USB

USB知识点总结，包括关键过程，描述符，USB系统结构，USB总线数据流，设备状态的内容点总结。

USB

• 关键过程
  • USB枚举过程
    • 1.USB主机检测到USB设备插入后 就会先对设备复位
      • USB设备在总线复位后其地址为0 这样主机就可以通过0地址和那些刚刚插入的设备通信 USB主机往地址为0的设备端点0发送获取设备描述符的标准请求 设备收到该请求后 会按照主机请求的参数 在数据过程将设备描述符返回给主机 主机在成功获取到一个数据包的设备描述符并且确认没有错误后 就返回一个0长度的确认数据包(状态过程)给设备 从而进入到接下来的设置地址阶段
    • 2.主机对设备又一次复位
      • 进入到了设置地址阶段 USB主机往地址为0的设备端点0发出一个设置地址的请求(控制传输的建立过程) 新的设备地址包含在建立过程的数据包中 具体的地址由USB主机负责管理 主机会分配一个唯一的地址给刚接入的设备 USB设备在收到这个建立过程之后 就直接进入到状态过程(因为这个控制传输没有数据过程) 设备等待主机请求状态返回(一个输入令牌包) 收到令牌包后 设备就返回0长度的状态数据包 如果主机确认该状态包已经正确收到 就会发送应答ACK给设备 设备在收到这个ACK之后 就要启用新的设备地址了
    • 3.主机获取设备描述符
      • 首先时主机使用新的设备地址来访问设备获取全部18字节的设备描述符
    • 4.主机获取配置描述符
      • 配置描述符共为9字节 主机在获取到配置描述符后 根据配置描述符中所描述的配置集合总长度 获取配置集合 获取配置描述符和获取配置描述符集合的请求时差不多的 只是指定的长度不一样 有些主机干脆不单独获取配置描述符 而是直接使用最大长度来获取配置描述符集合(因为设备实际返回的数据可以少于指定的字节数) 配置描述符集合包括配置描述符 接口描述符 类特殊描述符 端点描述符 (接口描述符 类特殊描述符 端点描述符时不能单独获取的 必须跟随配置描述符以一个集合的方式返回)
  • USB连接过程
    • 1.当USB设备连接到主机或集线器的下行端口后 总线立即为其提供电源
    • 2.当主机检测到D-/D+线上电压 确认其下行端口有USB设备连接
    • 3.USB集线器通过中断IN管道 向USB主机报告下行端口有USB设备连接
    • 4.USB主机等等100ms 确保USB设备连接的稳定性
    • 5.主机发送集线器设备请求SetPortStatus复位连接的USB设备
    • 6.复位结束后 USB设备进入默认状态 使用默认地址对管道0的控制事务响应
    • 7.主机向USB功能设备发送GetDescriptor(Device)请求 获取默认控制管道的最大数据包长度
    • 8.主机发出SetAddress请求 为连接的USB设备分配一个唯一的设备地址
    • 9.主机使用新的地址向USB设备发送GetDescriptor(Device)请求 并读取其设备描述符的全部字段(产品ID 供应商ID)
    • 10.主机循环发送GetDescriptor(Configuration)请求 获取完整的配置信息(配置描述符 接口描述符 端点描述符 各类设备类定义描述符 和供应商自定义描述符)
    • 11.主机根据USB设备的配置信息 为其选择并加载一个合适的主机驱动程序
    • 12.在加载 驱动程序后 便可以进行各种配置操作和数据传输
  • USB设备断开过程
    • 1.当USB设备从集线器下行端口断开时 集线器禁止该端口 并通过中断IN管道向USB主机报告其端口状态的变化
    • 2.主机发送GetPortStatus请求了解详细信息 并处理该断开操作
    • 3.USB驱动程序释放其所占用的所有系统资源
  • USB主机向USB设备发送数据流程
    • 1.主机软件将数据保存在发送数据缓冲区中 向USB总线驱动程序发送数据传输请求(IO请求包IRP)
    • 2.USB总线驱动程序对主机软件的IO请求包(IRP)进行响应 将其中的数据转换为USB协议中规定的数据流管理格式 并将其向下传递给USB主控制器驱动程序
    • 3.USB的主控制器驱动程序将每个数据流管理转换为一些列帧/小帧为单位的数据流管理队列
    • 4.在USB主控制器中 读取数据流管理列表 将其中的数据流管理以信息包的形式发送到USB总线上
    • 5.USB功能设备接收信息 USB的SIE引擎自动解码信息包 并将数据保存在指定的端点缓冲区中 供USB进行处理
  • urb处理流程
• 描述符
  • 设备描述符
    • 记录信息有： 设备所使用的USB协议版本号,设备类型,端点0的最大包大小,厂商ID(VID)和产品ID(PID), 设备版本号,厂商字符串索引,产品字符串索引,设备序列号索引,可能的配置数
  • 配置描述符
    • 记录信息有: 配置所包含的接口数,配置的编号,供电方式,是否支持远程唤醒,电流需求量
  • 接口描述符
    • 记录信息有: 接口的编号,接口的端点数,接口所使用的类,子类,协议等
  • 端点描述符
    • 记录信息有: 端点号及方向,端点的传输类型,最大包长度m查询时间间隔
  • 字符串描述符
    • 主要记录一些帮助信息
• USB系统结构
  • 功能层
    • 主要负责数据传输 由USB设备的功能单元和对应的USB主机程序组成 USB主机程序用于和特定的USB设备功能单元进行通信
    • 控制传输
      • 主要用于传输少量的对时间和速率都没有要求的数据 一般用于USB主机读取或设置USB设备的配置信息
      • 建立阶段
      • 数据阶段
      • 状态阶段
    • 中断传输
      • 主要用于传输少量的对传输时间具有周期性要求的数据
      • 令牌阶段
      • 数据阶段
      • 握手阶段
    • 块传输
      • 主要用于传输大量的 对传输时间和速率没有严格要求的数据
      • 令牌阶段
      • 数据阶段
      • 握手阶段
    • 同步传输
      • 用于传输大量的且传输时间具有周期性 速率恒定的数据
      • 令牌阶段
      • 数据阶段
  • 设备层
    • 主要用于管理USB设备 分配USB地址 读取设备描述符等
  • 总线接口层
    • 主要用于实现USB主机和USB设备之间的数据传输 USB总线接口使用NRZI编码来传输数据 USB主控制器和USB集线器将数据接收或发送 并且自动进行编解码 该部分一般是USB系统硬件自动完成
• USB总线数据流
  • 字段
    • 同步字段-SYNC
      • 用于数据通信的同步
    • 包标识字段-PID
      • 指明信息包类型 用于差错控制
      • 令牌包
        • PID[3:0]=0001B 表示OUT PID此时数据从USB主机发送到USB设备 PID[3:0]=1001B 表示IN PID 此时数据从USB设备发送到USB主机 PID[3:0]=0101B 表示SOF PID 此时作为一个帧或者小帧的开始信息 PID[3:0]=1101B 表示SETUP PID此时作为主机向USB设备发送配置信息
      • 握手包
        • PID[3:0]=0010B 表示ACK PID 说明接收方已经正确接收到数据 PID[3:0]=1010B 表示NAK PID 说明接收方未能正确接收到数据 PID[3:0]=1110B 表示STALL PID 说明使用的端点被挂起 PID[3:0]=0110B 表示NYET PID 说明接收方没有任何响应
      • 数据包
        • PID[3:0]=0011B 表示DATA0 PID 数据包为偶数据包 PID[3:0]=1011B 表示DATA1 PID 数据包为奇数据包 PID[3:0]=0111B 表示DATA2 PID 为一个高速同步事务的专用数据包 PID[3:0]=1111B 表示MDATA PID 为一个SPLIT事务的专用数据包
      • 特殊包
        • PID[3:0]=1100B 表示PRE PID 如果是令牌信息 则为USB主机发送的先导包 用于使能USB低速数据通信 PID[3:0]=1011B 表示ERR PID 如果是握手信息 则用于SPLIT事务中的错误握手信号 PID[3:0]=1000B 表示SPLIT PID 为一个高速SPLIT事务的令牌信息 PID[3:0]=0100B 表示PING PID 用于数据流量检测控制
    • 地址字段-ADDR
      • 指明USB总线上的一个USB设备 地址0作为默认地址不能分配给USB设备 在USB上电时 USB首先通过默认地址0和USB设备进行通信 当USB上电配置完成后 USB主机便重新为该USB设备分配一个USB地址
    • 端点字段-ENDP
      • 指明USB的端点 端点字段长度为4位 对于低速USB设备 USB协议只规定了3个端点 对于高速USB设备 包含全部16分端点 端点0是所有USB设备所必需的 端点0主要用于在USB设备上电初期和USB主机进行通信 从而完成USB设备的配置
    • 帧号字段-NUM
      • 指明当前帧的帧号 表征了当前帧或小帧的帧号 一般 在每个帧或小帧发送时 帧号字段里的内容字段+1
    • 数据字段-DATA
      • 包含传输的数据 首先传输低字节 然后传输高字节 对于每一字节 先传输字节的低位 再传输字节的高位 实际数据字段的长度根据传输类型和程序的需要决定
    • 校验字段-CRC
      • 循环冗余校验CRC一般再发送方的位填充操作之前进行 可以检验信息包的正误 以保证传输的可靠性 令牌包采用5位循环冗余校验CRC 数据包采用16位循环冗余校验CRC
  • 数据流阶段
    • 令牌阶段
      • 定义了本次传输的类型 用于表征数据流的开始
    • 数据阶段
      • 包含了本次传输的数据 数据大小根据端点和传输类型而定 最大量为1024字节
    • 握手阶段
      • 用于数据的接收方 向 发送方报告此次数据传输是否成功
  • 信息包类型
    • 令牌包
      • IN令牌包
        • PID字段-定义了数据传输方向为USB设备到USB主机 ADDR字段-指明了USB设备地址 ENDP字段-指明了发送数据的端点号 CRC字段-用于对ADDR字段和ENDP字段进行循环冗余校验 IN数据流管理操作步骤: 1).USB主机向USB设备发送IN令牌包 表示主机可以接收数据 2).USB设备正确接收到IN令牌包 然后向USB主机发送数据包 3).USB主机正确接收到数据包后 向USB设备返回ACK握手包 确认传输成功
      • OUT令牌包
        • PID字段-定义了数据传输方向为USB主机到USB设备 ADDR字段-指明了USB设备地址 ENDP字段-指明了接收数据的端点号 CRC字段-用于对ADDR字段和ENDP字段进行循环冗余校验 OUT数据流管理操作步骤: 1).USB主机向USB设备发送OUT令牌包 表示主机将要发送数据 2).USB设备正确接收到OUT令牌包 然后USB主机开始发送数据包 3).USB主机正确接收到数据包后 向USB设备返回ACK握手包 确认传输成功
      • SETUP令牌包
        • PID字段-定义了数据传输方向为USB主机到USB设备 ADDR字段-指明了USB设备地址 ENDP字段-指明了接收数据的端点号 CRC字段-用于对ADDR字段和ENDP字段进行循环冗余校验 SETUP数据流管理操作步骤: 1).USB主机向USB设备发送SETUP令牌包 表示主机将要发送DATA0数据 2).USB设备正确接收到SETUP令牌包 然后USB主机开始发送DATA0数据包 3).USB主机正确接收到DATA0数据包后 向USB设备返回ACK握手包 确认传输成功
      • PING令牌包
        • PID字段-定义了USB设备到USB主机的握手信号传输 ADDR字段-指明了USB设备地址 ENDP字段-指明了发送握手包的端点号 CRC字段-用于对ADDR字段和ENDP字段进行循环冗余校验 PING数据流管理的操作步骤 1).USB主机向USB设备发送PING令牌包 表示一个PING事务的开始 2).USB正确接收到该令牌包 然后USB设备向USB主机返回各种握手包进行响应
      • SOF令牌包
        • PID字段-定义了数据传输方向为USB主机到USB设备 帧号字段-指明了USB传输的帧号 SOF数据流管理的操作步骤 1).由USB主机发送一个SOF令牌包即可 { 对于低速和全速USB传输 每1ms产生一个SOF令牌包 对于高速USB传输 每个125us产生一个小帧 每隔7个小帧 产生一个SOF令牌包 }
      • SPLIT令牌包
        • SSPLIT令牌包
          • PID字段-定义了数据传输方向为USB主机到USB集线器 ADDR字段-指明了USB集线器的设备地址 SC字段-该字段固定为0 用于表示开始SPLIT令牌包 PORT字段-用于指明USB集线器的端口号 S字段-{ 在中断传输和控制传输下{ S=0 表示全速数据传输 S=1 表示低速数据传输 } 在块传输和同步IN传输下{ S必须置为0 } 在同步OUT传输下{ S=0,E=0 表示全速数据负载的中间数据是高速数据 S=0,E=1 表示全速数据负载的尾部数据是高速数据 S=1,E=0 表示全速数据负载的首部数据是高速数据 S=1,E=1 表示全速数据负载的全部数据是高速数据 } } E字段-{ 在块传输 中断传输 同步IN传输和控制传输下{ E必须为0 } 在同步OUT传输下{ S=0,E=0 表示全速数据负载的中间数据是高速数据 S=0,E=1 表示全速数据负载的尾部数据是高速数据 S=1,E=0 表示全速数据负载的首部数据是高速数据 S=1,E=1 表示全速数据负载的全部数据是高速数据 } } ET字段-用于指明在高速数据传输中 使用的低速/全速数据传输的类型{ ET=00 表示采用控制传输 ET=01 表示采用同步传输 ET=10 表示采用块传输 ET=11 表示采用中断传输 } SSPLIT数据流管理操作步骤 1).USB主机发送令牌包(包括SSPLIT令牌包和低速/全速令牌包2个) 2).USB设备正确接收到该令牌包 此时USB主机发送DATAx数据包 3).USB设备正确接收DATAx数据包 在握手阶段返回握手信息
        • CSPLIT令牌包
          • PID字段-定义了数据传输方向为USB主机到USB集线器 ADDR字段-指明了USB集线器的设备地址 SC字段-该字段固定为1 用于表示结束SPLIT令牌包 PORT字段-用于指明USB集线器的端口号 S字段-{ 在中断传输和控制传输下{ S=0 表示全速数据传输 S=1 表示低速数据传输 } 在块传输和同步IN传输下{ S必须置为0 } 在同步OUT传输下{ S=0,E=0 表示全速数据负载的中间数据是高速数据 S=0,E=1 表示全速数据负载的尾部数据是高速数据 S=1,E=0 表示全速数据负载的首部数据是高速数据 S=1,E=1 表示全速数据负载的全部数据是高速数据 } } U字段-{ 其值必须为0 } ET字段-用于指明在高速数据传输中 使用的低速/全速数据传输的类型{ ET=00 表示采用控制传输 ET=01 表示采用同步传输 ET=10 表示采用块传输 ET=11 表示采用中断传输 } CSPLIT数据流管理操作步骤 1).USB主机发送令牌包(包括CSPLIT令牌包和低速/全速令牌包2个) 2).USB设备正确接收该令牌包 此时USB主机发送DATAx数据包 或USB设备返回握手信息
      • PRE令牌包
        • 只包含一个8位的包标识PID字段 是低速数据传输的先导包 在开始低速数据传输前 必须先发送先导包PRE USB集线器才会激活相应的低速数据传输端口 PRE数据流管理操作流程 1).USB主机直接发送PRE令牌包(PRE数据流管理不需要数据包和握手包)
    • 数据包
      • PID字段-用于指明不同的包类型 数据字段-包含了传输的数据 CRC字段-使用16位的循环冗余校验来对数据字段进行保护
    • 握手包
      • 进由8位的包标识字段PID组成 主要用于在数据传输的末尾报告本次数据传输的状态 握手包之后便是整个事务处理的结束信号EOP
      • ACK握手包
        • 当USB数据传输的接收方正确接收到数据包时 接收方将返回ACK握手包 ACK握手包表征了一次正确的数据传输 之后才可以进行下一次事务处理
      • NAK握手包
        • NAK握手包一般由USB功能设备发出 对于IN数据传输 表示USB设备没有计划向USB主机发送数据 对于OUT数据传输 表示USB设备无法接收USB主机发出的数据
      • STALL握手包
        • 协议STALL握手包{ 在控制传输中使用 表明了该USB功能设备不支持这个请求协议 } 功能STALL握手包{ 表明该USB功能设备的相应端点已经停止 而无法完成发送数据或者接收数据的操作 }
      • NYET握手包
        • 如果USB集线器无法正常处理SPLIT请求 则USB集线器向USB主机返回NYET握手包 NYET握手包一般只发生在高速数据传输过程中
      • ERR握手包
        • 用于表示总线数据传输发生错误 一般发生在高速数据传输过程中
• 设备状态
  • 连接状态
    • 当USB功能设备通过USB电缆连接到USB主机或集线器的下行端口时 进入连接状态 此时USB总线开始向USB设备供电 直至电源稳定工作
  • 上电状态
    • 当连接到USB主机的USB功能设备得到稳定的USB总线电源后 处于上电状态 此时USB功能设备还没有被复位 不能对任何USB事务进行处理
  • 默认状态
    • 当USB功能设备上电后 USB功能设备会响应USB主机发出的复位信号 进行复位操作 复位结束后 USB功能设备便进入默认状态 默认状态下使用默认的设备地址(0)对一些USB事务进行处理 响应USB主机发出的标准USB设备请求 包括SetAddress SetConfiguration GetDescriptor(Device) GetDescriptor(Configuration)
  • 地址状态
    • 在USB功能设备复位结束后 USB主机重新为该USB设备分配一个新的设备地址 这个地址时唯一的 此时便处于地址状态 在地址状态之后 USB设备将不再使用默认的设备地址 而使用新分配的地址来进行以后的总线活动
  • 配置状态
    • 在USB设备复位和分配地址之后 主机发出SetConfiguration请求 USB在正确响应配置操作后 便进入配置状态 在配置状态下 所有寄存器返回至默认状态 主机软件可以和USB设备功能单元进行数据传输 为主机提供额外的功能
  • 挂起状态
    • 如果USB设备在3ms内没有检测到总线活动 其将自动进入挂起状态 在挂起状态下 USB将保持原有的设备地址和配置值 在USB连接的任何过程中都可以进入挂起状态 USB总线的任何活动都可使其退出挂起状态