当前位置: 首页 > news >正文

USB协议层数据格式

USB协议

  • 1. 硬件拓扑结构
  • 2. 协议层
    • 2.1 字节/位传输顺序
    • 2.2 SYNC域
    • 2.3 包格式
      • 2.3.1 PID域
      • 2.3.2 令牌包(Token)
      • 2.3.3 数据包
      • 2.3.4 握手包
    • 2.4 传输细节
        • 2.4.1 传输(Transfer)和事务(Transaction)
        • 2.4.2 过程(stage)和阶段(phase)
        • 2.4.3 批量传输
        • 2.4.4 中断传输
        • 2.4.5 实时传输
        • 2.4.6 控制传输

参考资料:韦东山usb驱动
usb手册

1. 硬件拓扑结构

在这里插入图片描述

  • compound device :多个设备组合起来,通过HUB跟Host相连
  • composite device :一个物理设备有多个逻辑设备(multiple interfaces)

在软件开发过程中,我们可以忽略Hub的存在,硬件拓扑图简化如下:
在这里插入图片描述

一个物理设备里面可能有多个逻辑设备,Hos可以外接多个逻辑设备,硬件拓扑图如下:
在这里插入图片描述

2. 协议层

要理解协议层、理解数据如何传输,带着这几个问题去看文档、看视频:

  • 如何寻址设备?
  • 如何表示数据方向(读、还是写)
  • 如何确认结果?

提前罗列出来:

  • USB系统是一个Host对应多个设备,要传输数据首先要通知设备:
    • 发出IN令牌包:表示想读数据,里面含有设备地址
    • 发出OUT令牌包:表示想写数据,里面含有设备地址
  • 数据阶段:
    • Host想读数据:前面发出IN令牌包后,现在读取数据包
    • Host想发出数据:前面发出OUT令牌包后,现在发出数据包
  • 结果如何?有握手包
    • Host想读数据,设备可能未就绪,就会回应NAK包
    • Host想写数据,它发出数据后,设备正确接收了,就回复ACK包

2.1 字节/位传输顺序

先传输最低位(LSB)。

2.2 SYNC域

Host发出SOP信号后,就会发出SYNC信号:它是一系列的、最大传输频率的脉冲,接收方使用它来同步数据。对于低速/全速设备,SYNC信号是8位数据(从做到右是00000001);对于高速设备,SYNC信号是32位数据(从左到右是00000000000000000000000000000001)。使用NRZI编码时,前面每个"0"都对应一个跳变。

在很多文档里,把SOP和SYNC统一称为"SYNC",它的意思是"SYNC"中含有"SOP"。

2.3 包格式

在这里插入图片描述
USB总线上传输的数据以包为单位。USB包里含有哪些内容(“域”)?

  • SOP:用来表示包的起始
  • SYNC:用来同步时钟
  • PID:表示包的类型
  • 地址:在USB硬件体系中,一个Host对应多个Logical Device,那么Host发出的包,如何确定发给谁?
    • 发给所有设备:包里不含有设备地址
    • 发给某个设备:包里含有设备地址、端点号
  • 帧号、数据等跟PID相关的内容
  • CRC校验码

发起一次完整的传输,可能涉及多个包。那么,第1个包里含有设备地址、端点号,后续的包就没必要包含设备地址、端点号。

2.3.1 PID域

注意:所有的USB文档提到的"输入"、“输出”,都是基于Host的角度,"输出"表示从Host输出到设备,"输入"表示Host从设备得到数据。
有哪些USB包?根据包数据里的PID的bit1, bit0可以分为4类:

  • 令牌包(Token):01B
  • 数据包(Data):11B
  • 握手包(Handshake):10B
  • 特殊包(Special):00B

PID有4位,使用bit1,bit0确定分类,使用bit3,bit2进一步细分。如下表(来自《圈圈教你玩USB》)所示:

在这里插入图片描述
在USB包中,PID域使用8位来表示,格式如下:
在这里插入图片描述
前4位表示PID,后4位是对应位的取反。接收方发现后4位不是前4位的取反的话,就认为发生了错误。

2.3.2 令牌包(Token)

令牌类的PID,起"通知作用",通知谁?SOF令牌包被用来通知所有设备,OUT/IN/SETUP令牌包被用来通知某个设备。

对于OUT、IN、SETUP令牌包,它们都是要通知到具体的设备,格式如下:
在这里插入图片描述
USB设备的地址有7位,格式如下:
在这里插入图片描述
USB设备的端点号有4位,格式如下:
在这里插入图片描述
对于SOF包,英文名为"Start-of-Frame marker and frame number"。对于USB全速设备,Host每1ms产生一个帧;对于高速设备,每125us产生一个微帧,1帧里有8个微帧。Host会对当前帧号进行累加计数,在每帧或每微帧开始时,通过SOF令牌包发送帧号。对于高速设备,每1毫秒里有8个微帧,这8个微帧的帧号是一样的,每125us发送一个SOF令牌包。

SOF令牌包格式如下:
在这里插入图片描述

2.3.3 数据包

Host使用OUT、IN、SETUP来通知设备:我要传输数据了。数据通过"数据包"进行传输。

数据包也有4种类型:DATA0、DATA1、DATA2、MDATA。其中DATA2、MDATA在高速设备中使用。对软件开发人员来说,我们暂时仅需了解DATA0、DATA1。

为什么要引入DATA0、DATA1这些不同类型的数据包?为了纠错。

Host和设备都会维护自己的数据包切换机制,当数据包成功发送或者接收时,数据包类型切换。当检测到对方使用的数据包类型不对时,USB系统认为发生了错误。

比如:

  • Host发送DATA0给设备,设备返回ACK表示成功接收,设备期待下一个数据是DATA1
  • 但是Host没有接收到ACK,Host认为数据没有发送成功,Host继续使用DATA0发送上一次的数据
  • 设备再次接收到DATA0数据包,它就知道:哦,这是重传的数据包

数据包格式如下:
在这里插入图片描述
对于全速设备,数据包中的数据做大是1023字节;对于全速设备,数据包中的数据做大是1024字节。

2.3.4 握手包

握手包有4类:ACK、NAK、STALL、NYET

  • ACK:数据接收方用来回复发送方,表示正确接收到了数据并且有足够的空间保存数据。
  • NAK:Host发送数据给设备时,设备可以回应NAK表示"我还没准备好,没办法接收数据";Host想读取设备的数据时,设备可以回复NAK表示"我没有数据给你"。
  • STALL:表示发生了错误,比如设备无法执行这个请求(不支持该断点等待)、断点已经挂起。设备返回STALL后,需要主机进行干预才能接触STALL状态。
  • NYET:仅适用于高速设备。Host可以发出PING包用来确认设备有数据,设备可以回应NYET表示"还没呢"。Hub也可以回应NYET表示低速/全速传输还没完结。

2.4 传输细节

2.4.1 传输(Transfer)和事务(Transaction)

USB传输的基本单位是包(Packet),包的类型由PID表示。一个单纯的包,是无法传输完整的数据。

为什么?比如想输出数据,可以发出OUT令牌包,OUT令牌包可以指定目的地。但是数据如何传输呢?还需要发出DATA0或DATA1数据包。设备收到数据后,还要回复一个ACK握手包。

所以,完整的数据传输,需要涉及多个包:令牌包、数据包、握手包。这个完整的数据传输过程,被称为事务(Transaction)。

有些事务需要握手包,有些事务不需要握手包,有些事务可以传输很大的数据,有些事务只能传输小量数据。

有四类事务:

  • 批量事务:用来传输大量的数据,数据的正确性有保证,时效没有保证。
  • 中断事务:用来传输周期性的、小量的数据,数据的正确性和时效都有保证。
  • 实时事务:用来传输实时数据,数据的正确性没有保证,时效有保证。
  • 建立事务:跟批量事务类似,只不过令牌包是SETUP令牌包。

有四类传输(Transfer):

  • 批量传输:就是使用批量事务实现数据传输,比如U盘。
  • 中断传输:就是使用中断事务实现数据传输,比如鼠标。
  • 实时传输:就是使用实时事务实现数据传输,比如摄像头。
  • 控制传输:由建立事务、批量事务组成,所有的USB设备都必须支持控制传输,用于"识别/枚举"

暂时记住这个关系:

  • BIT组成域(Field)
  • 域组成包(Packet)
  • 包组成事务(Transaction)
  • 事务组成传输(Transfer)
2.4.2 过程(stage)和阶段(phase)

事务由多个包组成,比如Host要发送数据给设备,这就会涉及很多个包:

  • Host发出OUT令牌包,表示要发数据给哪个设备
  • Host发出DATA0数据包
  • 设备收到数据后,回应ACK包

这个完整的事务涉及3个包(Packet),分为3个阶段(Phase):

  • 令牌阶段(Token phase):由令牌包实现
  • 数据阶段(Data phase):由数据包实现
  • 握手阶段(Handshake phase):由握手包实现

事务由包组成,这些包分别处于3个阶段(phase):令牌阶段,数据阶段,握手阶段。

对于批量传输、中断传输、实时传输,它们分别由一个事务组成,不再细分为若干个过程。

但是控制传输由多个事务组成,这些事务分别处于3个过程:建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。

总结起来就是:

  • 控制传输由多个过程(stage)组成,每个过程由一个事务来实现
  • 每个事务由多个阶段(phase)组成,每个阶段有一个包来实现
2.4.3 批量传输

批量传输用批量事务来实现,用于传输大量的数据,数据的正确性有保证,时效没有保证。

批量事务由3个阶段(phase)组成:令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包,含有SOP、SYNC、PID、EOP。

下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
在这里插入图片描述
《圈圈教你玩USB》中有详细的示例:
在这里插入图片描述

2.4.4 中断传输

中断传输用中断事务来实现,用于传输小量的、周期性的数据,数据的正确性和时效都有保证。

中断事务由3个阶段(phase)组成:令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包,含有SOP、SYNC、PID、EOP。

下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
在这里插入图片描述
中断事务跟批量事务非常类似,Host使用它来周期性地读数据、写数据。

以鼠标为例,我们需要及时获得鼠标的数据,不及时的话你会感觉鼠标很迟钝。但是USB协议中并没有中断功能,它使用"周期性的读、写"来实现及时性。具体过程如下:

  • Host每隔n毫秒发出一个IN令牌包
  • 鼠标有数据的话,发出DATA0或DATA1数据包给Host;鼠标没有数据的话,发出NAK给Host。

中断事务的优先级比批量事务更高,它要求实时性,而批量事务不要求实时性。

2.4.5 实时传输

实时传输用实时事务来实现,用于传输实时数据,对数据的正确性没有要求。

实时事务由2个阶段(phase)组成:令牌阶段、数据阶段。每个阶段都是一个完整的包,含有SOP、SYNC、PID、EOP。

实时事务不需要握手阶段,一个示例的场景是:为了传输摄像头的实时数据,偶尔的数据错误是可以忍受的,大不了出现短暂的花屏。如果为了解决花屏而重传数据,那就会导致后续画面被推迟,实时性无法得到保证。

下图中各个矩形框就对应一个完整的包。
在这里插入图片描述
实时事务跟中断事务非常类似,Host也会周期性的发起实时事务,主要区别在于:

  • 实时事务不要求准确性,没有握手阶段
  • 实时事务传输的数据量比较大,中断事务传输的数据量比较小
2.4.6 控制传输

在使用批量传输时,使用IN令牌包或OUT令牌包表示数据传输方向。

控制传输的令牌包永远是SETUP,怎么分辨是读数据,还是写数据?发出SETUP令牌包后,还要发出DATA0数据包,根据数据的内容来确定后续是读数据,还是写数据。这个过程称为"建立事务"(SETUP Transaction)

但是控制传输由多个事务组成,这些事务分别处于3个过程:建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。

  • 建立过程(stage),使用SETUP事务:Host发出SETUP令牌包、DATA0数据包、得到ACK握手包
  • 数据过程(stage),使用批量事务:
    • 对于输出:Host发出OUT令牌包,发出DATA0、DATA1数据包、得到ACK握手包
    • 对于输入:Host发出IN令牌包,读到DATA0、DATA1数据包、发出ACK握手包
  • 状态过程(stage),使用批量事务:
    • 对于输出:Host发出IN令牌包,读到DATA1数据包,发出ACK握手包
    • 对于输入:Host发出OUT令牌包,发出DATA1数据包,等待ACK握手包

在这里插入图片描述
上图中的每一个方框,都是一个完整的事务,含有:Token Packet、Data Packet、Handshake Packet。

相关文章:

USB协议层数据格式

USB协议 1. 硬件拓扑结构2. 协议层2.1 字节/位传输顺序2.2 SYNC域2.3 包格式2.3.1 PID域2.3.2 令牌包(Token)2.3.3 数据包2.3.4 握手包 2.4 传输细节2.4.1 传输(Transfer)和事务(Transaction)2.4.2 过程(stage)和阶段(phase)2.4.3 批量传输2.4.4 中断传输2.4.5 实时传输2.4.6 控…...

加密的重要性,MySQL加密有哪些好处?

加密是一种将信息转化为无法直接读取的格式的技术,从而保护信息安全。在当今数字化的世界中,数据已成为企业的重要资产,因此加密的重要性不言而喻。在这篇文章中,我们将探讨MySQL加密的好处以及如何选择合适的加密算法。 MySQL加密…...

Python为Excel中每一个单元格计算其在多个文件中的平均值

本文介绍基于Python语言,对大量不同的Excel文件加以跨文件、逐单元格平均值计算的方法。 首先,我们来明确一下本文的具体需求。现有一个文件夹,其中有如下所示的大量Excel文件,我们这里就以.csv文件为例来介绍。其中,每…...

LLM 系列之 Transformer 组件总结

本系列为LLM 学习博客,会一一记录各个模块解读。 以下内容参考:大语言模型综述 https://github.com/RUCAIBox/LLMSurvey 主流架构 大语言模型,主要的核心组件是Transformer。不同的模型选择的架构不一样,目前主流架构有: 编码器…...

计算机等级考试—信息安全三级真题十

目录 一、单选题 二、填空题 三、综合题 一、单选题...

面试总结(mysql定精度/oom排查/spring三级缓存/stream流)

Mysql数据类型上的一个把握 1、MySQL Decimal为什么不会丢失精度 DECIMAL的存储方式和其他数据类型都不同,它是以字符串形式存储的。假设一个字段为DECIMAL(3,0),当我们存入100时,实际上存入的1、0、0这三个字符拼接而成的字符串的二进制值&…...

uniapp四个元素点击那个哪个变色,其他的还变原来的颜色

在UniApp中,可以使用CSS伪类选择器和动态样式绑定来实现点击某个元素时改变其颜色的效果。假设有四个元素分别为A、B、C和D。 首先,为这四个元素添加一个共同的类名,例如"item"。 然后,在页面的样式中定义两种颜色&am…...

Springcloud笔记(2)-Eureka服务注册

Eureka服务注册 服务注册,发现。 在Spring Cloud框架中,Eureka的核心作用是服务的注册和发现,并实现服务治理。 Eureka包含两个组件:Eureka Server和Eureka Client。 Eureka Server提供服务注册服务,各个节点启动后…...

国庆 day 5

QT实现TCP服务器客户端搭建的代码,现象 服务器 #include "widget.h" #include "ui_widget.h"Widget::Widget(QWidget *parent): QWidget(parent), ui(new Ui::Widget) {ui->setupUi(this);server new QTcpServer(this);connect (server,&…...

计算机网络 | OSI 参考模型

计算机网络 | OSI 参考模型 计算机网络 | OSI 参考模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层 参考视频:王道计算机考研 计算机网络 参考书:《2022年计算机网络考研复习指导》 计算机网络 | OSI 参考模型 OSI 参考模型自下而上分为7层&…...

uniapp 实现地图头像上的水波纹效果

最近实现了uniapp 地图头像水波纹的效果,话不多说,先来看看视频效果吧:链接 在这里具体的代码就不放出来了,还是利用了uniapp的 uni.createAnimation 方法,因为cover-view 不支持一些css 的动画效果,所以这…...

Zabbix7.0 LTS新功能

一、简介 LTS是长期支持。LTS版本支持5年。如果更喜欢稳定性,未涉及到最新的功能,可以选次新的LTS或者更低解决方案。而Zabbix6.4是最新的主要版本不属于LTS版本。 二、新功能 从以下几个方面介绍部分新功能: 性能提升:内存储存…...

充电100%并非都是美事,有时少点更有溢出!如何正确为iPhone充电

iPhone是非凡的设备,但一旦电池耗尽,它们就会失去光泽。这就是为什么照看电池内部并确保始终正确充电很重要。 在这篇文章中,我们解释了如果你想让你的iPhone每天运行到深夜,并尽可能多地保持这种状态,你需要采取的步…...

【软件测试】JUnit详解

文章目录 一. Junit是什么?二.Junit中常见的注解1. Test2. BeforeAll & AfterAll3. BeforeEach & AfterEach4. ParameterizedTest参数化5. Disabled6. Order 三. 测试套件1. 通过class运行测试用例2. 通过包运行测试用例 四. 断言 一. Junit是什么? JUnit是一个用于…...

hive统计页面停留时间

1、背景:通过业务埋点数据,统计用户在页面的停留时间 样例数据,样例数据存入表tmp, 有如下字段用户uid、动作时间戳time、页面名称pn、动作名称action SELECT 12345 AS uid, 1695613731020 AS time, 搜索 AS pn, click AS acti…...

LeetCode 24.两两交换链表中的结点

题目链接 力扣(LeetCode)官网 - 全球极客挚爱的技术成长平台 题目解析 首先可以特判一下,如果结点数目小于等于1,则直接返回即可,因为数目小于等于1就不需要交换了。 然后我们可以创建一个虚拟的头结点,然…...

【每日一记】OSPF区域划分详讲、划分区域的优点好处

个人名片: 🐼作者简介:一名大二在校生,喜欢编程🎋 🐻‍❄️个人主页🥇:小新爱学习. 🐼个人WeChat:hmmwx53 🕊️系列专栏:&#x1f5bc…...

复旦管院启动科创战略,培养科技研发人才,引领未来发展!

今年夏天,600多位优秀的企业家成为复旦大学EMBA 2023级新生。在疫情结束后,他们选择百战归来再读书,重新回到久违的课堂,共同探索科创大时代下企业的商业本质,开启新的学习与人生旅程。复旦大学管理学院院长陆雄文教授…...

Infinity同步

...

C语言:转义字符

目录 话不多说,先上表 \n \? \ \" \\ \t \a \ddd 附一张ASCII表 \xdd 练习 话不多说,先上表 一一举例解释下哈 \n 读取到结尾标识符\0 printf("demo\n\0Zh"); // demo \? 在书写连续多个问号时使用,防止…...

第19节 Node.js Express 框架

Express 是一个为Node.js设计的web开发框架,它基于nodejs平台。 Express 简介 Express是一个简洁而灵活的node.js Web应用框架, 提供了一系列强大特性帮助你创建各种Web应用,和丰富的HTTP工具。 使用Express可以快速地搭建一个完整功能的网站。 Expre…...

微信小程序之bind和catch

这两个呢,都是绑定事件用的,具体使用有些小区别。 官方文档: 事件冒泡处理不同 bind:绑定的事件会向上冒泡,即触发当前组件的事件后,还会继续触发父组件的相同事件。例如,有一个子视图绑定了b…...

RocketMQ延迟消息机制

两种延迟消息 RocketMQ中提供了两种延迟消息机制 指定固定的延迟级别 通过在Message中设定一个MessageDelayLevel参数,对应18个预设的延迟级别指定时间点的延迟级别 通过在Message中设定一个DeliverTimeMS指定一个Long类型表示的具体时间点。到了时间点后&#xf…...

Debian系统简介

目录 Debian系统介绍 Debian版本介绍 Debian软件源介绍 软件包管理工具dpkg dpkg核心指令详解 安装软件包 卸载软件包 查询软件包状态 验证软件包完整性 手动处理依赖关系 dpkg vs apt Debian系统介绍 Debian 和 Ubuntu 都是基于 Debian内核 的 Linux 发行版&#xff…...

《从零掌握MIPI CSI-2: 协议精解与FPGA摄像头开发实战》-- CSI-2 协议详细解析 (一)

CSI-2 协议详细解析 (一) 1. CSI-2层定义(CSI-2 Layer Definitions) 分层结构 :CSI-2协议分为6层: 物理层(PHY Layer) : 定义电气特性、时钟机制和传输介质(导线&#…...

CentOS下的分布式内存计算Spark环境部署

一、Spark 核心架构与应用场景 1.1 分布式计算引擎的核心优势 Spark 是基于内存的分布式计算框架,相比 MapReduce 具有以下核心优势: 内存计算:数据可常驻内存,迭代计算性能提升 10-100 倍(文档段落:3-79…...

抖音增长新引擎:品融电商,一站式全案代运营领跑者

抖音增长新引擎:品融电商,一站式全案代运营领跑者 在抖音这个日活超7亿的流量汪洋中,品牌如何破浪前行?自建团队成本高、效果难控;碎片化运营又难成合力——这正是许多企业面临的增长困局。品融电商以「抖音全案代运营…...

家政维修平台实战20:权限设计

目录 1 获取工人信息2 搭建工人入口3 权限判断总结 目前我们已经搭建好了基础的用户体系,主要是分成几个表,用户表我们是记录用户的基础信息,包括手机、昵称、头像。而工人和员工各有各的表。那么就有一个问题,不同的角色&#xf…...

html css js网页制作成品——HTML+CSS榴莲商城网页设计(4页)附源码

目录 一、👨‍🎓网站题目 二、✍️网站描述 三、📚网站介绍 四、🌐网站效果 五、🪓 代码实现 🧱HTML 六、🥇 如何让学习不再盲目 七、🎁更多干货 一、👨‍&#x1f…...

push [特殊字符] present

push 🆚 present 前言present和dismiss特点代码演示 push和pop特点代码演示 前言 在 iOS 开发中,push 和 present 是两种不同的视图控制器切换方式,它们有着显著的区别。 present和dismiss 特点 在当前控制器上方新建视图层级需要手动调用…...