USB接口协议简介

USB接口协议简介

1.USB以及协议简介

USB(UniversalSerialBus)是近年来应用在PC领域的型接口技术，它是由一些PC大厂商

如Microsoft.Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的冲突而制

定的一种通用串行接口.

数据通信协议局部是USB的核心内容。主要包括:以差模串行信号为载体传送二进制代码

来传输信号;数据包作为最根本的完整信息单元，包含一系列数据信息。数据包可以分解为

更小的单元一域;以包为根底，构成USB的三种事务。进而，组合不同的传输类型，传输各

种类型的数据，实现USB的各种功能。

2.USB通信机制

为r细化USB的通信机制，USB协议的开发者承受r分层的概念，每一层传输的数据构造

对其他规律层是透亮的，USB设备和USB主机通信的规隹构造和每层的规律通道。

在HSOT端,应用软件(ClientSW)不能直接访问USB总线，而必需通过USB系统软件

和USB主机把握器来访问USB总线，在USB总线上和USB设备进展通讯。从规律上可以分

为功能层、设备层和总线接口层三个层次。其中功能层完成功能级的描述、定义和行为；设

备级则完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转换为一次一次的根本传输；

USB总线接口层则处理总线上的Bit流，完成数据传输的物理层实现和总线治理。途中黑色箭

头代表真实的数据流，灰色箭头代表规律上的通讯。如以以以下图：

主机物理设备

A规律上的数据流

实际数据流

以USB摄像头设备为例，视频播放软件想通过USB总线得到USB摄像头捕获的视频数据，

这就相当于在功能层上。应用软件是视频播放软件，功能硬件是USB摄像头。而这些数据

的读取需要USB设备层供给的效劳，在这一层上，主要是USB设备的驱动调度主机把握器

把握器向USB摄像头发出读恳求。每个USB设备会有多个管道，使用哪个管道，传输的大

小都需要指定。这个层次的USB系统软件就是USB摄像头的驱动程序。而在USB设备•端

一般会有小单片机或者处理芯片负责响应这种读恳求，而这一层的传输又依靠于USB总线接

口层的效劳。在这一层，完全是USB的物理协议，包括如何分成更小的包（packages）传

输，如何保证每次包传输不丧失数据等。

3.USB传输的数据格式

其他传输协议一样，在物理层，USB固然也是通过二进制数据进展传输的，首先二进制

数据构成域（有七种），域再构成包，包再构成事务（IN、OUT、SETUP）,事务最终构成传

输。

3.1域：

是USB数据最小的单位，由假设干位组成（至于是多少位由具体的域打算），域可分为七

个类型：

3.1.1同步域（SYNC）

八位，值固定为00000001,用于本地时钟和输入同步。

3.L2标识域（PID）

由四位标识符+四位标识符反码构成，说明包的类型和格式，这是个很重要的局部，这里

能够计算出，USB的标识码有16种。

3・1.3地址域（ADDR）

七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址0000000被命名为零地址，是任何一个设备

第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此能够知道为什么一个USB主

机只能接127个设备的缘由。

3.L4端点域（ENDP）

四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。

3.1.5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。

3.L6数据域（DATA）

长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不一样，但必需为整数个字

节的长度。

3.1・7校验域（CRC）

对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进展校验的一种方法，CRC校验

在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法。

3.2包

由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特别包。

3.2.1令牌包

可分为输入包、输出包、配置包和帧起始包（留意这里的输入包是用于配置，愉入命令的，

输出包是用来配置输出命令的，而不是放据数的）。

其中输入包、输出包和配置包的格式都是一样的：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5

（五位的校验码）（上面的缩写解释请看上面域的介绍，PID码即产品识别码）。

帧起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

3.2.2数据包

分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候,当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，

即假设第一个数据包是DATA0,那其次个数据包就是DATA1。但也有例外状况，在同步传输

中（四类传输类型中之一），任何的数据包都是为DATA。格式如下：

SYNC+PID+0-1023字节+CRC16（16位的校验码）

3.2.3握手包

构造最为简洁的包，格式如下

SYNC+PID

3.2.4特别包

这里不做解释

3.3事务

分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，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由于这些包的发送是有确定的时间先后挨次的，事务

的三个阶段如下：

1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或配置的事务

2、数据包阶段：按输入、输动身送相应的数据

3、握手包阶段：返回数据接收状况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是

比较特别的。

事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务:：

3.3.1IN事务

令牌包阶段一一主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；

数据包阶段一一设备依据状况会作出三种反响（要留意：数据包阶段也不总是传送数据的，

依据传输状况还会提前进入握手包阶段）

1）设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0和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事务提前完毕，到了

下一个IN事务才连续；

3）相应设备端点被制止，发送错误包STALL包，事务也就提前完毕了，总线进入空闲

状态。

握手包阶段一一主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

3.3.2OUT事务

令牌包阶段一一主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据;

数据包阶段一一比较简洁，就是主时机设备送数据，DATAO和DATA1交黄

握手包阶段一一设备依据状况会作出三种反响

1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK,通知主机能够发送的数据，假设数据

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，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；

3）相应设备端点被制止，发送错误包STALL包，事务提前完毕，总线直接进入空闲状

态。

3.3.3SETUP事务

令牌包阶段一一主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据•；

数据包阶段一一比较简洁，就是主时机设备送数据，留意，这里只有一个固定为8个字节

的DATAO包，这8个字节的内容就是标准的USB设备恳求命令（共有11条，具体请看问题

七）

握手包阶段一一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，并预

备下一个传输（在SETUP事务后通常是个IN或OUT事务构成的传输）

3.3.4PING事务处理

主要应用于高速数据传输中，只包含令牌包和握手包阶段，步骤如下：USB主机向LSB设

备发送PING令牌包，表示一个PING事务的开头；USE正确接收到该命令包，然后USB设

备向USB主机返回各种握手包进展响应

3.4传输

传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、

同步传输、把握传输，其口中断传输和批量转输的构造一样，同步传输有最简洁的构造，而

把握传输是最重要的也是最简洁的传输

3.4.1中断传输

由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中

3.4.2批量传输

由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽,

当总线忙时，USB会优先进展其他类型的数据传输，而临时停顿批量转输。

3.4.3同步传输

由OUT事务和IN事务构成，有两个特别地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务Q是

没有返回包阶段的；其次，在数据包阶段任何的数据包都为DATAO

345把握传输

最重要的也是最简洁的传输，把握传输由三个阶段构成〔初始配置阶段、可选数据阶段、

状态信息步骤〕，每一个阶段能够看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成

的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过把握传输来交换信息，设备地址和读取

设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程式，这是每一个USB研发者都要关

心的问题。

1、初始配置步骤：就是个由SET事务构成的传输

2、可选数据步骤：就是个由1N或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始

配置步骤有没有需要读/醴据〔由SET事务的数据包阶段发送的标准恳求命令打算〕3、

状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要猎取状态信息，由IN或OUT事务构成构成

的传输，但是要留意这里的IN和OUT事务和之前的IN和OUT事务有两点不同：

I）传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；

在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选

数据步骤相结合。

2）在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16。

4.事务传输的流程

4.1中断传输

Token

Data

Handshake

中断传输在流程上除了不支持PING域秀以如"黄丽岫绯传输时一样的。他们之间的

区分在于事务传输发生的端点不一样、支持最大的包的长度不一样、优先级不一样等这些对于

用户来说透亮的东西。

4.2批量传输

]Hosti]Function

图中一个方框表示一个Packet,灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示设备发山的包,

批量传输时牢靠的传输，需要用握手包来说明传输结果。假设数据量比较大，将承受屡次批量

事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中的PID依据DATA0-DATA1-DATA0.的方式旋转，

以保证发送端和接收端的同步。

USB允许连续三次一下的传输错误，会重试该传输，假设成功会将错误计数清零，否则累

加该计数器。超过三次后，HOST认为该端点功能错误，放弃该端点的传输任务。

4.3同步传输

Idle

Idle

||Host||Function

同步传输时不行靠的传输，所以它没有握手包。同时也不支持PID翻转，同步传输有最高

的优先级。

4.4把握传输

Idle

Idle

Host/戈者!对Function

一次把H俞分为三个|或者两个)阶段：建立(SETUP),数据(DATA可能么有)以及状态

(SATATUSJ。每个阶段都有一次或者屡次的事务传输阶段组成。

建立阶段过后，可能会有数据阶段，这个阶段将会通过一次或者屡次把握传输事务，完成数

据的传输，同样也承受PID翻转的机制。建立阶段，设备只返回ACK包，或者不返回任何包

最终是状态阶段，通过一次方向与前一次相反的把握事务传输来说明传输的成功与否。假设

成功会返回一个长度为0的数据包，否则返回NAK或者STALL。示意图如下：

SetupDataStatus