USB基础知识
USB接口的基础理论知识
USB的重要关键字:
1、端点：位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区,用来存放和发送USB的各种数据,每一个端点都有惟一的确定地址,有不同的传输特性（如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点）
2、帧：时间概念,在USB中,一帧就是1MS,它是一个独立的单元,包含了一系列总线动作,USB将1帧分为好几份,每一份中是一个USB的传输动作。
3、上行、下行：设备到主机为上行,主机到设备为下行
下面以一问一答的形式开始学习吧：
问题一：USB的传输线结构是如何的呢？
答案一：一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成,D+和D-是差分输入线,它使用的是3.3V的电压（注意哦,与CMOS的5V电平不同）,而电源线和地线可向设备提供5V
电压,最大电流为500MA（可以在编程中设置的,至于硬件的实现机制,就不要管它了）。
问题二：数据是如何在USB传输线里面传送的
答案二：数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。
问题三：USB的编码方案？
答案三：USB采用不归零取反来传输数据,当传输线上的差分数据输入0时就取反,输入1时就保持原值,为了确保信号发送的准确性,当在USB总线上发送一个包时,传输设备就要进行位插入操作（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0）,从而强迫NRZI码发生变化。这个了解就行了,这些是由专门硬件处理的。
问题四：USB的数据格式是怎么样的呢？
答案四：和其他的一样,USB数据是由二进制数字串构成的,首先数字串构成域（有七种）,域再构成包,包再构成事务（IN、OUT、SETUP）,事务最后构成传输（中断传输、并行传输、批量传输和控制传输）。下面简单介绍一下域、包、事务、传输,请注意他们之间的关系。
（一）域：是USB数据最小的单位,由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定）,域可分为七个类型：
1、同步域（SYNC）,八位,值固定为0000 0001,用于本地时钟与输入同步
空调有异味
2、标识域（PID）,由四位标识符+四位标识符反码构成,表明包的类型和格式,这是一个很重要的部分,这里可以计算出,USB的标识码有16种,具体分类请看问题五。
3、地址域（ADDR）：七位地址,代表了设备在主机上的地址,地址000 0000被命名为零地址,是任何一个设备第一次连接到主机时,在被主机配置、枚举前的默认地址,由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。
4、端点域（ENDP）,四位,由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。
5、帧号域（FRAM）,11位,每一个帧都有一个特定的帧号,帧号域最大容量0x800,对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一,请看下面）。
6、数据域（DATA许朝军）：长度为0~1023字节,在不同的传输类型中,数据域的长度各不相同,但必须为整数个字节的长度
7、校验域（CRC）：对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法,CRC校验在通讯中应用很泛,是一种很好的校验方法,至于具体的校验方法这里就不多说,请查阅相关资料,只须注意CRC码的除法是模2运算,不同于10进制中的除法。
（二）包：由域构成的包有四种类型,分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包,前面三种是重要的包,不同的包的域结构不同,介绍如下
1、令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的,输出包是用来设置输出命令的,而不是放据数的）
其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：
SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）
（上面的缩写解释请看上面域的介绍,PID码的具体定义请看问题五）
帧起始包的格式：
SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）
2、数据包：分为DATA0包和DATA1包,当USB发送数据的时候,当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时,就需要把数据包分为好几个包,分批发送,DATA0包和DATA1包交替发送,即如果第一个数据包是 DATA0,那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况,在同步传输中（四类传输类型中之一）,所有的数据包都是为DATA0,格式如下：
SYNC+PID+0~1023字节+CRC16
3、握手包：结构最为简单的包,格式如下
SYNC+PID
（注上面每种包都有不同类型的,USB1.1共定义了十种包,具体请见问题五）
（三）事务：分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务,每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成,这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的,事务的三个阶段如下：
1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务
2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据
3、握手包阶段：返回数据接收情况,在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段,这是比较特殊的。
事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：
1、 IN事务：
令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备,通知设备要往主机发送数据;
数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的,根据传输情况还会提前进入握手包阶段）
1）设备端点正常,设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）;
2）设备正在忙,无法往主机发出数据包就发送NAK无效包,IN事务提前结束,到了下一个IN事务才继续;
3）相应设备端点被禁止,发送错误包STALL包,事务也就提前结束了,总线进入空闲状态。
握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。
2、 OUT事务：
令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备,通知设备要接收数据;
数据包阶段——比较简单,就是主机会设备送数据,DATA0与DATA1交替
握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应
1）设备端点接收正确,设备往入主机返回ACK,通知主机可以发送新的数据,如果数据包发生了CRC校验错误,将不返回任何握手信息;
2）设备正在忙,无法往主机发出数据包就发送NAK无效包,通知主机再次发送数据;
3）相应设备端点被禁止,发送错误包STALL包,事务提前结束,总线直接进入空闲状态。
3、SETUT事务：
令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备,通知设备要接收数据;
数据包阶段——比较简单,就是主机会设备送数据,注意,这里只有一个固定为8个字节的DATA0包,这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令（共有11条,具体请看问题七）
握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后,返回ACK,此后总线进入空闲状态,并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）
（四）传输：传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成,传输有四种类型,中断传输、批量传输、同步传输、控制传输,其中中断传输和批量转输的结构一样,同步传输有最简单的结构,而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。
1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成,用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中
2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成,用于大容量数据传输,没有固定的传输速率,也不占用带宽,当总线忙时,USB会优先进行其他类型的数据传输,而暂时停止批量转输。
3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成,有两个特殊地方,第一,在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的;第二,在数据包阶段所有的数据包都为DATA0
4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输,控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤）,每一个阶段可以看成一个的传输,也就是说控制传输其实是由三个传输构成的,用来于USB设备初次加接到主机之后,主机通过控制传输来交换信息,设备地址和读取设备的描述符,使得主机识别设备,并安装相应的驱动程序,这是每一个USB开发者都要关心的问题。
1、初始设置步骤：就是一个由SET事务构成的传输
2、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输,这个步骤是可选的,要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）
3、状态信息步骤：顾名思义,这个步骤就是要获取状态信息,由IN或OUT事务构成构成的传输,但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：
己所不欲 勿施于人是什么意思1）传输方向相反,通常IN表示设备往主机送数据,OUT表示主机往设备送数据;在这里,IN表示主机往设备送数据,而OUT表示设备往主机送数据,这是为了和可选数据步骤相结合;汽车空调不制冷
2）在这个步骤里,数据包阶段的数据包都是0长度的,即SYNC+PID+CRC16
除了以上两点有区别外,其他的一样,这里就不多说
（思考：这些传输模式在实际操作中应如何通过什么方式去设置？）
问题五：标识码有哪些？
答案五：如同前面所说的标识码由四位数据组成,因此可以表示十六种标识码,在USB1.1规范里面,只用了十种标识码,USB2.0使用了十六种标识码,标识码的作用是用来说明包的属性的,标识码是和包联系在一起的,首先简单介绍一下数据包的类型,数据包分为令牌包、数据、握手包和特殊包四种（具体分类请看问题七）,标识码分别有以下十六种：
令牌包 :
0x01 输出(OUT）启动一个方向为主机到设备的传输,并包含了设备地址和标号
0x09 输入 (IN) 启动一个方向为设备到主机的传输,并包含了设备地址和标号
0x05 帧起始（SOF）表示一个帧的开始,并且包含了相应的帧号
0x0d 设置（SETUP）启动一个控制传输,用于主机对设备的初始化
数据包 :
0x03 偶数据包（DATA0）,上不了
0x0b 奇数据包（DATA1）
握手包:
0x02 确认接收到无误的数据包（ACK）
0x0a 无效,接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息
0x0e 错误,端点被禁止或不支持控制管道请求
特殊包 0x0C 前导,用于启动下行端口的低速设备的数据传输
问题六：USB主机是如何识别USB设备的？
答案六：当USB设备插上主机时,主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属于枚举的一个态,态表示暂时的状态）,这这些态如下：
1、接入态（Attached）：设备接入主机后,主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入;
2、供电态（Powered新天龙八部钟汉良版演员表）：就是给设备供电,分为设备接入时的默认供电值,配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值,可通过编程设置）

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