工业平板USB接口协议标准

工业平板USB接口协议简介

1、USB以及协议简介：USB（Universal Serial Bus）是近年来应用在PC领域的新型接口技术，它是由些PC大厂商如Microsoft、Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种通用串行接口。数据通信协议部分是USB的核心内容。主要包:以差模串行信号为载体传送二进制代码来传输信号;数据包作为最基本的完整信息单元，包含一系列数据信息。数据包可以分解为更小的单元—域;以包为基础，构成US的三种事务。进而，组合不同的传输类型，传输各种类型的数据，实现USB的各种功能。

2、USB通信机制：为了细化USB的通信机制，USB协议的开发者采用了分层的概念，每一层传输的数据结构对其他逻辑层是透明的，USB设备和USB主机通信的逻辑结构和每层的逻辑通道。在HSOT 端，应用软件（Client SW）不能直接访问USB 总线，而必须通过USB系统软件和USB主机控制器来访问USB 总线，在USB总线上和USB 设备进行通讯。从逻辑上可以分为功能层、设备层和总线接口层三个层次。其中功能层完成功能级的描述、定义和行为；设备级则完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转换为一次一次的基本传输；USB 总线接口层则处理总线上的Bit 流，完成数据传输的物理层实现和总线管理。

实际数据流：功能硬件USB逻辑设备USB通道接口应用软件系统软件(驱动) USB主机控制器以USB摄像头设备为例，视频播放软件想通过USB总线得到USB摄像头捕捉的视频数据，这就相当于在功能层上。应用软件是视频播放软件，功能硬件是USB摄像头。而这些数据的读取需要USB设备层提供的服务，在这一层上，主要是USB设备的驱动调度主机控制器控制器向USB摄像头发出读请求。每个USB设备会有多个管道，使用哪个管道，传输的大小都需要指定。这个层次的USB 系统软件就是USB摄像头的驱动程序。而在USB设备一端一般会有小单片机或者处理芯片负责响应这种读请求，而这一层的传输又依赖于USB总线接口层的服务。在这一层，完全是USB的物理协议，包括如何分成更小的包（packages）传输，如何保证每次包传输不丢失数据等。

3、USB传输的数据格式：其他传输协议一样，在物理层，USB当然也是通过二进制数据进行传输的，首先二进制数据构成域（有七种），域再构成包，包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输。

3.1域：是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：

3.1.1同步域（SYNC）八位，值固定为0000 000，用于本地时钟和输入同步。

3.1.2标识域（PID）由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是个很重要的部分，这里能够计算出，USB的标识码有16种。

3.1.3地址域（ADDR）七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此能够知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。

3.1.4端点域（ENDP）四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。

3.1.5帧号域（FRAM）11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义。

3.1.6数据域（DATA）长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度。

3.1.7校验域（CRC）对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法。

3.2 包由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特别包。

3.2.1 令牌包可分为输入包、输出包、配置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于配置输入命令的，输出包是用来配置输出命令的，而不是放据数的）。其中输入包、输出包和配置包的格式都是相同的：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）（上面的缩写解释请看上面域的介绍，PID码即产品识别码）。帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）。

3.2.2 数据包分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，DATA0包和DATA1包交替发送，即假如第一个数据包是DATA0，那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中之一），任何的数据包都是为DATA0，格式如下：SYNC+PID+0~1023字节+CRC16（16位的校验码） 。

3.2.3 握手包结构最为简单的包，格式如下SYNC+PID 。

3.3 事务分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或配置的事务；2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据；3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特别的事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：

3.3.1 IN事务令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）1）设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0和ATA1交替）；2）设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

3.3.2 OUT事务令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，DATA0和DATA1交替握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应：1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机能够发送新的数据，假如数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；2）设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。

3.3.3 SETUP事务令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令（共有11条，具体请看问题七）握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是个IN或OUT事务构成的传输）。

3.3.4 PIN事务处理：主要应用于高速数据传输中，只包含令牌包和握手包阶段，步骤如下：USB主机向USB设备发送PING令牌包，表示一个PIN事务的开始；USB正确接收到该命令包，然后USB设备向US主机返回各种握手包进行响应。

3.4 传输：传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构相同，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

3.4.1 中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中 

3.4.2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，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。

3.4.3 同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特别地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段任何的数据包都为DATA0 

3.4.5 控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始配置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段能够看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程式，这是每一个USB研发者都要关心的问题。

1、 初始配置步骤：就是个由SET事务构成的传输

2、可选数据步骤：就是个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始配置步骤有没有需要读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）

3、状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成构成的传输，但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的IN和OUT事务有两点不同：

1）传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合。

2）在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16。

4.事务传输的流程

4.1 中断传输：中断传输在流程上除了不支持PING事务以外，其他的跟批量传输时一样的。他们之间的区别在于事务传输发生的端点不一样、支持最大的包的长度不一样、优先级不一样等这些对于用户来说透明的东西。

4.2 批量传输：图中一个方框表示一个Packet，灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示设备发出的包，批量传输时可靠的传输，需要用握手包来表明传输结果。若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中的PID按照DATA0-DATA1-DATA0…的方式旋转，以保证发送端和接收端的同步。USB允许连续三次一下的传输错误，会重试该传输，若成功会将错误计数清零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST认为该端点功能错误，放弃该端点的传输任务。

4.3 同步传输：同步传输时不可靠的传输，所以它没有握手包。同时也不支持PID翻转，同步传输有最高的优先级。

4.4 控制传输：一次控制传输分为三个(或者两个)阶段：建立（SETUP），数据DATA，可能么有)以及状态（SATATUS）。每个阶段都有一次或者多次的事务传输阶段组成。建立阶段过后，可能会有数据阶段，这个阶段将会通过一次或者多次控制传输事务，完成数据的传输，同样也采用PID翻转的机制。建立阶段，设备只返回ACK包，或者不返回任何包，最后是状态阶段，通过一次方向与前一次相反的控制事务传输来表明传输的成功与否。如果成功会返回一个长度为0的数据包，否则返回NAK或者STALL。