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看到很多壇友發(fā)布一些關(guān)于USB的資料，但是很多都不是基于例程來(lái)分析的，最近在搞USB這塊的程序，在這里記錄一下，自己學(xué)習USB的過(guò)程，同時(shí)也寫(xiě)出來(lái)分享給大家，希望能給大家在USB學(xué)習方面提供一些幫助。 我使用的硬件是金龍107開(kāi)發(fā)板，主芯片STM32F107VCT6，該芯片支持USB從機以及主機，支持OTG功能，例程是基于ST官網(wǎng)的例程，做了一些簡(jiǎn)單的修改，后面我會(huì )把完整的工程上傳上來(lái)。 基于金龍107開(kāi)發(fā)板的所有例程都在另外一個(gè)帖子里面http://www.amobbs.com/thread-5572266-1-1.html]金龍107開(kāi)發(fā)板全部例程[/url] ，每個(gè)例程都有說(shuō)明文檔，有興趣的大家可以查看一下。 首先發(fā)一些關(guān)于USB的基礎知識，是本人轉來(lái)的。 USB的重要關(guān)鍵字: 1、端點(diǎn)：位于USB設備或主機上的一個(gè)數據緩沖區，用來(lái)存放和發(fā)送USB的各種數據，每一個(gè)端點(diǎn)都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性（如輸入端點(diǎn)、輸出端點(diǎn)、配置端點(diǎn)、批量傳輸端點(diǎn)） 2、幀：時(shí)間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個(gè)獨立的單元，包含了一系列總線(xiàn)動(dòng)作，USB將1幀分為好幾份，每一份中是一個(gè)USB的傳輸動(dòng)作。 3、上行、下行：設備到主機為上行，主機到設備為下行 下面以一問(wèn)一答的形式開(kāi)始學(xué)習吧。 問(wèn)題一：USB的傳輸線(xiàn)結構是如何的呢？ 答案一：一條USB的傳輸線(xiàn)分別由地線(xiàn)、電源線(xiàn)、D+、D-四條線(xiàn)構成，D+和D-是差分輸入線(xiàn)，它使用的是3.3V的電壓（注意哦，與CMOS的5V電平不同），而電源線(xiàn)和地線(xiàn)可向設備提供5V電壓，最大電流為500MA（可以在編程中設置的，至于硬件的實(shí)現機制，就不要管它了）。 問(wèn)題二：數據是如何在USB傳輸線(xiàn)里面傳送的 答案二：數據在USB線(xiàn)里傳送是由低位到高位發(fā)送的。 問(wèn)題三：USB的編碼方案？ 答案三：USB采用不歸零取反來(lái)傳輸數據，當傳輸線(xiàn)上的差分數據輸入0時(shí)就取反，輸入1時(shí)就保持原值，為了確保信號發(fā)送的準確性，當在USB總線(xiàn)上發(fā)送一個(gè)包時(shí)，傳輸設備就要進(jìn)行位插入***作（即在數據流中每連續6個(gè)1后就插入一個(gè)0），從而強迫NRZI碼發(fā)生變化。這個(gè)了解就行了，這些是由專(zhuān)門(mén)硬件處理的。 問(wèn)題四：USB的數據格式是怎么樣的呢？ 答案四：和其他的一樣，USB數據是由二進(jìn)制數字串構成的，首先數字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務(wù)（IN、OUT、SETUP），事務(wù)最后構成傳輸（中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸）。下面簡(jiǎn)單介紹一下域、包、事務(wù)、傳輸，請注意他們之間的關(guān)系。 （一）域：是USB數據最小的單位，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(lèi)型： 1、同步域（SYNC），八位，值固定為0000 0001，用于本地時(shí)鐘與輸入同步 2、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類(lèi)型和格式，這是一個(gè)很重要的部分，這里可以計算出，USB的標識碼有16種，具體分類(lèi)請看問(wèn)題五。 3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個(gè)設備第一次連接到主機時(shí)，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道為什么一個(gè)USB主機只能接127個(gè)設備的原因。 4、端點(diǎn)域（ENDP），四位，由此可知一個(gè)USB設備有的端點(diǎn)數量最大為16個(gè)。 5、幀號域（FRAM），11位，每一個(gè)幀都有一個(gè)特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對于同步傳輸有重要意義（同步傳輸為四種傳輸類(lèi)型之一，請看下面）。 6、數據域（DATA）：長(cháng)度為0~1023字節，在不同的傳輸類(lèi)型中，數據域的長(cháng)度各不相同，但必須為整數個(gè)字節的長(cháng)度 7、校驗域（CRC）：對令牌包和數據包（對于包的分類(lèi)請看下面）中非PID域進(jìn)行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至于具體的校驗方法這里就不多說(shuō)，請查閱相關(guān)資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同于10進(jìn)制中的除法。 （二）包：由域構成的包有四種類(lèi)型，分別是令牌包、數據包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結構不同，介紹如下 1、令牌包：可分為輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用于設置輸入命令的，輸出包是用來(lái)設置輸出命令的，而不是放據數的） 其中輸入包、輸出包和設置包的格式都是一樣的： SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼） （上面的縮寫(xiě)解釋請看上面域的介紹，PID碼的具體定義請看問(wèn)題五） 幀起始包的格式： SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼） 2、數據包：分為DATA0包和DATA1包，當USB發(fā)送數據的時(shí)候，當一次發(fā)送的數據長(cháng)度大于相應端點(diǎn)的容量時(shí)，就需要把數據包分為好幾個(gè)包，分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個(gè)數據包是 DATA0，那第二個(gè)數據包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類(lèi)傳輸類(lèi)型中之一），所有的數據包都是為DATA0，格式如下： SYNC+PID+0~1023字節+CRC16 3、握手包：結構最為簡(jiǎn)單的包，格式如下 SYNC+PID （注上面每種包都有不同類(lèi)型的，USB1.1共定義了十種包，具體請見(jiàn)問(wèn)題五） （三）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、數據包、握手包三個(gè)階段構成，這里用階段的意思是因為這些包的發(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、輸出或設置的事務(wù) 2、數據包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應的數據 3、握手包階段：返回數據接收情況，在同步傳輸的IN和OUT事務(wù)中沒(méi)有這個(gè)階段，這是比較特殊的。 事務(wù)的三種類(lèi)型如下（以下按三個(gè)階段來(lái)說(shuō)明一個(gè)事務(wù)）： 1、 IN事務(wù)： 令牌包階段——主機發(fā)送一個(gè)PID為IN的輸入包給設備，通知設備要往主機發(fā)送數據； 數據包階段——設備根據情況會(huì )作出三種反應（要注意：數據包階段也不總是傳送數據的，根據傳輸情況還會(huì )提前進(jìn)入握手包階段） 1） 設備端點(diǎn)正常，設備往入主機里面發(fā)出數據包（DATA0與DATA1交替）； 2） 設備正在忙，無(wú)法往主機發(fā)出數據包就發(fā)送NAK無(wú)效包，IN事務(wù)提前結束，到了下一個(gè)IN事務(wù)才繼續； 3） 相應設備端點(diǎn)被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務(wù)也就提前結束了，總線(xiàn)進(jìn)入空閑狀態(tài)。 握手包階段——主機正確接收到數據之后就會(huì )向設備發(fā)送ACK包。 2、 OUT事務(wù)： 令牌包階段——主機發(fā)送一個(gè)PID為OUT的輸出包給設備，通知設備要接收數據； 數據包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機會(huì )設備送數據，DATA0與DATA1交替 握手包階段——設備根據情況會(huì )作出三種反應 1）設備端點(diǎn)接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機可以發(fā)送新的數據，如果數據包發(fā)生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息； 2） 設備正在忙，無(wú)法往主機發(fā)出數據包就發(fā)送NAK無(wú)效包，通知主機再次發(fā)送數據； 3） 相應設備端點(diǎn)被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務(wù)提前結束，總線(xiàn)直接進(jìn)入空閑狀態(tài)。 3、SETUT事務(wù)： 令牌包階段——主機發(fā)送一個(gè)PID為SETUP的輸出包給設備，通知設備要接收數據； 數據包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機會(huì )設備送數據，注意，這里只有一個(gè)固定為8個(gè)字節的DATA0包，這8個(gè)字節的內容就是標準的USB設備請求命令（共有11條，具體請看問(wèn)題七） 握手包階段——設備接收到主機的命令信息后，返回ACK，此后總線(xiàn)進(jìn)入空閑狀態(tài)，并準備下一個(gè)傳輸（在SETUP事務(wù)后通常是一個(gè)IN或OUT事務(wù)構成的傳輸） （四）傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務(wù)其中的事務(wù)構成，傳輸有四種類(lèi)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輸的結構一樣，同步傳輸有最簡(jiǎn)單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最復雜的傳輸。 1、中斷傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構成，用于鍵盤(pán)、鼠標等HID設備的數據傳輸中 2、批量傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構成，用于大容量數據傳輸，沒(méi)有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線(xiàn)忙時(shí)，USB會(huì )優(yōu)先進(jìn)行其他類(lèi)型的數據傳輸，而暫時(shí)停止批量轉輸。 3、同步傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構成，有兩個(gè)特殊地方，第一，在同步傳輸的IN和OUT事務(wù)中是沒(méi)有返回包階段的；第二，在數據包階段所有的數據包都為DATA0 4、控制傳輸：最重要的也是最復雜的傳輸，控制傳輸由三個(gè)階段構成（初始設置階段、可選數據階段、狀態(tài)信息步驟），每一個(gè)階段可以看成一個(gè)的傳輸，也就是說(shuō)控制傳輸其實(shí)是由三個(gè)傳輸構成的，用來(lái)于USB設備初次加接到主機之后，主機通過(guò)控制傳輸來(lái)交換信息，設備地址和讀取設備的描述符，使得主機識別設備，并安裝相應的驅動(dòng)程序，這是每一個(gè)USB開(kāi)發(fā)者都要關(guān)心的問(wèn)題。 1、初始設置步驟：就是一個(gè)由SET事務(wù)構成的傳輸 2、可選數據步驟：就是一個(gè)由IN或OUT事務(wù)構成的傳輸，這個(gè)步驟是可選的，要看初始設置步驟有沒(méi)有要求讀/寫(xiě)數據（由SET事務(wù)的數據包階段發(fā)送的標準請求命令決定） 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)構成構成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務(wù)和之前的INT和OUT事務(wù)有兩點(diǎn)不同： 1） 傳輸方向相反，通常IN表示設備往主機送數據，OUT表示主機往設備送數據；在這里，IN表示主機往設備送數據，而OUT表示設備往主機送數據，這是為了和可選數據步驟相結合； 2） 在這個(gè)步驟里，數據包階段的數據包都是0長(cháng)度的，即SYNC+PID+CRC16 除了以上兩點(diǎn)有區別外，其他的一樣，這里就不多說(shuō) （思考：這些傳輸模式在實(shí)際***作中應如何通過(guò)什么方式去設置？） 問(wèn)題五：標識碼有哪些？ 答案五：如同前面所說(shuō)的標識碼由四位數據組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規范里面，只用了十種標識碼，USB2.0使用了十六種標識碼，標識碼的作用是用來(lái)說(shuō)明包的屬性的，標識碼是和包聯(lián)系在一起的，首先簡(jiǎn)單介紹一下數據包的類(lèi)型，數據包分為令牌包、數據、握手包和特殊包四種（具體分類(lèi)請看問(wèn)題七），標識碼分別有以下十六種： 令牌包 : 0x01 輸出(OUT）啟動(dòng)一個(gè)方向為主機到設備的傳輸，并包含了設備地址和標號 0x09 輸入 (IN) 啟動(dòng)一個(gè)方向為設備到主機的傳輸，并包含了設備地址和標號 0x05 幀起始（SOF）表示一個(gè)幀的開(kāi)始，并且包含了相應的幀號 0x0d 設置（SETUP）啟動(dòng)一個(gè)控制傳輸，用于主機對設備的初始化 數據包 : 0x03 偶數據包（DATA0）， 0x0b 奇數據包（DATA1） 握手包: 0x02 確認接收到無(wú)誤的數據包（ACK） 0x0a 無(wú)效，接收（發(fā)送）端正在忙而無(wú)法接收（發(fā)送）信息 0x0e 錯誤，端點(diǎn)被禁止或不支持控制管道請求 特殊包 0x0C 前導，用于啟動(dòng)下行端口的低速設備的數據傳輸 問(wèn)題六：USB主機是如何識別USB設備的？ 答案六：當USB設備插上主機時(shí)，主機就通過(guò)一系列的動(dòng)作來(lái)對設備進(jìn)行枚舉配置（配置是屬于枚舉的一個(gè)態(tài)，態(tài)表示暫時(shí)的狀態(tài)），這這些態(tài)如下： 1、接入態(tài)（Attached）：設備接入主機后，主機通過(guò)檢測信號線(xiàn)上的電平變化來(lái)發(fā)現設備的接入； 2、供電態(tài)（Powered）：就是給設備供電，分為設備接入時(shí)的默認供電值，配置階段后的供電值（按數據中要求的最大值，可通過(guò)編程設置） 3、缺省態(tài)（Default）：USB在被配置之前，通過(guò)缺省地址0與主機進(jìn)行通信； 4、地址態(tài)（Address）：經(jīng)過(guò)了配置，USB設備被復位后，就可以按主機分配給它的唯一地址來(lái)與主機通信，這種狀態(tài)就是地址態(tài)； 5、配置態(tài)（Configured）：通過(guò)各種標準的USB請求命令來(lái)獲取設備的各種信息，并對設備的某此信息進(jìn)行改變或設置。 6、掛起態(tài)（Suspended）：總線(xiàn)供電設備在3ms內沒(méi)有總線(xiàn)***作，即USB總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)的話(huà)，該設備就要自動(dòng)進(jìn)入掛起狀態(tài)，在進(jìn)入掛起狀態(tài)后，總的電流功耗不超過(guò)280UA。 問(wèn)題七：剛才在答案四提到的標準的USB設備請求命令究竟是什么？ 答案七：標準的USB設備請求命令是用在控制傳輸中的“初始設置步驟”里的數據包階段（即DATA0，由八個(gè)字節構成），請看回問(wèn)答四的內容。標準USB設備請求命令共有11個(gè)，大小都是8個(gè)字節，具有相同的結構，由5 個(gè)字段構成（字段是標準請求命令的數據部分），結構如下（括號中的數字表示字節數，首字母bm,b,w分別表示位圖、字節，雙字節）： bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2） 各字段的意義如下： 1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0 D7=0主機到設備 =1設備到主機； D6D5=00標準請求命令 =01 類(lèi)請求命令 =10用戶(hù)定義的命令 =11保留值 D4D3D2D1D0=00000 接收者為設備 =00001 接收者為設備 =00010 接收者為端點(diǎn) =00011 接收者為其他接收者 =其他 其他值保留 2、bRequest：請求命令代碼，在標準的USB命令中，每一個(gè)命令都定義了編號，編號的值就為字段的值，編號與命令名稱(chēng)如下（要注意這里的命令代碼要與其他字段結合使用，可以說(shuō)命令代碼是標準請求命令代碼的核心，正是因為這些命令代碼而決定了11個(gè)USB標準請求命令）： 0） 0 GET_STATUS：用來(lái)返回特定接收者的狀態(tài) 1） 1 CLEAR_FEATURE：用來(lái)清除或禁止接收者的某些特性 2） 3 SET_FEATURE：用來(lái)啟用或激活命令接收者的某些特性 3） 5 SET_ADDRESS：用來(lái)給設備分配地址 4） 6 GET_DEs criptOR：用于主機獲取設備的特定描述符 5） 7 SET_DEs criptOR：修改設備中有關(guān)的描述符，或者增加新的描述符 6） 8 GET_CONFIGURATION：用于主機獲取設備當前設備的配置值（注同上面的不同） 7） 9 SET_CONFIGURATION：用于主機指示設備采用的要求的配置 8） 10 GET_INTERFACE：用于獲取當前某個(gè)接口描述符編號 9） 11 SET_INTERFACE：用于主機要求設備用某個(gè)描述符來(lái)描述接口 10） 12 SYNCH_FRAME：用于設備設置和報告一個(gè)端點(diǎn)的同步幀 以上的11個(gè)命令要說(shuō)得明白真的有一匹布那么長(cháng)，請各位去看書(shū)吧，這里就不多說(shuō)了，控制傳輸是USB的重心，而這11個(gè)命令是控制傳輸的重心，所以這11個(gè)命令是重中之重，這個(gè)搞明白了，USB就算是入門(mén)了。 問(wèn)題八：在標準的USB請求命令中，經(jīng)常會(huì )看到Des criptor，這是什么來(lái)的呢？ 回答八：Des criptor即描述符，是一個(gè)完整的數據結構，可以通過(guò)C語(yǔ)言等編程實(shí)現，并存儲在USB設備中，用于描述一個(gè)USB設備的所有屬性，USB主機是通過(guò)一系列命令來(lái)要求設備發(fā)送這些信息的。它的作用就是通過(guò)如問(wèn)答節中的命令***作來(lái)給主機傳遞信息，從而讓主機知道設備具有什么功能、屬于哪一類(lèi)設備、要占用多少帶寬、使用哪類(lèi)傳輸方式及數據量的大小，只有主機確定了這些信息之后，設備才能真正開(kāi)始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。標準的描述符有5種，USB為這些描述符定義了編號： 1——設備描述符 2——配置描述符 3——字符描述符 4——接口描述符 5——端點(diǎn)描述符 上面的描述符之間有一定的關(guān)系，一個(gè)設備只有一個(gè)設備描述符，而一個(gè)設備描述符可以包含多個(gè)配置描述符，而一個(gè)配置描述符可以包含多個(gè)接口描述符，一個(gè)接口使用了幾個(gè)端點(diǎn)，就有幾個(gè)端點(diǎn)描述符。這間描述符是用一定的字段構成的，分別如下說(shuō)明： 1、設備描述符 struct _DEVICE_DEs criptOR_STRUCT { BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，為0x12 BYTE bDes criptorType; //描述符類(lèi)型編號，為0x01 WORD bcdUSB; //USB版本號 BYTE bDeviceClass; //USB分配的設備類(lèi)代碼，0x01~0xfe為標準設備類(lèi)，0xff為廠(chǎng)商自定義類(lèi)型 //0x00不是在設備描述符中定義的，如HID BYTE bDeviceSubClass; //usb分配的子類(lèi)代碼，同上，值由USB規定和分配的 BYTE bDeviceProtocl; //USB分配的設備協(xié)議代碼，同上 BYTE bMaxPacketSize0; //端點(diǎn)0的最大包的大小 WORD idVendor; //廠(chǎng)商編號 WORD idProduct; //產(chǎn)品編號 WORD bcdDevice; //設備出廠(chǎng)編號 BYTE iManufacturer; //描述廠(chǎng)商字符串的索引 BYTE iProduct; //描述產(chǎn)品字符串的索引 BYTE iSerialNumber; //描述設備序列號字符串的索引 BYTE bNumConfiguration; //可能的配置數量 } 2、配置描述符 struct _CONFIGURATION_DEs criptOR_STRUCT { BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，為0x12 BYTE bDes criptorType; //描述符類(lèi)型編號，為0x01 WORD wTotalLength; //配置所返回的所有數量的大小 BYTE bNumInterface; //此配置所支持的接口數量 BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration命令需要的參數值 BYTE iConfiguration; //描述該配置的字符串的索引值 BYTE bmAttribute; //供電模式的選擇 BYTE MaxPower; //設備從總線(xiàn)提取的最大電流 } 3、字符描述符 struct _STRING_DEs criptOR_STRUCT { BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，為0x12 BYTE bDes criptorType; //描述符類(lèi)型編號，為0x01 BYTE SomeDes criptor[36]; //UNICODE編碼的字符串 } 4、接口描述符 struct _INTERFACE_DEs criptOR_STRUCT { BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，為0x12 BYTE bDes criptorType; //描述符類(lèi)型編號，為0x01 BYTE bInterfaceNunber; //接口的編號 BYTE bAlternateSetting;//備用的接口描述符編號 BYTE bNumEndpoints; //該接口使用端點(diǎn)數，不包括端點(diǎn)0 BYTE bInterfaceClass; //接口類(lèi)型 BYTE bInterfaceSubClass;//接口子類(lèi)型 BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的協(xié)議 BYTE iInterface; //描述該接口的字符串索引值 } 5、端點(diǎn)描述符 struct _ENDPOIN_DEs criptOR_STRUCT { BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，為0x12 BYTE bDes criptorType; //描述符類(lèi)型編號，為0x01 BYTE bEndpointAddress; //端點(diǎn)地址及輸入輸出屬性 BYTE bmAttribute; //端點(diǎn)的傳輸類(lèi)型屬性 WORD wMaxPacketSize; //端點(diǎn)收、發(fā)的最大包的大小 BYTE bInterval; //主機查詢(xún)端點(diǎn)的時(shí)間間隔 } 了解了上述這些知識，會(huì )對于USB的學(xué)習提供一個(gè)較好的幫助。 |
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