开云-新手都能看懂的 USB 通信协议

新手都能看懂的 USB 通讯和谈 时候：2024-12-13 21:37:25 手机看文章

扫描二维码随时随地手机看文章

USB接口到处可见，手机、电脑、电视，和各类电子产物充电口（固然是USB-C，但它也是USB)都有USB的身影。

USB利用很是普遍，良多嵌入式装备也具有USB通讯能力，这里给大师分享一下USB通讯和谈首要内容，新手都能看大白（固然，最好仍是有必然通讯和谈根本才行）。

1、根基概念 一个【传输】(节制、批量、中止、等时)：由多个【事务】构成；一个【事务】(IN、OUT、SETUP)：由一多个【Packet】构成。USB数据在【主机软件】与【USB装备特定的端点】间被传输。【主机软件】与【USB装备特定的端点】间的联系关系叫做【pipes】。一个USB装备可以有多个管道(pipes)。 2、包(Packet) 包（Packet）是USB系统中信息传输的根基单位，所稀有据都是颠末打包后在总线上传输的。数据在 USB总线上的传输以包为单元，包只能在帧内传输。高速USB 总线的帧周期为125us，全速和低速 USB 总线的帧周期为 1ms。帧的肇端由一个特定的包（SOF 包）暗示，帧尾为 EOF。EOF不是一个包，而是一种电平状况，EOF时代不答应稀有据传输。留意：固然高速USB总线和全速/低速USB总线的帧周期纷歧样，可是SOF包中帧编号的增添速度是一样的，由于在高速USB系统中，SOF包中帧编号现实上获得是计数器的高11位，最低三位作为微帧编号没有利用，是以其帧编号的增添周期也为 1mS

USB总线上的景象是如何的？

包是USB总线上数据传输的最小单元，不克不及被打断或干扰，不然会激发毛病。若干个数据包构成一次事务传输，一次事务传输也不克不及打断，属在一次事务传输的几个包必需持续，不克不及跨帧完成。一次传输由一次到屡次事务传输组成，可以跨帧完成。USB包由五部门构成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、轮回冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的根基格局以下图：

1.1 PID类型(即包类型)

1.2 Token Packets

此格局合用在IN、OUT、SETUP、PING。PID 数据传输标的目的IN Device- HostOUT Host- DeviceSETUP Host- DevicePING Device- Host 1.3 Start-of-Frame(SOF) Packets SOF包由Host发送给Device。

对full-speed总线，每隔1.00 ms ±0.0005 ms发送一次；

对high-speed总线，每隔125 μs ±0.0625 μs发送一次；

SOF包组成以下图所示

1.4 Data Packets

有四种类类型的数据包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID来辨别。DATA0和DATA1被界说为撑持数据切换同步(data toggle synchronization)。 1.5 Handshake Packets

ACK: 对IN事务，它将由host发出；对OUT、SETUP和PING事务，它将由device发出。

NAK: 在数据阶段，对IN事务，它将由device发出；在握手阶段，对OUT和PING事务，它也将由device发出；host从不发送NAK包。 2、事务(Transaction) 在USB上数据信息的一次领受或发送的处置进程称为事务处置（Transaction）即：The delivery of service to an endpoint。一个事务由一系统packet构成，具体由哪些packet构成，它取决在具体的事务。可能由以下包构成： 一个token packet 可选的data pcket 可选的handshake packet 可选的special packet 2.1 输入（IN）事务处置 输入事务处置：暗示USB主机从总线上的某个USB装备领受一个数据包的进程。

【正常】的输入事务处置

【装备忙】时的输入事务处置

【装备犯错】时的输入事务处置

2.2. 输出（OUT）事务处置 输失事务处置：暗示USB主机把一个数据包输出到总线上的某个USB装备领受的进程。

【正常】的输失事务处置

【装备忙时】的输失事务处置

【装备犯错】的输失事务处置

2.3 设置（SETUP）事务处置

【正常】的设置事务处置

【装备忙时】的设置事务处置

【装备犯错】的设置事务处置

3、USB传输类型 在USB的传输中，界说了4种传输类型：

节制传输 (Control Transfer)

中止传输 (Interrupt Transfer)

批量传输 (Bulk Transfer)

同步传输 (Isochronous)

3.1 节制传输 (Control Transfer) 节制传输由2～3个阶段构成：

成立阶段(Setup)

数据阶段（无数据节制没有此阶段）(DATA)

状况阶段(Status)

每一个阶段都由一次或屡次（数据阶段）事务传输构成（Transaction）。节制数据由USB系统软件用在设置装备摆设装备(在列举时)，其它的驱动软件可以选择利用control transfer实现具体的功能，数据传输是不成丢掉的。 3.1.1 成立阶段 主机从USB装备获得设置装备摆设信息，并设置装备的设置装备摆设值。成立阶段的数据互换包括了SETUP令牌封包、紧随厥后的DATA0数据封包和ACK握手封包。它的感化是履行一个设置（概念迷糊）的数据互换，并界说此节制传输的内容(即：在Data Stage中IN或OUT的data包个数，和发送标的目的，在Setup Stage已被设定)。

3.1.2 数据阶段 按照数据阶段的数据传输的标的目的，节制传输又可分为3种类型：

节制读取（读取USB描写符）

节制写入（设置装备摆设USB装备）

无数据节制

数据传输阶段：用来传输主机与装备之间的数据。

节制读取

是将数据从装备读到主机上，读取的数据USB装备描写符。该进程以下图的【Control Read】所示。对每个数据信息包而言，起首，主机遇发送一个IN令牌信息包，暗示要读数据进来。然后，装备将数据经由过程DATA1/DATA0数据信息包回传给主机。最后，主机将以以下的体例加以响应：当数据已准确领受时，主机送出ACK令牌信息包；当主机正在繁忙时，发出NAK握手信息包；当产生了毛病时，主机发出STALL握手信息包。

节制写入

是将数据从主机传到装备上，所传的数据即为对USB装备的设置装备摆设信息，该进程以下的图【Control Wirte】所示。对每个数据信息包而言，主机将会送出一个OUT令牌信息包，暗示数据要送出去。紧接着，主机将数据经由过程DATA1/DATA0数据信息包传递至装备。最后，装备将以以下体例加以响应：当数据已准确领受时，装备送出ACK令牌信息包；当装备正在繁忙时，装备发出NAK握手信息包；当产生了毛病时，装备发出STALL握手信息包。

3.1.3 状况阶段 状况阶段：用来暗示全部传输的进程已完全竣事。状况阶段传输的标的目的必需与数据阶段的标的目的相反，即本来是IN令牌封包，这个阶段应为OUT令牌封包；反之，本来是OUT令牌封包，这个阶段应为IN令牌封包。对【节制读取】而言，主机遇送出OUT令牌封包，厥后再随着0长度的DATA1封包。而此时，装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【节制写入】传输，主机遇送出IN令牌封包，然后装备送出暗示完成状况阶段的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握手封包。 3.2 批量传输 (Bulk Transfer) 用在传输年夜量数据，要求传输不克不及犯错，但对时候没有要求，合用在打印机、存储装备等。批量传输是靠得住的传输，需要握手包来注解传输的成果。若数据量比力年夜，将采取屡次批量事务传输来完玉成部数据的传输，传输进程中数据包的PID 依照 DATA0-DATA1-DATA0-…的体例翻转，以包管发送端和领受真个同步。USB 答应持续 3次以下的传输毛病，会重试该传输，若成功则将毛病次数计数器清零，不然累加该计数器。跨越三次后，HOST 认为该端点功能毛病（STALL），抛却该端点的传输使命。一次批量传输（Transfer）由 1 次到屡次批量事务传输（Transaction）构成。翻转同步：发送端依照 DATA0-DATA1-DATA0-…的挨次发送数据包，只有成功的事务传输才会致使 PID 翻转，也就是说发送端只有在领受到 ACK 后才会翻转 PID，发送下一个数据包，不然会重试本次事务传输。一样，若在领受端发现领受到到的数据包不是依照此挨次翻转的，好比持续收到两个 DATA0，那末领受端认为第二个 DATA0 是前一个 DATA0 的重传。它经由过程在硬件级履行“毛病检测”和“重传”来确保host与device之间“正确无误”地传输数据，便可靠传输。它由三种包构成(即IN事务或OUT事务)：

token

data

handshake

For IN Token (即：IN Transaction)

ACK: 暗示host准确无误地领受到数据

NAK: 唆使装备临时不克不及返回或领受数据 (如：装备忙)

STALL:唆使装备永久住手，需要host软件的干涉干与 (如：装备犯错)

For OUT Token (即：OUT Transaction)

假如领受到的数据包有误，如：CRC毛病，Device不发送任何handshake包

ACK: Device已准确无误地领受到数据包，且通知Host可以按挨次发送下一个数据包

NAK: Device 已准确无误地领受到数据包，且通知Host重传数据，因为Device姑且状态(如buffer满)

STALL: 唆使Device endpoint已住手，且通知Host不再重传

Bulk读写序列

即由一系统IN事务或OUT事务构成。3.3 中止传输(Interrupt Transfer)中止传输由IN或OUT事务构成。中止传输在流程上除不撑持PING 以外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区分也仅在在事务传输产生的端点纷歧样、撑持的最年夜包长度纷歧样、优先级纷歧样等如许一些对用户来讲透明的工具。主机在排定中止传输使命时，会按照对应中止端点描写符中指定的查询距离倡议中止传输。中止传输有较高的优先级，仅次在同步传输。一样中止传输也采取PID翻转的机制来包管收发端数据同步。下图为中止传输的流程图。中止传输体例老是用在对装备的查询，以肯定是不是稀有据需要传输。是以中止传输的标的目的老是从USB装备到主机。

DATA0或DATA1中的包括的是中止信息，而不是中止数据。 3.4 同步传输(Isochronous Transfer)

它由两种包构成：

token

data

同步传输不撑持“handshake”和“重传能力”，所以它是不成靠传输。同步传输是不成靠的传输，所以它没有握手包，也不撑持PID翻转。主机在排定事务传输时，同步传输有最高的优先级。同步传输合用在必需以固定速度抵达或在指按时刻抵达，可以容忍偶然毛病的数据上。及时传输一般用在麦 克风、喇叭、UVC Camera等装备。及时传输只需令牌与数据两个信息包阶段，没有握手包，故数据传错时不会重传。

欲知详情，请下载word文档 下载文档