一文詳解USB的傳輸、編碼、數據格式

幾個最基礎的概念

端點：

位于USB設備或主機上的一個數據緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送USB的各種數據，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)

幀：

時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動作，USB將1幀分為好幾份，每一份中是一個USB的傳輸動作。

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，至于硬件的實現機制，就不要管它了)。

問題二：數據是如何在USB傳輸線里面?zhèn)魉偷?/p>

答案二：

數據在USB線里傳送是由低位到高位發(fā)送的。

問題三：USB的編碼方案?

答案三：

USB 采用不歸零取反來傳輸數據，當傳輸線上的差分數據輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，為了確保信號發(fā)送的準確性，當在USB總線上發(fā)送一個包時，傳輸設 備就要進行位插入***作(即在數據流中每連續(xù)6個1后就插入一個0)，從而強迫NRZI碼發(fā)生變化。這個了解就行了，這些是由專門硬件處理的。

問題四： 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(jié)，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(jié)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(fā)送數據的時候，當一次發(fā)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(fā) 送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個數據包是DATA0，那第二個數據包就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(jié)+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(fā)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(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(fā)送一個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(fā)出數據包(DATA0與DATA1交替);

2) 設備正在忙，無法往主機發(fā)出數據包就發(fā)送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續(xù);

3) 相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，總線進入空閑狀態(tài)。

握手包階段——主機正確接收到數據之后就會向設備發(fā)送ACK包。

2、 OUT事務：

令牌包階段——主機發(fā)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(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，無法往主機發(fā)出數據包就發(fā)送NAK無效包，通知主機再次發(fā)送數據;

3) 相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務提前結束，總線直接進入空閑狀態(tài)。

3、SETUP事務：

令牌包階段——主機發(fā)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(jié)的DATA0包，這8個字節(jié)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(tài)，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(yōu)先進行其他類型的數據傳輸，而暫時停止批量轉輸。如U盤

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，如視頻音頻傳輸

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(tài)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(fā)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(fā)送的標準請求命令決定)

3、 狀態(tài)信息步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態(tài)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(qū)別外，其他的一樣，這里就不多說

(思考：這些傳輸模式在實際操作中應如何通過什么方式去設置?)

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數據組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規(guī)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 用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯系在一起的，首先簡單介紹一下數據包的類型，數據包分為令牌包、數據、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 :

數據包 :

握手包:

特殊包 0x0C 前導，用于啟動下行端口的低速設備的數據傳輸

問題六：USB主機是如何識別USB設備的?

答案六：

當USB設備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設備進行枚舉配置(配置是屬于枚舉的一個態(tài)，態(tài)表示暫時的狀態(tài))，這這些態(tài)如下：

1、接入態(tài)(Attached)：設備接入主機后，主機通過檢測信號線上的電平變化來發(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，可通過編程設置)

3、缺省態(tài)(Default)：USB在被配置之前，通過缺省地址0與主機進行通信;

4、地址態(tài)(Address)：經過了配置，USB設備被復位后，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通信，這種狀態(tài)就是地址態(tài);

5、配置態(tài)(Configured)：通過各種標準的USB請求命令來獲取設備的各種信息，并對設備的某此信息進行改變或設置。

6、掛起態(tài)(Suspended)：總線供電設備在3ms內沒有總線***作，即USB總線處于空閑狀態(tài)的話，該設備就要自動進入掛起狀態(tài)，在進入掛起狀態(tài)后，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，由八個字節(jié)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個字節(jié)，具有相同的結構，由5個字段構成(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(jié)數，首字母bm,b,w 分別表示位圖、字節(jié)，雙字節(jié))：

bmRequestType(1)+bRequest(1)+wvalue(2)+wIndex(2)+wLength(2)

各字段的意義如下：

1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0

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，編號的值就為字段的值，編號與命令名稱如下(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)：

以上的11個命令要說得明白真的有一匹布那么長，請各位去看書吧，這里就不多說了，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，這是什么來的呢?

答案八：

Descriptor即描述符，是一個完整的數據結構，可以通過C語言等編程實現，并存儲在USB設備中，用于描述一個USB設備的所有屬性，USB 主機是通過一系列命令來要求設備發(fā)送這些信息的。它的作用就是通過如問答節(jié)中的命令***作來給主機傳遞信息，從而讓主機知道設備具有什么功能、屬于哪一 類設備、要占用多少帶寬、使用哪類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：

上面的描述符之間有一定的關系，一個設備只有一個設備描述符，而一個設備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接口描述符，一個接口使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這間描述符是用一定的字段構成的，分別如下說明：

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、端點描述符

在搞明白了上面的八個問題之后，就可以進入USB的下一步學習了。

審核編輯：湯梓紅