USB標(biāo)準(zhǔn)之架構(gòu)最強(qiáng)梳理!
前面寫(xiě)了一些SPI/I2C/RS-485之類(lèi)的文章,有朋友留言希望能分享一些USB方面的梳理總結(jié),今天就從系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)層面先來(lái)梳理一下??纯从袥](méi)有朋友喜歡。先從系統(tǒng)層面來(lái)梳理。個(gè)人學(xué)習(xí),習(xí)慣于先從整體上摸個(gè)大概,然后再對(duì)感興趣的細(xì)節(jié)逐漸深入。USB是比較復(fù)雜的協(xié)議棧,如果發(fā)現(xiàn)文章中有錯(cuò)誤,請(qǐng)幫忙指正。注:本文主要參考USB2.0規(guī)范第4章,將標(biāo)準(zhǔn)中個(gè)人認(rèn)為比較重要的一些點(diǎn)盡量條理清晰的總結(jié)出來(lái)。我感覺(jué)很多朋友可能對(duì)于閱讀英文標(biāo)準(zhǔn)有點(diǎn)輕度抗拒,所以整理此文這也是一個(gè)起因,希望對(duì)朋友們有所幫助。
總線拓?fù)?/span>
說(shuō)到總線拓?fù)?,這張圖大家一定都見(jiàn)過(guò):USB標(biāo)準(zhǔn)上說(shuō)USB總線拓?fù)涫且环N分層星形結(jié)構(gòu),這張拓?fù)鋱D延申出來(lái)的一些要點(diǎn):- 所謂星型是針對(duì)Hub而言的,一個(gè)Hub下面可以掛Hub或者設(shè)備,最頂層就是USB主機(jī)控制器
- USB主機(jī)控制器一般都伴隨有一個(gè)根集線器Root Hub。
- Hub級(jí)聯(lián)最多5層
- 總線上理論最大允許連接127個(gè)設(shè)備。
- Hub級(jí)聯(lián)遵循向下兼容,USB2.0主機(jī)或者高速Hub可以連接USB1.1Hub。
- 一個(gè)USB分層星型結(jié)構(gòu)有且僅有一個(gè)USB主機(jī)控制器
- 線纜最長(zhǎng)不超過(guò)5米
物理接口
電氣概覽
USB 通過(guò)四線電纜傳輸信號(hào)和電源。信令發(fā)生在每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)段上的兩條線上。- VBUS/GND:供電
- D /D-:USB差分信號(hào)線。
- 高速模式 high-speed:480 Mb/s,??s寫(xiě)為HS模式
- 全速模式 full-speed:12 Mb/s,常縮寫(xiě)為FS模式
- 低速模式 low-speed:1.5 Mb/s,常縮寫(xiě)為L(zhǎng)S模式
機(jī)械概覽
機(jī)械部分主要定義USB采用什么尺寸的接插件,線纜的顏色定義、線號(hào)。線纜的抗拉強(qiáng)度等。主要從以下幾個(gè)方面去標(biāo)準(zhǔn)化:- 主要連接器類(lèi)型規(guī)范,主要分A、B系列。定義了公頭、母頭。
- 線纜規(guī)范。高速/全速電纜由信號(hào)雙絞線、VBUS、GND 和整體屏蔽組成。當(dāng)高速/全速電纜與低速設(shè)備一起使用時(shí),電纜必須滿足所有低速設(shè)備要求。低速設(shè)備可以不使用雙絞線。雙絞線可有效抵抗共模噪聲。
- 連接器機(jī)械尺寸及材料要求。
連接器腳號(hào) | 信號(hào)名 | 線芯顏色 |
---|---|---|
1 | VBUS | 紅色 |
2 | D- | 白色 |
3 | D | 綠色 |
4 | GND | 黑色 |
外殼 | 屏蔽 | 屏蔽層 |
- A/B系列插座規(guī)范
- A/B系列插頭規(guī)范
- 電纜尺寸材料規(guī)范,這里就不羅列了,知道在哪里查就可以了。
- 電氣、機(jī)械和環(huán)境合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)
- 接地規(guī)范,屏蔽層一定要焊接在插頭的外殼接地點(diǎn)。
- 插座PCB尺寸規(guī)范。所以對(duì)于有繪制接插件需要的,可以參考6.9節(jié)的尺寸。
- Logo位置
- 線芯顏色規(guī)范。
- USB Logo尺寸規(guī)范。
協(xié)議概述
USB采用主從通訊模式,是一種輪詢總線。所有數(shù)據(jù)傳輸都由主機(jī)控制器發(fā)起。這是USB標(biāo)準(zhǔn)中最難啃的部分,這里先不總結(jié)。健壯設(shè)計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于協(xié)議健壯性,又稱魯棒性,做了這幾個(gè)方面的設(shè)計(jì):- 從信號(hào)完整性角度:使用差分驅(qū)動(dòng)器、差分接收器和以及對(duì)信號(hào)線纜的屏蔽處理。差分收發(fā)策略主要在抵抗共模干擾方面效果顯著,而屏蔽層則有兩方面的作用:其一,有效降低USB線通過(guò)無(wú)線電波對(duì)外界干擾;其二、能有效隔斷外界無(wú)線干擾對(duì)USB信號(hào)線、電源線的干擾。
- CRC報(bào)文校驗(yàn)。報(bào)文中數(shù)據(jù)如果出錯(cuò),可以檢測(cè)出來(lái),可以做相應(yīng)的處置。
- 熱插拔檢測(cè)及對(duì)相應(yīng)硬件設(shè)備的系統(tǒng)配置管理。這個(gè)設(shè)計(jì)有助于提升用戶體驗(yàn),用戶隨用隨插,而無(wú)需關(guān)機(jī)插拔。
- 利用對(duì)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)損壞超時(shí)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)通訊自恢復(fù)機(jī)制,以增強(qiáng)協(xié)議的健壯性。
- 對(duì)流數(shù)據(jù)的進(jìn)行流量控制以確保同步以及底層收發(fā)硬件緩沖區(qū)管理。
- 數(shù)據(jù)管道和控制管道分離
配置管理
USB支持熱插拔,所謂熱插拔就是,設(shè)備插入,系統(tǒng)需要正確識(shí)別設(shè)備加載驅(qū)動(dòng)程序,斷開(kāi)后,系統(tǒng)需要從軟件層面識(shí)別到設(shè)備已經(jīng)從總線上移除了。這里所謂的系統(tǒng),有可能是帶操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī),也有可能是不帶操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備。比如下面這個(gè)U盤(pán)插入移除的過(guò)程:連接檢測(cè)
所有的USB設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)集線器上的USB端口連接到總線。從總線拓?fù)鋱D可以看出,總線上有一個(gè)主控制器,位于金字塔的頂端。上面動(dòng)圖中也可以看出,即便是計(jì)算機(jī)內(nèi)部USB設(shè)備也是經(jīng)由Hub的端口連接到總線的,現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)內(nèi)部很多設(shè)備也會(huì)采用USB總線進(jìn)行互聯(lián),比如內(nèi)置的藍(lán)牙設(shè)備。主機(jī)控制器位于頂端,設(shè)備是經(jīng)過(guò)集線器的端口連接到總線,那么主控制器怎么知道設(shè)備插入呢?這是由于集線器具有用于報(bào)告USB設(shè)備在其端口之一上的連接或移除的狀態(tài)位。主控制器查詢集線器檢索這些狀態(tài)位。在設(shè)備插入時(shí),主控制器啟用端口并通過(guò)設(shè)備的控制管道在默認(rèn)地址對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行尋址。主機(jī)為設(shè)備分配一個(gè)唯一的USB地址,然后確定新連接的USB設(shè)備是集線器還是功能設(shè)備。主機(jī)使用分配的USB地址和端點(diǎn)編號(hào)0為USB設(shè)備建立其控制管道的端點(diǎn)。- 如果新連接的USB設(shè)備是集線器,如果這個(gè)新連接的集線器的端口上有USB 設(shè)備,則對(duì)每個(gè)連接的USB設(shè)備執(zhí)行上述識(shí)別操作。
- 如果連接的USB設(shè)備是一個(gè)功能設(shè)備,則連接通知將由適用于該功能的主機(jī)軟件處理。如果是基于通用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),則由一般驅(qū)動(dòng)程序處理,如果主機(jī)控制器是單片機(jī)類(lèi)嵌入式設(shè)備,則由單片機(jī)程序負(fù)責(zé)處理。
斷開(kāi)檢測(cè)
同樣移除時(shí),從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)角度來(lái)看,也需要考慮兩種情況。如果是設(shè)備從集線器移除,集線器會(huì)禁用該端口并向主機(jī)提供設(shè)備移除的指示。然后主機(jī)控制器從軟件層面做相應(yīng)的移除處理。如果是集線器移除,需要從軟件層面移除該集線器所有端口的USB設(shè)備或級(jí)聯(lián)集線器,當(dāng)然如果集線器又連集線器,則有點(diǎn)遞歸的意思。總線枚舉
總線枚舉是主控制器識(shí)別連接到總線的設(shè)備并為該設(shè)備分配唯一地址的活動(dòng)。由于USB允許USB設(shè)備隨時(shí)連接到USB總線或從USB總線斷開(kāi),因此總線枚舉是 USB系統(tǒng)軟件的持續(xù)進(jìn)行的過(guò)程。USB總線枚舉還包括移除的檢測(cè)和處理。傳輸模式
USB利用單向或雙向管道在USB主機(jī)控制器和USB設(shè)備之間進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)和功能數(shù)據(jù)傳輸。管道Pipe是一個(gè)底層軟件及硬件邏輯概念,數(shù)據(jù)就像水一樣從管道中的一側(cè)流向另一側(cè),就對(duì)應(yīng)著主機(jī)控制器與設(shè)備的兩個(gè)端點(diǎn)endpoint。endpoint就像管道的兩頭,也是軟件邏輯概念。將主機(jī)與設(shè)備側(cè)的端點(diǎn)邏輯關(guān)聯(lián)起來(lái),就是所謂的管道了。當(dāng)然這管道之所以能傳輸數(shù)據(jù),是因?yàn)橹鞫?、設(shè)備端兩側(cè)相應(yīng)的代碼配合芯片內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)流經(jīng)由一側(cè)的端點(diǎn)通過(guò)邏輯管道傳輸?shù)搅硪粋?cè)端點(diǎn),USB架構(gòu)包含四種基本類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸:- 控制傳輸
- 批量傳輸
- 中斷傳輸
- 同步傳輸
速度模式 | 低速 | 全速 | 高速 |
---|---|---|---|
控制傳輸 | 8 | 8/16/32/64 | 64 |
同步傳輸 | 不支持 | 1023 | 1024 |
中斷傳輸 | 0~8 | 0~64 | 0~1024 |
批量傳輸 | 不支持 | 8/16/32/64 | 512 |
控制傳輸
控制傳輸,主要用于在設(shè)備首次連接時(shí)配置設(shè)備;并可用于其他設(shè)備自定義的傳輸目的,比如控制設(shè)備上的其他管道。USB系統(tǒng)軟件在設(shè)備首次連接時(shí)使用控制傳輸進(jìn)行設(shè)備配置。其他驅(qū)動(dòng)程序軟件也可以選擇以自定義方式使用控制傳輸。控制傳輸主要使用管道0,數(shù)據(jù)傳輸是無(wú)損的。每個(gè)USB設(shè)備都必須有控制端點(diǎn),支持控制傳輸來(lái)進(jìn)行命令和狀態(tài)的傳輸。此外,控制傳輸是雙向傳輸。批量傳輸
批量傳輸Bulk Transfer就像其名字一樣,數(shù)據(jù)量相對(duì)較大,具有突發(fā)性。這種突發(fā)性可能來(lái)源于用戶對(duì)USB設(shè)備的操作,比如對(duì)U盤(pán)的讀寫(xiě)操作就會(huì)觸發(fā)批量傳輸。批量傳輸這種突發(fā)性也就意味著是非周期性的,一般用于沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求、數(shù)據(jù)量比較大設(shè)備。比如用于打印機(jī)或掃描儀的數(shù)據(jù)。批量傳輸數(shù)據(jù)是連續(xù)的。通過(guò)在硬件中使用錯(cuò)誤檢測(cè)并采用前面所說(shuō)的錯(cuò)誤重傳機(jī)制,可以在硬件級(jí)別確??煽康臄?shù)據(jù)交換。此外,大量數(shù)據(jù)占用的帶寬可能會(huì)有所不同,具體取決于其他總線活動(dòng),這是由主機(jī)控制器動(dòng)態(tài)仲裁管理的。批量傳輸是單向的,使用單向大容量端點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。中斷傳輸
一般用于需要實(shí)時(shí)可靠的傳輸場(chǎng)景。此類(lèi)數(shù)據(jù)可隨時(shí)由設(shè)備傳輸,并以不低于設(shè)備指定的速率進(jìn)行傳輸。中斷數(shù)據(jù)通常由一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的事件通知、字符或坐標(biāo)組成。比如USB鼠標(biāo)就是一個(gè)采用中斷傳輸?shù)膶?shí)例。同步傳輸
占用預(yù)先約定好的USB帶寬以及傳輸延遲,也稱為流式實(shí)時(shí)傳輸。所需要的帶寬以及延遲要求,與特定設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)吞吐率以及端點(diǎn)的緩沖管理有關(guān),比如用于音頻會(huì)議USB耳麥,對(duì)于音頻的采樣率是有參數(shù)要求的。帶寬分配
USB標(biāo)準(zhǔn)定義了如何允許每種傳輸類(lèi)型訪問(wèn)總線的規(guī)則。帶寬分配主要在從兩個(gè)方面進(jìn)行規(guī)定:- 帶寬在管道之間分配。當(dāng)管道建立時(shí),USB會(huì)為一些管道分配帶寬。USB底層軟硬件需要提供數(shù)據(jù)緩沖,帶寬需求大的場(chǎng)景需要提供更大的緩沖區(qū)。
- 帶寬可以在許多不同的數(shù)據(jù)流之間分配。從而能實(shí)現(xiàn)將各種設(shè)備連接到USB總線。此外,可以同時(shí)支持具有寬動(dòng)態(tài)范圍的不同設(shè)備比特率需求。所謂寬動(dòng)態(tài)范圍是指其帶寬需求是隨著使用場(chǎng)景在動(dòng)態(tài)變化的。
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