USB2.0网络、传输、通讯和协议

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作者&＃xff1a;strongerHuang

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USB在我们生活中应用非常广泛&＃xff0c;但绝大部分工程师都只注重USB应用层的开发&＃xff0c;很少有人去了解USB更底层的一些技术。今天就结合USB 2.0来简单讲述USB底层的一些基础知识。

一、USB网络

USB物理层网络为分层星型网络&＃xff1a;一台主机和若干从设备。

USB 2.0 网络最多可支持127个外部节点&＃xff0c;由于信号传播的时序限制&＃xff0c;允许的最大层数为七个&＃xff1a;

• 主机&＃xff08;总线主控器&＃xff09;的一层

• 集线器和设备六层

Hub&＃xff1a;集线器&＃xff0c;提供了附加的连接点&＃xff0c;每个集线器将单个连接点转换为多个连接点&＃xff0c;也称为端口。

Func&＃xff1a;即Function功能&＃xff0c;为系统提供了发送或接收数据和控制信息的功能&＃xff0c;每个unc包含描述设备功能和资源要求的配置信息。

Compound Device&＃xff1a;复合设备&＃xff0c;是实现多种功能并包括嵌入式集线器的物理程序包。复合设备在主机上看起来像是带有一个或多个不可移动USB设备的集线器。

星形网络

对于以主机为中心的开发人员&＃xff0c;USB网络看起来像是星形网络。集线器不会引起任何编程复杂性&＃xff0c;并且就程序员而言是透明的。

无论是直接连接到根集线器还是通过中间集线器连接&＃xff0c;USB设备的工作方式都相同。在主/从网络中&＃xff0c;所有USB设备都可用作可寻址节点&＃xff0c;只有主机才能启动网络中的数据传输。

提示&＃xff1a;

• 任何USB网络中只有一个主机。

• 在第七层中只能启用功能。

• 复合设备占据两层。

二、USB传输速率

USB的传输速率经过一代一代发展&＃xff0c;越来越快了&＃xff0c;去年&＃xff08;2019&＃xff09;新出来的标准&＃xff1a;USB 4 支持高达40Gbps。

目前流行的USB 3.0、 3.1的传输速率其实已经很高了&＃xff0c;对于绝大部分应用&＃xff0c;这个速率完全没问题。

早期的USB传输速率相对于现在很低&＃xff0c;但在那个时候&＃xff0c;传输速率其实已经很高了。

&＃xff08;图片来源网络&＃xff09;

三、USB通讯

USB是轮询总线&＃xff0c;USB主机在其中启动所有数据交换&＃xff0c;数据往返于USB设备中的端点。

USB主机中的客户端将数据存储在缓冲区中&＃xff0c;但没有端点。USB主机和外围USB设备具有不同的层&＃xff0c;如下图&＃xff1a;

层之间的连接是每层之间的逻辑主机设备接口。在逻辑连接之间&＃xff0c;使用管道&＃xff08;Pipes&＃xff09;传输数据。

想要理解USB通讯&＃xff08;上图结构&＃xff09;&＃xff0c;需要理解其中每项内容含义。

1.Pipes 管道

包含两种类型的管道&＃xff1a;Message pipes&＃xff08;消息管道&＃xff09;和 Stream pipes&＃xff08;流管道&＃xff09;。

消息管道&＃xff1a;具有定义的USB格式&＃xff0c;并且受主机控制。消息管道允许数据双向流动&＃xff0c;并且仅支持控制传输。

流管道&＃xff1a;没有定义的USB格式&＃xff0c;可以由主机或设备控制。数据流具有预定义的方向&＃xff0c;即IN或OUT。流管道支持中断传输&＃xff0c;同步传输和批量传输。

2.Transfers传输

传输包含四种&＃xff1a;

• Control Transfers&＃xff1a;控制传输

• Interrupt Transfers&＃xff1a;中断传输

• Isochronous Transfers&＃xff1a;同步传输

• Bulk Transfers&＃xff1a;批量传输

控制传输&＃xff1a;通常用于设置USB设备。他们始终使用IN / OUT端点0。

中断传输&＃xff1a;可用于定期发送数据的地方&＃xff0c;例如状态更新。

同步传输&＃xff1a;传输实时数据&＃xff0c;例如音频和视频。它们具有保证的固定带宽&＃xff0c;但没有错误检测。

批量传输&＃xff1a;可用于在时间不重要的情况下向打印机发送数据。

3.Endpoints端点

端点可以描述为数据源或接收器&＃xff0c;存在于USB设备中&＃xff0c;可以从USB主机接收或等待将其存储在端点上的数据。

端点可作为一种缓冲区&＃xff0c;例如&＃xff0c;USB主机的客户端可以将数据发送到端点1。来自USB主机的数据将发送到OUT端点1。准备就绪后&＃xff0c;控制器上的程序将立即读取数据。

四、USB协议

USB是轮询总线&＃xff0c;主机在其中启动所有数据交换&＃xff0c;但USB协议主从都要遵从。USB协议的内容比较复杂&＃xff0c;本节从大方面简单描述其中的部分内容。

1.数据传输

管道模型的数据包通常包含&＃xff1a;token、 data、 Status&＃xff08;或handshake&＃xff09;包。

数据包结构包含&＃xff1a;Sync、 Data、 EOP。

包可以被认为是数据传输的最小元素&＃xff0c;每个数据包以当前传输速率传输整数个字节。数据包以同步模式开始&＃xff0c;然后是数据包的数据字节&＃xff0c;最后以数据包结束&＃xff08;EOP&＃xff09;信号结束。

所有USB数据包模式都首先发送最低有效位。在数据包之前和之后&＃xff0c;总线处于空闲状态。

2.描述符

USB协议中&＃xff0c;有很多描述符&＃xff1a;设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符等。

a.设备描述符

设备描述符&＃xff08;USB_DEVICE_DESCRIPTOR&＃xff09;包含了设备的基本信息&＃xff1a;

b.配置描述符

一个设备可以具有多种配置。主机可以选择最符合应用程序软件要求的配置。

c.接口描述符

接口描述符&＃xff08;USB_INTERFACE_DESCRIPTOR&＃xff09;是定义端点的集合&＃xff0c;该接口支持适用于特定任务的一组管道。每个配置可以具有多个接口&＃xff0c;USB主机可以动态选择该接口。

d.端点描述符

端点描述符&＃xff08;USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR&＃xff09;指定为每个端点的传输类型&＃xff0c;方向&＃xff0c;轮询间隔&＃xff0c;以及最大分组大小等。

本文先写到这里&＃xff0c;更多内容后续更新&＃xff0c;或者大家搜索USB协议进行了解。

免责声明&＃xff1a;本文部分素材来源网络&＃xff0c;版权归原作者所有。如涉及作品版权问题&＃xff0c;请与我联系删除。

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