USB的八个问题和答案（适用初学者）

USB 的八个问题和答案（适用初学者）

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 *** 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

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 ）：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：

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；

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 *** 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 ），
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 ）：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）

        3 、缺省态（ Default ）： USB 在被配置之前，通过缺省地址 0 与主机进行通信；

        4 、地址态（ Address ）：经过了配置， USB 设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；

        5 、配置态（ Configured ）：通过各种标准的 USB 请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。

        6 、挂起态（ Suspended ）：总线供电设备在 3ms 内没有总线 *** 作，即 USB 总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过 280UA 。

  
问题七：刚才在答案四提到的标准的 USB 设备请求命令究竟是什么？

答案七：标准的 USB 设备请求命令是用在控制传输中的 “ 初始设置步骤 ” 里的数据包阶段（即 DATA0 ，由八个字节构成），请看回问答四的内容。标准 USB 设备请求命令共有 11 个，大小都是 8 个字节，具有相同的结构，由 5 个字段构成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号中的数字表示字节数，首字母 bm,b,w 分别表示位图、字节，双字节）：

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

 

 

 

各字段的意义如下：

1 、 bmRequestType ： D7D6D5D4D3D2D1D0

D7=0 主机到设备

=1 设备到主机；

D6D5=00 标准请求命令

     =01  类请求命令

     =10 用户定义的命令      

=11 保留值

D4D3D2D1D0=00000  接收者为设备

            =00001  接收者为设备

            =00010  接收者为端点

            =00011  接收者为其他接收者

            = 其他    其他值保留

2 、 bRequest ：请求命令代码，在标准的 USB 命令中，每一个命令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称如下（要注意这里的命令代码要与其他字段结合使用，可以说命令代码是标准请求命令代码的核心，正是因为这些命令代码而决定了 11 个 USB 标准请求命令）：

0 ）  0  GET_STATUS ：用来返回特定接收者的状态

1 ）  1  CLEAR_FEATURE ：用来清除或禁止接收者的某些特性

2 ）  3  SET_FEATURE ：用来启用或激活命令接收者的某些特性

3 ）  5  SET_ADDRESS ：用来给设备分配地址

4 ）  6  GET_DEscriptOR ：用于主机获取设备的特定描述符

5 ）  7  SET_DEscriptOR ：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符
6 ）  8  GET_CONFIGURATION ：用于主机获取设备当前设备的配置值（注同上面的不同）   

7 ）  9  SET_CONFIGURATION ：用于主机指示设备采用的要求的配置

8 ）  10  GET_INTERFACE ：用于获取当前某个接口描述符编号

9 ）  11  SET_INTERFACE ：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口
10 ）  12 SYNCH_FRAME ：用于设备设置和报告一个端点的同步帧

以上的 11 个命令要说得明白真的有一匹布那么长，请各位去看书吧，这里就不多说了，控制传输是 USB 的重心，而这 11 个命令是控制传输的重心，所以这 11 个命令是重中之重，这个搞明白了， USB 就算是入门了。

  
问题八：在标准的 USB 请求命令中，经常会看到 Descriptor ，这是什么来的呢？

回答八： Descriptor 即描述符，是一个完整的数据结构，可以通过 C 语言等编程实现，并存储在 USB 设备中，用于描述一个 USB 设备的所有属性， USB 主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息的。它的作用就是通过如问答节中的命令 *** 作来给主机传递信息，从而让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小，只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。标准的描述符有 5 种， USB 为这些描述符定义了编号：

1—— 设备描述符

2—— 配置描述符

3—— 字符描述符

4—— 接口描述符

5—— 端点描述符

上面的描述符之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。这间描述符是用一定的字段构成的，分别如下说明：

1 、设备描述符

struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
{
      BYTE bLength;             // 设备描述符的字节数大小，为 0x12
    BYTE bDescriptorType;  // 描述符类型编号，为 0x01
      WORD bcdUSB;            //USB 版本号
    BYTE bDeviceClass;     //USB 分配的设备类代码， 0x01~0xfe 为标准设备类， 0xff 为厂商自定义类型
                                   //0x00 不是在设备描述符中定义的，如 HID
    BYTE bDeviceSubClass;    //usb 分配的子类代码，同上，值由 USB 规定和分配的
    BYTE bDeviceProtocl;      //USB 分配的设备协议代码，同上
    BYTE bMaxPacketSize0;   // 端点 0 的最大包的大小
    WORD idVendor;            // 厂商编号
    WORD idProduct;           // 产品编号

WORD bcdDevice;         // 设备出厂编号
     BYTE iManufacturer;      // 描述厂商字符串的索引
     BYTE iProduct;             // 描述产品字符串的索引
     BYTE iSerialNumber;     // 描述设备序列号字符串的索引
     BYTE bNumConfiguration;   // 可能的配置数量
}

2 、配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
{
     BYTE bLength;              // 设备描述符的字节数大小，为 0x12
     BYTE bDescriptorType;   // 描述符类型编号，为 0x01
     WORD wTotalLength;      // 配置所返回的所有数量的大小
     BYTE bNumInterface;     // 此配置所支持的接口数量
     BYTE bConfigurationVale;   //Set_Configuration 命令需要的参数值
     BYTE iConfiguration;         // 描述该配置的字符串的索引值
     BYTE bmAttribute;            // 供电模式的选择
     BYTE MaxPower;               // 设备从总线提取的最大电流
}

3 、字符描述符

struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT
{
     BYTE bLength;             // 设备描述符的字节数大小，为 0x12
     BYTE bDescriptorType;  // 描述符类型编号，为 0x01
     BYTE SomeDescriptor[36];          //UNICODE 编码的字符串
}

4 、接口描述符

struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT
{
     BYTE bLength;              // 设备描述符的字节数大小，为 0x12
     BYTE bDescriptorType;    // 描述符类型编号，为 0x01
     BYTE bInterfaceNunber;  // 接口的编号
     BYTE bAlternateSetting;  // 备用的接口描述符编号
     BYTE bNumEndpoints;     // 该接口使用端点数，不包括端点 0
     BYTE bInterfaceClass;    // 接口类型
     BYTE bInterfaceSubClass;  // 接口子类型
     BYTE bInterfaceProtocol;   // 接口所遵循的协议
     BYTE iInterface;              // 描述该接口的字符串索引值
}

5 、端点描述符

struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT
{
      BYTE bLength;              // 设备描述符的字节数大小，为 0x12
     BYTE bDescriptorType;   // 描述符类型编号，为 0x01
     BYTE bEndpointAddress; // 端点地址及输入输出属性
     BYTE bmAttribute;        // 端点的传输类型属性
     WORD wMaxPacketSize;   // 端点收、发的最大包的大小
     BYTE bInterval;             // 主机查询端点的时间间隔
}