本帖最后由 两只袜子 于 2021-8-31 15:34 编辑
1.1、USB数据传输方法 数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。 USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入操作(即在数据流中每连续6个1后就插入一个0)，从而强迫NRZI码发生变化。这些是由专门硬件处理的。
1.2、数据格式 USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域(有七种)，域再构成包，包再构成事务(IN、OUT、SETUP)，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)。下面介绍一下域、包和事务。
1.2.1、域
域是USB数据最小的单位，由若干位组成(多少位由具体的域决定)，域可分为七个类型： 1、同步域(SYNC)
所有的USB包都由SYNC开始，高速包的SYNC宽度为32bit，全速/低速包的SYNC段度为8Bit。实际接收到的SYNC长度由于USB HUB的关系，可能会小于该值。八位的值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步。 2、标识域(PID)
由四位标识符 + 四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种。USB2.0使用了十六种标识码，标识码的作用是用来说明包的属性的，标识码是和包联系在一起的，标识码分别有以下十六种： 令牌包 : 0x01：输出(OUT)启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号。 0x09：输入(IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号。 0x05：帧起始(SOF)表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号。 0x0d：设置(SETUP)启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化。 数据包 : 0x03：偶数据包(DATA0)。 0x0b：奇数据包(DATA1)。 握手包: 0x02：确认接收到无误的数据包(ACK)。 0x0a：无效，接收(发送)端正在忙而无法接收(发送)信息。 0x0e：错误，端点被禁止或不支持控制管道请求。 特殊包0x0C前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输。 3、地址域(ADDR)：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。 4、端点域(ENDP)，四位，由此可知一个USB设备端点数量最大为16个。 5、帧号域(FRAM)，11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义。 6、数据域(DATA)：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度。 7、校验域(CRC)：对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法，crc校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。
1.2.2、包
USB数据包的格式如下：
1、令牌包
分为输入包、输出包、设置包和帧起始包(注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放数据的)其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：
SYNC + PID + ADDR + ENDP + CRC5(五位的校验码)
帧起始包的格式：
SYNC + PID + 11位FRAM + CRC5(五位的校验码)
2、数据包
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相应端点的容量时，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。但也有例外情况，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：
SYNC + PID + 0~1023字节 + CRC16
3、握手包
结构最为简单的包，格式如下：
SYNC + PID
握手包包括 ACK、NAK、STALL以及NYET 四种，其中 ACK 表示肯定的应答，成功的数据传输。NAK 表示否定的应答，失败的数据传输，要求重新传输。STALL表示功能错误或端点被设置了STALL属性。NYET表示尚未准备好，要求等待。
1.2.3、事务 分别有IN、OUT和SETUP三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：
1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务。 2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据。 3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。 事务的三种类型如下(以下按三个阶段来说明一个事务)：
1、 IN事务： 令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据； 数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应(要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段)。 1) 设备端点正常：设备往主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)； 2) 设备正在忙：无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续； 3) 相应设备端点被禁止：发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。 握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。
2、 OUT事务： 令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据； 数据包阶段——比较简单，就是主机会往设备送数据，DATA0与DATA1交替 握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应 1) 设备端点接收正确，设备给主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息； 2) 设备正在忙，无法给主机返回ACK，就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据； 3) 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。 3、SETUT事务： 令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据； 数据包阶段——比较简单，就是主机往设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令，详见2.4。 握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输(在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输)。
1.3、标准的USB设备请求命令 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，由八个字节构成)。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(字段是标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)： bmRequestType(1) + bRequest(1) + wvalue(2) + wIndex(2) + wLength(2) 各字段的意义如下：
1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0 D7=0主机到设备 =1设备到主机； D6D5=00标准请求命令 =01 类请求命令 =10用户定义的命令 =11保留值 D4D3D2D1D0=00000 接收者为设备 =00001 接收者为接口 =00010 接收者为端点 =00011 接收者为其他接收者 =其他 其他值保留
2、bRequest：请求命令代码，在标准的USB命令中，每一个命令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称如下(要注意这里的命令代码要与其他字段结合使用，可以说命令代码是标准请求命令代码的核心，正是因为这些命令代码而决定了11个USB标准请求命令)： GET_STATUS：用来返回特定接收者的状态； CLEAR_FEATURE：用来清除或禁止接收者的某些特性； SET_FEATURE：用来启用或激活命令接收者的某些特性； SET_ADDRESS：用来给设备分配地址； GET_DEscriptOR：用于主机获取设备的特定描述符； SET_DEscriptOR：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符； GET_CONFIGURAtiON：用于主机获取设备当前设备的配置值(注同上面的不同)； SET_CONFIGURATION：用于主机指示设备采用的要求的配置； GET_INTERFACE：用于获取当前某个接口描述符编号； SET_INTERFACE：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口； SYNCH_FRAME：用于设备设置和报告一个端点的同步帧；
控制传输是USB的重心，而这11个命令是控制传输的重心，所以这11个命令是重中之重。 1、设备描述符 3、字符描述符 5、端点描述符
上面的描述符之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。这些描述符是用一定的字段构成的，分别如下说明：
1、设备描述符
- struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
- {
- BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12
- BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01
- WORD bcdUSB; //USB版本号
- BYTE bDeviceClass; //USB分配的设备类代码，0x01~0xfe为标准设备类，0xff为厂商自定义类型
- //0x00不是在设备描述符中定义的，如HID
- BYTE bDeviceSubClass; //usb分配的子类代码，同上，值由USB规定和分配的
- BYTE bDeviceProtocl; //USB分配的设备协议代码，同上
- BYTE bMaxPacketSize0; //端点0的最大包的大小
- WORD idVendor; //厂商编号
- WORD idProduct; //产品编号
- WORD bcdDevice; //设备出厂编号
- BYTE iManufacturer; //描述厂商字符串的索引
- BYTE iProduct; //描述产品字符串的索引
- BYTE iSerialNumber; //描述设备序列号字符串的索引
- BYTE bNumConfiguration; //可能的配置数量
- }
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2、配置描述符
- struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
- {
- BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12
- BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01
- WORD wTotalLength; //配置所返回的所有数量的大小
- BYTE bNumInterface; //此配置所支持的接口数量
- BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration命令需要的参数值
- BYTE iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值
- BYTE bmAttribute; //供电模式的选择
- BYTE MaxPower; //设备从总线提取的最大电流
- }
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3、字符描述符
- struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT
- {
- BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12
- BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01
- BYTE SomeDescriptor[36]; //UNICODE编码的字符串
- }
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4、接口描述符
- struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT
- {
- BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12
- BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01
- BYTE bInterfaceNunber; //接口的编号
- BYTE bAlternateSetting;//备用的接口描述符编号
- BYTE bNumEndpoints; //该接口使用端点数，不包括端点0
- BYTE bInterfaceClass; //接口类型
- BYTE bInterfaceSubClass;//接口子类型
- BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的协议
- BYTE iInterface; //描述该接口的字符串索引值
- }
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5、端点描述符
- struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT
- {
- BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12
- BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01
- BYTE bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性
- BYTE bmAttribute; //端点的传输类型属性
- WORD wMaxPacketSize; //端点收、发最大包的大小
- BYTE bInterval; //主机查询端点的时间间隔
- }
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USB的数据格式就介绍到这里，希望对大家了解USB协议有所帮助。
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