握手包有什么用 USB的传输，编码，数据格式，掌握usb的必备知识

1、USB设备或主机上的数据缓冲区称为端点，用于存储和发送USB数据。每个端点都有唯一的地址，并具有不同的传输特性，如输入端点、输出端点、配置端点和批量传输端点。

2、USB中的帧是时间概念，每个帧持续1毫秒，它是一个独立的单元，包含一系列总线动作。USB将每个帧分成多个部分，每个部分包含一个USB传输动作。

3、上行和下行分别指设备到主机和主机到设备的数据传输方向。

现在，让我们以问答的形式继续学习。

问题一：USB传输线的结构是怎样的？

答案一：USB传输线由地线、电源线、D+和D-四条线构成。D+和D-是差分输入线，使用3.3V电压（与CMOS的5V电平不同）。电源线和地线为设备提供5V电压，最大电流为500MA（可以在编程中进行设置）。

问题二：数据是如何在USB传输线上传输的？

答案二：数据在USB线中是从低位到高位发送的。

问题三：USB使用的是什么编码方案？

答案三：USB使用非归零取反（NRZI）编码来传输数据。当传输线上的差分数据输入为0时，进行取反；输入为1时，保持原值。为确保信号发送的准确性，在发送数据包时，传输设备会进行位插入操作，即在连续6个1后插入一个0，以强制NRZI码发生变化。这些操作由专门的硬件处理。

问题四：USB的数据格式是怎样的？

答案四：USB数据由二进制数字串组成。首先是数字串构成的域（共有七种类型），然后是包，包构成事务（IN、OUT、SETUP），最后事务构成传输（中断传输、批量传输、同步传输和控制传输）。下面简要介绍域、包、事务和传输之间的关系。

（一）域：是USB数据的最小单位，由若干位组成（位数由具体的域决定）。域分为七种类型：

1. 同步域（SYNC）：8位，固定值为0000 0001，用于本地时钟与输入同步。
2. 标识域（PID）：由四位标识符和四位标识符反码组成，表示包的类型和格式。USB共定义了16种标识码，具体分类请参考问题五。
3. 地址域（ADDR）：7位地址，表示设备在主机上的地址。地址000 0000被称为零地址，是设备在被主机配置和枚举之前的默认地址。这也解释了为什么一个USB主机只能连接最多127个设备。
4. 端点域（ENDP）：四位，表示USB设备的端点数量，最多为16个。
5. 帧号域（FRAM）：11位，每个帧都有一个特定的帧号。帧号域的最大容量为0x800，在同步传输中具有重要意义（同步传输是四种传输类型之一）。
6. 数据域（DATA）：长度为0~1023字节，不同传输类型中数据域的长度不同，但必须是整数个字节。
7. 校验域（CRC）：对令牌包和数据包中非PID域进行校验的方法。CRC校验在通信中广泛应用，是一种有效的校验方法。请注意，CRC码的除法是模2运算，与十进制中的除法不同。

（二）包：由域构成，有四种类型：令牌包、数据包、握手包和特殊包。令牌包、数据包和握手包的结构不同，具体如下：

1. 令牌包：可分为输出包（OUT）、输入包（IN）、设置包（SETUP）和帧起始包（SOF）。其中，输入包用于发送输入命令，输出包用于发送输出命令，而不是传输数据。

• 输入包、输出包和设置包的格式相同：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位校验码）。
• 帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位校验码）。

1. 数据包：分为DATA0包和DATA1包。当一次发送的数据长度大于端点容量时，数据包会被分成多个包进行分批发送。DATA0包和DATA1包交替发送，即第一个数据包是DATA0，第二个数据包是DATA1。但在同步传输中，所有数据包都是DATA0，格式如下：SYNC+PID+0~1023字节+CRC16。
2. 握手包：结构最简单，格式为SYNC+PID。用于返回数据接收情况。在同步传输的IN和OUT事务中没有握手包阶段，这是一个特殊情况。

（三）事务：分为IN事务、OUT事务和SETUP事务。每种事务由令牌包、数据包和握手包三个阶段构成。事务的三个阶段如下：

1. IN事务：

• 令牌包阶段：主机向设备发送PID为IN的输入包，通知设备向主机发送数据。
• 数据包阶段：设备根据情况作出三种反应：
  1）设备端点正常，设备向主机发送数据包（DATA0和DATA1交替）。
  2）设备忙碌，无法向主机发送数据包，发送NAK无效包，IN事务推迟到下一个IN事务。
  3）设备端点被禁止，发送STALL错误包，事务提前结束，总线进入空闲状态。
• 握手包阶段：主机正确接收数据后，向设备发送ACK包。

1. OUT事务：

• 令牌包阶段：主机向设备发送PID为OUT的输出包，通知设备接收数据。
• 数据包阶段：主机向设备发送数据，DATA0和DATA1交替。
• 握手包阶段：设备根据情况作出三种反应：
  1）设备端点接收正确，发送ACK包，通知主机可以发送新的数据。如果数据包的CRC校验错误，不返回任何握手信息。
  2）设备忙碌，无法接收数据包，发送NAK无效包，通知主机再次发送数据。
  3）设备端点被禁止，发送STALL错误包，事务提前结束，总线进入空闲状态。

1. SETUP事务：

• 令牌包阶段：主机向设备发送PID为SETUP的输出包，通知设备接收数据。
• 数据包阶段：主机向设备发送8字节的DATA0包，内容为标准的USB设备请求命令（共有11条）。
• 握手包阶段：设备接收主机的命令信息后，返回ACK，总线进入空闲状态，并准备下一个传输（通常是由IN或OUT事务构成的传输）。

（四）传输：传输由OUT、IN、SETUP事务构成，有四种类型：中断传输、批量传输、同步传输和控制传输。

1. 中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输。
2. 批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，不占用带宽。当总线繁忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，暂停批量传输，例如U盘。
3. 同步传输：由OUT事务和IN事务构成，具有最简单的结构。在同步传输中，IN和OUT事务没有返回包阶段。所有数据包都是DATA0。例如视频音频传输。
4. 控制传输：最重要且最复杂的传输类型。控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤）。每个阶段可以看作一个传输。控制传输用于USB设备初次连接到主机后，主机通过控制传输交换信息，包括设备地址、读取设备描述符等，以便主机识别设备并安装相应的驱动程序。控制传输由11个标准USB设备请求命令组成，这些命令是控制传输的核心。

问题五：USB标识码有哪些？

答案五：USB标识码由四位数据组成，共有16种标识码。在USB1.1规范中，使用了10种标识码。USB2.0使用了16种标识码。标识码用于表示包的属性，与包相关联。以下是十六种标识码：

• 令牌包：0x01（输出OUT）、0x09（输入IN）、0x05（帧起始SOF）。
• 数据包：0x03（偶数据包DATA0）、0x0B（奇数据包DATA1）。
• 握手包：0x02（确认接收到无误的数据包ACK）、0x0A（无效，接收端忙NAK）、0x0E（错误，端点被禁止或不支持控制传输STALL）。
• 特殊包：0x0C（前导，用于启动低速设备的数据传输）。

问题六：USB主机如何识别USB设备？

答案六：当USB设备插入主机时，主机通过一系列动作对设备进行枚举和配置。这些动作包括：

1. 接入态（Attached）：主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入。
2. 供电态（Powered）：为设备供电，包括设备接入时的默认供电值和配置阶段后的供电值（根据数据要求的最大值，可通过编程设置）。
3. 缺省态（Default）：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信。
4. 地址态（Address）：设备复位后，根据主机分配的唯一地址与主机通信，进入地址态。
5. 配置态（Configured）：通过标准USB请求命令获取设备信息，并对设备进行配置和修改。
6. 挂起态（Suspended）：如果总线在3毫秒内没有活动，即USB总线处于空闲状态，设备会自动进入挂起态。在挂起态下，设备的总功耗不超过280μA。

问题七：标准USB请求命令是什么？

答案七：标准USB请求命令用于控制传输的初始设置步骤中的数据包阶段（DATA0，由8个字节组成）。标准USB请求命令共有11个，每个命令都有一个编号，编号与命令名称如下：
0）GETSTATUS：返回特定接收者的状态。
1）CLEARFEATURE：清除或禁用接收者的某些特性。
2）SETFEATURE：启用或激活接收者的某些特性。
3）SETADDRESS：为设备分配地址。
4）GETDESCRIPTOR：获取设备的特定描述符。
5）SETDESCRIPTOR：修改设备的描述符或添加新的描述符。
6）GETCONFIGURATION：获取设备当前配置值。
7）SETCONFIGURATION：指示设备采用特定配置。
8）GETINTERFACE：获取当前接口描述符编号。
9）SETINTERFACE：要求设备使用特定描述符描述接口。
10）SYNCH_FRAME：设置和报告端点的同步帧。

问题八：在标准USB请求命令中，Descriptor是什么？

答案八：Descriptor即描述符，是一个完整的数据结构，可以使用C语言等编程语言实现，并存储在USB设备中。描述符用于描述USB设备的各种属性。USB主机通过一系列命令要求设备发送这些信息。描述符的作用是通过控制传输中的命令交换信息，让主机了解设备的功能、设备类别、带宽占用、传输方式和数据量大小。只有主机确定了这些信息，设备才能正常工作。标准描述符共有5种类型：设备描述符、配置描述符、字符描述符、接口描述符和端点描述符。它们之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，一个设备描述符可以包含多个配置描述符，一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口可以使用多个端点，因此有多个端点描述符。这些描述符由特定的字段构成，具体结构请参考上述内容。