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和其他的一樣,USB數據是由二進制數字串構成的,首先數字串構成域(有七種),域再構成包,包再構成事務(IN、OUT、SETUP),事務最后構成傳輸(中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸)。下面簡單介紹一下域、包、事務、傳輸,請注意他們之間的關系。
(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),域可分為七個類型:
1、同步域(SYNC),八位,值固定為0000 0001,用于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,這里可以計算出,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,是任何一個設備第一次連接到主機時,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USB主機只能接127個設備的原因。
4、端點域(ENDP),四位,由此可知一個USB設備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,對于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、數據域(DATA):長度為0~1023字節,在不同的傳輸類型中,數據域的長度各不相同,但必須為整數個字節的長度
7、校驗域(CRC):對令牌包和數據包(對于包的分類請看下面)中非PID域進行校驗的一種方法,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,請查閱相關資料,只須注意CRC碼的除法是模2運算,不同于10進制中的除法。
(二)包:由域構成的包有四種類型,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(五位的校驗碼)
2、數據包:分為DATA0包和DATA1包,當USB發送數據的時候,當一次發送的數據長度大于相應端點的容量時,就需要把數據包分為好幾個包,分批發送,DATA0包和DATA1包交替發送,即如果第一個數據包是DATA0,那第二個數據包就是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:結構最為簡單的包,格式如下
SYNC+PID
(注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、數據包、握手包三個階段構成,這里用階段的意思是因為這些包的發送是有一定的時間先后順序的,事務的三個階段如下:
1、令牌包階段:啟動一個輸入、輸出或設置的事務
2、數據包階段:按輸入、輸出發送相應的數據
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的輸入包給設備,通知設備要往主機發送數據;
數據包階段——設備根據情況會作出三種反應(要注意:數據包階段也不總是傳送數據的,根據傳輸情況還會提前進入握手包階段)
1) 設備端點正常,設備往入主機里面發出數據包(DATA0與DATA1交替);
2) 設備正在忙,無法往主機發出數據包就發送NAK無效包,IN事務提前結束,到了下一個IN事務才繼續;
3) 相應設備端點被禁止,發送錯誤包STALL包,事務也就提前結束了,總線進入空閑狀態。
握手包階段——主機正確接收到數據之后就會向設備發送ACK包。
2、 OUT事務:
令牌包階段——主機發送一個PID為OUT的輸出包給設備,通知設備要接收數據;
數據包階段——比較簡單,就是主機會設備送數據,DATA0與DATA1交替
握手包階段——設備根據情況會作出三種反應
1)設備端點接收正確,設備往入主機返回ACK,通知主機可以發送新的數據,如果數據包發生了CRC校驗錯誤,將不返回任何握手信息;
2) 設備正在忙,無法往主機發出數據包就發送NAK無效包,通知主機再次發送數據;
3) 相應設備端點被禁止,發送錯誤包STALL包,事務提前結束,總線直接進入空閑狀態。
3、SETUT事務:
令牌包階段——主機發送一個PID為SETUP的輸出包給設備,通知設備要接收數據;
數據包階段——比較簡單,就是主機會設備送數據,注意,這里只有一個固定為8個字節的DATA0包,這8個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,此后總線進入空閑狀態,并準備下一個傳輸(在SETUP事務后通常是一個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復雜的傳輸。
1、中斷傳輸:由OUT事務和IN事務構成,用于鍵盤、鼠標等HID設備的數據傳輸中
2、批量傳輸:由OUT事務和IN事務構成,用于大容量數據傳輸,沒有固定的傳輸速率,也不占用帶寬,當總線忙時,USB會優先進行其他類型的數據傳輸,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,控制傳輸由三個階段構成(初始設置階段、可選數據階段、狀態信息步驟),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,用來于USB設備初次加接到主機之后,主機通過控制傳輸來交換信息,設備地址和讀取設備的描述符,使得主機識別設備,并安裝相應的驅動程序,這是每一個USB開發者都要關心的問題。
1、初始設置步驟:就是一個由SET事務構成的傳輸
2、可選數據步驟:就是一個由IN或OUT事務構成的傳輸,這個步驟是可選的,要看初始設置步驟有沒有要求讀/寫數據(由SET事務的數據包階段發送的標準請求命令決定)
3、 狀態信息步驟:顧名思義,這個步驟就是要獲取狀態信息,由IN或OUT事務構成構成的傳輸,但是要注意這里的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) 在這個步驟里,數據包階段的數據包都是0長度的,即SYNC+PID+CRC16
除了以上兩點有區別外,其他的一樣,這里就不多說
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