USB1.1协议及 S3C2410 USB device实验

1. USB1.1协议及S3C2410 USB device实验

2. 议程 • 实验目的 • USB体系结构 • 实验原理 • 实验步骤 • 问题与讨论

3. 实验目的 通过实验了解USB协议 通过实验了解S3C2410处理器的USB device及原理 掌握ARM处理器USB通信的编程方法

4. USB体系结构 • USB 简介 • USB 1.1协议介绍 • USB 标准命令 • USB 设备的状态机 • USB 总线的枚举

5. USB简介 • USB特性 • USB传输速度 • USB软件驱动 • USB基本组件介绍

6. USB简介 • USB特性 • 数据传输容错性强 • 接口简单(+5V,D+,D-,GND) • 设备可自动检测，驱动和配置 • 系统总线供电(<=500mA) • 低功耗设计(符合EPA) • 使用方便---热拔插，即插即用(PNP) • 扩展方便，成本低

7. USB简介 • USB传输速度 • USB 1.0---1.5Mb/S(低速) • USB 1.1---12Mb/S(全速) • USB 2.0---480Mb/s(高速) • 补充: • USB 1.1与USB 2.0已经被重新命名。原先的USB 1.1改成了USB 2.0 Full-Speed（全速版），同时原有的USB 2.0改成了USB 2.0 High-Speed（高速版）

8. USB简介 • USB软件驱动 • 要完成USB驱动程序设计，就必须要了解USB的基本协议规范和相关设备的USB协议规范。由于是基于协议，因此驱动程序的设计工作量、复杂度较串/并口大的多，(特别是USB主机端，要实现总线驱动、带宽管理、设备枚举等等工作，其软件设计的复杂性更高) • Intel-UHCI(Universal Host Control Interface)-------PC • Microsoft-OHCI(Open Host Control Interface)-----嵌入式 • EHCI(Enhanced Host Control Interface)-USB2.0

9. USB 的电缆 USB简介 • USB基本组件介绍 • USB主机(Host) • USB连线(Line) • USB集线器(Hub) • USB功能部件(Device) 典型集线器

10. USB 1.1协议介绍 • USB通信原理 • USB拓扑结构 • USB数据传输类型 • 协议提供的属性 • 传输的基本单元---包 • 帧

11. USB主机 数据传输层 接口 (Interface) USB 协议层 端口 (Endpoint) 设 备 信号层 USB总线接口 (接口) USB 1.1协议介绍 • USB通信原理

12. USB 1.1协议介绍 • USB通信原理 • USB通信逻辑上分成了三层： • 信号层(物理层)： • 传输位信息流 • 协议层 • 解析位信息流 • 数据传输层 • 应用驱动（API）

13. USB 1.1协议介绍 • USB通信原理

14. USB 1.1协议介绍 • USB拓扑结构 • 分层的星型结构 • 集线器可扩展至6层 • 主机可与分层的设备直接通信

15. USB 1.1协议介绍 • USB数据传输类型 • 实时传输(Isochronous Transfer) • 中断传输(Interrupt Transfer) • 控制传输(Control Transfer) • 批量传输(Bulk Transfer)

16. USB 1.1协议介绍 • USB数据传输类型 • 实时传输(Isochronous Transfer) • 完成实时数据传输,允许一定的数据出错率 • 设备与主机以恒定的速率传输 • 周期性数据传输方式 • 省去了数据重传、出错检验 • 不可靠的数据传输方式 如：USB声卡、摄像头等

17. USB 1.1协议介绍 • USB数据传输类型 • 中断传输(Interrupt Transfer) • 主机响应中断的方式传输 • 主机要为设备设置中断向量 • 数据传输数量少 • 可靠的数据传输方式 如：键盘、鼠标、触摸屏等

18. USB 1.1协议介绍 • USB数据传输类型 • 控制传输(Control Transfer) • USB协议中唯一传输USB命令函数的传输类型 • 所有的USB设备都必须支持控制传输 • 传输优先级高 • 传输管道是双向的 • 可靠的、非周期性的数据传输方式 注：配置、查询设备的数据传输

19. USB 1.1协议介绍 • USB数据传输类型 • 批量传输(Bulk Transfer) • 大容量存储设备(HDD,DV) • 占用总线空闲带宽来传输数据，优先机低 • 非周期性的数据传输方式 • 可靠的数据传输方式 如：打印机、扫描仪、光驱、硬盘

20. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 类(Class) • 功能(Function)/接口(Interface) • 端点(Endpoint) • 管道(Pipe) • 设备地址(Device Address)

21. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 设备描述符(Device Descriptor) • 配置描述符(Configuration Descriptor) • 接口描述符(Interface Descriptor) • 端点描述符(Endpoint Descriptor) • 字符串描述符(String Descriptor)

22. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 设备描述符(Device Descriptor) • 包含USB设备的一般信息(起全程作用) • 包含有14个字段 • 分为描述符公有信息、设备的产品信息和配置信息3类 • 注：主机第一个读取的描述符

23. USB 1.1协议介绍 • 设备描述符定义 struct USB_DEVICE_DESCRIPTOR { unsigned char bLength; // 字节长度 unsigned char bDescriptorType; // 描述符类型 unsigned short bcdUSB; // 设备支持的协议版本号 unsigned char bDeviceClass; // 设备类型 unsigned char bDeviceSubClass; // 设备子类型 unsigned char bDeviceProtocol; // 协议码 unsigned char bMaxPacketSize0; // 端点0最大包长度 unsigned short idVendor; // 厂商ID unsigned short idProduct; // 产品ID unsigned short bcdDevice; // 设备发行号 unsigned char iManufacturer; // 厂商信息索引 unsigned char iSerialNumber; // 设备系列号索引 unsigned char iProduct; // 产品信息索引 unsigned char bNumConfigurations; // 配置描述符数目 }

24. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 配置描述符(Configuration Descriptor) • 每个配置描述符提供了设备特定的配置 • 设备描述符可以包含一个或多个配置描述符 • 任何时刻只有一种配置处于工作状态

25. USB 1.1协议介绍 • 配置描述符定义 struct USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR { unsigned char bLength; // 描述符字节长度 unsigned char bDescriptorType; // 描述符类型 unsigned short wTotalLength; // 描述符总长度 unsigned char bNumInterfaces; // 此配置下的接口数目 unsigned char bConfigurationValue; // 此配置的索引值 unsigned char iConfiguration; // 此配置的描述字符串索引值 unsigned char bmAttributes; // 位图信息 unsigned char MaxPower; // 此配置的最大所需电流值 }

26. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 接口描述符(Interface Descriptor) • 描述设备不同接口的特性 • 每个接口有自己独立的类号、子类号和协议号

27. USB 1.1协议介绍 • 接口描述符定义 struct USB_INTERFACE_DESCRIPTOR { unsigned char bLength; // 描述符字节长度 unsigned char bDescriptorType; // 描述符类型 unsigned char bInterfaceNumber; // 接口号 unsigned char bAlternateSetting; // 可选设置的索引号 unsigned char bNumEndpoints; // 此接口所包含的端点数 unsigned char bInterfaceClass; // 接口所属类别 unsigned char bInterfaceSubClass; // 接口所属子类别 unsigned char bInterfaceProtocol; // 接口协议号 unsigned char iInterface; // 接口字符串索引值 };

28. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 端点描述符(Endpoint Descriptor) • 描述端点的属性 • 端点即是传输中的数据访问点(SAP) • 每个设备必须有一个默认的控制端点---端点0

29. USB 1.1协议介绍 • 端点描述符定义 struct USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR { unsigned char bLength; // 描述符字节长度 unsigned char bDescriptorType; // 描述符类别 unsigned char bEndpointAddress; // 端点地址方向 unsigned char bmAttributes; // 端点传输类型 unsigned short wMaxPacketSize; // 收/发最大数据包字节数 unsigned char bInterval; // 数据传输间隙-1mS }

30. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 描述符(Descriptor) • 字符串描述符(String Descriptor) • 可选的USB标准描述符 • 用于描述如：制造商，设备名称和序列号等 • 使用Unicode编码，支持多语言

31. USB 1.1协议介绍 • 字符串描述符定义 struct USB_STRING_DESCRIPTOR { unsigned char bLength; // 描述符字节长度 unsigned char bDescriptorType; // 描述符类别 unsigned char bString[1]; // 描述符字符串 …… };

32. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 类(Class) • 语音设备类(Audio) • 通信设备类(Communications) • 人机接口类(HID) • 打印机类(Print) • 大容量存储类(Mass-Storage) • HUB设备类 • …… 注：提供类似驱动程序驱动大多数设备

33. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 功能(Function)/接口(Interface) • 功能---具有某中能力的设备 • 接口---从硬件角度来定义的

34. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 端点(Endpoint) • 设备与主机通信的基本单元 • 与网络协议中的SAP(服务访问点)类似 • 一个设备允许有多个端点 • 每个端点只有一种传输方式(单向性) • 双向通信要一收一发两个端点 注：控制传输端点支持数据的双向传输

35. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 管道(Pipe) • 设备与主机通信的逻辑通道 • 物理介质是USB数据线 • 主体是端点 • 每个端点占据各自的管道与主机通信 注：控制传输端点支持数据的双向传输

36. USB 1.1协议介绍 • 协议提供的属性 • 设备地址(Device Address) • 主机通过地址来区分设备 • 设备地址共有7位(127个设备)线 • “0”地址公用(刚链接新设备) 注：控制传输端点支持数据的双向传输

37. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包(Packet)是USB系统中信息传输的基本单元 • 所有数据都是打包后再在总线上传输 • 包的组成 • 同步字段(SYNC) • 包标志符(PID) • 数据字段(DATA) • 循环冗余校验字段(CRC) • 包结尾字段(EOP)

38. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的组成 • 同步字段(SYNC) • 任何类型的USB包都必须以同步字段起始 • 用于数据包同步，由8个数据位组成 • 编码为 00000001

39. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的组成 • 包标志符(PID) • USB包类型的唯一标志 • USB包的必要组成部分(第二个字节为PID) • 一字节长(4位包类型字段和4位校验字段)

40. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的组成 • 数据字段(DATA) • 主机与设备之间要传递的信息 • 包含设备地址、端点号、帧序列号和数据等 • 以Little Endian的方式存在

41. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的组成 • 循环冗余校验字段(CRC) • 对包中的数据信息进行错误保护 • 以数据字段存在而存在 • 只存在于数据包和令牌包中 • 数据CRC和令牌CRC

42. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的组成 • 包结尾字段(EOP) • 主机和设备根据它来判断包的结束

43. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的类型 • 令牌包(Token Packet) • 起始令牌包(SOF)-表示帧的起始 • 设置令牌包(SETUP)-控制传输的设置 • 输入令牌包(IN)-主机接受 • 输出令牌包(OUT)-主机发送

44. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的类型 • 握手包(Handshake Packet) • 应答(ACK) • 无应答(NAK) • 终止(STALL)

45. USB 1.1协议介绍 • 传输的基本单元---包 • 包的类型 • 前导包(Preamble Packet) • 区分全速设备和低速设备

46. USB 1.1协议介绍 • 帧(Frame) • 从时间上看一帧为1mS • 数据传输都是以一个个帧为单位的 • 一帧的数据长度为12000比特(12Mb/S)=1500Byte • 数据不能占满整个帧长的主机自动添上空闲位

47. USB标准命令 • 为了更好的协调主机与不同设备之间的通信，USB规范定义了一套命令，用于完成主机对总线上所有设备的统一控制。 • USB标准命令特点 • USB命令的结构 • USB部分命令说明

48. USB标准命令 • USB标准命令特点 • 所有的命令结构是一样的（8字节长） • 在控制传输的设置阶段由主机发往设备 • 设置信息随命令一起由主机发出 • 要求返回的的设备信息在控制传输的数据阶段从设备发回给主机 • 当命令执行完后，设备会在握手阶段返回ACK • 当设备不支持当前命令或命令无效时，设备返回STALL信息

49. USB标准命令 • USB命令的结构 • 所有的命令都要求有统一的格式 • bmRequestType // 定义命令的类型 • bRequest // 命令的编码值 • wValue // *命令不同，含义不同 • wIndex // *命令不同，含义不同 • wLength // 要传输的字长

50. USB标准命令 • USB部分命令说明 • Get_Configuration • Get_Descriptor • Get_Interface • Get_Status • Clear_Feature • Synch_Frame • Set_Configuration • Set_Descriptor • Set_Interface • Set_Address • Set_Feature • …………