示字節(jié)數(shù)，首字母bm,b,w 分別表示位圖、字節(jié)，雙字節(jié))：

bmRequestType(1)+bRequest(1)+wvalue(2)+wIndex(2)+wLength(2)

各字段的意義如下：

1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0

2、 bRequest：請求命令代碼，在標準的USB命令中，每一個命令都定義了編號，編號的值就為字段的值，編號與命令名稱如下(要注意這里的命令代碼要與 其他字段結(jié)合使用，可以說命令代碼是標準請求命令代碼的核心，正是因為這些命令代碼而決定了11個USB標準請求命令)：

以上的11個命令要說得明白真的有一匹布那么長，請各位去看書吧，這里就不多說了，控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是控制傳輸?shù)闹匦?，所以這11個命令是重中之重，這個搞明白了，USB就算是入門了。

問題八：在標準的USB請求命令中，經(jīng)常會看到Descriptor，這是什么來的呢?

答案八：

Descriptor即描述符，是一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以通過C語言等編程實現(xiàn)，并存儲在USB設(shè)備中，用于描述一個USB設(shè)備的所有屬性，USB 主機是通過一系列命令來要求設(shè)備發(fā)送這些信息的。它的作用就是通過如問答節(jié)中的命令***作來給主機傳遞信息，從而讓主機知道設(shè)備具有什么功能、屬于哪一 類設(shè)備、要占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數(shù)據(jù)量的大小，只有主機確定了這些信息之后，設(shè)備才能真正開始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌 握。標準的描述符有5種，USB為這些描述符定義了編號：

上面的描述符之間有一定的關(guān)系，一個設(shè)備只有一個設(shè)備描述符，而一個設(shè)備描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述符可以包含多個接口描述符，一個接口使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這間描述符是用一定的字段構(gòu)成的，分別如下說明：

1、設(shè)備描述符

2、配置描述符

3、字符描述符

4、接口描述符

5、端點描述符

在搞明白了上面的八個問題之后，就可以進入USB的下一步學(xué)習(xí)了。

審核編輯：湯梓紅