通信教程|USB2.0网络、传输、通讯和协议

strongerHuang 2022-04-14 08:30

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作者 | strongerHuang

微信公众号 | strongerHuang


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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strongerHuang 作者黄工,高级嵌入式软件工程师,分享嵌入式软硬件、物联网、单片机、开发工具、电子等内容。
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