標題: USB開發(fā)學習筆記 [打印本頁]
作者: heise    時間: 2014-8-18 02:39
標題: USB開發(fā)學習筆記
                        USB概述USB為目前廣泛被使用的一種串行通訊協(xié)議，它包含USB1.0 USB1.1 USB2.0 USB3.0，其中USB1.0USB1.1支持低速模式（1.5Mb/S）與全速模式(12Mb/s)，USB2.0還支持高速模式（480Mb/s）,USB3.0在做到兼容前面的同時，自己的速度提升到高達5Gbps全雙工...
USB是一種主從通信模式，通信過程由主機（host）發(fā)起，從機（device）只能被動的負責應答，通信只能在主機與從機之間進行...
為了突破主從通信模式對通信的限制，出現(xiàn)了USBOTG，USB設備可以靈活的工作在主機或者從機這兩種狀態(tài)下，這樣設備與設備之間通過模式切換就可以進行工作，大大提高了USB的使用范圍
USB的拓撲結(jié)構(gòu)
主機可以有 一個或者多個USB主控制器（host controller）和根集線器（roothub）,主控制器負責數(shù)據(jù)的處理，而集線器一個接口與通路為主機與設備，一個主控制器可以通過集線器為USB設備提供多個USB接口，但是這些接口總的帶寬是不變的，在集線器的作用下，集線器可以形成多層嵌套，但是有一定的限制，在USB1.1中，HUB的層數(shù)最多只能為4層，USB2.0規(guī)定做多為6層，一個USB控制器理論上通過集線器擴展接口后，最多可以掛接127個設備，因為USB協(xié)議規(guī)定每一個USB設備具有一個7bit的地址
USB的電氣特性
USB接口使用的是差分電平傳輸，在低速與全速模式下，使用的電壓傳輸，在高速模式下，使用的是電流傳輸；
標準的USB連接線使用的是4芯電纜，其中包括Vbus D- D+ GND（在USB OTG中連接線為5條，多了一天身份識別線ID）
USB在傳輸過程使用的是NRZI編碼方式，
USB協(xié)議規(guī)定，設備在未配置之前，從Vbus上獲取的電流最多是100mA,在配置之后，最多可以從Vbus上獲取的電流為500mA,,Vbus的電壓為5V，
USB的插入檢測機制
在USB集線器引出的各個子USB物理接口上，D+D-分別接了一個15K的下拉電阻到地，因此在沒有設備插入的情下，D+ D-呈現(xiàn)低電平，而在USB的設備端，D+或D-接了一個1.5K的上拉電阻到3.3V的電源（具體接在D+還是D-上，由具體的設備決定）--->速度快的，上拉電阻接正的，速度慢的，上拉電阻接負的；
當設備插入到集線器上的接口時，集線器下的相應端口的V+或V-，就會出現(xiàn)電平變化，由串聯(lián)公式可以知道這時V+或V-上的電壓大概為3V，一個高電平信號給了集線器，集線器在將這個狀態(tài)上報給控制器，這樣就檢測到了設備的插入，
如果是USB的高速設備在插入到集線器上時，先被識別成全速設備，通過集線器與設備的雙方確定后，再轉(zhuǎn)到高速模式，由于高速模式下，為電流傳輸，所以這時D+上的上拉電阻需要斷開。
USB的各描述符之間的關系
USB1.1中，USB協(xié)議包含的描述符有設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、
USB2.0中，新增加了device qualifierDescriptor and Other Speed Configure Descriptor;
一個設備只能有一個設備描述符，該設備描述符決定有多少種配置，每一種配置都有一個配置描述符，在每個配置描述符里面又定義了有多少個接口，每一個接口有一個接口描述符，每一個接口描述符又定義了接口描述符中有多少個端點，每個端點又有一個端點描述符，端點描述符描述了該端點的大小以及類型等信息。
各描述符詳細的描述信息請大家參考具體USB開發(fā)指南。
USB設備有一個USB設備地址，USB主機通過該設備地址訪問USB設備，但是在USB設備內(nèi)，他包含很多個端點，所以僅有設備地址還不夠，還必須要有端點地址，有了這兩個地址后，USB主機就可以準確地與USB設備的端點發(fā)送與接收數(shù)據(jù)了
USB設備的枚舉過程
USB設備在檢測到USB設備插入之后，就要對設備進行枚舉，枚舉就是獲取設備的各種描述符信息，這樣主機方便加載合適的驅(qū)動程序；
在設備的枚舉過程中，使用的是控制傳輸以確保數(shù)據(jù)的正確性
USB包結(jié)構(gòu)以及傳輸過程
USB為串行傳輸，LSB在前，最后是MSB，
USB總線上的傳輸數(shù)據(jù)是以包為基本單位，一個包被分成很多個域，LSB與MSB是以域為單位來劃分的；
不同的包有共同的特性，就是都以同步域開始，緊跟著一個包標識符（PID），最終以包結(jié)束符（EOP）來結(jié)束一個包，其中的同步域的作用是通知USB串行接口數(shù)據(jù)即將開始傳輸，做好準備，同步域還可以用來同步主機端與設備端的數(shù)據(jù)時鐘，因為同步域是一串0開始，而0在總線上傳輸時經(jīng)過編碼為電平跳轉(zhuǎn)。
對于全速與低速設備，同步域使用的是00000001（二進制數(shù)在總線上的發(fā)送順序），對于高速設備，同步域使用的是31個0，后面跟個1（這些要求針對的對象是主機）；
包結(jié)束符（EOP），對于全速、低俗與高速設備也是不一樣的，全、低速設備的EOP是一個大約2個數(shù)據(jù)寬度的單端0（SE0->即D+D-同時為低電平）信號，【對設備的復位就是將SE0狀態(tài)如果保持10mS、】，而對于全速設備EOP是使用故意的位填充錯誤來表示，同時通過CRC校驗來判斷一個位填充錯誤是真的位填充錯誤還是EOP標志（CRC校驗正確就是EOP）;
包標識符（PID）是用來標識一個包的類型，一共8個位，使用其中的4個位來表示，另外4個位取反進行校驗用，
包的類型有4類：令牌包(PID1~0:01)、數(shù)據(jù)包(PID1~0:11)、握手包(PID1~0:10)、特殊包(PID1~0:00),
每一個類型的包中有可以子分為幾種不同功能的包：
令牌包：OUT(0001)、IN(1001)、SOF(0101)、SETUP(1101)
數(shù)據(jù)包：DATA0、DATA1、DATA2、MDATA(后兩種USB1.1不支持)
握手包：ACK、NAK、STALL、NYET（最后一種USB1.1不支持）
特殊包：PRE、ERR、SPLIT、PING（后三種USB1.1不支持）
因為USB為主從結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸由主機發(fā)起，設備只能被動的接聽數(shù)據(jù)(除了遠程喚醒功能外【遠程喚醒并不傳輸數(shù)據(jù)，只改變下總線狀態(tài)】),所以需要主機發(fā)送一個令牌來通知哪個設備進行響應，如何響應;
OUT：輸出令牌包用來通知設備將要輸出一個數(shù)據(jù)包
IN:輸入令牌包用來通知設備返回一個數(shù)據(jù)包
SETUP:建立令牌包只用在控制傳輸中，他跟輸出令牌包作用一樣，用來通知設備輸出一個數(shù)據(jù)包，兩者區(qū)別在SETUP包后只使用DATA0數(shù)據(jù)包，且只能發(fā)送設備的控制端點，并且設備必須要接受，而OUT包沒有這種限制。
SOF：幀起始包在每幀（或微幀）開始時發(fā)送，她以廣播的形式發(fā)送，所有USB高速與全速都可以接收到SOF包，USB全速設備每毫秒產(chǎn)生一個幀，而USB高速設備每125微秒產(chǎn)生一個微幀。在每次幀（微幀，每毫秒內(nèi)的8個微幀的幀號一致）開始時，通過SOF包發(fā)送幀號，USB主機則對當前的幀號進行計數(shù)，SOF令牌包之后是不跟數(shù)據(jù)傳輸，其他的都帶有數(shù)據(jù)傳輸
每一個令牌包最后都有一個CRC5的校驗，他只校驗PID之后的數(shù)據(jù)不包括PID本身
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