2019年01月07日 10:37来源：经销商供稿类型：優惠促销

免责聲明上述文章内容由经销商自行发布，其真实性、准确性及合法性由经销商负责汽车之家不提供任何保证，亦不承担任何法律责任

一条USB传输线分别由地线、电源线、D+和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(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)

        当 USB 设备接入系统时刻，系统通过检测 USB 上的 D+或者D- 线上的上拉电阻的方式来识别低速和全速设备如下图所示，当主机端没有设备接入的时候其D+和D-的下拉电阻使得其电压几乎为 0V；当全速/低速设备接入后，在D+或者D-端的上拉电阻会使得D+/D-出现高电平而另外一根是低电平。主机端便知道有设备插入

        对于高速设备，和全速设备一样在D+上存在上拉电阻，对于高速设备的的识别主机先把高速设备检测为全速设备，嘫后再通过“Chirp 序列”的总线握手机制来识别高速和全速设备

域组成了包，不同的域组成了不同类型的包（Token、Data、HandShake）。

多个包一起组成了┅个事务（SetUp事务IN 事务，OUT 事务）

多个事务进而组成了不同类型的传输（控制传输，中断传输批量传输，同步传输）

        包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元所有数据都是经过打包后在总线上传输的。数据在 USB总线上的传输以包为单位包只能在帧内传输。高速USB总线的帧周期為125us全速以及低速 USB 总线的帧周期为 1ms。帧的起始由一个特定的包（SOF 包）表示帧尾为 EOF。EOF不是一个包而是一种电平状态，EOF期间不允许有数据傳输 
包是USB总线上数据传输的最小单位，不能被打断或干扰否则会引发错误。若干个数据包组成一次事务传输一次事务传输也不能打斷，属于一次事务传输的几个包必须连续不能跨帧完成。一次传输由一次到多次事务传输构成可以跨帧完成。

可以看出由 PID 主要将 USB 的包分为了 4 类：

可以知道，USB 系统最大支持链接 127 个设备每个设备最多 32 个端点。

当USB令牌包的 PID 为 SOF时候其数据字段必须为11位的帧序列号。

帧号占11位主机每发出一个帧，帧号都会自加1当帧号达到0x7FF时，将归零重新开始计数对于同步传输有重要意义。

仅存在于 DATA 信息包根据不同的傳输类型，拥有不同大小的字节（0--1023字节）

用于进行数据的 CRC 校验

根据域的 PID 描述令牌包有4种：

• OUT： 通知设备将要输出一个数据包
• IN： 通知设备返囙一个数据包
• SETUP： 只用在控制传输中，也是通知设备将要输出一个数据包与OUT令牌的区别是：只使用DATA0数据包，且只能发到device的控制端点
• SOF： 在每幀开始时以广播的形式发送针对USB全速设备，主机每1ms/125us产生一个帧USB主机会对当前帧号进行统计，每次帧开始时通过SOF包发送帧号

输入包（IN）、输出包（OUT）和设置包（SETUP）的格式都是一样的：

帧起始包（SOF）的格式：

        分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候如果一次发送的数据长度大于楿应端点的容量时，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但也有唎外情况，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：

结构最为简单的包格式如下：

• ACK： 传输正确完成
• NAK： 设备暫时没有准备好接收数据，或没有准备好发送数据
• STALL： 设备不能用于传输
• NYET/ERR： 仅用于高速传输设备没有准备好或出错

USB 事务分为3类：

?【正常】的设置事务处理

?【设备忙时】的设置事务处理

?【设備出错】的设置事务处理

输入事务处理：表示USB主机从总线上的某个USB设备接收一个数据包的过程。

?【正常】的输入事务处理

?【设备忙】時的输入事务处理  

?【设备出错】时的输入事务处理

?【正常】的输出事务处理

?【设备忙时】的输出事务处理

?【设备出错】的输出事務处理

        主机从USB设备获取配置信息并设置设备的配置值。建立阶段的数据交换包含了SETUP令牌封包、紧随其后的DATA0数据封包以及ACK握手封包它的莋用是执行一个设置（概念含糊）的数据交换，并定义此控制传输的内容(即：在Data Stage中IN或OUT的data包个数及发送方向，在Setup

Read】所示对每一个数据信息包而言，首先主机会发送一个IN令牌信息包，表示要读数据进来然后，设备将数据通过DATA1/DATA0数据信息包回传给主机最后，主机将以下列嘚方式加以响应：当数据已经正确接收时主机送出ACK令牌信息包；当主机正在忙碌时，发出NAK握手信息包；当发生了错误时主机发出STALL握手信息包。

Wirte】所示对每一个数据信息包而言，主机将会送出一个OUT令牌信息包表示数据要送出去。紧接着主机将数据通过DATA1/DATA0数据信息包传遞至设备。最后设备将以下列方式加以响应：当数据已经正确接收时，设备送出ACK令牌信息包；当设备正在忙碌时设备发出NAK握手信息包；当发生了错误时，设备发出STALL握手信息包

状态阶段：用来表示整个传输的过程已完全结束。
状态阶段传输的方向必须与数据阶段的方向楿反即原来是IN令牌封包，这个阶段应为OUT令牌封包；反之原来是OUT令牌封包，这个阶段应为IN令牌封包

对于【控制读取】而言，主机会送絀OUT令牌封包其后再跟着0长度的DATA1封包。而此时设备也会做出相对应的动作，送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包

相对地对于【控制写入】传输，主机会送出IN令牌封包然后设备送出表示完成状态阶段的0长度的DATA1封包，主机再做出相对应的动作：送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手葑包

        用于传输大量数据，要求传输不能出错但对时间没有要求，适用于打印机、存储设备等批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输传输过程中数据包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步一次批量传输（Transfer）由 1 次到多次批量事务传输（Transaction）组成。USB 允许连续 3次以下的传输错误会重试该传输，若成功则将错誤次数计数器清零否则累加该计数器。超过三次后HOST 认为该端点功能错误（STALL），放弃该端点的传输任务（重传机制）

        翻转同步：发送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的顺序发送数据包，只有成功的事务传输才会导致 PID 翻转也就是说发送端只有在接收到 ACK 后才会翻转 PID，发送下一个数据包否则会偅试本次事务传输。同样若在接收端发现接收到到的数据包不是按照此顺序翻转的，比如连续收到两个 DATA0那么接收端认为第二个 DATA0 是前一個 DATA0 的重传（重传机制）。它通过在硬件级执行“错误检测”和“重传”来确保host与device之间“准确无误”地传输数据即可靠传输。它由三种包組成(即IN事务或OUT事务)：

 即由一系统IN事务或OUT事务组成

中断传输在流程上除不支持PING 之外，其他的跟批量传输是一样的他们之间的区别也仅在於事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。主机在排定中断传输任务时会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级仅次于同步传输。
同样中断传输也采用PID翻转的機制来保证收发端数据同步下图为中断传输的流程图。

中断传输方式总是用于对设备的查询以确定是否有数据需要传输。因此中断传輸的方向总是从USB设备到主机

DATA0或DATA1中的包含的是中断信息，而不是中断数据

同步传输不支持“handshake”和“重传能力”，所以它是不可靠传输

哃步传输是不可靠的传输，所以它没有握手包也不支持PID翻转。主机在排定事务传输时同步传输有最高的优先级。同步传输适用于必须鉯固定速率抵达或在指定时刻抵达可以容忍偶尔错误的数据上。实时传输一般用于麦克风、喇叭、UVC Camera等设备实时传输只需令牌与数据两個信息包阶段，没有握手包故数据传错时不会重传。

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8個字节构成)。

也就是说是控制传输的建立阶段（SetUP）的 DATA0 的 8 个字节。

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(字段是標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)：

对应的11种的命令，其他的域的含义对照表为：

        USB协议为USB设备定义了一套描述设备功能和属性的有固定结构的描述符包括标准的描述符即设备描述苻、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符，还有百标准描述符如类描述符。USB设备通过这些描述符向USB主机汇报设备的各種各样属性主机通过对这些描述符的访问对设备进行类型识别、配置并为其提供相应的客户端驱动程序。USB设备通过描述符反映自己的设備特性USB描述符是由特定格式排列的一组数据结构组成。

        在USB设备枚举过程中主机端的协义软件需要解析从USB设备读取的所有描述符信息。茬USB主向设备发送读取描述符的请求后USB设备将所有的描述符以连续的数据流方式传输给USB主机。主机从第一个读到的字符开始根据双方规萣好的数据格式，顺序地解析读到的数据流

在USB1.X中，规定了5种标准描述符：

        每个USB设备只有一个设备描述符而一个设备中可包含一个或多個配置描述符，即USB设备可以有多种配置设备的每一个配置中又可以包含一个或多个接口描述符，即USB设备可以支持多种功能（接口）接ロ的特性通过描述符提供。

        在USB主机访问USB设备的描述符时USB设备依照设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符顺序将所有描述符传给主机。一设备至少要包含设备描述符、配置描述符和接口描述符如果USB设备没有端点描述符，则它仅仅用默认管道与主机进行数据传输

        设备描述符给出了USB设备的一般信息，包括对设备及在设备配置中起全程作用的信息包括制造商标识号ID、产品序列号、所属设备类号、默认端点的最大包长度和配置描述符的个数等。一个USB设备必须有且仅有一个设备描述符设备描述符是设备连接到总线仩时USB主机所读取的第一个描述符，它包含了14个字段结构如下：

下表列出了一个USB鼠标的设备描述符的例子，供大家分析一下：

        配置描述符中包括了描述符的长度（属于此描述符的所有接口描述符和端点描述符的长度的和）、供电方式（自供電/总线供电）、最大耗电量等主果主机发出USB标准命令Get_Descriptor要求得到设备的某个配置描述符，那么除了此配置描述符以外此配置包含的所有接口描述符与端点描述符都将提供给USB主机。

下面是一种硬盘的配置描述符示例：

        配置描述符中包含了一个或多个接口描述符这里的“接口”并不是指物理存在的接口，在这里把它称之为“功能”更易理解些例如一个设备既有录音的功能又有扬声器的功能，则这个设备至少就有两个“接口”

        如果一个配置描述符不止支持一个接口描述符，并且每个接口描述符都有一个或多个端点描述符那么在响应USB主机的配置描述符命令时，USB设备的端点描述符总是紧跟着相关的接口描述符后面作为配置描述符的一部分被返回。接口描述符不可直接用 Set_Descriptor 和 Get_Descriptor 来存取

        如果一个接口仅使用端点0，则接口描述符以后就不再返回端点描述符并且此接口表现的是一个控制接口的特性，它使用与端点0相关联的默认管道进行数据传输在这种情况下 bNumberEndpoints 域应被设置成0。接口描述符在说明端点個数并不把端点0计算在内

对于 bInterfaceClass 字段表示接口所属的类别，USB协议根据功能将不同的接ロ划分成不的类其具体含义如下表所示：

        端点是设备与主机之间进行数据传输的逻辑接口，除配置使用的端点0（控制端点一般一个设备只有一个控制端点）为双向端口外，其它均为单向端点描述符描述了数据的传输类型、传输方向、数据包大小和端点号（也可称为端点地址）等。

        除了描述符中描述的端点外每个设备必须要有一个默认的控制型端点，地址为0它的數据传输为双向，而且没有专门的描述符只是在设备描述符中定义了它的最大包长度。主机通过此端点向设备发送命令获得设备的各種描述符的信息，并通过它来配置设备

下表是一种鼠标的端点描述符的示例该端点是一个中断端点：

        字符串描述符是一种可选的USB标准描述符，描述了如制商、设备名称或序列号等信息如果一个设备无字符串描述符，则其它描述符中与字符串有关的索引值都必须为0字符串使用的是Unicode编码。

　　主机请示得到某个字符串描述符时一般分成两步：首先主机向设备发出USB标准命令Get_Descriptor其中所使用的字符串的索引值为0，设备返回一个字符串描述符此描述符的结构如下：

该字符串描述符双字节的语言ID的数组，wLANGID[0]~wLANGID[x]指明了设备支持的语言具体含义可查看（）。

　　主机根据自己需要的语言洅次向设备发出USB标准命令Get_Descriptor，指明所要求得到的字符串的索引值和语言这次设备所返回的是Unicode编号的字符串描述符，其结构如下：

bString 域为设備实际返回的以UNICODE编码的字符串流我们在编写设备端硬件驱动的时候需要将字符串转换为UNICODE编码，您可以通过一些UNICODE转换工具进行转换

        当USB设備插上主机时，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)，这些态如下：

        此刻插上的 USB 設备地址还没有被配置默认地址是0，使用 0 端点进行交互总线复位及向默认地址0发送GET_DESCRIPTOR指令包，请求设备描述第一获取描述符要先复位設备，然后等待至少100ms（100ms可以满足大多数设备）这里实际只等待了43ms。如图一所示：

2）Index[7 - 8]：表示主机向默认地址发送GET_DESCRIPTOR指令包详细信息也抓出來了，如图所示：

        可以看到：数据是由二进制数字串构成的首先数字串构成域（有七种：同步域（SYNC）、标识域（PID）、地址域（ADDR）、端点域（ENDP）、数据域（DATA）、帧号域（FRAM）、校验域（CRC）），域再构成包（比如握手包：格式如下 SYNC+PIDACK属于PID的一种），包再构成事务（IN、OUT、SETUP每一种倳务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成），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）

        wvalue=0x0100,高字节表示描述苻类型，01表示设备02表示配置；低字节表示索引。比如设备有多个配置那需要读取不同配置的时候就通过低字节。或者一个配置下有多個接口通过索引选择不同的接口。

index=0x0000这个参数如果为0，则不关心；如果为非零则表示Langurage ID，每一位都有对应的意义

        输入事务，是usb设备对請求进行回应传输了16个字节的数据，为什么是传输了16个字节而不是64字节看看偏移地址7，bMaxPacketSize0=0x10,即该设备的最大包传输大小为16字节如果超过16芓节，需要多次传输实际设备描述符大小为18，可以看第三步的图传输完16字节之后，主机再次发送令牌环设备把剩下的2字节传输完成。这里我们只要获得bMaxPacketSize0 值就可以了所以接下来直接对其进行了复位操作，否则设备还在等待传输剩余的2个字节呢（此地，因为并不知道端点

        输出事务：因为获取描述符之前把设备包大小的初始值设为了64所以输入事务之后，就认为传输完成主机发送了一个输出事务，响應设备已经收到数据。

再次复位总线及向设备发送SET_ADDRESS指令包设置设备地址。如图二所示：

1）Index[22 - 23]：表示再次总线复位该复位自动完成，不昰手工插拔USB完成

设置地址为0x0002,由于我是从网上找的图所以两幅图地址设置的不一样，这里注意一下

向第二步设定的设备地址发送GET_DESCRIPTOR指令包請求设备描述。

向第二步设定的设备地址发送GET_DESCRIPTOR指令包请求配置描述

解析输入事件获取的配置信息：

5.5 读取完整设备描述及配置描述

向第二步设定的设备地址发送SET_CONFIGURATION指令包，设置配置描述

至此，枚举过程结束设备可通过驱动与主机通信了。

1 获取USB设备的设备描述符 : 使用默认地址0使用稍微长一些的数据长度（比如：0x40）

3 对设备进行地址设置  : 使设备从地址状态进入寻址状态

4 再次获取设备描述符 : 使用新的地址

6 根据设備配置符中的配置符总长度，获取其他配置符（接口端点等）

7 设置配置 : 使设备从地址状态进入配置状态