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[资料分享] 【转】初学者USB入门总结

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一粒金砂(中级)

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发表于 2017-6-27 16:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

现在很多的主控上都带有USB的功能,但是对于初学者来说,这方面应用还是比较棘手,因为usb的不但固件程序需要编写,PC端的驱动也要编写,而且驱动写好了还要写个上位机才能看出效果。这样调试起来十分困难,建议从USB的键盘,鼠标开始做,了解清楚了,再做自己的协议就比较简单了。

USB的概念历史啥的这里就不说了。我们先不管具体的数据包格式,这一节先从整个包的层面上简单的说,过程是这样的

---------------------------------------设备插入-------------------------------------------------------------

1)  主机会轮回查询各个USB端口,主机检测到D+与D-之间有电压差,就认为有新的设置接入。主机等待100ms后发出复位请求。设备接到复位请求后将产生一个外部中断信号。

---------------------------------------枚举过程------------------------------------------------------------

2)  主机这时候只是知道有新的设备插入了,但是不知道插进来个什么东西,所以就开始询问它是什么设备,怎么用,负荷能力怎么样。这个时侯就进入了枚举过程。因为刚刚插入的设备没有分配地址,就用默认地址0,首先发送一个Get_deor(获取设备描述符)指令包,设备接到包后就开始解析包(其实就是你在固件程序里判断处理) ,然后按固定格式返回自己设备的设备描述符,这一步主要是主机知道你的USB设备的基础属性,比如支持的传输数据长度,电流负荷多少,支持那个USB版本,以及以后方便电脑找驱动的PID,VID。

3)  这时候主机知道你(你做的设备,简称你吧)的数据长度还有电流大小后,下一步就是给你分配一个属于你的地址。

4)  给你一个地址后就开始询问你的具体配置。首先发送一个试探性的设备配置请求Get_configuration(要求固定返回9个设备配置字),你接到后就开始发送9字节的设备配置字,其中包括你的配置字的总长度,这样主机就知道你的配置到底有多长,然后再发一次设备配置请求,这时你就开始上传所有的配置字。这个时侯主机就已经很明白你的工作方式就各种特性,然后就可以正常工作了

5)  如果你在前面的某些配置(以后章节详细说明)要求要说明自己的名字什么的,这里还要上传字符串描述符。

6)  如果是鼠标或者键盘还要上传报告描述符

---------------------------------------正常数据阶段------------------------------------------------------

7)  这个时侯你已经被主机正式接受并且注册了,你可以通过自己写测驱动或通用驱动与电脑进行通讯了。


以上是简单的描述,详细的后面章节再做介绍,学习一个东西关键是首先要知道这个东西是什么,简单的工作原理。对于USB的工作我这里做个比方,

主机好比一个公司,你就是USB设 备,要进入公司首先要面试(枚举),你到了面试现场(第一次插入设备),面试官首先了解到你的外表,性别已经你要应聘的岗位(设备描述符),然后给你一个号,以后就开始按号叫人,当你被叫到就开始问你的专业知识,性格等(配置描述符),如果你比较合适(通过了枚举)你就会录取了,并且注册一个你的信息到公 司(驱动安装,并且写入注册表)。等你下次来公司,只要把工号(PID,VID)报上,就知道是你来了

为了更好的说明整个USB启动过程,我们可以用串口实时的跟踪各个USB中断。不过这里先不用串口进行测试,只是简单的用一组变量记录过程。测试程序如下(以下会有程序的说明):

  1. uchar test[100];//100长度的变量,记录过程
  2. uchar conters="0";//记录计数值,
  3. /*---------------------------------
  4. -------------------------------------------------------------*/

  5. void EXT_int(void)//USB中断响应函数
  6. {
  7. /*------------------------------------------------------------
  8. Check interrupt status register to know interrupt
  9. source.
  10. ------------------------------------------------------------*/

  11. if (USB_BUSRESET_ASS_INT())
  12. {   /* USB bus reset */
  13. /*  for USB Rev.1.1
  14. After USB bus reset released, 10msec recoverly time we have.
  15. Follwing request must be processed normally.
  16. */

  17. CLR_BUS_RESET_STATE();  /* USB bus reset status clear */

  18. /*------------------------------------------------------------
  19. Endpoint0 setting
  20. ------------------------------------------------------------*/
  21. /* Tx/Rx payload size setting */
  22. /* Rx payload is fixed as 8-byte or 32-byte, therefor the
  23. setting has no meaninig */

  24. SET_PAYLOAD_EPn(EP0RX, device_deor.bMaxPacketSize0);
  25. SET_PAYLOAD_EPn(EP0TX, device_deor.bMaxPacketSize0);
  26. /* Stall bit, the value undefined after reset, cleared */
  27. CLR_STALL_EPn(EP0);

  28. /*------------------------------------------------------------
  29. Misceronous status variable initialization
  30. ------------------------------------------------------------*/
  31. usb_status.configuration = NULL;
  32. usb_status.remote_wakeup = 0;
  33. usb_status.address = 0;
  34. usb_status.dvcstate = DEFAULT_STATE;    /* Device state :DEFAULT */
  35. usb_status.stall_req = 0;
  36. #ifdef Debug
  37. test[conters]='!';
  38. conters++;
  39. #endif

  40. /*------------------------------------------------------------
  41. Callback to application layer
  42. ------------------------------------------------------------*/
  43. (*usb_status.callback)();
  44. }
  45. else if (SUSPENDED_INT())
  46. {   /* suspended state */
  47. /* for USB Rev.1.1
  48. Transit to suspended state after detect the USB line has kept idle over 3msec.
  49. After resume detected, end suspend state in 3msec to be able to respond
  50. the host request.
  51. */
  52. CLR_SUSPENDED_STATE();
  53. #ifdef Debug
  54. test[conters]='@';
  55. conters++;
  56. #endif

  57. }

  58. else if (AWAKE_INT())
  59. {   /* Deveice awake state */
  60. /* AWAKE procedure */

  61. CLR_AWAKE_STATE();          /* Request clear */
  62. #ifdef Debug
  63. test[conters]='#';
  64. conters++;
  65. #endif

  66. }
  67. else if (USB_BUSRESET_DES_INT())
  68. {   /* USB bus reset deassert */
  69. /* Procedure for USB bus reset de-assert */

  70. CLR_BUS_RESET_DES_STATE();  /* Request clear */
  71. #ifdef Debug
  72. test[conters]='$';
  73. conters++;
  74. #endif

  75. }

  76. else if (SOF_INT())
  77. {   /* SOF interrupt status */
  78. CLR_B_SOF_STATE();
  79. #ifdef Debug
  80. test[conters]='%';
  81. conters++;
  82. #endif
  83. /* SOF interrupt status clear */
  84. }   /* SOF interrupt status */

  85. if (SETUP_RDY_INT())
  86. {   /* setup ready */
  87. #ifdef Debug
  88. test[conters]='^';
  89. conters++;
  90. #endif

  91. read_Device_Requests();
  92. }

  93. else if(EP1_PKTRDY_INT())
  94. {   /* EP1 packet ready */
  95. read_FIFO(EP1);
  96. }
  97. else if (EP2_PKTRDY_INT())
  98. {   /* EP2 packet ready */

  99. write_FIFO(EP2);
  100. }

  101. else if (EP0_RXPKTRDY_INT())
  102. {   /* EP0 receive packet ready */
  103. read_FIFO(EP0RX);
  104. }
  105. else if (EP0_TXPKTRDY_INT())
  106. {   /* EP0 transmit packet ready */
  107. write_FIFO(EP0TX);
  108. }

  109. }
复制代码


计录的结果在变量查看中显示如下:

首先我解释一下,这段程序是我在做USB设备时的中断函数。主控(就是你往里面写固件程序的那个东西)会在要求设备进行操作时,产生一个相应的中断(我们可以用中断的方式,也可以用查询的方式,中断的方式的好处就是主机有需要操作的都会叫你,而用查询你必须不断的问主机“有事么”,这里采用中断方式),比如主机给设备设置地址,主机会通过固定的通道(point0)发送一个‘设定地址’包,设备主控接到包后会产生中断,并且把响应的状态保存在相应的寄存器中,我们只要在中断程序判断各个寄存器就能完成主机的任务。

程序中蓝色字是中断类型的判断,其对应的宏定义就不列出来了。如果是这个中断就会执行相应的中断操作。并且一次中断只有一种中断类型,我们在每个中断响应中加一段红色字的程序,是为了保存每次中断的状态,比如刚插上设备,来了一次BUSRESET总线复位中断,就会进入相应的中断操作,完了后记录状态test[conters]='!'; conters++;意思是进入了这个中断就在这一组数的当前位置设成'!',并且位置记录的变量加一,以便下一次记录到下一个位置。这样USB的过程我们就记录了下来,

下面看一下记录结果(其中的数字和字母是响应标准请求时的程序产生的这里不罗列程序了)。



可以看到,一开始是一次总线复位,然后USB bus reset de-assert,然后再挂起总线。重复了两次,然后就是上一节的具体配置了。

这节主要是对固件里的USB请求处理有个概念,还有就是调试的方法。

对于USB传输大体有个概念,下一步就来看看到底USB上传的什么东西,以什么格式传数据,先不涉及端点的概念。

各种总线的数据传输都是以固定的层次协议进行的,USB当然也不例外。所谓的层次也只是个抽象的概念罢了,就是表达一种依附关系,上层要依赖与底层,上层以底层为基础,上层只需要关心自己的东西就行了,如果你还不明白,那就继续看,学习一个东西不可能一两句话说的明白一个点,需要全面了解后才能清楚各个点。

要实现两个机器(机器的范围比较广,可以是电脑,交换机,单片机)的通信总是要有一个载体才可以,对于机器当然是电平高低为载体,具体的说机器甲要告诉机器乙一件事情(比如说一条指令),那么机器甲可以通过一根线(串行数据总线)连到机器乙的一个IO口上,甲发送一个个的高低电平,乙固定时间检测自己的这个 IO口,然后逐个记录下放到自己的缓冲里,这样乙就收到甲送的数据了。上述就是一个简单的数据链路层(计算机网络里这么叫)的描述,这一层要保证的就是甲发的每一位数据,乙都可以正确及时的接受,并且对在传输过程中出错的数据做出反应。其实比数据连路更底层的还有物理层,这就是真正的物理介质,对于机器就 是电线了,数据就是电线上传输的电压,USB是用的四线,两个电源,两个数据线。

这里也打个比方,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。


|--------------------------------------------------------|

|   Sync  |  PID  |  ADDR  |  ENDP  |  CRC5  |  EOP      |

|________________________________________________________|

                      图一

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。
可以看到在所以的通讯过程中,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,都必须收主机控制。




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