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USB總線接口層：物理連接、電氣信號環(huán)境、信息包傳輸機制；主機一方由USB主控制器和根集線器組成，而USB方則由設(shè)備中的USB接口組成。

USB設(shè)備層：由主機方的USB系統(tǒng)軟件和設(shè)備方的USB設(shè)備邏輯視圖組成。

USB功能層：代表客戶軟件和一個給定的設(shè)備功能接口之間的關(guān)系。

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USB系統(tǒng)軟件執(zhí)行很多關(guān)鍵的功能，包括：

?????? 設(shè)備的連接/斷開檢測；設(shè)備配置；帶寬分配；管理客戶程序和設(shè)備之間的控制流；管理客戶程序和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流；收集狀態(tài)和事務(wù)處理的統(tǒng)計信息；事務(wù)處理的安排；控制電氣接口。

一套USB系統(tǒng)軟件存在于系統(tǒng)中,用于管理所有和USB總線相連的所有USB設(shè)備的訪問。USB系統(tǒng)軟件是由于以下部分組成的：

?????? USB驅(qū)動程序（USBD）---為客戶軟件驅(qū)動程序提供接口和服務(wù)，分配總線帶寬，并管理配置過程；

?????? USB主控制器驅(qū)動程序（HCD）---控制對主控制器的操作，安排事務(wù)處理，并監(jiān)視事務(wù)處理的完成狀態(tài)。

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當(dāng)一個事務(wù)處理被主機系統(tǒng)初始化以后，所有的傳輸設(shè)備和所有的集線器將看到這一務(wù)處理。每個事務(wù)處理包含一個地址字段，它標識目標設(shè)備或集線器，低速設(shè)備只能看見低速事務(wù)處理，它總是跟在一個高帶的前導(dǎo)事務(wù)處理之后。

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USB信號環(huán)境

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USB采用了NRZI（反相非歸零）編碼和差分信號。NRZI編碼方式既能夠確保數(shù)據(jù)發(fā)送的完整性，雙不需要獨立的時鐘信號和數(shù)據(jù)一起發(fā)送。數(shù)據(jù)流中的電平跳變代表0，而沒有跳變則代表1。為保持同步，在連續(xù)傳輸6個1的情況下，強制在NRZI編碼的數(shù)據(jù)流中加入跳變。這就確保接收器至少可以在每7個位的時間間隔內(nèi)從數(shù)據(jù)流中會檢測到一次跳動變。

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一個USB的集線器通過監(jiān)視差分數(shù)據(jù)線來檢測設(shè)備是否已連接到自己的一個端口上。當(dāng)沒有設(shè)備連接到USB端口時，和D+和D-線相連的下拉電阻（15K）保證數(shù)據(jù)線接地，USB設(shè)備必須至少在D+和D-線的任意一條上有一個上拉電阻（1.5K）。全速設(shè)備D+上拉，低速設(shè)備D-上拉。保持時間2.5us。

USB傳輸

中斷傳輸---用于在傳統(tǒng)PC產(chǎn)品中被稱為中斷驅(qū)動設(shè)備的器件。由于USB不支持硬件中斷，所以中斷驅(qū)動的USB設(shè)備必須要被周期性地查詢，以確定設(shè)備是否有數(shù)據(jù)要傳輸。

塊傳輸---用于傳輸大塊的沒有周期和傳輸速率要求的數(shù)據(jù)。

同步傳輸---要求有一個恒定的發(fā)送速率。保證發(fā)送方和接收方之間能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸率的匹配。

控制傳輸---用來把特定的請求傳送給USB設(shè)備，它經(jīng)常在設(shè)備配置中被使用。

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USB事務(wù)處理

在USB上的每次傳輸廣播都由一些信息包組成。這些信息包組合起來定義某個事務(wù)處理而某個事務(wù)處理又是作為一個大的傳輸?shù)囊徊糠謭?zhí)行的。事務(wù)處理由主機進行初始化，用于把數(shù)據(jù)發(fā)送到USB設(shè)備和從USB設(shè)備把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

事務(wù)處理般由三個階段(令牌包階段、數(shù)據(jù)包階段、握手包階段)組成，或者說由信息包組成。

令牌包階段：每一個事務(wù)處理類型都從一個令牌階段開始，它定義了事務(wù)處理的類型。有的令牌包跟隨一個到兩個附加的信息包；

數(shù)據(jù)包階段：傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)。在一個事務(wù)處理中可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包是1023字節(jié)。

握手階段：對數(shù)據(jù)發(fā)送方提供了一個反饋信號，通知發(fā)送方數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被正確接收。

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信息包有用來執(zhí)行所有的USB事務(wù)處理的機制。

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同步序列

包ID（標識符）

包特定信息

CRC

包結(jié)束標志

??????????????????????????????????? 信息包

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同步序列由8個位（00000001）組成，由于0用差分數(shù)據(jù)上的電平跳變來編碼，所以這7個0在每一位開始的時候都建立一個電平跳變。這就提供了一個時鐘，用來同步。同步性序列還通知USB接收器馬上要有一個信息包被發(fā)送，這個信息包緊跟在這8位同步序列之后。

信息包的標識符定義了信息包的目標和內(nèi)容，它分為令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包、專用包（前導(dǎo)包）。

信息包的ID：由四位標識符字段組成，后接四位包ID的反碼。

信息包的特定信息：這些信息可以組成一個USB設(shè)備地址，一個時間片的序列，從USB設(shè)備發(fā)出或者發(fā)送到USB設(shè)備的數(shù)據(jù)，等等。

CRC：數(shù)據(jù)包使用16位的CRC，而別的包則5位的CRC。CRC的產(chǎn)生和檢驗僅僅用于信息包的具體數(shù)據(jù)。

信息包的結(jié)束(EOP)：每個信息飯結(jié)束都收發(fā)送方發(fā)出一個信號來表示，具體方法是把兩條差分數(shù)據(jù)線上的電壓降低，并且這個低電壓將持續(xù)兩個位的傳輸時間，而且后接一個位的空閑時間。

令牌包的四種類型：

SOF（時間片開始）-----指出下一個毫秒時間的開始；

IN-----表示一個USB事務(wù)處理，把數(shù)據(jù)從目標USB設(shè)備發(fā)送到系統(tǒng)；

OUT-----表示一個USB事務(wù)處理，把數(shù)據(jù)從系統(tǒng)發(fā)送到目標USB設(shè)備；

SETUP-----表示一次控制傳輸?shù)拈_始。SETUP是控制傳輸?shù)牡谝浑A段，并用來把一個請求從系統(tǒng)發(fā)往目標USB設(shè)備。

SOF包內(nèi)含有一個11位的時間片編號。SOF包定義了一個事務(wù)處理，它僅僅由令牌包組成。

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同步序列

包ID（標識符）

11位的時間片編號

5位CRC

包結(jié)束標志

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當(dāng)軟件希望從一個指定的設(shè)備讀取信息時，就用到一個IN令牌。IN包通知目標USB設(shè)備數(shù)據(jù)正在被系統(tǒng)請求。IN事務(wù)處理用于各種USB傳輸類型中。一個IN令牌包由ID類型字段、ID校驗字段、USB設(shè)備地址和端點地址以及5位的CRC組成。一個IN事務(wù)處理從一個IN包廣播開始，后接一個從目標USB設(shè)備返回的數(shù)據(jù)包。在某些情況，還包括發(fā)回到目標設(shè)備的握手包，用來確認數(shù)據(jù)接收。

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系統(tǒng)軟件指定一個OUT事務(wù)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送到一個目標USB設(shè)備時，有三種類型的傳輸采用OUT事務(wù)處理，塊傳輸、控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)階段、同步傳輸。一個OUT包由ID類型字段、ID校驗字段、USB設(shè)備地址和端點地址以及5位的CRC組成。OUT令牌包后跟隨一個數(shù)據(jù)包和一個握手包（僅用于塊傳輸）。

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SETUP包僅僅在控制傳輸?shù)慕㈦A段使用。SETUP包后跟隨著一個數(shù)據(jù)包，和一個確認包。SETUP事務(wù)處理可以跟隨一個或多個IN或OUT事務(wù)處理（數(shù)據(jù)階段）。或者可以僅僅伴隨一個狀態(tài)階段，狀態(tài)階段由一個最后的數(shù)據(jù)包組成，它從端點傳向主機系統(tǒng)。一個SETUP包由ID類型字段、ID校驗字段、USB設(shè)備地址和端點地址以及5位的CRC組成。

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數(shù)據(jù)包---Data0和Data1

數(shù)據(jù)包的傳輸方向由事務(wù)處理類型確定，數(shù)據(jù)既可以傳向USB也可以從USB設(shè)備傳出。一個數(shù)據(jù)包由ID類型字段、ID校驗字段、數(shù)據(jù)字段(0-1023字節(jié))和16位CRC。

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USB設(shè)備使用握手包來報告一個給定的事務(wù)處理的狀態(tài)。數(shù)據(jù)的接收器負責(zé)給發(fā)送方發(fā)回一個握手包。

確認包（ACK）---確認數(shù)據(jù)包被無錯誤地接收了；

非確認包（NACK）---報告主機目標設(shè)備暫時不能接收返回的數(shù)據(jù)。在中斷事務(wù)處理中，NACK表示當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)可以返回到主機。

停止包（STALL）---目標設(shè)備用來報告它不能完成傳輸，并且要求軟件進行干預(yù)，使設(shè)備從停止狀態(tài)恢復(fù)。

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前導(dǎo)包

在廣播一個低速信息包之前，必須廣播一個前導(dǎo)包，通知所有的集線器在這個前導(dǎo)包后面跟隨一個低速的事務(wù)處理。前導(dǎo)包由一個同步序列和一個包的ID組成的，該包以全速傳輸。之后延遲四個全速位的傳輸時間。

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事務(wù)處理

IN事務(wù)處理：數(shù)據(jù)被無錯誤地接收；（主機發(fā)送ACK包）

??????????? 數(shù)據(jù)接收的時候有錯誤； （沒有握手包）

??????????? 目標設(shè)備暫時不能返回數(shù)據(jù)；（USB設(shè)備返回NAK包）

??????????? 錯誤狀態(tài)被清除之前，目標不能返回數(shù)據(jù)；（USB設(shè)備返回STALL停止包）

??????????? 發(fā)生了一次同步傳輸，返回數(shù)據(jù)，沒有握手運作。

OUT事務(wù)處理：數(shù)據(jù)被無錯誤地發(fā)送；（USB設(shè)備返回ACK包）

??????????? 數(shù)據(jù)發(fā)送出錯；? （沒有握手包）

??????????? 目標設(shè)備暫時不能接收數(shù)據(jù)；（USB設(shè)備返回NAK包）

??????????? 錯誤狀態(tài)被清除之前，目標不能接收數(shù)據(jù)；（目標設(shè)備返回STALL停止包）

??????????? 發(fā)生了一次同步傳輸，數(shù)據(jù)被發(fā)送到目標設(shè)備，沒有握手運作。

SETUP事務(wù)處理/控制傳輸:控制傳輸總是從一個SETUP事務(wù)處理開始，稱為建立階段。建立階段定義控制傳輸?shù)男再|(zhì)。某些控制傳輸包括一個數(shù)據(jù)階段，該數(shù)據(jù)階段由一個或幾個IN或OUT事務(wù)處理組成。控制傳輸?shù)淖罱K階段是狀態(tài)階段。該階段確認所要求的操作已經(jīng)成功完成了。控制傳輸以兩種基本基本形式存在：①傳輸由建立階段和狀態(tài)階段組成②傳輸由建立階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段組成。

SETUP事務(wù)處理的數(shù)據(jù)階段包括8字節(jié)的信息，該信息指出了大量用于定義將被執(zhí)行的設(shè)備請求信息。

錯誤恢復(fù)

信息包錯誤檢查；

錯誤EOP；

總線超時（沒有響應(yīng)）；

數(shù)據(jù)觸發(fā)器錯誤檢查；

串?dāng)_---在時間片結(jié)束之后發(fā)年事務(wù)處理；

LOA---總線活動丟失。

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三種類型的包錯誤：包ID（PID）；CRC；位填充錯誤。發(fā)生以上錯誤，接收方忽略這個信息包，并且不會返回一個信息包。

信息包的類型和CRC

信息包的類型	字段名	字段的最大長度	CRC
SOF	時間片編號	11位	5位
IN	設(shè)備地址和端點地址	11位	5位
OUT	設(shè)備地址和端點地址	11位	5位
SETUP	設(shè)備地址和端點地址	11位	5位
DATA0	數(shù)據(jù)	1023字節(jié)	16位
DATA1	數(shù)據(jù)	1023字節(jié)	16位
ACK	無	無	無
NAK	無	無	無
STALL	無	無	無
PREAMBLE	無	無	無

總線超時：事務(wù)處理的發(fā)送方在16個位時間內(nèi)一定不會超時，但是在18個位時間后則一定時。

錯誤的EOP:如果接收方在發(fā)送方實際完成傳輸之前檢測到包的結(jié)束(EOP)。錯誤的EOP往往會導(dǎo)致一個CRC錯誤。

數(shù)據(jù)觸發(fā)出錯：數(shù)據(jù)觸發(fā)是一種機制，用來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送方和接收方之間保持同步。數(shù)據(jù)觸發(fā)機制解決了和握手包出錯相關(guān)的問題。

串?dāng)_：如果在總線上的一個設(shè)備沒有結(jié)束它的事務(wù)處理（不停地串?dāng)_），這種不斷的串?dāng)_有可能對整個總線造成死鎖。串?dāng)_在時間片結(jié)束時被檢測到，如果設(shè)備在時間片結(jié)束時不處于空閑狀態(tài)，那么這個設(shè)備必須被隔離，方法是把和這個設(shè)備相連的集線器端口禁止掉。

LOA---總線活動丟失：一個設(shè)備從一個包的傳輸開始，后接總線上的一個恒定的J或K狀態(tài)，而且沒有EOP。檢測和處理類似串?dāng)_。

USB供電分配

USB電源管理

USB設(shè)備配置

設(shè)備描述符-----描述了設(shè)備所支持的配置的數(shù)量；

配置描述符-----指出了一個或多個接口而且定義了某些和這個配置相關(guān)的屬性；

接口描述符-----定義了端點的數(shù)量，它們和接口相關(guān)，而且定義了某些和接口相關(guān)的屬性；

端點描述符-----指出了和給定的端點相關(guān)的屬性，以及那些主機軟件需要的信息，這些信息可以確定這個端點應(yīng)該怎樣被訪問；

字符串描述符-----可選的描述符，由UNICODE字符串組成。

類特定描述符-----設(shè)備類附加的描述符。

每一個描述符都包含一個類型字段，用它來識別上面列出的這此描述符的類型。

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設(shè)備描述符:

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字段編號	字段名	字段大小(字節(jié))	字段取值	說明
0	長度	1	數(shù)字	描述符的長度(以字節(jié)為單位)
1	描述的符類型	1	常數(shù)	設(shè)備描述符,0x01
2	USB版本號	2	BCD	?
4	設(shè)備類	1	類	類代碼
5	設(shè)備子類	1	子類	子類代碼
6	設(shè)備協(xié)議	1	協(xié)議	?
7	最大數(shù)據(jù)包大小	1	數(shù)字	8、16、32、64
8	設(shè)備供應(yīng)商	2	ID	供應(yīng)商ID
10	產(chǎn)品	2	ID	產(chǎn)品ID
12	系列號	2	BCD	出廠編號
14	設(shè)備供應(yīng)商索引	1	索引	?
15	產(chǎn)品索引	1	索引	?
16	系列號索引	1	索引	?
17	配置數(shù)目	1	數(shù)目	?

配置描述符:

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字段編號	字段名	字段大小(字節(jié))	字段取值	說明
0	長度	1	數(shù)字	描述符的長度(以字節(jié)為單位)
1	描述的符類型	1	常數(shù)	配置描述符,0x02
2	總長度	2	數(shù)字	用于配置的返回數(shù)據(jù)的總長度,包括所有被返回的用于配置的描述符(配置描述符、接口描述符、端點描述符、類或設(shè)備供應(yīng)商自定的描述符)加在一起的長度。
4	接口的數(shù)目	1	數(shù)字	配置所支持的接口數(shù)目。
5	配置值	1	數(shù)字	作為Set Configuration的一個參數(shù)選擇配置值。
6	配置索引	1	索引	描述配置的字符串描述符的索引。
7	屬性	1	位段	D7???? 總線供電 D6???? 自供電 D5???? 遠程喚醒 D4..0 ?保留
8	最大供電量	1	毫安	以2毫安為單位

每一個配置描述符都有一個唯一的配置值，用來配置這個設(shè)備。配置軟件通過使用“Set Configuration”請求配置一個設(shè)備。這個配置值是在“Set Configuration”期間的SETUP事務(wù)處理的數(shù)值字段被指定的。

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接口描述符:

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字段編號	字段名	字段大小(字節(jié))	字段取值	說明
0	長度	1	數(shù)字	描述符的長度(以字節(jié)為單位)
1	描述的符類型	1	常數(shù)	接口描述符,
2	接口數(shù)	1	數(shù)字	接口的編號。
3	可選設(shè)置	1	數(shù)字	用于為在前面的的字段標識出來的接口選擇一個可選設(shè)置的數(shù)值。
4	端點數(shù)目	1	數(shù)字	本接口所使用的端點數(shù)目（0端點除外）。
5	接口類	1	類	類代碼
6	設(shè)備子類	1	子類	子類代碼
7	接口協(xié)議	1	協(xié)議	協(xié)議代碼
8	接口索引	1	索引	字符串描述符的索引。

接口數(shù)目和可選設(shè)置的字段用于支持USB的可選設(shè)置特征。設(shè)備可以在相同的配置下定義可選的特征。一個支持可選設(shè)置的設(shè)備將包含一個或多個附加的接口和端點描述符，同樣的接口，但是包含可選的設(shè)置。

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端點描述符:

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字段編號	字段名	字段大小(字節(jié))	字段取值	說明
0	長度	1	數(shù)字	描述符的長度(以字節(jié)為單位)
1	描述的符類型	1	常數(shù)	端點描述符,0x05
2	端點地址	1	端點	描述符所描述的USB設(shè)備上的端點地址 D0..3? 端點號 D4..6? 保留 D7???? 傳輸方向，0:OUT；1:IN
3	屬性	1	位段	D2..7 保留 D0..1 00 控制傳輸 01 同步傳輸 10 塊傳輸 11 中斷傳輸
4	最大包大小	2	數(shù)字	最大信息包的大小。 對于同步端點，該值用于保留進度表中的總線時間，這是每一個時間片傳輸數(shù)據(jù)都需要的。
6	間隔	1	數(shù)字	數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，查詢的時間間隔，以微秒為單位。對于塊傳輸端點和控制傳輸端點，這個字段無效。對于同步端點，這個字段被置為1，對于中斷端點，它的值為1-255。

端點描述符定義了在一個給定的設(shè)備里實現(xiàn)的實際寄存器。定義了每個寄存器的功能和特定的信息：端點要求的傳輸類型；傳輸?shù)姆较?#xff1b;帶寬需求；查詢間隔。

配置軟件必須確定USB是否能夠支持端點描述所指定的傳輸，傳輸所要求的帶寬大小在MaxPacketSize字段被指定。如果端點的帶寬需求超過了USB的所能提供的帶寬，那么設(shè)備就不會被配置，而且用戶會得到設(shè)備沒有配置的通知。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的（转）USB体系结构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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