快速USB學習

快速USB學習（單片機應用）
（由FLASHMAN編寫，QQ28479691，如要轉載請註明出處）

USB
的優點相信大家都知道了，而且還很賺錢，嘿嘿，這裡就不多說，不懂的就去看看書吧，這裡要說的是如何快速掌握USB技術。這篇文章一方面是我對USB學習
的一個總結，另一方面是為了方便初學者入門學習。學習USB，一本好的教材是少不了的，我以前看過了很多關於USB的書，但是大部分的書都看得不明不白，
原因是編者沒有從初學者的角度來考慮問題，這裡要推薦的書是由馬偉編著的《電腦USB系統原理及其主/從機設計》，書中非常系統地向讀者展示了USB的
原理體系。
在進入學習之前，先認識一下USB的重要關鍵字，這些關鍵字也是在以下的學習裡面將出現的字眼：
1、端點：位於USB裝置或主機上的一個資料緩衝區，用來存放和發送USB的各種資料，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）
2、幀：時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列匯流排動作，USB將1幀分為好幾份，每一份中是一個USB 的傳輸動作。
3、上行、下行：裝置到主機為上行，主機到裝置為下行

下面以一問一答的形式開始學習吧。

問題一：USB的傳輸線結構是如何的呢？
答
案一：一條USB的傳輸線分別由地線、電源線、D+、D-四條線構成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓（注意哦，與CMOS的5V電平
不同），而電源線和地線可向裝置提供5V電壓，最大電流為500MA（可以在編程中設定的，至於硬體的實現機制，就不要管它了）。

問題二：資料是如何在USB傳輸線裡面傳送的
答案二：資料在USB線裡傳送是由低位到高位發送的。

問題三：USB的編碼方案？
答
案三：USB採用不歸零取反來傳輸資料，當傳輸線上的差分資料輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，為了確保訊號發送的準確性，當在USB匯流排上發送一個
包時，傳輸裝置就要進行位插入操作（即在資料流中每連續6個1後就插入一個0），從而強迫NRZI碼發生變化。這個瞭解就行了，這些是由專門硬體處理的。

問題四：USB的資料格式是怎麼樣的呢？
答案四：和其他的一樣，USB資料是由位元字串構成的，首先數字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、OUT、SETUP），事務最後構成傳輸（中斷傳輸、並行傳輸、批量傳輸和控制傳輸）。下面簡單介紹一下域、包、事務、傳輸，請注意他們之間的關係。
（一）域：是USB資料最小的單位，由若干位組成（至於是多少位由具體的域決定），域可分為七個類型：
1、同步域（SYNC），八位，值固定為0000 0001，用於本地時鐘與輸入同步
2、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這裡可以計算出，USB的標識碼有16種，具體分類請看問題五。
3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了裝置在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個裝置第一次串連到主機時，在被主機配置、枚舉前的預設地址，由此可以知道為什麼一個USB主機只能接127個裝置的原因。
4、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB裝置有的端點數量最大為16個。
5、幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對於同步傳輸有重要意義（同步傳輸為四種傳輸類型之一，請看下面）。
6、資料域（DATA）：長度為 0~1023位元組，在不同的傳輸類型中，資料域的長度各不相同，但必須為整數個位元組的長度
7、校正域（CRC）：對令牌包和資料包（對於包的分類請看下面）中非PID域進行校正的一種方法，CRC校正在通訊中應用很泛，是一種很好的校正方法，至於具體的校正方法這裡就不多說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同於10進位中的除法。

（二）包：由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、資料包、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、設定包和幀起始包（注意這裡的輸入包是用於設定輸入命令的，輸出包是用來設定輸出命令的，而不是放據數的）
其中輸入包、輸出包和設定包的格式都是一樣的：
SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校正碼）
（上面的縮寫解釋請看上面域的介紹，PID碼的具體定義請看問題五）
幀起始包的格式：
SYNC+PID+11 位FRAM+CRC5（五位的校正碼）

2、
資料包：分為DATA0包和DATA1包，當USB發送資料的時候，當一次發送的資料長度大於相應端點的容量時，就需要把資料包分為好幾個包，分批發
送，DATA0包和DATA1包交替發送，即如果第一個資料包是DATA0，那第二個資料包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型
中之一），所有的資料包都是為DATA0，格式如下：
SYNC+PID+0~1023 位元組+CRC16

3、握手包：結構最為簡單的包，格式如下
SYNC+PID

（註上面每種包都有不同類型的，USB1.1共定義了十種包，具體請見問題五）

（三）事務：分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、資料包、握手包三個階段構成，這裡用階段的意思是因為這些包的發送是有一定的時間先後順序的，事務的三個階段如下：
1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或設定的事務
2、資料包階段：按輸入、輸出發送相應的資料
3、握手包階段：返回資料接收情況，在同步傳輸的IN和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特殊的。
事務的三種類型如下（以下按三個階段來說明一個事務）：
1、 IN事務：
令牌包階段——主機發送一個PID為IN的輸入包給裝置，通知裝置要往主機發送資料；
資料包階段——裝置根據情況會作出三種反應（要注意：資料包階段也不總是傳送資料的，根據傳輸情況還會提前進入握手包階段）
1） 裝置端點正常，裝置往入主機裡面發出資料包（DATA0與DATA1交替）；
2） 裝置正在忙，無法往主機發出資料包就發送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續；
3） 相應裝置端點被禁止，發送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，匯流排進入空閑狀態。
握手包階段——主機正確接收到資料之後就會向裝置發送 ACK包。

2、 OUT事務：
令牌包階段——主機發送一個PID為OUT的輸出包給裝置，通知裝置要接收資料；
資料包階段——比較簡單，就是主機會裝置送資料，DATA0與DATA1交替
握手包階段——裝置根據情況會作出三種反應
1）裝置端點接收正確，裝置往入主機返回ACK，通知主機可以發送新的資料，如果資料包發生了CRC校正錯誤，將不返回任何握手資訊；
2） 裝置正在忙，無法往主機發出資料包就發送NAK無效包，通知主機再次發送資料；
3） 相應裝置端點被禁止，發送錯誤包STALL包，事務提前結束，匯流排直接進入空閑狀態。

3、SETUT事務：
令牌包階段——主機發送一個PID為SETUP的輸出包給裝置，通知裝置要接收資料；
資料包階段——比較簡單，就是主機會裝置送資料，注意，這裡只有一個固定為8個位元組的DATA0包，這8個位元組的內容就是標準的USB裝置請求命令（共有11條，具體請看問題七）
握手包階段——裝置接收到主機的命令資訊後，返回ACK，此後匯流排進入空閑狀態，並準備下一個傳輸（在SETUP事務後通常是一個IN或OUT事務構成的傳輸）

（四）傳輸：傳輸由 OUT、IN、SETUP事務其中的事務構成，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輸的結構一樣，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最複雜的傳輸。
1、中斷傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於鍵盤、滑鼠等HID裝置的資料轉送中
2、批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於大容量資料轉送，沒有固定的傳輸速率，也不佔用頻寬，當匯流排忙時，USB會優先進行其他類型的資料轉送，而暫時停止批量轉輸。
3、同步傳輸：由OUT事務和IN事務構成，有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸的IN和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在資料包階段所有的資料包都為DATA0
4、
控制傳輸：最重要的也是最複雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構成（初始設定階段、可選資料階段、狀態資訊步驟），每一個階段可以看成一個的傳輸，也就是說控
制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來於USB裝置初次加接到主機之後，主機通過控制傳輸來交換資訊，裝置地址和讀取裝置的描述符，使得主機識別裝置，並安
裝相應的驅動程式，這是每一個USB開發人員都要關心的問題。
1、初始設定步驟：就是一個由SET事務構成的傳輸
2、可選資料步驟：就是一個由IN或OUT事務構成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設定步驟有沒有要求讀/寫資料（由SET事務的資料包階段發送的標準請求命令決定）
3、 狀態資訊步驟：顧名思義，這個步驟就是要擷取狀態資訊，由IN或OUT事務構成構成的傳輸，但是要注意這裡的IN和OUT事務和之前的INT和OUT事務有兩點不同：
1） 傳輸方向相反，通常IN表示裝置往主機送資料，OUT表示主機往裝置送資料；在這裡，IN表示主機往裝置送資料，而OUT表示裝置往主機送資料，這是為了和可選資料步驟相結合；
2） 在這個步驟裡，資料包階段的資料包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16
除了以上兩點有區別外，其他的一樣，這裡就不多說

（思考：這些傳輸模式在實際操作中應如何通過什麼方式去設定？）

問題五：標識碼有哪些？
答
案五：如同前面所說的標識碼由四位元據組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規範裡面，只用了十種標識碼，USB2.0使用了十六種標識碼，標
識碼的作用是用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯絡在一起的，首先簡單介紹一下資料包的類型，資料包分為令牌包、資料、握手包和特殊包四種（具體分類請看
問題七），標識碼分別有以下十六種：
令牌包 0x01 輸出(OUT）啟動一個方向為主機到裝置的傳輸，並包含了裝置地址和標號
0x09 輸入 (IN) 啟動一個方向為裝置到主機的傳輸，並包含了裝置地址和標號
0x05 幀起始（SOF）表示一個幀的開始，並且包含了相應的幀號
0x0d 設定（SETUP）啟動一個控制傳輸，用於主機對裝置的初始化
資料包 0x03 偶資料包（DATA0），
0x0b 奇資料包（DATA1）
握手包 0x02 確認接收到無誤的資料包（ACK）
0x0a 無效，接收（發送）端正在忙而無法接收（發送）資訊
0x0e 錯誤，端點被禁止或不支援控制管道請求
特殊包 0xoc 前置，用於啟動下行連接埠的低速裝置的資料轉送

問題六：USB主機是如何識別USB裝置的？
答案六：當USB裝置插上主機時，主機就通過一系列的動作來對裝置進行枚舉配置（這裡用枚舉，我總覺得有點怪怪的，但很多書上都是這樣說，另外配置是屬於枚舉的一個態，態表示暫時的狀態），這這些態如下：
1、接入態（Attached）：裝置接入主機後，主機通過活動訊號線上的電平變化來發現裝置的接入；
2、供電態（Powered）：就是給裝置供電，分為裝置接入時的預設供電值，設定階段後的供電值（按資料中要求的最大值，可通過編程設定）
3、預設態（Default）：USB在被配置之前，通過預設地址0與主機進行通訊；
4、地址態（Address）：經過了配置，USB裝置被複位後，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通訊，這種狀態就是地址態；
5、配置態（Configured）：通過各種標準的USB請求命令來擷取裝置的各種資訊，並對裝置的某此資訊進行改變或設定。
6、掛起態（Suspended）：匯流排供電裝置在3ms內沒有匯流排操作，即USB匯流排處於空閑狀態的話，該裝置就要自動進入掛起狀態，在進入掛起狀態後，總的電流功耗不超過280UA。

問題七：剛才在答案四提到的標準的USB裝置請求命令究竟是什嗎？
答
案七：標準的USB裝置請求命令是用在控制傳輸中的“初始設定步驟”裡的資料包階段（即DATA0，由八個位元組構成），請看回問答四的內容。標準USB設
備請求命令共有11個，大小都是8個位元組，具有相同的結構，由 5個欄位構成（注這裡的欄位和域的本質都是一樣的，都是由二進位串構成的，這是為了將命令和
包區分開來），結構如下（括弧中的數字表示位元組數，首字母bm,b,w分別表示位元影像、位元組，雙位元組）：
bmRequestType(1)+bRequest（1）+wValue（2）+wIndex（2）+wLength（2）

各欄位的意義如下：
1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0
D7=0主機到裝置
=1裝置到主機；
D6D5=00 標準請求命令
=01 類請求命令
=10使用者定義的命令
=11保留值
D4D3D2D1D0=00000 接收者為裝置
=00001 接收者為裝置
=00010 接收者為端點
=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，每一個命令都定義了編號，編號的值就為欄位的值，編號與命令名稱如下（要注意這裡的命令代碼要與
其他欄位結合使用，可以說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USB標準請求命令）：
0） 0 GET_STATUS：用來返回特定接收者的狀態
1） 1 CLEAR_FEATURE：用來清除或禁止接收者的某些特性
2） 3 SET_FEATURE：用來啟用或啟用命令接收者的某些特性
3） 5 SET_ADDRESS：用來給裝置分配地址
4） 6 GET_DESCRIPTOR：用於主機擷取裝置的特定描述符
5） 7 SET_DESCRIPTOR：修改裝置中有關的描述符，或者增加新的描述符
6） 8 GET_CONFIGURATION：用於主機擷取裝置當前裝置的配置值（注同上面的不同）
7） 9 SET_CONFIGURATION：用於主機指示裝置採用的要求的配置
8） 10 GET_INTERFACE：用於擷取當前某個介面描述符編號
9） 11 SET_INTERFACE：用於主機要求裝置用某個描述符來描述介面
10） 12 SYNCH_FRAME：用於裝置設定和報告一個端點的同步幀
以上的11個命令要說得明白真的有一匹布那麼長，請各位去看書吧，這裡就不多說了，控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是控制傳輸的重心，所以這11個命令是重中之重，這個搞明白了，USB就算是入門了。

問題八：在標準的USB請求命令中，經常會看到Descriptor，這是什麼來的呢？
回
答八：Descriptor即描述符，是一個完整的資料結構，可以通過C語言等編程實現，並儲存在USB裝置中，用於描述一個USB裝置的所有屬
性，USB主機是通過一系列命令來要求裝置發送這些資訊的。它的作用就是通過如問答節中的命令操作來給主機傳遞資訊，從而讓主機知道裝置具有什麼功能、屬
於哪一類裝置、要佔用多少頻寬、使用哪類傳輸方式及資料量的大小，只有主機確定了這些資訊之後，裝置才能真正開始工作，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——裝置描述符
2——配置描述符
3——字元描述符
4——介面描述符
5——端點描述符
上面的描述符之間有一定的關係，一個裝置只有一個裝置描述符，而一個裝置描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述符可以包含多個介面描述符，一個介面使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這間描述符是用一定的欄位構成的，分別如下說明：
1、裝置描述符
struct _DEVICE_DESCRIPTOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //裝置描述符的位元組數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x01
WORD bcdUSB; //USB版本號碼
BYTE bDeviceClass; //USB分配的裝置類代碼，0x01~0xfe為標準裝置類，0xff為廠商自訂類型
//0x00不是在裝置描述符中定義的，如HID
BYTE bDeviceSubClass; //usb分配的子類代碼，同上，值由USB規定和分配的
BYTE bDeviceProtocl; //USB分配的裝置協議代碼，同上
BYTE bMaxPacketSize0; //端點0的最大包的大小
WORD idVendor; //廠商編號
WORD idProduct; //產品編號
WORD bcdDevice; //裝置出廠編號
BYTE iManufacturer; //描述廠商字串的索引
BYTE iProduct; //描述產品字串的索引
BYTE iSerialNumber; //描述裝置序號字串的索引
BYTE bNumConfiguration; //可能的配置數量

}

2、配置描述符
struct _CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //裝置描述符的位元組數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x01
WORD wTotalLength; //配置所返回的所有數量的大小
BYTE bNumInterface; //此配置所支援的介面數量
BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration命令需要的參數值
BYTE iConfiguration; //描述該配置的字串的索引值
BYTE bmAttribute; //供電模式的選擇
BYTE MaxPower; //裝置從匯流排提取的最大電流
}

3、字元描述符
struct _STRING_DESCRIPTOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //裝置描述符的位元組數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x01
BYTE SomeDescriptor[36]; //UNICODE編碼的字串
}

4、介面描述符
struct _INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //裝置描述符的位元組數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x01
BYTE bInterfaceNunber; //介面的編號
BYTE bAlternateSetting;//備用的介面描述符編號
BYTE bNumEndpoints; //該介面使用端點數，不包括端點0
BYTE bInterfaceClass; //介面類型
BYTE bInterfaceSubClass;//介面子類型
BYTE bInterfaceProtocol;//介面所遵循的協議
BYTE iInterface; //描述該介面的字串索引值
}
5、端點描述符
struct _ENDPOIN_DESCRIPTOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //裝置描述符的位元組數大小，為0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，為0x01
BYTE bEndpointAddress; //端點地址及輸入輸出屬性
BYTE bmAttribute; //端點的傳輸類型屬性
WORD wMaxPacketSize; //端點收、發的最大包的大小
BYTE bInterval; //主機查詢端點的時間間隔
}

在搞明白了上面的八個問題之後，就可以進入USB的下一步學習了。