通讯协议----USB2.0协议

USB2.0协议

USB总线的信号
- 常见信号
- 数据编解码和位填充
USB设备的检测
USB设备的挂起
USB传输
- Packet
- - Packet包种类
  - Data PID作用
- Transaction
- Transfer
- - 控制传输(Control Transfers):
  - 中断传输(Interrupt Transfers)
  - 同步传输(Isochronous Transfers)
  - 大容量数据传输(Bulk Transfers)
  - 控制传输的过程

USB总线的信号

使用差分传输，两个数据线D+和D-	
差分信号1:D+高电平；D-低电平
差分信号0:D-高电平；D+低电平

常见信号

USB总线的信号：USB总线的信号说经过编码最后呈现的格式
对于全速设备J状态是差分信号1，K状态时差分信号0

常见信号	状态介绍
ldle空闲状态	J状态，数据发、送前后总线的状态
Suspend挂起状态	3ms以上的J状态
Resume恢复信号	20ms的K状态+低速EOP
Reset信号	主机拉低两根信号线（SE0状态）10ms，把设备设置到默认的未配置状态
SYNC	3个KJ状态切换，后跟随2位时间的K状态
SOP	包传输开始标志，从IDLE状态切换到K状态
EOP	包传输开始标志，持续2位时间的SE0信号，后跟随1位时间的J状态

数据编解码和位填充

常见信号是由输入信号经过编码得到，下面是具体过程

-1-位填充：输入数据先经过位填充再编码
数据流中每6个连续的“1”，就要插入1个“0”，从而保证编码数据出现电平变化
-2-编码:USB采用NRZI（非归零编码）对发送的数据包进行编码
输入数据0，编码成“电平翻转”
输入数据1，编码成“电平不变”
编码出来的序列，高电平：J状态；低电平：K状态
-3-解码：接收方赋值解码NRZI码流，然后识别出填充位，并丢弃它们

原始数据----填充数据----NRZI编码数据的过程
在这里插入图片描述
编码出的数据即为USB总线的信号

在这里插入图片描述

USB设备的检测

主机通过设备在D+或D-上的上拉电阻检测设备的连接和断开事件，并由此判别设备的速度
D+1.5K上拉：高速、全速设备
D-1.5K上拉：低速设备
主机先把高速设备检测为全速设备，然后再通过总线握手机制来识别高速和全速设备

USB设备的挂起

总线连续3ms没有信号传输时，会进USB挂起模式Suspend
USB周期性地发送SOF信号或Keep Alive信号防止设备挂起
高速信道上，主机按照125us( +/- 65ns )的周期发送SOF
全速信道上，主机按照1ms( +/- 500ns )的周期发送SOF
低速信道上，主机按照1ms的周期发送Keep Alive (End of Packet)

USB传输

传输依赖于Transfer，一个Transfer有多个Transaction，每个Transaction有三个Packet。

Packet

在这里插入图片描述
不同的Packet类型由不同的PID决定，包括Token令牌包、Data数据包、Handshake握手包、Special特殊包

Packet包种类

Token令牌包
在这里插入图片描述
SOF包：用于高速设备的周期性地发送防止挂起

DATA包

Handshake包

Data PID作用

数据同步：
• RX方PID为期待收到的PID，
• Reset后发送方接受方pid都是data0，
•当收到正确的PID时，RX翻转，并返回ACK，否则不翻转

数据重发：
在这里插入图片描述

• RX收到期望收到的PID，发送ACK，但ACK丢失，
• TX处PID不翻转，
• RX收到的PID与RX的PID不一致，
• RX忽略此数据，发送ACK
TX收到ACK翻转PID，此时TX发送的PID与RX期望的PID一样

Transaction

Transaction可以分成三类
Setup transaction：主机用来向设备发送控制命令
DataIN transaction：主机用来从设备读取数据
DataOUT transaction：主机用来向设备发送数据

Transaction的packet组成
Token packet：总是由主机发出
Data packet：包含此次transaction的数据负载
Handshake packet:可选对于Data的应答

Transfer

USB协议定义了四种传输类型控制传输，中断传输，同步传输，大容量数据传输

控制传输(Control Transfers):

非周期性，突发，双向，用于命令和状态的传输。
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中断传输(Interrupt Transfers)

周期性，低频率，单向, 允许有限延迟的通信
在这里插入图片描述

全速端点，中断传输的间隔时间在1ms到255ms之间,
低速端点，间隔时间限制在10ms到255ms之间,
对于高速端点，间隔为2^(bInterval−1)×125us, bInterval的值在1到16之间

同步传输(Isochronous Transfers)

周期性、单向，整个带宽都将用于保证同步传输的数据完整，不支持出错重传，并且在数据中保存时间戳的信息
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大容量数据传输(Bulk Transfers)

非周期性，突发，单向，大容量数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟
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控制传输的过程

控制传输包括建立过程（Setup Stage）–数据过程（Data Stage）–状态过程(Status Stage)
在这里插入图片描述

• SETUP过程transaction
主机发送令牌包：SETUP---->主机发送数据包：DATA0---->设备返回握手包：ACK或不应答
• Data过程transaction
主机发送令牌包：DataIN或DataOut---->发送方发送PID为1数据包---->接受方返回握手包
• Status过程的transaction
主机发送令牌包：DataOUT或DataIN（Data相反）---->发送方发送PID为1数据包---->接受方返回握手包