適合新手的USB 2.0 協(xié)議內(nèi)容

嵌入式專欄

作者 | strongerHuang微信公眾號(hào) | strongerHuang
USB在我們生活中應(yīng)用非常廣泛，但絕大部分工程師都只注重USB應(yīng)用層的開發(fā)，很少有人去了解USB更底層的一些技術(shù)。
USB網(wǎng)絡(luò)
USB物理層網(wǎng)絡(luò)為分層星型網(wǎng)絡(luò)：一臺(tái)主機(jī)和若干從設(shè)備。USB 2.0 網(wǎng)絡(luò)最多可支持127個(gè)外部節(jié)點(diǎn)，由于信號(hào)傳播的時(shí)序限制，允許的最大層數(shù)為七個(gè)：

主機(jī)（總線主控器）的一層

集線器和設(shè)備六層

Hub：集線器，提供了附加的連接點(diǎn)，每個(gè)集線器將單個(gè)連接點(diǎn)轉(zhuǎn)換為多個(gè)連接點(diǎn)，也稱為端口。
Func：即Function功能，為系統(tǒng)提供了發(fā)送或接收數(shù)據(jù)和控制信息的功能，每個(gè)unc包含描述設(shè)備功能和資源要求的配置信息。
Compound Device：復(fù)合設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)多種功能并包括嵌入式集線器的物理程序包。復(fù)合設(shè)備在主機(jī)上看起來像是帶有一個(gè)或多個(gè)不可移動(dòng)USB設(shè)備的集線器。
星形網(wǎng)絡(luò)對(duì)于以主機(jī)為中心的開發(fā)人員，USB網(wǎng)絡(luò)看起來像是星形網(wǎng)絡(luò)。集線器不會(huì)引起任何編程復(fù)雜性，并且就程序員而言是透明的。
無論是直接連接到根集線器還是通過中間集線器連接，USB設(shè)備的工作方式都相同。在主/從網(wǎng)絡(luò)中，所有USB設(shè)備都可用作可尋址節(jié)點(diǎn)，只有主機(jī)才能啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸。

提示：

任何USB網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主機(jī)。

在第七層中只能啟用功能。

復(fù)合設(shè)備占據(jù)兩層。
USB傳輸速率
USB的傳輸速率經(jīng)過一代一代發(fā)展，越來越快了，在2019年推出的USB 4 傳輸速率高達(dá)40Gbps。目前流行的USB 3.1、 3.2的傳輸速率其實(shí)已經(jīng)很高了，對(duì)于絕大部分應(yīng)用，這個(gè)速率完全沒問題。
早期的USB傳輸速率相對(duì)于現(xiàn)在很低，但在那個(gè)時(shí)候，傳輸速率其實(shí)已經(jīng)很高了。

（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）
USB通信
USB是輪詢總線，USB主機(jī)在其中啟動(dòng)所有數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)往返于USB設(shè)備中的端點(diǎn)。
USB主機(jī)中的客戶端將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，但沒有端點(diǎn)。USB主機(jī)和外圍USB設(shè)備具有不同的層，如下圖：

層之間的連接是每層之間的邏輯主機(jī)設(shè)備接口。在邏輯連接之間，使用管道（Pipes）傳輸數(shù)據(jù)。
想要理解USB通訊（上圖結(jié)構(gòu)），需要理解其中每項(xiàng)內(nèi)容含義。
1.Pipes 管道包含兩種類型的管道：Message pipes（消息管道）和 Stream pipes（流管道）。
消息管道：具有定義的USB格式，并且受主機(jī)控制。消息管道允許數(shù)據(jù)雙向流動(dòng)，并且僅支持控制傳輸。
流管道：沒有定義的USB格式，可以由主機(jī)或設(shè)備控制。數(shù)據(jù)流具有預(yù)定義的方向，即IN或OUT。流管道支持中斷傳輸，同步傳輸和批量傳輸。
2.Transfers傳輸傳輸包含四種：

Control Transfers：控制傳輸

Interrupt Transfers：中斷傳輸

Isochronous Transfers：同步傳輸

Bulk Transfers：批量傳輸
控制傳輸：通常用于設(shè)置USB設(shè)備。他們始終使用IN / OUT端點(diǎn)0。中斷傳輸：可用于定期發(fā)送數(shù)據(jù)的地方，例如狀態(tài)更新。同步傳輸：傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如音頻和視頻。它們具有保證的固定帶寬，但沒有錯(cuò)誤檢測(cè)。批量傳輸：可用于在時(shí)間不重要的情況下向打印機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
3.Endpoints端點(diǎn)端點(diǎn)可以描述為數(shù)據(jù)源或接收器，存在于USB設(shè)備中，可以從USB主機(jī)接收或等待將其存儲(chǔ)在端點(diǎn)上的數(shù)據(jù)。
端點(diǎn)可作為一種緩沖區(qū)，例如，USB主機(jī)的客戶端可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到端點(diǎn)1。來自USB主機(jī)的數(shù)據(jù)將發(fā)送到OUT端點(diǎn)1。準(zhǔn)備就緒后，控制器上的程序?qū)⒘⒓醋x取數(shù)據(jù)。
USB協(xié)議
USB是輪詢總線，主機(jī)在其中啟動(dòng)所有數(shù)據(jù)交換，但USB協(xié)議主從都要遵從。USB協(xié)議的內(nèi)容比較復(fù)雜，本節(jié)從大方面簡(jiǎn)單描述其中的部分內(nèi)容。
1.數(shù)據(jù)傳輸管道模型的數(shù)據(jù)包通常包含：token、 data、 Status（或handshake）包。

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)包含：Sync、 Data、 EOP。

包可以被認(rèn)為是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚≡�素，每個(gè)數(shù)據(jù)包以當(dāng)前傳輸速率傳輸整數(shù)個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)包以同步模式開始，然后是數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后以數(shù)據(jù)包結(jié)束（EOP）信號(hào)結(jié)束。

所有USB數(shù)據(jù)包模式都首先發(fā)送最低有效位。在數(shù)據(jù)包之前和之后，總線處于空閑狀態(tài)。
2.描述符USB協(xié)議中，有很多描述符：設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符等。
a.設(shè)備描述符設(shè)備描述符（USB_DEVICE_DESCRIPTOR）包含了設(shè)備的基本信息：

b.配置描述符一個(gè)設(shè)備可以具有多種配置。主機(jī)可以選擇最符合應(yīng)用程序軟件要求的配置。

c.接口描述符接口描述符（USB_INTERFACE_DESCRIPTOR）是定義端點(diǎn)的集合，該接口支持適用于特定任務(wù)的一組管道。每個(gè)配置可以具有多個(gè)接口，USB主機(jī)可以動(dòng)態(tài)選擇該接口。

d.端點(diǎn)描述符端點(diǎn)描述符（USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR）指定為每個(gè)端點(diǎn)的傳輸類型，方向，輪詢間隔，以及最大分組大小等。


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