USB基础知识2

  USB协议出现过的版本有USB1.0，USB1.1，USB2.0。由于USB是主从模式，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为了解决这个问题，扩大USB的使用范围，就出现了USB OTG(On The Go)。USB OTG的做法是，同一个设备，在不同的场合下可以在主机或从机之间切换。在USB1.0和USB1.1版本中，只支持1.5Mbps的低速(Low Speed)模式和12Mbps的全速(High Speed)模式。在USB2.0中，又加入了480Mbps的高速模式。值得注意的是，USB2.0并不是高速设备的代名词，详述请看《误区》一文。

        打个比方，比如人与人进行交流，我们当然是通过说话了，物理层就是空气和传输的声波，数据链路层就是我们说的每一个字，物理层就是空气，负责把我们说的话转换成声波传给对方，数据链路层负责让对方能正确的听到每个字，如果听的不清可以告诉对方重新说一遍。

        经过上述的两个底层，就可以保证每一位数据可以正确的传到对方那里去。下一步的工作当然是解析数据代表了什么，一般来说，数据都是以一串数为单位，一般称为一个包，机器间传输都是以一个包为单位传出，就像人们说话都是以一句话为单位输出一样。每一个包包含有许多位数据，这些数据又分段表示不同的意义，如图一，这是一个USB令牌阶段的包，Sync是同步数据（相当于说话时先打个招呼，告诉对方要跟他说话了），PID是包标示（告诉对方这个包是干什么用的），ADDR是对方的地址（叫对方的名字），ENDP是用端点几通讯（先不介绍这个），CRC5是校验位（判断这个包是否在传输中出错），EOP是包结束。
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|   Sync  |  PID  |  ADDR  |  ENDP  |  CRC5  |  EOP      |
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        USB 的数据包又分为三种，一个是令牌包，一个是数据包，另一个是握手包。每一次的USB通讯事务处理都是以令牌包开头，告诉对方要跟谁说话，这句话是用来干嘛的。如果要求有数据传输，则下一步就是数据包，另外如果要求对方要有反馈，则会发出握手包。令牌包又简单的包括OUT，IN，STEP三种类型，OUT是用于主机告诉设备主机要向USB设备发送数据，IN是用于主机告诉设备要上传数据，而STEUP是用于主机向USB设备发送配置信息，在枚举过程中会用到。另外数据包和握手包的具体格式什么的，可以参照详细的协议。
可以看到在所有的通讯过程中，主机都是发起者，不管是主机发送数据到USB设备还是USB设备发送数据到主机，都必须由主机控制。图二为一次事务的过程
   
        令牌阶段   ——》        数据阶段     ——》     握手阶段

        这个过程可以这样描述，甲和乙对话，甲是老板，乙是职员。第一节已经讲过了，乙面试就是枚举，在这个过程中，甲多段的发送STEP令牌包给乙，乙收到后如果要反馈数据，就发数据包给甲，甲正确接收后，跟甲握握手，表示这次对话成功。
         乙被正式录取后，甲会分派任务（OUT），这时甲对乙说有任务给你（令牌阶段），然后乙就开始听，甲说你的任务就是记录数据并且上报（这段话就是数据包），乙说好的（握手包）。
        乙开始正式工作，并且记录数据。过了一段时间，甲开始要求提交数据（IN），乙把数据报告给甲（数据阶段），甲说好（握手成功）。这里乙不能主动的去向老板汇报，只能被动的干活。
        上面已经讲USB主机和设备间数据传输的过程，都是我个人理解，有不正确和不到位的大家提出，方便初学者理解，谢谢··

USB协议基本知识

USB的重要关键概念:
       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
       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）。
       数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。
       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
       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。
       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。
       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。
       6、数据域（DATA）：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）：对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法。
二、 包由域构成，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
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） 
       1、 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
三、 事务分为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、握手包构成，每个包的发送有一定的时间先后顺序，因此事务分为三个阶段：
       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。
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应答（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）
           A、 设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）。
           B、 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。
           C、 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
           A、 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；
           B、 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；
           C、 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：
           A、 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；
           B、 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。
           C、 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，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，
      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：就是一个由SET事务构成的传输
2、 可选数据：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：获取状态信息，由IN或OUT事务构成的传输，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：
           A、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。
           B、在这个里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16
       总结：USB的最小单元是“域”，由“域”构成了“包”，在由“包”构成了“事务”，最后由“事务”构成了“传输”，在应用层面，我们看到的只是传输，所以USB协议栈就需要完成传输以下的所有事情。这对标准的USB协议栈提出了最基本的要求。