USB是怎么传输数据的，怎么识别设备的

征服

USB是怎么传输数据的，怎么识别设备的 [复制链接]

  USB协议是比较复杂的协议，初学者必定会遇到不少问题，由于本人学习过程中走了不少弯路，所以写了这篇文章，希望对初学者有所帮助。下面是《USB是怎么传输数据的，怎么识别设备的》（附件内有word版的），先看看这个文章，知道USB是怎么传输数据了，然后在仔细的研究协议，这样会少走很多弯路。先看看它的全貌，知道它是什么了，然后再去研究它的内部（协议），这样才会很快掌握。我的文章里有什么不清楚的地方请随时找我讨论。文章里有我得QQ。
      后面附件是一个软件USBAnalyser107，和一个U盘的列举过程《标准U盘 》，先把软件安装了，用这个软件把文件《标准U盘》打开，对照我的文档的内容看会更容易明白。

USB是怎么传输数据的，怎么识别设备的

Jude（原名Dodo） 原创于2008.6.15

        读这篇文章之前要对USB有一定的了解，知道什么是主机，设备，USB是一个主从结构的接口。
        先说说USB主机是怎么识别一个U盘的吧，当你把一个U盘插到电脑上的时候，电脑的USB接口上会发生一些变化，这里先得说说USB数据线是怎样的，它里面一般有用的有四根线，ground，VCC,DM(D-),DP(D ),而DM,DP是用来传输数据的，当U盘（以后简称U）插到电脑上的时候，U会把DP(D )拉高，使DP，DM保持一个J状态（DP为高DM为低，有关总线的状态又有很多，想了解的自己去研究），电脑主板的USB主机芯片检测到这个J状态（DP(D )拉高），（大概是这样，愿意详细了解的要仔细看协议），知道有设备连接上了（这里提到的主机和设备是指连接在USB线两端的USB接口芯片），电脑的驱动会对连接上的这个设备进行识别，我们把它叫做列举，这个过程是为了让电脑知道连接上的这个设备是什么东西（是U盘，还是USB鼠标，还是USB键盘，或是其他的什么）。
        以下是一个U盘的全部列举过程，用图来说明，（后面有两个附件，一个USB分析仪软件，一个是U盘的的全部列举过程，用USB分析仪软件打开）

       在这之前先说说USB数据是怎么在DM,DP上传输的吧，当主机检测到有设备连接上，驱动先会对这个设备作些必备的事情，识别他的速度（这个过程又有很多协议，不多说了，要了解的仔细研究协议），然后就是复位等等，之后就开始在总线（DM,DP）上发送1ms间隔的SOF包（全速）或125us间隔的SOF包（高速），低速（我也不太清楚，呵呵），什么是SOF包呢，SOF 就是start of frame （帧开始），其实就是帧开始的一个标记，其中有帧号，什么是帧呢，帧就是1ms的间隔（全速）或125us的间隔（高速），所有的数据都是在帧内传输的。
USB数据都是以包的形式发出的，包都有固定的格式，它以一个sync（同步）开始，以一个eop（end of packet，包结束）结束，sof 包也是一样的，高速的sync，eop和全速的sync，eop不同。 下面是包的结构图，

        从左到右依次是sync场，pid场，…… 当然PID后面是什么，还有没有数据要看具体发什么包了。后面的令牌包，帧开始包，数据包，握手包决定了PID 后面是什么，握手包的PID后面什么都没有，直接是EOP。
不得不说的是pid（packet  ID 包的ID），就是说明这个包是什么包，包的类型有四种:令牌包，数据包，握手包，特殊包。不同类型的包又有不同的格式，每种类型又有不同的PID：



附一份中文的（不全）。
下面是各个包的格式：

[ 本帖最后由 征服 于 2010-3-15 14:34 编辑 ]

征服

令牌包

        图8-5显示了标记包的字段格式。标记由PID，ADDR和ENDP构成，其中PID指定了包是输入，输出还是建立类型。对于输出和建立事务，地址和端口字段唯一地确定了接下来将收到数据包的端口。对于输入事务的，这些字段唯一地确定了哪个端口应该传送数据包。只有主机能发出标记包。输入PID定义了从功能部件到主机的数据事务。输出和建立PID定义了从主机到功能部件的数据事务。

图8-5 标记包格式

        如上图所示，标记包包括了覆盖地址和端口字段的5位CRC。CRC并不覆盖PID,因为它有自己的校验字段。标记和帧开始(SOF)包是由3个字节的包字段数据后面的包结束（EOP，End of Packet）界定的。如果包被译码为合法标记或SOF，但却没有在3个字节之后以EOP终止，则它被认为是无效的，并被接收器忽略。
   
帧开始（SOF,Start-of-Frame）包

        主机以每1.00 ms ±0.0005 ms一次的额定速率发出帧开始（SOF）包。如图8-6中所示，SOF包是由指示包类型的PID和其后的11位的帧号字段构成。

           
图8-6 帧开始包

        SOF标记组成了仅有标记的(token-only)事务，它以相对于每帧的开始精确计算的时间间隔发送SOF记号（Marker）和伴随的帧数。包括集线器的所有全速功能部件都可收到SOF包。SOF标记不会使得接收功能部件产生返回包；因此，不能保证向任何给定的功能部件发送的SOF都能被收到。SOF包发送2个时间调配（Timing）信息。当功能部件探测到SOF的PID的时候，它被告知发生SOF。对帧时间敏感而不需要追踪帧数（例如集线器）的功能部件，仅需对SOF的PID译码；可忽略帧数和其CRC。如果功能部件需要追踪帧数，它必须对PID和时间戳都进行译码。对总线时间调配信息的没有特别需要的全速设备可以忽略SOF包。

数据包

        如图8-7所示，数据包由PID，包括至少0个字节数据的数据区和CRC构成。有2种类型的数据包，根据不同的PID：DATA0和DATA1来识别。2种数据包PID是为了支持数据切换同步（Data Toggle Synchronization）（在第8.6节提到）而定义的。

图8-7 数据包格式

        数据必须以整数的字节数发出。数据CRC仅通过对包中的数据字段计算而得到，而不包括PID，它有自己的校验字段。

握手包

        如图8-8所示，握手包仅由PID构成。握手包用来报告数据事务的状态，能还在表示数据成功接收，命令的接收或拒绝，流控制（Flow Control）和停止（Halt）条件。只有支持流控制的事务类型才能返回握手信号。握手总是在事务的握手时相（Phase）中被返回，也可在数据时相代替数据被返回。握手包由1个字节的包字段后的EOP确定界限。如果包被解读为合法的的握手信号，但没有以1个字节后面的EOP终止，则它被认为是无效的，且被接收机忽略。

图8-8 握手包

        eop是在发完包后只表现在DM，DP上的一个标记，一个完整的包就是这样的，这只是以数据的形式表现出来的包，但是怎么把它发到DP，DM线上呢，有一种编码方式叫做NRZI编码，就是如果发的数据是1，DP,DM取反（相对于前一个数据），就是如果发的数据是0，DP,DM保持原有的值不变（保持前一个数据的值），取反和保持多久呢，是一个位时间，位时间？比如说全速 12Mb/s ，算一下它发一个位的时间是83.33ns，这就是全速位的位时间。DP，DM在发送数据之前是J状态（DP为高DM为低），还要注意，数据是按场发出去的，先发sync，然后pid，依次，每个场的数据都是先发低位然后次低位，最后最高位。（数据场值得注意，按字节顺序发，每个字节先发低位）数据就是这样发到DP，DM上的。其中还有位填充＝＝,很多其他的东西，这里不讲了，要了解的自己研究协议。

  下面是NRZI 编码的图解：数据的编码与解码
          在包传送时，USB使用一种NRII(None Return Zero Invert，即无回零反向码)编码方案。在该编码方案中，“1”表示电平不变，“0”表示电平改变。图8列出了一个数据流及其
它的NRII编码，在该图的第二个波形图中，一开始的高电平表示数据线上的J态，后面就是NRII编码。
  

一个包就是这样发出去的。
下面接着前面的列举说。列举的整个过程是这样的：
        建立阶段：主机发一个SETUP 令牌包，后面紧跟一个（data）包（主机发的），这个data包是一个请求（请求是主机发给设备的，请求的作用是告诉设备主机下一步要干什么或者告诉设备该干什么，协议里规定了每个请求的格式和标准请求代码）比如说第一个请求是告诉设备要设备返回一个它的（设备的）设备描述符。设备收到这个包无错误后会返回一个ACK握手包告诉主机已收到数据
数据阶段：然后主机会发一个in令牌包，设备收到IN令牌包后，设备用数据（data）包（设备发的）返回他自己的设备描述符（协议里规定了各个设备的标准的描述符），描述符里会有一些设备的描述，（描述他是什么东西，是U盘，还是USB鼠标，还是USB键盘，或是其他的什么）。主机收到数据无错误后会返回一个ACK握手包,这个阶段主机也可能发out令牌包＋数据包（主机发的），数据阶段可以没有。

        状态阶段：主机会发一个与数据阶段相反的令牌包，数据阶段如果是IN，现在发OUT＋一个空的数据包（数据场没有数据的包），设备会用ACK握手包相应。数据阶段如果是OUT,现在发IN不＋数据包，设备会返回空的数据包， 当主机收到包且无错误时，主机会发一个握手包ACK。
以上是一个无任何错误请求的全过程，在列举过程中会有很多这样的请求，主机不是只问一次就可以知道这个设备是什么，通过多次的请求。直到知道这个设备是什么为止。之后通过请求会对这个设备配置地址＝＝。电脑就是通过这个地址来区分插在电脑上的两的U盘的。
以上的传输方式属于控制传输。控制传输至少有两个阶段：建立和状态。其他传输不是按这个（建立阶段，数据阶段，状态阶段）传输的，可以直接传输一个OUT包。只有控制传输是这样的。至于其他的传输类型只是区分一下每次传输的最大数据量，每帧传输的次数＝＝。自己看协议吧！下面是控制传输的图

        以上的过程当中还有可能出错，返回NAK而不是ACK ，数据触发机制（和发data0还是data1有关的），设备无相应，重试三次＝＝一些问题没有讲，讲出来太多了。要研究的自己看协议吧。
这篇文章主要是讲一下整个USB是怎么传输数据的，怎么认识一个设备的。其中有很多没有讲，讲起来就要把协议全搬出来了，太多了。要研究的看看这两本书，1、《USB2.0与OTG规范及开发指南》。北航出的，周立功编著，包括了所有USB的协议，高速，全速，OTG,HUB＝＝，这本书把英文版的USB 协议整个翻译了一遍，里面又很多错误的，他是按字面意思直接翻译的，没有联系到协议本身的意思。2、《USB2.0原理与工程开发》国防工业大学出版的，已经有第二版了。主要是电气规范，数据传输协议，设备开发和一些驱动开发。
        以后的便携式设备越来越多，USB 的设备也越来越多，什么SD，MMC ,CF 这些卡，鼠标，键盘，＝＝全用USB来连接到电脑。以后USB的应用会更多，INTEL正在研发USB3.0，很期待啊。
希望对刚开始学习USB的网友们有帮助。由于时间有限所以有别字，希望大家谅解。有什么问题可以和我一起讨论，QQ:279062488 加我时告诉我是有关USB的，谢谢。

chenzhufly

不错！

静若幽兰

很不错！麻烦楼主喽！嘿嘿。。。。。。

csworld

谢谢搂主分享，不错。

nffy918

非常的好啊
支持
谢谢！

仙猫

当漏得下来看看，三克油！

huozhe0930

支持楼主分享，谢谢！！！

wstt

支持LZ ，稍后我发一个USB的协议标准的附件吧！

electricworld

感谢楼主！！！

XAPP

学习了，感谢楼主

幸福的悲伤

感谢老铁的无私分享