USB的數(shù)據(jù)格式概述

和其他的一樣，USB數(shù)據(jù)是由二進(jìn)制數(shù)字串構(gòu)成的，首先數(shù)字串構(gòu)成域(有七種)，域再構(gòu)成包，包再構(gòu)成事務(wù)(IN、OUT、SETUP)，事務(wù)最后構(gòu)成傳輸(中斷傳輸、并行傳輸、批量傳輸和控制傳輸)。下面簡(jiǎn)單介紹一下域、包、事務(wù)、傳輸，請(qǐng)注意他們之間的關(guān)系。

　　(一)域：是USB數(shù)據(jù)最小的單位，由若干位組成(至于是多少位由具體的域決定)，域可分為七個(gè)類型：

　　1、同步域(SYNC)，八位，值固定為0000 0001，用于本地時(shí)鐘與輸入同步

　　2、標(biāo)識(shí)域(PID)，由四位標(biāo)識(shí)符+四位標(biāo)識(shí)符反碼構(gòu)成，表明包的類型和格式，這是一個(gè)很重要的部分，這里可以計(jì)算出，USB的標(biāo)識(shí)碼有16種，具體分類請(qǐng)看問題五。

　　3、地址域(ADDR)：七位地址，代表了設(shè)備在主機(jī)上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個(gè)設(shè)備第一次連接到主機(jī)時(shí)，在被主機(jī)配置、枚舉前的默認(rèn)地址，由此可以知道為什么一個(gè)USB主機(jī)只能接127個(gè)設(shè)備的原因。

　　4、端點(diǎn)域(ENDP)，四位，由此可知一個(gè)USB設(shè)備有的端點(diǎn)數(shù)量最大為16個(gè)。

　　5、幀號(hào)域(FRAM)，11位，每一個(gè)幀都有一個(gè)特定的幀號(hào)，幀號(hào)域最大容量0x800，對(duì)于同步傳輸有重要意義(同步傳輸為四種傳輸類型之一，請(qǐng)看下面)。

　　6、數(shù)據(jù)域(DATA)：長(zhǎng)度為0~1023字節(jié)，在不同的傳輸類型中，數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度各不相同，但必須為整數(shù)個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度

　　7、校驗(yàn)域(CRC)：對(duì)令牌包和數(shù)據(jù)包(對(duì)于包的分類請(qǐng)看下面)中非PID域進(jìn)行校驗(yàn)的一種方法，CRC校驗(yàn)在通訊中應(yīng)用很泛，是一種很好的校驗(yàn)方法，至于具體的校驗(yàn)方法這里就不多說，請(qǐng)查閱相關(guān)資料，只須注意CRC碼的除法是模2運(yùn)算，不同于10進(jìn)制中的除法。

　　(二)包：由域構(gòu)成的包有四種類型，分別是令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結(jié)構(gòu)不同，介紹如下

　　1、令牌包：可分為輸入包、輸出包、設(shè)置包和幀起始包(注意這里的輸入包是用于設(shè)置輸入命令的，輸出包是用來設(shè)置輸出命令的，而不是放據(jù)數(shù)的)

　　其中輸入包、輸出包和設(shè)置包的格式都是一樣的：

　　SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5(五位的校驗(yàn)碼)

　　(上面的縮寫解釋請(qǐng)看上面域的介紹，PID碼的具體定義請(qǐng)看問題五)

　　幀起始包的格式：

　　SYNC+PID+11位FRAM+CRC5(五位的校驗(yàn)碼)

　　2、數(shù)據(jù)包：分為DATA0包和DATA1包，當(dāng)USB發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，當(dāng)一次發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于相應(yīng)端點(diǎn)的容量時(shí)，就需要把數(shù)據(jù)包分為好幾個(gè)包，分批發(fā)送，DATA0包和DATA1包交替發(fā)送，即如果第一個(gè)數(shù)據(jù)包是DATA0，那第二個(gè)數(shù)據(jù)包就是DATA1。但也有例外情況，在同步傳輸中(四類傳輸類型中之一)，所有的數(shù)據(jù)包都是為DATA0，格式如下：

　　SYNC+PID+0~1023字節(jié)+CRC16

　　3、握手包：結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的包，格式如下

　　SYNC+PID

　　(注上面每種包都有不同類型的，USB1.1共定義了十種包，具體請(qǐng)見問題五)

　　
(三)事務(wù)：分別有IN事務(wù)、OUT事務(wù)和SETUP事務(wù)三大事務(wù)，每一種事務(wù)都由令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包三個(gè)階段構(gòu)成，這里用階段的意思是因?yàn)檫@些包的發(fā)送是有一定的時(shí)間先后順序的，事務(wù)的三個(gè)階段如下：

　　1、令牌包階段：?jiǎn)?dòng)一個(gè)輸入、輸出或設(shè)置的事務(wù)

　　2、數(shù)據(jù)包階段：按輸入、輸出發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)

　　3、握手包階段：返回?cái)?shù)據(jù)接收情況，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中沒有這個(gè)階段，這是比較特殊的。

　　事務(wù)的三種類型如下(以下按三個(gè)階段來說明一個(gè)事務(wù))：

　　1、 IN事務(wù)：

　　令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為IN的輸入包給設(shè)備，通知設(shè)備要往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù);

　　數(shù)據(jù)包階段——設(shè)備根據(jù)情況會(huì)作出三種反應(yīng)(要注意：數(shù)據(jù)包階段也不總是傳送數(shù)據(jù)的，根據(jù)傳輸情況還會(huì)提前進(jìn)入握手包階段)

　　1) 設(shè)備端點(diǎn)正常，設(shè)備往入主機(jī)里面發(fā)出數(shù)據(jù)包(DATA0與DATA1交替);

　　2) 設(shè)備正在忙，無法往主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，IN事務(wù)提前結(jié)束，到了下一個(gè)IN事務(wù)才繼續(xù);

　　3) 相應(yīng)設(shè)備端點(diǎn)被禁止，發(fā)送錯(cuò)誤包STALL包，事務(wù)也就提前結(jié)束了，總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。

　　握手包階段——主機(jī)正確接收到數(shù)據(jù)之后就會(huì)向設(shè)備發(fā)送ACK包。

　　2、 OUT事務(wù)：

　　令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為OUT的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù);

　　數(shù)據(jù)包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機(jī)會(huì)設(shè)備送數(shù)據(jù)，DATA0與DATA1交替

　　握手包階段——設(shè)備根據(jù)情況會(huì)作出三種反應(yīng)

　　1)設(shè)備端點(diǎn)接收正確，設(shè)備往入主機(jī)返回ACK，通知主機(jī)可以發(fā)送新的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)包發(fā)生了CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，將不返回任何握手信息;

　　2) 設(shè)備正在忙，無法往主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)包就發(fā)送NAK無效包，通知主機(jī)再次發(fā)送數(shù)據(jù);

　　3) 相應(yīng)設(shè)備端點(diǎn)被禁止，發(fā)送錯(cuò)誤包STALL包，事務(wù)提前結(jié)束，總線直接進(jìn)入空閑狀態(tài)。

　　3、SETUT事務(wù)：

　　令牌包階段——主機(jī)發(fā)送一個(gè)PID為SETUP的輸出包給設(shè)備，通知設(shè)備要接收數(shù)據(jù);

　　數(shù)據(jù)包階段——比較簡(jiǎn)單，就是主機(jī)會(huì)設(shè)備送數(shù)據(jù)，注意，這里只有一個(gè)固定為8個(gè)字節(jié)的DATA0包，這8個(gè)字節(jié)的內(nèi)容就是標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請(qǐng)求命令(共有11條，具體請(qǐng)看問題七)

　　握手包階段——設(shè)備接收到主機(jī)的命令信息后，返回ACK，此后總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，并準(zhǔn)備下一個(gè)傳輸(在SETUP事務(wù)后通常是一個(gè)IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸)

　　(四)傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務(wù)其中的事務(wù)構(gòu)成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中中斷傳輸和批量轉(zhuǎn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)一樣，同步傳輸有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而控制傳輸是最重要的也是最復(fù)雜的傳輸。

　　1、中斷傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于鍵盤、鼠標(biāo)等HID設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸中

　　2、批量傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，用于大容量數(shù)據(jù)傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不占用帶寬，當(dāng)總線忙時(shí)，USB會(huì)優(yōu)先進(jìn)行其他類型的數(shù)據(jù)傳輸，而暫時(shí)停止批量轉(zhuǎn)輸。

　　3、同步傳輸：由OUT事務(wù)和IN事務(wù)構(gòu)成，有兩個(gè)特殊地方，第一，在同步傳輸?shù)腎N和OUT事務(wù)中是沒有返回包階段的;第二，在數(shù)據(jù)包階段所有的數(shù)據(jù)包都為DATA0

　　4、控制傳輸：最重要的也是最復(fù)雜的傳輸，控制傳輸由三個(gè)階段構(gòu)成(初始設(shè)置階段、可選數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)信息步驟)，每一個(gè)階段可以看成一個(gè)的傳輸，也就是說控制傳輸其實(shí)是由三個(gè)傳輸構(gòu)成的，用來于USB設(shè)備初次加接到主機(jī)之后，主機(jī)通過控制傳輸來交換信息，設(shè)備地址和讀取設(shè)備的描述符，使得主機(jī)識(shí)別設(shè)備，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，這是每一個(gè)USB開發(fā)者都要關(guān)心的問題。

　　1、初始設(shè)置步驟：就是一個(gè)由SET事務(wù)構(gòu)成的傳輸

　　2、可選數(shù)據(jù)步驟：就是一個(gè)由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成的傳輸，這個(gè)步驟是可選的，要看初始設(shè)置步驟有沒有要求讀/寫數(shù)據(jù)(由SET事務(wù)的數(shù)據(jù)包階段發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求命令決定)

　　3、 狀態(tài)信息步驟：顧名思義，這個(gè)步驟就是要獲取狀態(tài)信息，由IN或OUT事務(wù)構(gòu)成構(gòu)成的傳輸，但是要注意這里的IN和OUT事務(wù)和之前的INT和OUT事務(wù)有兩點(diǎn)不同：

　　1) 傳輸方向相反，通常IN表示設(shè)備往主機(jī)送數(shù)據(jù)，OUT表示主機(jī)往設(shè)備送數(shù)據(jù);在這里，IN表示主機(jī)往設(shè)備送數(shù)據(jù)，而OUT表示設(shè)備往主機(jī)送數(shù)據(jù)，這是為了和可選數(shù)據(jù)步驟相結(jié)合;

　　2) 在這個(gè)步驟里，數(shù)據(jù)包階段的數(shù)據(jù)包都是0長(zhǎng)度的，即SYNC+PID+CRC16

　　除了以上兩點(diǎn)有區(qū)別外，其他的一樣，這里就不多說