USB 協議分析(含基本協議和 USB 請求和裝置列舉)
1. 物理特性
1.1 引腳
一條USB傳輸線分別由地線、電源線、D+和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(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(可以在程式設計中設定)。
引腳標號 | 訊號名稱 | 纜線顏色 |
1 | Vcc | 紅 |
2 | Data- (D-) | 白 |
3 | Data+ (D+) | 綠 |
4 | GND | 黑 |
USB裝置可以直接和HOST通訊,或者通過Hub和Host通訊。一個USB系統中僅有一個USB 主機,裝置包括USB功能裝置和USB HUB,最多支援127個裝置。物理連線指的是USB傳輸線。在USB 2.0系統中要求使用遮蔽雙絞線。
1.2 USB 訊號(差分訊號)
使用差分訊號進行資料傳輸,有效的降低外接帶來的干擾。
1.3 USB 訊號編碼(NRZI)
USB 資料傳輸的傳輸使用反向不歸零編碼進行傳送(NRZI)
反向不歸零編碼方式可以保證資料的完整性,而且不要求傳輸過程中由獨立的時鐘訊號。
1.4 USB 位元組序
LSB 先發,MSB 後
1.5 USB 裝置檢測
USB1.0和USB1.1支援1.5Mb/s的低速模式和12Mb/bs的全速模式。在USB2.0以上支援480Mb/s的高速模式。
當 USB 裝置接入系統時刻,系統通過檢測 USB 上的 D+或者D- 線上的上拉電阻的方式來識別低速
對於高速裝置,和全速裝置一樣,在D+上存在上拉電阻,對於高速裝置的的識別,主機先把高速裝置檢測為全速裝置,然後再通過“Chirp 序列”的匯流排握手機制來識別高速和全速裝置。
2. 通訊協議
USB 協議中:
域組成了包,不同的域,組成了不同型別的包(Token、Data、HandShake)。
多個包一起組成了一個事務(SetUp事務,IN 事務,OUT 事務)
多個事務,進而組成了不同型別的傳輸(控制傳輸,中斷傳輸,批量傳輸,同步傳輸)
2.1 包組成(Packets Content)
包(Packet)是USB系統中資訊傳輸的基本單元,所有資料都是經過打包後在總線上傳輸的。資料在 USB總線上的傳輸以包為單位,包只能在幀內傳輸。高速USB匯流排的幀週期為125us,全速以及低速 USB 匯流排的幀週期為 1ms。幀的起始由一個特定的包(SOF 包)表示,幀尾為 EOF。EOF不是一個包,而是一種電平狀態,EOF期間不允許有資料傳輸。
包是USB總線上資料傳輸的最小單位,不能被打斷或干擾,否則會引發錯誤。若干個資料包組成一次事務傳輸,一次事務傳輸也不能打斷,屬於一次事務傳輸的幾個包必須連續,不能跨幀完成。一次傳輸由一次到多次事務傳輸構成,可以跨幀完成。
USB包由五部分組成,即同步欄位(SYNC)、包識別符號欄位(PID)、資料欄位、迴圈冗餘校驗欄位(CRC)和包結尾欄位(EOP),包的基本格式如下圖:
2.1.1 PID 域
不同的 PID 標識了不同型別的 USB 包。由四位識別符號 + 四位識別符號反碼構成。
這裡只用(PID0~4),PID4~7是PID0~4的取反,用來校驗 PID
根據 USB2.0 的 Spec 描述:
可以看出,由 PID 主要將 USB 的包分為了 4 類:
1. 令牌包(Token) :
0x01:輸出(OUT)啟動一個方向為主機到裝置的傳輸,幷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,幷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。
2. 資料包(Data) :
0x03:偶資料包(DATA0)。
0x0b:奇資料包(DATA1)。
0x07:高速裝置的 PID 的同步包
0x0f :高速裝置分離包,高頻寬的同步事務
3. 握手包(HandShake):
0x02:確認接收到無誤的資料包(ACK)。
0x0a:無效(NAK),接收(傳送)端正在忙而無法接收(傳送)資訊。
0x0e:錯誤(STALL),端點被禁止或不支援控制管道請求。
0x06:無響應(NYET)。
4. 特殊類:
前導包,錯誤包,分裂事務和 PING 測試
PID 資料傳輸方向
IN Device->Host
OUT Host->Device
SETUP Host->Device
PING Device->Host
2.1.2 Address 地址域
地址域有兩部分組成:
【 7bits 的裝置地址 ADDR + 4 bits 的端點地址 ENDP】
可以知道,USB 系統最大支援連結 127 個裝置,每個裝置最多 32 個端點。
這個 ENDP 只用在 IN/OUT/SETUP令牌包中。
2.1.3 Frame Number 幀號域
當USB令牌包的 PID 為 SOF時候,其資料欄位必須為11位的幀序列號。
幀號佔11位,主機每發出一個幀,幀號都會自加1,當幀號達到0x7FF時,將歸零重新開始計數。對於同步傳輸有重要意義。
2.1.4 Data 資料域
僅存在於 DATA 資訊包,根據不同的傳輸型別,擁有不同大小的位元組(0--1023位元組)
2.1.5 CRC域
用於進行資料的 CRC 校驗
2.2 包型別(Packets Type)
2.2.1 令牌包(Token)
根據域的 PID 描述,令牌包有4種:
令牌包有四種:
- OUT: 通知裝置將要輸出一個數據包
- IN: 通知裝置返回一個數據包
- SETUP: 只用在控制傳輸中,也是通知裝置將要輸出一個數據包,與OUT令牌的區別是:只使用DATA0資料包,且只能發到device的控制端點
- SOF: 在每幀開始時以廣播的形式傳送,針對USB全速裝置,主機每1ms/125us產生一個幀,USB主機會對當前幀號進行統計,每次幀開始時通過SOF包傳送幀號。
輸入包(IN)、輸出包(OUT)和設定包(SETUP)的格式都是一樣的:
SYNC + PID + ADDR(7 bits) + ENDP(4bits) + CRC5(五位的校驗碼)
幀起始包(SOF)的格式:
SYNC + PID + 11位FRAM + CRC5(五位的校驗碼)
SOF包由Host傳送給Device
對於full-speed匯流排,每隔1.00 ms ±0.0005 ms傳送一次;
對於high-speed匯流排,每隔125 μs ±0.0625 μs傳送一次;
2.2.2 資料包(Data)
分為DATA0包和DATA1包,當USB傳送資料的時候,如果一次傳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包交替傳送,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(四類傳輸型別中之一),所有的資料包都是為DATA0,格式如下:
SYNC + PID + 0~1023位元組 + CRC16
2.2.3 握手包(Handshake)
結構最為簡單的包,格式如下:
SYNC + PID
- ACK: 傳輸正確完成
- NAK: 裝置暫時沒有準備好接收資料,或沒有準備好傳送資料
- STALL: 裝置不能用於傳輸
- NYET/ERR: 僅用於高速傳輸,裝置沒有準備好或出錯
2.3 事務(Transaction)
在USB上資料資訊的一次接收或傳送的處理過程稱為事務處理(Transaction)。一個事務由一系統packet組成,具體由哪些packet組成,它取決於具體的事務。
USB 事務分為3類:
事務 | 描述 |
---|---|
SetUp 事務 | 主機用來向裝置傳送控制命令 |
Data IN 事務 | 主機用來從裝置讀取資料 |
Data OUT 事務 | 主機用來向裝置傳送資料 |
2.3.1 SetUp 事務
•【正常】的設定事務處理
•【裝置忙時】的設定事務處理
•【裝置出錯】的設定事務處理
2.3.2 IN 事務
輸入事務處理:表示USB主機從總線上的某個USB裝置接收一個數據包的過程。
•【正常】的輸入事務處理
•【裝置忙】時的輸入事務處理
•【裝置出錯】時的輸入事務處理
2.3.3 OUT 事務
輸出事務處理:表示USB主機把一個數據包輸出到總線上的某個USB裝置的過程。
•【正常】的輸出事務處理
•【裝置忙時】的輸出事務處理
•【裝置出錯】的輸出事務處理
2.4 傳輸(Transfer)
在USB的傳輸中,定義了4種傳輸型別:
• 控制傳輸 (Control Transfer)
• 中斷傳輸 (Interrupt Transfer)
• 批量傳輸 (Bulk Transfer)
• 同步傳輸 (Isochronous)
2.4.1 控制傳輸 (Control Transfer)
控制傳輸由2~3個階段組成:
1) 建立階段(Setup)
2) 資料階段(無資料控制沒有此階段)(DATA)
3) 狀態階段(Status)
每個階段都由一次或多次(資料階段)事務傳輸組成(Transaction)。
控制資料由USB系統軟體用於配置裝置(在列舉時),其它的驅動軟體可以選擇使用control transfer實現具體的功能,資料傳輸是不可丟失的。
1) 建立階段(Setup)
主機從USB裝置獲取配置資訊,並設定裝置的配置值。建立階段的資料交換包含了SETUP令牌封包、緊隨其後的DATA0資料封包以及ACK握手封包。它的作用是執行一個設定(概念含糊)的資料交換,並定義此控制傳輸的內容(即:在Data Stage中IN或OUT的data包個數,及傳送方向,在Setup Stage已經被設定)。
2) 資料階段(DATA)
資料傳輸階段:用來傳輸主機與裝置之間的資料。根據資料階段的資料傳輸的方向,控制傳輸又可分為3種類型:
A) 控制讀取(讀取USB描述符)
B) 控制寫入(配置USB裝置)
C) 無資料控制
A) 控制讀取
是將資料從裝置讀到主機上,讀取的資料USB裝置描述符。該過程如下圖的【Control Read】所示。對每一個數據信息包而言,首先,主機會發送一個IN令牌資訊包,表示要讀資料進來。然後,裝置將資料通過DATA1/DATA0資料資訊包回傳給主機。最後,主機將以下列的方式加以響應:當資料已經正確接收時,主機送出ACK令牌資訊包;當主機正在忙碌時,發出NAK握手資訊包;當發生了錯誤時,主機發出STALL握手資訊包。
B) 控制寫入
是將資料從主機傳到裝置上,所傳的資料即為對USB裝置的配置資訊,該過程如下的圖【Control Wirte】所示。對每一個數據信息包而言,主機將會送出一個OUT令牌資訊包,表示資料要送出去。緊接著,主機將資料通過DATA1/DATA0資料資訊包傳遞至裝置。最後,裝置將以下列方式加以響應:當資料已經正確接收時,裝置送出ACK令牌資訊包;當裝置正在忙碌時,裝置發出NAK握手資訊包;當發生了錯誤時,裝置發出STALL握手資訊包。
3) 狀態階段(Status)
狀態階段:用來表示整個傳輸的過程已完全結束。
狀態階段傳輸的方向必須與資料階段的方向相反,即原來是IN令牌封包,這個階段應為OUT令牌封包;反之,原來是OUT令牌封包,這個階段應為IN令牌封包。
對於【控制讀取】而言,主機會送出OUT令牌封包,其後再跟著0長度的DATA1封包。而此時,裝置也會做出相對應的動作,送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。
相對地對於【控制寫入】傳輸,主機會送出IN令牌封包,然後裝置送出表示完成狀態階段的0長度的DATA1封包,主機再做出相對應的動作:送ACK握手封包、NAK握手封包或STALL握手封包。
2.4.2 批量傳輸 (Bulk Transfer)
用於傳輸大量資料,要求傳輸不能出錯,但對時間沒有要求,適用於印表機、儲存裝置等。
批量傳輸是可靠的傳輸,需要握手包來表明傳輸的結果。若資料量比較大,將採用多次批量事務傳輸來完成全部資料的傳輸,傳輸過程中資料包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻轉,以保證傳送端和接收端的同步。
一次批量傳輸(Transfer)由 1 次到多次批量事務傳輸(Transaction)組成。
USB 允許連續 3次以下的傳輸錯誤,會重試該傳輸,若成功則將錯誤次數計數器清零,否則累加該計數器。超過三次後,HOST 認為該端點功能錯誤(STALL),放棄該端點的傳輸任務。(重傳機制)
翻轉同步:傳送端按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的順序傳送資料包,只有成功的事務傳輸才會導致 PID 翻轉,也就是說傳送端只有在接收到 ACK 後才會翻轉 PID,傳送下一個資料包,否則會重試本次事務傳輸。同樣,若在接收端發現接收到到的資料包不是按照此順序翻轉的,比如連續收到兩個 DATA0,那麼接收端認為第二個 DATA0 是前一個 DATA0 的重傳。(重傳機制)
它通過在硬體級執行“錯誤檢測”和“重傳”來確保host與device之間“準確無誤”地傳輸資料,即可靠傳輸。它由三種包組成(即IN事務或OUT事務):
1) token
2) data
3) handshake
For IN Token (即:IN Transaction)
• ACK: 表示host正確無誤地接收到資料
• NAK: 指示裝置暫時不能返回或接收資料 (如:裝置忙)
• STALL:指示裝置永遠停止,需要host軟體的干預 (如:裝置出錯)
For OUT Token (即:OUT Transaction)
如果接收到的資料包有誤,如:CRC錯誤,Device不傳送任何handshake包
• ACK: Device已經正確無誤地接收到資料包,且通知Host可以按順序傳送下一個資料包
• NAK: Device 已經正確無誤地接收到資料包,且通知Host重傳資料,由於Device臨時狀況(如buffer滿)
• STALL: 指示Device endpoint已經停止,且通知Host不再重傳
Bulk讀寫序列:
即由一系統IN事務或OUT事務組成。
2.4.3 中斷傳輸 (Interrupt Transfer)
中斷傳輸由IN或OUT事務組成。
中斷傳輸在流程上除不支援PING 之外,其他的跟批量傳輸是一樣的。他們之間的區別也僅在於事務傳輸發生的端點不一樣、支援的最大包長度不一樣、優先順序不一樣等這樣一些對使用者來說透明的東西。主機在排定中斷傳輸任務時,會根據對應中斷端點描述符中指定的查詢間隔發起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優先順序,僅次於同步傳輸。
同樣中斷傳輸也採用PID翻轉的機制來保證收發端資料同步。下圖為中斷傳輸的流程圖。
中斷傳輸方式總是用於對裝置的查詢,以確定是否有資料需要傳輸。因此中斷傳輸的方向總是從USB裝置到主機。
DATA0或DATA1中的包含的是中斷資訊,而不是中斷資料。
2.4.4 同步傳輸 (Isochronous)
它由兩種包組成:
1) token
2) data
同步傳輸不支援“handshake”和“重傳能力”,所以它是不可靠傳輸。
同步傳輸是不可靠的傳輸,所以它沒有握手包,也不支援PID翻轉。主機在排定事務傳輸時,同步傳輸有最高的優先順序。同步傳輸適用於必須以固定速率抵達或在指定時刻抵達,可以容忍偶爾錯誤的資料上。實時傳輸一般用於麥克風、喇叭、UVC Camera等裝置。實時傳輸只需令牌與資料兩個資訊包階段,沒有握手包,故資料傳錯時不會重傳。
3. USB 請求(用於控制傳輸)
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8個位元組構成)。
也就是說,是控制傳輸的建立階段(SetUP)的 DATA0 的 8 個位元組。
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(欄位是標準請求命令的資料部分),結構如下(括號中的數字表示位元組數,首字母bm,b,w分別表示點陣圖、位元組,雙位元組):
bmRequestType(1) + bRequest(1) + wvalue(2) + wIndex(2) + wLength(2)
表1、USB命令的結構 |
||||
偏移量 |
域 |
長度(位元組) |
值 |
描述 |
0 |
bmRequestType |
1 |
點陣圖 |
請求特徵:
|
1 |
bRequest |
1 |
值 |
命令型別編碼值(見表2) |
2 |
wValue |
2 |
值 |
根據不同的命令,含義也不同 |
4 |
wIndex |
2 |
索引或偏移 |
根據不同的命令,含義也不同,主要用於傳送索引或偏 移 |
6 |
wLength |
2 |
如有資料傳送階段,此為資料位元組數。 |
其中 bRequest 為命令編碼值,含意見表2:
表2、USB標準命令的編碼值 |
|
bRequest |
Value |
GET_STATUS |
0 |
CLEAR_FEATURE |
1 |
為將來保留 |
2 |
SET_FEATURE |
3 |
為將來保留 |
4 |
SET_ADDRESS |
5 |
GET_DESCRIPTOR |
6 |
SET_DESCRIPTOR |
7 |
GET_CONFIGURATION |
8 |
SET_CONFIGURATION |
9 |
GET_INTERFACE |
10 |
SET_INTERFACE |
11 |
SYNCH_FRAME |
12 |
對應的11種的命令,其他的域的含義對照表為:
表3、USB的11種標準命令 |
||||||
命令 |
bmRequestType |
bRequest |
wValue |
wIndex |
wLength |
Data |
Clear_Feature |
00000000B |
CLEAR_FEATURE |
特性選擇符 |
零 |
零 |
無 |
Get_Configuration |
10000000B |
GET_CONFIGURATION |
零 |
零 |
一 |
配置值 |
Get_Descriptor |
10000000B |
GET_DESCRIPTOR |
描述表種類(高位元組,見表5)和索引(低位元組) |
零或語言標誌 |
描述表長 |
描述表 |
Get_Interface |
10000001B |
GET_INTERFACE |
零 |
介面號 |
一 |
可選設定 |
Get_Status |
10000000B |
GET_STATUS |
零 |
零(返回裝置狀態) |
二 |
裝置, |
Set_Address |
00000000B |
SET_ADDRESS |
裝置地址 |
零 |
零 |
無 |
Set_Configuration |
00000000B |
SET_CONFIGURATION |
配置值(高位元組為0,低位元組表示要設定的配置值) |
零 |
零 |
無 |
Set_Descriptor |
00000000B |
SET_DESCRIPTOR |
描述表種類(高位元組,見表5)和索引(低位元組) |
零或語言標誌 |
描述表長 |
描述表 |
Set_Feature |
00000000B |
SET_FEATURE |
特性選擇符(1表示裝置,0表示端點) |
零 |
零 |
無 |
Set_Interface |
00000001B |
SET_INTERFACE |
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