通信教程 | USB 2.0 网络传输通讯和协议

Posted 2022-04-17 strongerHuang

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作者 | strongerHuang

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USB在我们生活中应用非常广泛，但绝大部分工程师都只注重USB应用层的开发，很少有人去了解USB更底层的一些技术。

USB网络

USB物理层网络为分层星型网络：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，由于信号传播的时序限制，允许的最大层数为七个：

• 主机（总线主控器）的一层

• 集线器和设备六层

Hub：集线器，提供了附加的连接点，每个集线器将单个连接点转换为多个连接点，也称为端口。

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

Compound Device：复合设备，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，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，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，USB设备的工作方式都相同。在主/从网络中，所有USB设备都可用作可寻址节点，只有主机才能启动网络中的数据传输。

提示：

• 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。

USB传输速率

USB的传输速率经过一代一代发展，越来越快了，在2019年推出的USB 4 传输速率高达40Gbps。

目前流行的USB 3.1、 3.2的传输速率其实已经很高了，对于绝大部分应用，这个速率完全没问题。

早期的USB传输速率相对于现在很低，但在那个时候，传输速率其实已经很高了。

（图片来源网络）

USB通信

USB是轮询总线，USB主机在其中启动所有数据交换，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，但没有端点。USB主机和外围USB设备具有不同的层，如下图：

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，使用管道（Pipes）传输数据。

想要理解USB通讯（上图结构），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：Message pipes（消息管道）和 Stream pipes（流管道）。

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

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

2.Transfers传输

传输包含四种：

• Control Transfers：控制传输

• Interrupt Transfers：中断传输

• Isochronous Transfers：同步传输

• Bulk Transfers：批量传输

控制传输：通常用于设置USB设备。他们始终使用IN / OUT端点0。

中断传输：可用于定期发送数据的地方，例如状态更新。

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

批量传输：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，存在于USB设备中，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，例如，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，控制器上的程序将立即读取数据。

USB协议

USB是轮询总线，主机在其中启动所有数据交换，但USB协议主从都要遵从。USB协议的内容比较复杂，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：token、 data、 Status（或handshake）包。

数据包结构包含：Sync、 Data、 EOP。

包可以被认为是数据传输的最小元素，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，然后是数据包的数据字节，最后以数据包结束（EOP）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，总线处于空闲状态。

2.描述符

USB协议中，有很多描述符：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（USB_DEVICE_DESCRIPTOR）包含了设备的基本信息：

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（USB_INTERFACE_DESCRIPTOR）是定义端点的集合，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，USB主机可以动态选择该接口。

d.端点描述符

端点描述符（USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR）指定为每个端点的传输类型，方向，轮询间隔，以及最大分组大小等。

本文先写到这里，更多内容后续更新，或者大家搜索USB协议进行了解。

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