工業(yè)平板USB接口協(xié)議簡介

1、USB以及協(xié)議簡介：USB（Universal Serial Bus）是近年來應用在PC領域的新型接口技術，它是由些PC大廠商如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種通用串行接口。數據通信協(xié)議部分是USB的核心內容。主要包:以差模串行信號為載體傳送二進制代碼來傳輸信號;數據包作為最基本的完整信息單元，包含一系列數據信息。數據包可以分解為更小的單元—域;以包為基礎，構成US的三種事務。進而，組合不同的傳輸類型，傳輸各種類型的數據，實現(xiàn)USB的各種功能。

2、USB通信機制：為了細化USB的通信機制，USB協(xié)議的開發(fā)者采用了分層的概念，每一層傳輸的數據結構對其他邏輯層是透明的，USB設備和USB主機通信的邏輯結構和每層的邏輯通道。在HSOT 端，應用軟件（Client SW）不能直接訪問USB 總線，而必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB主機控制器來訪問USB 總線，在USB總線上和USB 設備進行通訊。從邏輯上可以分為功能層、設備層和總線接口層三個層次。其中功能層完成功能級的描述、定義和行為；設備級則完成從功能級到傳輸級的轉換，把一次功能級的行為轉換為一次一次的基本傳輸；USB 總線接口層則處理總線上的Bit 流，完成數據傳輸的物理層實現(xiàn)和總線管理。

實際數據流：功能硬件USB邏輯設備USB通道接口應用軟件系統(tǒng)軟件(驅動) USB主機控制器以USB攝像頭設備為例，視頻播放軟件想通過USB總線得到USB攝像頭捕捉的視頻數據，這就相當于在功能層上。應用軟件是視頻播放軟件，功能硬件是USB攝像頭。而這些數據的讀取需要USB設備層提供的服務，在這一層上，主要是USB設備的驅動調度主機控制器控制器向USB攝像頭發(fā)出讀請求。每個USB設備會有多個管道，使用哪個管道，傳輸的大小都需要指定。這個層次的USB 系統(tǒng)軟件就是USB攝像頭的驅動程序。而在USB設備一端一般會有小單片機或者處理芯片負責響應這種讀請求，而這一層的傳輸又依賴于USB總線接口層的服務。在這一層，完全是USB的物理協(xié)議，包括如何分成更小的包（packages）傳輸，如何保證每次包傳輸不丟失數據等。

3、USB傳輸的數據格式：其他傳輸協(xié)議一樣，在物理層，USB當然也是通過二進制數據進行傳輸的，首先二進制數據構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、OUT、SETUP），事務最后構成傳輸。

3.1域：是USB數據最小的單位，由若干位組成（至于是多少位由具體的域決定），域可分為七個類型：

3.1.1同步域（SYNC）八位，值固定為0000 000，用于本地時鐘和輸入同步。

3.1.2標識域（PID）由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是個很重要的部分，這里能夠計算出，USB的標識碼有16種。

3.1.3地址域（ADDR）七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個設備第一次連接到主機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此能夠知道為什么一個USB主機只能接127個設備的原因。

3.1.4端點域（ENDP）四位，由此可知一個USB設備有的端點數量最大為16個。

3.1.5幀號域（FRAM）11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對于同步傳輸有重要意義。

3.1.6數據域（DATA）長度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數據域的長度各不相同，但必須為整數個字節(jié)的長度。

3.1.7校驗域（CRC）對令牌包和數據包（對于包的分類請看下面）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法。

3.2 包由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、數據包、握手包和特別包。

3.2.1 令牌包可分為輸入包、輸出包、配置包和幀起始包（注意這里的輸入包是用于配置輸入命令的，輸出包是用來配置輸出命令的，而不是放據數的）。其中輸入包、輸出包和配置包的格式都是相同的：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼）（上面的縮寫解釋請看上面域的介紹，PID碼即產品識別碼）。幀起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼）。

3.2.2 數據包分為DATA0包和DATA1包，當USB發(fā)送數據的時候，當一次發(fā)送的數據長度大于相應端點的容量時，就需要把數據包分為好幾個包，分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即假如第一個數據包是DATA0，那第二個數據包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），任何的數據包都是為DATA0，格式如下：SYNC+PID+0~1023字節(jié)+CRC16（16位的校驗碼） 。

3.2.3 握手包結構最為簡單的包，格式如下SYNC+PID 。

3.3 事務分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、數據包、握手包三個階段構成，這里用階段的意思是因為這些包的發(fā)送是有一定的時間先后順序的，事務的三個階段如下：1、令牌包階段：啟動一個輸入、輸出或配置的事務；2、數據包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應的數據；3、握手包階段：返回數據接收情況，在同步傳輸的IN和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特別的事務的三種類型如下（以下按三個階段來說明一個事務）：

3.3.1 IN事務令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為IN的輸入包給設備，通知設備要往主機發(fā)送數據；數據包階段——設備根據情況會作出三種反應（要注意：數據包階段也不總是傳送數據的，根據傳輸情況還會提前進入握手包階段）1）設備端點正常，設備往入主機里面發(fā)出數據包（DATA0和ATA1交替）；2）設備正在忙，無法往主機發(fā)出數據包就發(fā)送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續(xù)；3）相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，總線進入空閑狀態(tài)。握手包階段——主機正確接收到數據之后就會向設備發(fā)送ACK包。

3.3.2 OUT事務令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為OUT的輸出包給設備，通知設備要接收數據；數據包階段——比較簡單，就是主機會設備送數據，DATA0和DATA1交替握手包階段——設備根據情況會作出三種反應：1）設備端點接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機能夠發(fā)送新的數據，假如數據包發(fā)生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握手信息；2）設備正在忙，無法往主機發(fā)出數據包就發(fā)送NAK無效包，通知主機再次發(fā)送數據；3）相應設備端點被禁止，發(fā)送錯誤包STALL包，事務提前結束，總線直接進入空閑狀態(tài)。

3.3.3 SETUP事務令牌包階段——主機發(fā)送一個PID為SETUP的輸出包給設備，通知設備要接收數據；數據包階段——比較簡單，就是主機會設備送數據，注意，這里只有一個固定為8個字節(jié)的DATA0包，這8個字節(jié)的內容就是標準的USB設備請求命令（共有11條，具體請看問題七）握手包階段——設備接收到主機的命令信息后，返回ACK，此后總線進入空閑狀態(tài)，并準備下一個傳輸（在SETUP事務后通常是個IN或OUT事務構成的傳輸）。

3.3.4 PIN事務處理：主要應用于高速數據傳輸中，只包含令牌包和握手包階段，步驟如下：USB主機向USB設備發(fā)送PING令牌包，表示一個PIN事務的開始；USB正確接收到該命令包，然后USB設備向US主機返回各種握手包進行響應。

3.4 傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務其中的事務構成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉輸的結構相同，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最復雜的傳輸。

3.4.1 中斷傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用于鍵盤、鼠標等HID設備的數據傳輸中 

3.4.2批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用于大容量數據傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當總線忙時，USB會優(yōu)先進行其他類型的數據傳輸，而暫時停止批量轉輸。

3.4.3 同步傳輸：由OUT事務和IN事務構成，有兩個特別地方，第一，在同步傳輸的IN和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在數據包階段任何的數據包都為DATA0 

3.4.5 控制傳輸：最重要的也是最復雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構成（初始配置階段、可選數據階段、狀態(tài)信息步驟），每一個階段能夠看成一個的傳輸，也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來于USB設備初次加接到主機之后，主機通過控制傳輸來交換信息，設備地址讀取設備的描述符，使得主機識別設備，并安裝相應的驅動程式，這是每一個USB研發(fā)者都要關心的問題。

1、 初始配置步驟：就是個由SET事務構成的傳輸

2、可選數據步驟：就是個由IN或OUT事務構成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始配置步驟有沒有需要讀/寫數據（由SET事務的數據包階段發(fā)送的標準請求命令決定）

3、狀態(tài)信息步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務構成構成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務和之前的IN和OUT事務有兩點不同：

1）傳輸方向相反，通常IN表示設備往主機送數據，OUT表示主機往設備送數據；在這里，IN表示主機往設備送數據，而OUT表示設備往主機送數據，這是為了和可選數據步驟相結合。

2）在這個步驟里，數據包階段的數據包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16。

4.事務傳輸的流程

4.1 中斷傳輸：中斷傳輸在流程上除了不支持PING事務以外，其他的跟批量傳輸時一樣的。他們之間的區(qū)別在于事務傳輸發(fā)生的端點不一樣、支持最大的包的長度不一樣、優(yōu)先級不一樣等這些對于用戶來說透明的東西。

4.2 批量傳輸：圖中一個方框表示一個Packet，灰色的包表示主機發(fā)出的包，白色的包表示設備發(fā)出的包，批量傳輸時可靠的傳輸，需要用握手包來表明傳輸結果。若數據量比較大，將采用多次批量事務傳輸來完成全部數據的傳輸，傳輸過程中的PID按照DATA0-DATA1-DATA0…的方式旋轉，以保證發(fā)送端和接收端的同步。USB允許連續(xù)三次一下的傳輸錯誤，會重試該傳輸，若成功會將錯誤計數清零，否則累加該計數器。超過三次后，HOST認為該端點功能錯誤，放棄該端點的傳輸任務。

4.3 同步傳輸：同步傳輸時不可靠的傳輸，所以它沒有握手包。同時也不支持PID翻轉，同步傳輸有最高的優(yōu)先級。

4.4 控制傳輸：一次控制傳輸分為三個(或者兩個)階段：建立（SETUP），數據DATA，可能么有)以及狀態(tài)（SATATUS）。每個階段都有一次或者多次的事務傳輸階段組成。建立階段過后，可能會有數據階段，這個階段將會通過一次或者多次控制傳輸事務，完成數據的傳輸，同樣也采用PID翻轉的機制。建立階段，設備只返回ACK包，或者不返回任何包，最后是狀態(tài)階段，通過一次方向與前一次相反的控制事務傳輸來表明傳輸的成功與否。如果成功會返回一個長度為0的數據包，否則返回NAK或者STALL。