USB的工作原理及數(shù)據(jù)包格式

1、USB 的工作原理及數(shù)據(jù)包格式一概述對于 USB 的工作我這里做個比方，主機好比一個公司，你就是 USB備，要進入公司首先要面試（枚舉），你到了面試現(xiàn)場（第一次插入設備），面試官首先了解到你的外表，性別已經(jīng)你要應聘的崗位（設備描述符），然后給你一個號，以后就開始按號叫人，當你被叫到就開始問你的專業(yè)知識，性格等（配置描述符），如果你比較合適（通過了枚舉）你就會錄取了，并且注冊一個你的信息到公司（驅(qū)動安裝，并且寫入注冊表）。等你下次來公司，只要把工號（PID,VID）報上，就知道是你來了。USB 的概念歷史啥的這里就不說了。我們先不管具體的數(shù)據(jù)包格式，這一節(jié)先從整個包的層面上簡單的說，過程是這樣的

2、，設備插入1） 主機會輪回查詢各個 USB口， 主機檢測到 D+WD-之間有電壓差， 就認為有新的設置接入。主機等待 100ms 后發(fā)出復位請求。設備接到復位請求后將產(chǎn)生一個外部中斷信號。枚舉過程2）主機這時候只是知道有新的設備插入了，但是不知道插進來個什么東西，所以就開始詢問它是什么設備，怎么用，負荷能力怎么樣。這個時侯就進入了枚舉過程。因為剛剛插入的設備沒有分配地址，就用默認地址 0,首先發(fā)送一個 Get_descriptor（獲取設備描述符）指令包，設備接到包后就開始解析包（其實就是你在固件程序里判斷處理），然后按固定格式返回自己設備的設備描述符，這一步主要是主機知道你的 USB備的基礎

3、屬性，比如支持的傳輸數(shù)據(jù)長度，電流負荷多少，支持那個 USB本，以及以后方便電腦找驅(qū)動的 PID,VID。3）這時候主機知道你（你做的設備，簡稱你吧）的數(shù)據(jù)長度還有電流大小后，下一步就是給你分配一個屬于你的地址。4）給你一個地址后就開始詢問你的具體配置。首先發(fā)送一個試探性的設備配置請求Get_configuration（要求固定返回 9 個設備配置字），你接到后就開始發(fā)送 9 字節(jié)的設備配置字，其中包括你的配置字的總長度， 這樣主機就知道你的配置到底有多長，然后再發(fā)一次設備配置請求，這時你就開始上傳所有的配置字。這個時侯主機就已經(jīng)很明白你的工作方式就各種特性，然后就可以正常工作了5）如果你在前

4、面的某些配置（以后章節(jié)詳細說明）要求要說明自己的名字什么的，這里還要上傳字符串描述符。6）如果是鼠標或者鍵盤還要上傳報告描述符正常數(shù)據(jù)階段7）這個時侯你已經(jīng)被主機正式接受并且注冊了，你可以通過自己寫測驅(qū)動或通用驅(qū)動與電腦進行通訊了。以上是簡單的描述，詳細的后面章節(jié)再做介紹，學習一個東西關鍵是首先要知道這個東西是什么，簡單的工作原理。對于 USB 專輸大體有個概念， 下一步就來看看到底 USB 上傳的什么東西， 以什么格式傳數(shù)據(jù)，先不涉及端點的概念。US 吸據(jù)格式各種總線的數(shù)據(jù)傳輸都是以固定的層次協(xié)議進行的，USB 當然也不例外。所謂的層次也只是個抽象的概念罷了，就是表達一種依附關系，上層要依賴

5、與底層，上層以底層為基礎，上層只需要關心自己的東西就行了，如果你還不明白，那就繼續(xù)看，學習一個東西不可能一兩句話說的明白一個點，需要全面了解后才能清楚各個點。要實現(xiàn)兩個機器（機器的范圍比較廣，可以是電腦，交換機，單片機）的通信總是要有一個載體才可以，對于機器當然是電平高低為載體，具體的說機器甲要告訴機器乙一件事情（比如說一條指令），那么機器甲可以通過一根線（串行數(shù)據(jù)總線）連到機器乙的一個 IO 口上，甲發(fā)送一個個的高低電平，乙固定時間檢測自己的這個 IO 口，然后逐個記錄下放到自己的緩沖里，這樣乙就收到甲送的數(shù)據(jù)了。上述就是一個簡單的數(shù)據(jù)鏈路層（計算機網(wǎng)絡里這么叫）的描述，這一層要保證的就是甲

6、發(fā)的每一位數(shù)據(jù)，乙都可以正確及時的接受，并且對在傳輸過程中出錯的數(shù)據(jù)做出反應。其實比數(shù)據(jù)連路更底層的還有物理層，這就是真正的物理介質(zhì)，對于機器就是電線了，數(shù)據(jù)就是電線上傳輸?shù)碾妷?，USB 是用的四線，兩個電源（5V,地線），兩個數(shù)據(jù)線（D+,D-）o這里也打個比方，比如人與人進行交流，我們當然是通過說話了，物理層就是空氣和傳輸?shù)穆暡?，?shù)據(jù)鏈路層就是我們說的每一個字，物理層就是空氣，負責把我們說的話轉換成聲波傳給對方，數(shù)據(jù)鏈路層負責讓對方能正確的聽到每個字，如果聽的不清可以告訴對方重新說一遍。經(jīng)過上述的兩個底層，就可以保證每一位數(shù)據(jù)可以正確的傳到對方那里去。下一步的工作當然是解析數(shù)據(jù)代表了什么，

7、一般來說，數(shù)據(jù)都是以一審數(shù)為單位，一般稱為一個包，機器間傳輸都是以一個包為單位傳出，就像人們說話都是以一句話為單位輸出一樣。每一個包包含有許多位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)又分段表示不同的意義，如圖一，這是一個 US 的牌階段的包，Sync 是同步數(shù)據(jù)（相當于說話時先打個招呼，告訴對方要跟他說話了），PID 是包標示（告訴對方這個包是干什么用的），ADD 思對方的地址（叫對方的名字），END 思用端點幾通訊（先不介紹這個），CRC 思校驗位（判斷這個包是否在傳輸中出錯），0 比包結束。I1|Sync|PID|ADDR|ENDP|CRC5|EOP|I|圖一USB 的數(shù)據(jù)包又分為三種，一個是令牌包，一個是數(shù)據(jù)包

8、，另一個是握手包。每一次的 USB通訊事務處理都是以令牌包開頭，告訴對方要跟誰說話，這句話是用來干嘛的。如果要求有數(shù)據(jù)傳輸，則下一步就是數(shù)據(jù)包，另外如果要求對方要有反饋，則會發(fā)出握手包。令牌包又簡單的包括OUTIN,STEP 三種類型，0U 說用于主機告訴設備主機要向 USB備發(fā)送數(shù)據(jù)，IN 是用于主機告訴設備要上傳數(shù)據(jù)，而 STEUP!用于主機向 USBS 備發(fā)送配置信息，在枚舉過程中會用到。另外數(shù)據(jù)包和握手包的具體格式什么的，可以參照詳細的協(xié)議?？梢钥吹皆谒缘耐ㄓ嵾^程中，主機都是發(fā)起者，不管是主機發(fā)送數(shù)據(jù)到 USB備還是USBS 備發(fā)送數(shù)據(jù)到主機，都必須收主機控制。圖二為一次事務的過程。令牌階段一一數(shù)據(jù)階段一一握手階段圖二這個過程可以這樣描述，甲和乙對話，甲是老板，乙是職員。第一節(jié)已經(jīng)講過了，乙面試就是枚舉， 在這個過程中， 甲多段的發(fā)送 STE 吟牌包給乙， 乙收到后如果要反饋數(shù)據(jù)， 就發(fā)數(shù)據(jù)包給甲，甲正確接收后，跟甲握握手，表示這次對話成功。乙被正式錄取后，甲會分派任務（OUT,這時甲對乙說有任務給你（令