工業(yè)平板USB接口協(xié)議簡(jiǎn)介

1、USB以及協(xié)議簡(jiǎn)介：USB（Universal Serial Bus）是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，它是由些PC大廠商如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種通用串行接口。數(shù)據(jù)通信協(xié)議部分是USB的核心內(nèi)容。主要包:以差模串行信號(hào)為載體傳送二進(jìn)制代碼來傳輸信號(hào);數(shù)據(jù)包作為最基本的完整信息單元，包含一系列數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)包可以分解為更小的單元—域;以包為基礎(chǔ)，構(gòu)成US的三種事務(wù)。進(jìn)而，組合不同的傳輸類型，傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)USB的各種功能。

2、USB通信機(jī)制：為了細(xì)化USB的通信機(jī)制，USB協(xié)議的開發(fā)者采用了分層的概念，每一層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)其他邏輯層是透明的，USB設(shè)備和USB主機(jī)通信的邏輯結(jié)構(gòu)和每層的邏輯通道。在HSOT 端，應(yīng)用軟件（Client SW）不能直接訪問USB 總線，而必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB主機(jī)控制器來訪問USB 總線，在USB總線上和USB 設(shè)備進(jìn)行通訊。從邏輯上可以分為功能層、設(shè)備層和總線接口層三個(gè)層次。其中功能層完成功能級(jí)的描述、定義和行為；設(shè)備級(jí)則完成從功能級(jí)到傳輸級(jí)的轉(zhuǎn)換，把一次功能級(jí)的行為轉(zhuǎn)換為一次一次的基本傳輸；USB 總線接口層則處理總線上的Bit 流，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺訉?shí)現(xiàn)和總線管理。

實(shí)際數(shù)據(jù)流：功能硬件USB邏輯設(shè)備USB通道接口應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件(驅(qū)動(dòng)) USB主機(jī)控制器以USB攝像頭設(shè)備為例，視頻播放軟件想通過USB總線得到USB攝像頭捕捉的視頻數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于在功能層上。應(yīng)用軟件是視頻播放軟件，功能硬件是USB攝像頭。而這些數(shù)據(jù)的讀取需要USB設(shè)備層提供的服務(wù)，在這一層上，主要是USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)調(diào)度主機(jī)控制器控制器向USB攝像頭發(fā)出讀請(qǐng)求。每個(gè)USB設(shè)備會(huì)有多個(gè)管道，使用哪個(gè)管道，傳輸?shù)拇笮《夹枰付?。這個(gè)層次的USB 系統(tǒng)軟件就是USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序。而在USB設(shè)備一端一般會(huì)有小單片機(jī)或者處理芯片負(fù)責(zé)響應(yīng)這種讀請(qǐng)求，而這一層的傳輸又依賴于USB總線接口層的服務(wù)。在這一層，完全是USB的物理協(xié)議，包括如何分成更小的包（packages）傳輸，如何保證每次包傳輸不丟失數(shù)據(jù)等。

3、USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式：其他傳輸協(xié)議一樣，在物理層，USB當(dāng)然也是通過二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)?，首先二進(jìn)制數(shù)據(jù)構(gòu)成域（有七種），域再構(gòu)成包，包再構(gòu)成事務(wù)（IN、OUT、SETUP），事務(wù)最后構(gòu)成傳輸。

3.1域：是USB數(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成（至于是多少位由具體的域決定），域可分為七個(gè)類型：

3.1.1同步域（SYNC）八位，值固定為0000 000，用于本地時(shí)鐘和輸入同步。

3.1.2標(biāo)識(shí)域（PID）由四位標(biāo)識(shí)符+四位標(biāo)識(shí)符反碼構(gòu)成，表明包的類型和格式，這是個(gè)很重要的部分，這里能夠計(jì)算出，USB的標(biāo)識(shí)碼有16種。

3.1.3地址域（ADDR）七位地址，代表了設(shè)備在主機(jī)上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個(gè)設(shè)備第一次連接到主機(jī)時(shí)，在被主機(jī)配置、枚舉前的默認(rèn)地址，由此能夠知道為什么一個(gè)USB主機(jī)只能接127個(gè)設(shè)備的原因。

3.1.4端點(diǎn)域（ENDP）四位，由此可知一個(gè)USB設(shè)備有的端點(diǎn)數(shù)量最大為16個(gè)。

3.1.5幀號(hào)域（FRAM）11位，每一個(gè)幀都有一個(gè)特定的幀號(hào)，幀號(hào)域最大容量0x800，對(duì)于同步傳輸有重要意義。

3.1.6數(shù)據(jù)域（DATA）長(zhǎng)度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度各不相同，但必須為整數(shù)個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。

3.1.7校驗(yàn)域（CRC）對(duì)令牌包和數(shù)據(jù)包（對(duì)于包的分類請(qǐng)看下面）中非PID域進(jìn)行校驗(yàn)的一種方法，CRC校驗(yàn)在通訊中應(yīng)用很泛，是一種很好的校驗(yàn)方法。

3.2 包由域構(gòu)成的包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特別包。

3.2.1 令牌包可分為輸入包、輸出包、配置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用于配置輸入命令的，輸出包是用來配置輸出命令的，而不是放據(jù)數(shù)的）。其中輸入包、輸出包和配置包的格式都是相同的：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗(yàn)碼）（上面的縮寫解釋請(qǐng)看上面域的介紹，PID碼即產(chǎn)品識(shí)別碼）。幀起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗(yàn)碼）。

3.2.2 數(shù)據(jù)包分為DATA0包和DATA1包，當(dāng)USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，當(dāng)一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于相應(yīng)端點(diǎn)的容量時(shí)，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個(gè)包，分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即假如第一個(gè)數(shù)據(jù)包是DATA0，那第二個(gè)數(shù)據(jù)包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），任何的數(shù)據(jù)包都是為DATA0，格式如下：SYNC+PID+0~1023字節(jié)+CRC16（16位的校驗(yàn)碼） 。

3.2.3 握手包結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的包，格式如下SYNC+PID 。

3.3 事務(wù)分別有IN事務(wù)、OUT事務(wù)和SETUP事務(wù)三大事務(wù)，每一種事務(wù)都由令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包三個(gè)階段構(gòu)成，這里用階段的意思是因?yàn)檫@些包的發(fā)送是有一定的時(shí)間先后順序的，事務(wù)的三個(gè)階段如下：1、令牌包階段：?jiǎn)?dòng)一個(gè)輸入、輸出或配置的事務(wù)；2、數(shù)據(jù)包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)；3、握手包階段：返回?cái)?shù)據(jù)接收情況，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中沒有這個(gè)階段，這是比較特別的事務(wù)的三種類型如下（以下按三個(gè)階段來說明一個(gè)事務(wù)）：

3.3.1 IN事務(wù)令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為IN的輸入包給設(shè)備，通知設(shè)備要往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)包階段——設(shè)備根據(jù)情況會(huì)作出三種反應(yīng)（要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會(huì)提前進(jìn)入握手包階段）1）設(shè)備端點(diǎn)正常，設(shè)備往入主機(jī)里面發(fā)出數(shù)據(jù)包（DATA0和ATA1交替）；2）設(shè)備正在忙，無(wú)法往主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無(wú)效包，IN事務(wù)提前結(jié)束，到了下一個(gè)IN事務(wù)才繼續(xù)；3）相應(yīng)設(shè)備端點(diǎn)被禁止，發(fā)送錯(cuò)誤包STALL包，事務(wù)也就提前結(jié)束了，總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。握手包階段——主機(jī)正確接收到數(shù)據(jù)之后就會(huì)向設(shè)備發(fā)送ACK包。

3.3.2 OUT事務(wù)令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為OUT的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機(jī)會(huì)設(shè)備送數(shù)據(jù)，DATA0和DATA1交替握手包階段——設(shè)備根據(jù)情況會(huì)作出三種反應(yīng)：1）設(shè)備端點(diǎn)接收正確，設(shè)備往入主機(jī)返回ACK，通知主機(jī)能夠發(fā)送新的數(shù)據(jù)，假如數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，將不返回任何握手信息；2）設(shè)備正在忙，無(wú)法往主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無(wú)效包，通知主機(jī)再次發(fā)送數(shù)據(jù)；3）相應(yīng)設(shè)備端點(diǎn)被禁止，發(fā)送錯(cuò)誤包STALL包，事務(wù)提前結(jié)束，總線直接進(jìn)入空閑狀態(tài)。

3.3.3 SETUP事務(wù)令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為SETUP的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機(jī)會(huì)設(shè)備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個(gè)固定為8個(gè)字節(jié)的DATA0包，這8個(gè)字節(jié)的內(nèi)容就是標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請(qǐng)求命令（共有11條，具體請(qǐng)看問題七）握手包階段——設(shè)備接收到主機(jī)的命令信息后，返回ACK，此后總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，并準(zhǔn)備下一個(gè)傳輸（在SETUP事務(wù)后通常是個(gè)IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸）。

3.3.4 PIN事務(wù)處理：主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸中，只包含令牌包和握手包階段，步驟如下：USB主機(jī)向USB設(shè)備發(fā)送PING令牌包，表示一個(gè)PIN事務(wù)的開始；USB正確接收到該命令包，然后USB設(shè)備向US主機(jī)返回各種握手包進(jìn)行響應(yīng)。

3.4 傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務(wù)其中的事務(wù)構(gòu)成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉(zhuǎn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)相同，同步傳輸有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而控制傳輸是最重要的也是最復(fù)雜的傳輸。

3.4.1 中斷傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于鍵盤、鼠標(biāo)等HID設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸中 

3.4.2批量傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當(dāng)總線忙時(shí)，USB會(huì)優(yōu)先進(jìn)行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，而暫時(shí)停止批量轉(zhuǎn)輸。

3.4.3 同步傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，有兩個(gè)特別地方，第一，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中是沒有返回包階段的；第二，在數(shù)據(jù)包階段任何的數(shù)據(jù)包都為DATA0 

3.4.5 控制傳輸：最重要的也是最復(fù)雜的傳輸，控制傳輸由三個(gè)階段構(gòu)成（初始配置階段、可選數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟），每一個(gè)階段能夠看成一個(gè)的傳輸，也就是說控制傳輸其實(shí)是由三個(gè)傳輸構(gòu)成的，用來于USB設(shè)備初次加接到主機(jī)之后，主機(jī)通過控制傳輸來交換信息，設(shè)備地址讀取設(shè)備的描述符，使得主機(jī)識(shí)別設(shè)備，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程式，這是每一個(gè)USB研發(fā)者都要關(guān)心的問題。

1、 初始配置步驟：就是個(gè)由SET事務(wù)構(gòu)成的傳輸

2、可選數(shù)據(jù)步驟：就是個(gè)由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸，這個(gè)步驟是可選的，要看初始配置步驟有沒有需要讀/寫數(shù)據(jù)（由SET事務(wù)的數(shù)據(jù)包階段發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求命令決定）

3、狀態(tài)信息步驟：顧名思義，這個(gè)步驟就是要獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成構(gòu)成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務(wù)和之前的IN和OUT事務(wù)有兩點(diǎn)不同：

1）傳輸方向相反，通常IN表示設(shè)備往主機(jī)送數(shù)據(jù)，OUT表示主機(jī)往設(shè)備送數(shù)據(jù)；在這里，IN表示主機(jī)往設(shè)備送數(shù)據(jù)，而OUT表示設(shè)備往主機(jī)送數(shù)據(jù)，這是為了和可選數(shù)據(jù)步驟相結(jié)合。

2）在這個(gè)步驟里，數(shù)據(jù)包階段的數(shù)據(jù)包都是0長(zhǎng)度的，即SYNC+PID+CRC16。

4.事務(wù)傳輸?shù)牧鞒?/p>

4.1 中斷傳輸：中斷傳輸在流程上除了不支持PING事務(wù)以外，其他的跟批量傳輸時(shí)一樣的。他們之間的區(qū)別在于事務(wù)傳輸發(fā)生的端點(diǎn)不一樣、支持最大的包的長(zhǎng)度不一樣、優(yōu)先級(jí)不一樣等這些對(duì)于用戶來說透明的東西。

4.2 批量傳輸：圖中一個(gè)方框表示一個(gè)Packet，灰色的包表示主機(jī)發(fā)出的包，白色的包表示設(shè)備發(fā)出的包，批量傳輸時(shí)可靠的傳輸，需要用握手包來表明傳輸結(jié)果。若數(shù)據(jù)量比較大，將采用多次批量事務(wù)傳輸來完成全部數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸過程中的PID按照DATA0-DATA1-DATA0…的方式旋轉(zhuǎn)，以保證發(fā)送端和接收端的同步。USB允許連續(xù)三次一下的傳輸錯(cuò)誤，會(huì)重試該傳輸，若成功會(huì)將錯(cuò)誤計(jì)數(shù)清零，否則累加該計(jì)數(shù)器。超過三次后，HOST認(rèn)為該端點(diǎn)功能錯(cuò)誤，放棄該端點(diǎn)的傳輸任務(wù)。

4.3 同步傳輸：同步傳輸時(shí)不可靠的傳輸，所以它沒有握手包。同時(shí)也不支持PID翻轉(zhuǎn)，同步傳輸有最高的優(yōu)先級(jí)。

4.4 控制傳輸：一次控制傳輸分為三個(gè)(或者兩個(gè))階段：建立（SETUP），數(shù)據(jù)DATA，可能么有)以及狀態(tài)（SATATUS）。每個(gè)階段都有一次或者多次的事務(wù)傳輸階段組成。建立階段過后，可能會(huì)有數(shù)據(jù)階段，這個(gè)階段將會(huì)通過一次或者多次控制傳輸事務(wù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸，同樣也采用PID翻轉(zhuǎn)的機(jī)制。建立階段，設(shè)備只返回ACK包，或者不返回任何包，最后是狀態(tài)階段，通過一次方向與前一次相反的控制事務(wù)傳輸來表明傳輸?shù)某晒εc否。如果成功會(huì)返回一個(gè)長(zhǎng)度為0的數(shù)據(jù)包，否則返回NAK或者STALL。