usb通信基础

kafernikov

USB通信的基础（转摘）
枚举过程的个人体会：
USB设备通信的重点是控制传输阶段的枚举过程，即对EP0部分编程，此部分结合MCU数据手册非常重要，要弄清楚EP0_CSR各标志位如何使用，这部分花了我不少时间。对于枚举过程，每个步骤要记住3个阶段：设置 – 数据（可无，可多个包） – 状态，每个阶段又分3个包：令牌 - 数据 - 握手。我们所要关心的时数据阶段及数据包部分，而状态阶段及握手包部分是结合MCU手册编程使得硬件自动实现。

下面转载USB相关基础知识：

USB的重要关键字:
  1、端点：位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送USB的各种数据，每一个端点都有惟一的确定地址，有不同的传输特性（如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点）
  2、帧：时间概念，在USB中，一帧就是1MS，它是一个独立的单元，包含了一系列总线动作，USB将1帧分为好几份，每一份中是一个USB的传输动作。
  3、上行、下行：设备到主机为上行，主机到设备为下行

USB的传输线结构：
一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+和D-是差分输入线，它使用的是3.3V的电压（注意哦，与CMOS的5V电平不同），而电源线和地线可向设备提供5V电压，最大电流为500mA。

USB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）。数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。
下面简单介绍一下域、包、事务、传输，请注意他们之间的关系。
一、域：是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：
  1、同步域（SYNC），八位，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，在USB1.1规范里面，只用了十种标识码，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，首先简单介绍一下数据包的类型，数据包分为令牌包、数据、握手包和特殊包四种，标识码分别有以下十种（1.1规范）：
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设备有的端点数量最大为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（同步传输为四种传输类型之一，请看下面）。
  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（对于包的分类请看下面）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，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

二、包：由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下：
  1、令牌包：可分为输入包、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，而不是放据数的）
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）   
（上面的缩写解释请看上面域的介绍，PID码的具体定义在上面）
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，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

三、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，设备往入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，设备往入主机返回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）SETUP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，就是主机会设备送数据，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：
    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），请看回问答四的内容。标准USB设备请求命令共有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：
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 接收者为设备
          =00010 接收者为端点
          =00011 接收者为其他接收者
          =其他  其他值保留
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）：
0） 0  GET_STATUS：用来返回特定接收者的状态
1） 1  CLEAR_FEATURE：用来清除或禁止接收者的某些特性
2） 3  SET_FEATURE：用来启用或激活命令接收者的某些特性
3） 5  SET_ADDRESS：用来给设备分配地址
4） 6  GET_DEscriptOR：用于主机获取设备的特定描述符
5） 7  SET_DEscriptOR：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符
6） 8  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）  
7） 9  SET_CONFIGURATION：用于主机指示设备采用的要求的配置
8） 10  GET_INTERFACE：用于获取当前某个接口描述符编号
9） 11  SET_INTERFACE：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口
10） 12 SYNCH_FRAME：用于设备设置和报告一个端点的同步帧
以上的11个命令要说得明白真的有一匹布那么长，请各位去看书吧，这里就不多说了，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，这个搞明白了，USB就算是入门了。
    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）。

四、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、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。
  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。
  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会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。
  3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0。
  4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，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，主机通过控制传输来交换信息，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序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。
  （1）初始设置步骤：就是一个由SET事务构成的传输
  （2）可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）
  （3）状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成的传输，但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：
   1）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。

具体枚举步骤及图解见另一篇文章。。。
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转摘地址
http://blog.chinaunix.net/u1/58780/showart_476909.html


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