接口与协议学习笔记-USB协议_USB2.0_USB3.0不同版本(三)
USB(Universal Serial Bus)全称通用串口总线,USB为解决即插即用需求而诞生,支持热插拔。USB协议版本有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.1等,USB2.0目前比较常用,USB是主从模式的结构,设备与设备之间、主机与主机之间不能互连,为解决这个问题,扩大USB的应用范围,出现了USB OTG,全拼 ON The Go。USB OTG 同一个设备,在不同的场合下可行在主机和从机之间切换。
1、USB特点
USB1.0和USB1.1支持1.5Mb/s的低速模式和12Mb/bs的全速模式。在USB2.0以上支持480Mb/s的高速模式。
2、 自供电设备:设备从外部电源获取工作电压 总线供电设备:设备从VBUS(5v) 取电 。对总线供电设备,区分低功耗和高功耗USB设备
低功耗总线供电设备:最大功耗不超过100mA
高功耗总线供电设备: 枚举时最大功耗不超过100mA,枚举完成配置结束后功耗不超过500mA
设备在枚举过程中,通过设备的配置描述符向主机报告它的供电配置(自供电/总线供电)以及它的功耗要求
3、 USB总线信号:
USB使用的是差分传输模式,两个数据线D+和D-
差分信号1:D+ > VOH(min) (2.8V) 且D- < VOL(max)(0.3V)
差分信号0:D- > VOH and D+ < VOL
总有以下个状态,
J状态(高电平):D+ 高,D- 低
K状态(低电平):D+低,D- 高
SEO状态:D+ 低,D- 高
Reset信号:D+ and D- < VOL for >= 10ms
主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备设置到默认的未配置状态。即主机拉低两根信号线(SE0状态)
并保持10ms
Idle状态:J状态数据发、送前后总线的状态
Suspend状态:3ms以上的J状态
SYNC: 3个KJ状态切换,后跟随2位时间的K状态
Resume信号:20ms的K状态+低速EOP
主机在挂起设备后可通过翻转数据线上的极性并保持20ms来唤醒设备,并以低速EOP信号结尾
带远程唤醒功能的设备还可自己发起该唤醒信号;前提是设备已进入idle状态至少5ms,然后发出唤醒K信号,维持1ms到15ms并由主机在1ms内接管来继续驱动唤醒信号
SOP:从IDLE状态切换到K状态
EOP:持续2位时间的SE0信号,后跟随1位时间的J状态
Keep alive即低速EOP信号
唤醒slave设备操作
4、USB插入检测和速度检测
全速高速设备在D+接上拉1.5k电阻,低速设备在D-接上拉1.5K电阻。主机检测到某一个数据线电平拉高并保持了一段时间,就认为有设备连上来了, 先把高速设备检测为全速设备,然后再通过“Chirp序列”的总线握手机制来识别高速和全速设备。主机必需在驱动SE0状态以复位设备之前,立刻采样总线状态来判断设备的速度 。
D+和D-数据线上的下拉电阻起作用,使得二者都在低电平;主机端看来就是个SE0状态;同样地,当数据线上的SE0状态持续一段时间了,就被主机认为是断开状态。
5、USB传输
一个传输有多个事务组成,一个事务由2到3个包组成。传输又分为四种类型:批量传输、等时(同步)传输、中断传输、控制传输。注意:USB传输数据先发数据低位再发高位数据。
USB协议定义了四种传输类型:
批量(大容量数据)传输(Bulk Transfers): 非周期性,突发
大容量数据的通信,数据可以占用任意带宽,并容忍延迟 。如USB打印机、扫描仪、大容量储存设备等
低速 USB 设备不支持批量传输,高速批量端点的最大包长度为 512,全速批量端点的最大包长度可以为 8、16、32、64。
批量传输在访问 USB 总线时,相对其他传输类型具有最低的优先级,USB HOST 总是优先安排其他类型的传输,当总线带宽有富余时才安排批量传输。
高速的批量端点必须支持PING 操作,向主机报告端点的状态,NYET 表示否定应答,没有准备好接收下一个数据包,ACK 表示肯定应答,已经准备好接收下一个数据包。
中断传输(Interrupt Transfers): 周期性,低频率
允许有限延迟的通信 如人机接口设备(HID)中的鼠标、键盘、轨迹球等
中断传输是一种保证查询频率的传输。中断端点在端点描述符中要报告它的查询间隔,主机会保证在小于
这个时间间隔的范围内安排一次传输。
中断传输是一种轮询的传输方式,是一种单向的传输,HOST通过固定的间隔对中断端点进行查询,若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据,否则返回NAK,表示尚未准备好。
中断传输的延迟有保证,但并非实时传输,它是一种延迟有限的可靠传输,支持错误重传。
对于高速/全速/低速端点,最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。
高速中断传输不得占用超过 80%的微帧时间,全速和低速不得超过 90%。
中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义,全速端点的轮询间隔可以是1~255mS,低速端点为10~255mS,高速端点为(2interval-1)*125uS,其中 interval取 1到 16之间的值。
除高速高带宽中断端点外,一个微帧内仅允许一次中断事务传输,高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输,传输高达 3072 字节的数据。
所谓单向传输,并不是说该传输只支持一个方向的传输,而是指在某个端点上该传输仅支持一个方向,或输出,或输入。如果需要在两个方向上进行某种单向传输,需要占用两个端点,
分别配置成不同的方向,可以拥有相同的端点编号。
等时(同步)传输(Isochronous Transfers): 周期性
持续性的传输,用于传输与时效相关的信息,并且在数据中保存时间戳的信息 ,如音频视频设备
等时(同步)传输用在数据量大、对实时性要求高的场合,如音频设备,视频设备等,这些设备对数据的延迟很敏感。对于音频或视频设备数据的100%正确性要求不高,少量的数据错误是可以容忍的,主要是保证数据不能停顿,所以等时传输是不保证数据100%正确的。当数据错误时,不再重传操作。因此等时传输没有应答包,数据是否正确,由数据的CRC校验来确认。
控制传输(Control Transfers): 非周期性,突发
用于命令和状态的传输
控制传输可分为三个过程:(1)建立过程 (2)数据过程(可选) (3)状态过程
特性:
每个USB设备都必须有控制端点,支持控制传输来进行命令和状态的传输。USB主机驱动将通过控制传输与USB设备的控制端点通信,完成USB设备的枚举和配置
方向:
控制传输是双向的传输,必须有IN和OUT两个方向上的特定端点号的控制端点来完成两个方向上的控制传输
控制传输是一种可靠的双向传输,一次控制传输可分为三个阶段。第一阶段为从HOST到Device的SETUP事务传输,这个阶段指定了此次控制传输的请求类型;
第二阶段为数据阶段,也有些请求没有数据阶段;第三阶段为状态阶段,通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。
控制传输通过控制管道在应用软件和 Device 的控制端点之间进行,控制传输过程中传输的数据是有格式定义的,USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。
其他三种传输类型都没有格式定义。
控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64Byte;对于低速设备该值为 8;全速设备可以是 8或 16或 32或 64。
最大包长度 表征了一个端点单次接收/发送数据的能力,实际上反应的是该端点对应的Buffer 的大小。Buffer 越大,单次可接收/发送的数据包越大,反之亦反。
当通过一个端点进行数据传输时, 若数据的大小超过该端点的最大包长度时,需要将数据分成若干个数据包传输,并且要求除最后一个包外,所有的包长度均等于该最大包长度。
这也就是说如果一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的包,即意味着数据传输结束。
控制传输在访问总线时也受到一些限制,如:
a. 高速端点的控制传输不能占用超过 20%的微帧,全速和低速的则不能超过 10%。
b. 在一帧内如果有多余的未用时间,并且没有同步和中断传输,可以用来进行控制传输。
6、USB的编码方案
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)。
7、USB的数据格式
(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)
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
8、USB 2.0 和USB 3.0 对比
- USB 2.0基于半双工二线制总线,两根线的差分信号来传输数据,只能提供单向数据流传输;而USB 3.0采用了TxRx四线制差分信号线,类似于PCIe总线,故而支持双向并发数据流传输。
- USB3.0的最大数据传输速率为5Gbps,与USB2.0的480Mbps相比,提升到了10倍以上。
- USB3.0芯片大小目标与现有的USB2.0芯片相当,封装尺寸为6mm×6mm~7mm×7mm
- USB3.0连接器为了保证与现有标准的兼容性,USB3.0引入了新的连接器,包括两种类型:标准规格和面向便携设备的Micro规格。标准规格又包含两种类型:A型与B型。
A型接口:USB2.0连接器在前,而USB3.0连接器在后
B型接口:USB3.0连接器设置于USB2.0连接器的上方。
- 电源电流在同样的5V电压下,USB3.0的电源电流可达到900mA,而USB2.0的100mA。
- USB3.0将会智能管理USB设备,最大限度地杜绝空置的电能浪费,此举对笔记本用户会带来一定的好处;USB3.0增大了供应电流。在之前的USB规范中,设备取电一般最大可以得到100毫安的电流,如果采用高电量的模式,则得到的电流是500毫安,如果需要更大的电流,则只能借助变压器,然而USB3.0可供应的最大电流是900毫安。这意味着,对于MP3、手机充电来说,采用USB3.0传输的话,充电效率将成倍的提高,从而大大节约充电时间。据悉这是由于USB3.0增加5个针脚造成的。
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