深度剖析USB协议层

### 深度剖析USB协议层 #### 一、引言 USB (Universal Serial Bus) 即通用串行总线，是一种广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品的接口技术。USB不仅支持高速数据传输，还能够提供电力供应，简化了外设连接，并实现了热插拔功能。本文档旨在深入探讨USB协议层的关键内容，特别是控制传输和批量传输的细节，以帮助开发者更好地理解和调试基于USB的产品。 #### 二、USB协议基础 ##### 2.1 基本分组格式 USB协议规定了四种主要的分组格式： 1. **令牌分组（Token Packet）**：由PID（Packet ID）、ADDR（Address）和ENDP（Endpoint）三个字段组成，用于启动传输。 2. **帧开始分组（SOF - Start Of Frame）**：表示USB总线上的每个毫秒周期的开始，用于时间同步。 3. **数据分组（Data Packet）**：包含实际传输的数据。 4. **握手分组（Handshake Packet）**：确认数据接收成功与否。 本文档将重点分析令牌分组、数据分组和握手分组。 ##### 2.2 令牌分组 令牌分组由PID、ADDR和ENDP构成，其中PID定义了分组的类型，包括IN、OUT和SETUP。 - **SETUP类型的分组**：发往地址0和端点0的SETUP类型的分组是主机发出的配置请求，属于控制传输。 - **IN和OUT类型的分组**：发往地址0和端点0的IN和OUT类型的分组是主机发出的读或写数据请求，同样属于控制传输。 对于非0端点的批量传输，IN和OUT类型的分组则代表主机与设备之间的数据交换。 #### 三、详细分析 ##### 3.1 控制传输 控制传输是USB协议中最基本的传输模式之一，主要用于设备配置和状态查询等操作。 - **SETUP分组**：如图A-1所示，SETUP分组用于初始化控制传输，通常包含设备配置或查询指令。 - **完整的数组序列**（图A-1 A）显示了SETUP分组的完整结构，包括SYNC、PID、ADDR、ENDP等字段。 - **简化的数据序列**（图A-1 B）则忽略了SYNC、CRC和Idle等字段，便于理解。 - **配置端点读入/输出**：图A-2和图A-3展示了配置端点的读入和输出分组。这些分组用于主机读取设备信息或向设备发送指令。 ##### 3.2 批量传输 批量传输是USB协议中用于大量数据传输的模式，适用于打印机、硬盘驱动器等设备。 - **批量端点读入/输出**：如图A-4和图A-5所示，批量端点的IN和OUT分组用于实现主机与设备之间的批量数据交换。 - **数据分组**：数据分组包含了实际的数据内容。根据PID的不同，数据分组分为DATA0和DATA1两种类型，用于支持数据切换同步（Data Toggle Synchronization）。如图A-6和图A-7所示，非零长度的数据分组包含数据部分；如图A-8所示，零长度的数据分组则是特殊的空数据包，用于某些特定场合。 ##### 3.3 握手分组 握手分组用于确认数据传输的成功或失败，主要包括ACK（Acknowledge）、NAK（Not Acknowledge）和STALL等类型。 - **ACK**：表示数据接收成功。 - **NAK**：表示数据接收失败或设备无法响应。 - **STALL**：通常用于错误处理或特殊状态下。 #### 四、结论 通过对USB协议层的深入分析，我们可以更清晰地理解USB通信的基本原理和技术细节。这种理解有助于开发者在设计和调试基于USB的产品时更加高效准确。此外，通过掌握控制传输和批量传输的具体实现方式，可以有效提升USB设备的性能和用户体验。 ### 附录 #### A.1 基本分组格式详解 - **令牌分组**：由PID、ADDR和ENDP构成，用于发起数据传输。 - **数据分组**：由PID、数据域和CRC组成，用于实际的数据传输。 - **握手分组**：用于确认数据接收状态。 #### A.2 实例分析 - **SETUP分组实例**：展示了一个典型的配置分组示例。 - **批量传输实例**：展示了批量端点的读入和输出实例。 通过以上分析，我们不仅可以深入了解USB协议层的工作机制，还能掌握如何有效地利用这些协议进行设备开发和故障排查。