USB协议架构及驱动架构 模型, 通信, 主机

yuyang911220

1. USB协议1.1 USB主机系统       在USB主机系统中，通过根集线器与外部USB从机设备相连的处理芯片，称为USB主机控制器。USB主机控制器包含硬件、软件和固件一部分。
1.2 USB设备系统        USB设备按功能分为两部分：集线器(Hub)和功能部件。从下图可知，主机通过根集线器连接到各种外围设备(集线器和功能部件)。

1.3 主机和设备之间通信模型
                                               主机与设备之间的通信模型


       上图展示了USB主机和USB设备之间的数据传输过程。在设备端，USB设备将非USB格式的数据进行打包处理，转换成USB格式的数据包，然后传递到链路层，经过硬件处理、传递到物理层，由物理层通过PHY以数据流的形式传输到主机。
       USB主机在USB设备和USB主机之间发起的传输过程，稳为事务。每次事务以2到3个数据包的形式进行USB总线传输。每个数据包包含2到3个步骤：
       1) USB主机控制器向USB设备发出命令
       2) USB控制器和USB设备之间传递读写请求，其方向取决于第一部分的命令是读还是写
       3) 握手信号。
            USB主机控制器向USB设备发送事务类型请求，通过分组标识符来进行识别。
1.4 USB分组标识        主机和设备之间进行操作，通过分组标识(PID)来进行传输。数据包传输格式一般由：PID、数据/控制信息、CRC校验码组成。
        常见的PID主要包括令牌、数据、握手等类型组成。PID码以特定的方式组成，如下表所示：

      PID分组码是数据传输流程中的重要元素。无论硬件还是软件，都要对PID分组码进行分析，从而做出正确响应。USB主机和设备严格按照PID分组码信息进行信息交互。
1.5 数据包传输模式       当USB设备连接到集线器，集线器状态将发生相应的变化，并将状态变化信息传递给USB主机。USB主机通过根集线器向USB设备发送命令，获取USB设备的各种信息，包含USB设备传输类型、ID号、Product、USB速度等信息。
       USB主机和USB设备之间的数据传输共有四种类型：控制传输、批量传输、中断传输和同频传输。与之对应，USB主机和USB设备之间有四种事务：控制事务、批量事务、中断事务和同步事务。

1.5.1 批量(Bulk)传输
    作用：主要用于非实时性传输，数据包较大而延时要求较低。
    特点：数据传输准备即可，采用批量传输模式的USB从机设备，如U盘
    数据传输分三个阶段：
    a) 令牌阶段：主机发送请求，USB设备依据请求PID来判断IN或OUT传输
    b) 数据传输阶段：依据令牌阶段的IN或OUT传输，来决定数据传输为DATA0或DATA1来进行数据传输
    c) 握手阶段：接收信息的一方发送ACK信号以表示接收成功；若为NAK，表示发送失败；STALL表示不可预知的错误
1.5.2 控制(Control)传输
       作用：USB传输过程必须支持的传输模式。USB主机为了获取设备描述符、ID、Product等信息，向USB设备发送相应的PID命令。
       特点：唯一可以进行IN/OUT传输的传输模式。
数据宽度：控制传输方式可以以8、16、32或64字节的数据进行传输，这取决于设备的传输速度。
       USB主机和设备之间必须支持控制传输，通过端点0进行数据传输。控制传输分为令牌、数据传输和握手阶段。
1.5.3 中断传输事务
作用：按照一定时刻轮询设备是否有中断传输请求
特点：查询频率取决于端点的模式结构，从1到255ms不等
中断传输主要用于实时性要求非常高的从机设备，如键盘操纵杆和Mouse等
传输过程也分为令牌阶段、数据传输和握手阶段

1.6 USB描述符   USB协议中共定义了以下四种描述符：
   1) 设备描述符
   2) 配置描述符
   3) 接口描述符
   4) 端点描述符
   其关系如下图所示：