USB通信基础知识

时间：2023-03-10 06:24:49
USB通信基础知识

1 USB系统组成

主机：提供USB接口和接口管理功能的硬件、软件、固件的复合体。PC机或OTG设备，一个USB系统只能有一个主机

设备：1.集线器HUB：扩展主机接口，设备可以通过其接入主机  2.功能设备

物理连接：即USB电缆，USB使用差分信号传输数据，全速/高速模式电缆必须外层屏蔽铜质传输线，且差分数据线双绞。一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+、D-是差分输入线，使用的是3.3V电压，而电源线与地线可向设备提供5V电压，最大电流500mA。

2 USB拓扑结构

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每个系统只允许有一个HOST(主机)。允许的最大层数为6层(出去主机)；每层的电缆最大长度为5米，电缆总长度为30米；每层最大允许接5个DEVICE(设备)；

3 USB系统程序

1. 应用程序：应用程序运行与USB设备所连接的主机上。部分应用程序会由操作系统的主机提供，大部分应用程序由USB设备供应商提供。

2. 驱动程序：驱动程序服务于特定的操作系统，为USB设备提供支持。驱动程序通常由操作系统提供，独立于特定的应用程序和USB设备。

3. 主机端控制程序：包括硬件和软件，使USB设备能够被主机识别。

4 USB速度选择

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全速模式是在D+线上上拉1.5K的电阻。

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低速模式是在D-线上上拉1.5K的电阻。

5 USB信号描述

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差分信号：1：D+ > Voh(2.8V) and D- < Vol(0.3V)

0：D- > Voh and D+ < Vol

J状态：   Low Speed  ：Differential(差分信号) 0

Full Speed ：Differential(差分信号) 1

K状态：   Low Speed  ：Differential(差分信号) 1

Full Speed ：Differential(差分信号) 0

6 USB协议

6.1 USB基本规范

USB在逻辑上被分为三层：信号层、协议层、数据传输层。

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6.2 信号层

6.2.1设备速度的检测

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6.2.2 信号的编码

USB中的数据采用反向不归零编码方式(NRZI:none-return to zero inverted),并对D+和D-线所处的不同状态定义成J和K两种状态。

数据状态 D+ D-
低速J状态 0 1
低速K状态 1 0

数据的编码/解码(反向不归零码)

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说明：遇到0的边沿进行状态改变，如果是1保持原有状态

注：在数据进行NRZI编码前，每6个连续的1信号之后都会插入一个0信号，以免丢失同步。

6.3 协议层

包是USB系统中信息传输的基本单位，所有的数据都是经过打包后再总线上传输的。

每个包由6部分组成：同步字段(SYNC)、包标识符(PID)、地址字段(ADDR)、数据字段(DATA，包括帧号)、检验字段(CRC)、包结束(EOP)。

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6.3.1 包标识符(PID)

在USB协议中，USB有很多不同类型的包，通过PID来区分，PID格式如下：

(LSB)                                             (MSB)

PID0 PID1 PID2 PID3 USB通信基础知识 USB通信基础知识 USB通信基础知识 USB通信基础知识

包标识符PID是用来标识一个包的类型的。它总共有8位，其中USB协议使用的只有4位(PID0~PID3)，另外4位(PID4~PID7)是PID0~PID3的取反，用来校验PID。

PID类型 PID名 PID[6:0] 描述

令牌包

(Token)

输出(out)

输入(in)

帧起始(SOF)

建立(setup)

0x87

0x5A

0xA5

0xB4

Hose To Device 包中有地址+端口号

Device To Hose 包中有地址+端口号

Hose To Device 帧开始标记和帧号

Hose To Device 建立一个控制管道的事务 包中有地址+端口号

数据包

(data)

数据(data)

数据1(data1)

0xC3

0xD2

偶数据包(PID)

奇数据包(PID)

握手

(handshake)

确认(ack)

不确认(nack)

停止(stall)

0x4B

0x5A

0x1E

接收器无错的接收数据包

接收设备忙不能接收数据

设备出错通信不上

专用包

(special)

 前同步(PRE) 0x2C 主机发送的前同步字。用来区分低速和高速设备

6.3.2 地址段

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LSB                                  MSB

Addr0 Addr1 Addr2 Addr3 Addr4 Addr5 Addr6

设备地址

LSB               MSB                 +

Endp0 Endp1 Endp2 Endp3

端点地址

低速设备最多支持3个端点

全速和高速设备最多支持16个IN和OUT端点

6.3.3 数据段

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1 帧号有11位，主机每发出一个帧，帧号就会自加1；

2 当帧号达到7FFH时，将归零重新开始计数；

3 仅在每个SOF帧的帧首传输帧号

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根据传输类型的不同，数据域的数据长度从0到1024字节不等

6.3.4 CRC校验段

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令牌包(token CRC)

计算SOF Token帧号域的CRC,IN、OUT、SETUP Token地址域的CRC:

G(X) = X5 + X2 + 1

DATA CRC

所以数据域的CRC:

G(X) = X16 + X15 + X2 +1

6.4 Packet类型

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6.4.1 Token Packet

LSB                            MSB

Field PID ADDR ENDOP CRC5
Bits 8 7 4 5

例子：

SYNC SETUP ADDR ENDP CRC5 EOP
00000001 0xB4 3 0 0x0A 250.000ns

6.4.2 SOP Packet

LSB                         MSB

Field PID Frame number CRC5
Bits 8 11 5

例子：

SYNC SOF Frame # CRC5 EOP
00000001 0xA5 1611 0x11 250.000ns

 6.4.3 Data Packet

LSB                         MSB

Field PID DATA CRC16
Bits 8 0~1024 16

例子：

SYNC PID DATA CRC16 EOP
00000001 0xC3 80 06 00 01 00 00 12 00 0x072F 250.00ns

6.4.4 Handshake Packet

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例子：

SYNC ACK EOP
00000001 0x4B 233.330ns

6.5 数据传输层

USB提供4中传输方式

控制传输(control transfers):突发，非周期性，由主机发起，用于命令和状态的传输

同步传输(isochronous transfers):周期性，持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息

中断传输(interrput transfers):周期性，低频率，允许有限延迟的通信

大容量数据传输(bulk transfers):非周期性，大容量突发数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟

6.6 USB枚举过程

当一个USB设备插入主机后，会有以下活动：

供电
复位
获取device descriptor
复位(可选)
分配地址
获取(device descriptor)
获取(configuration descriptor)
获取(string descriptor)(可选)
配置


6.6.1 USB描述符

通过一套描述符，USB设备向USB主机描述自己的功能、属性、配置信息等

标准描述符：

设备描述符(device descriptor)、配置描述符(configuration descriptor)、接口描述符(interface descriptor)、端点描述符(endpoint descriptor)、字符串描述符(string descriptor)

6.6.1.1 设备描述符

描述设备的类型、厂商信息、USB的协议类型、端点的包数据的最大长度等，每个USB设备只有一个设备描述符。

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eg：

Joystick_DeviceDescriptor[]=

{

0x12,          //整个descriptor的长度；18个字节

0x01,          //descriptor类别

0x00,0x02,     //设备所遵循的USB版本号 USB2.0

0x00,          //设备所实现的类，由每个接口描述符描述所实现的类

0x00,          //设备所实现的子类，由每个接口描述符描述

0x00,          //设备所遵循的协议类别，由每个接口描述符描述

0x40,          //端点0的最大数据包长度，64个字节

0x83,0x04,     //供应商ID 0x0483

0x10,0x57,     //产品ID 0x5710

0x00,0x02;     //设备版本号 2.0

1,             //用于描述生成厂商的字符描述符的索引号

2,             //用于描述产品的字符描述符的索引号

3,             //用于描述产品序列号的字符描述符的索引号

0x01           //设备所支持的配置数目

}

6.6.1.2 配置描述符

每个配置描述符提供了设备特定的配置，描述了设备的接口和端点的性质、供电模式、设备的耗电

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6.6.1.3 接口描述符

描述了设备不同接口的特性，例如一个设备有U盘的功能又有键盘的功能，用两个接口描述符分别描述两个功能

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6.6.1.4 端点描述符

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6.6.1.5 字符串描述符

描述了设备制造商、设备名称、和序列号等信息

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6.7 EXAMPLE FOR DESCRIPTOR

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