USB模块解读

USB通信UniversalSerialBUS通用串行总线本节内容•USB技术简介–技术背景–系统架构、协议–设备的枚举、识别–传输类型•MSP430USB模块和函数库–模块的特性–各类描述符解析–模块的中断源及相关的中断处理函数–模块的其他相关函数库技术背景•USB，是一种外部串行总线标准。最初是由Intel与Microsoft等公司于1994年倡导发起的，其目的是使用USB来取代PC机现有的各种外围接口，使外设连接单一化，其最大特点是支持即插即拔和热插拔。•USB协议版本演进–1.0January15,1996低速–1.1September23,1998全速–2.0April27,2000高速–3.0November超高速技术背景USB，是一种外部串行总线标准。最初是由Intel与Microsoft等公司于1994年倡导发起的，其目的是使用USB来取代PC机现有的各种外围接口，使外设连接单一化，其最大特点是支持即插即拔和热插拔。USB分层星型拓扑结构最多支持：7层拓扑127个USB设备5个USBhub级联USB产生之前，外设与PC通信主要是通过PC机主板所提供的各种接口实现。老式接口大多是在20世纪80年代设计的，存在规格不一、不可扩展等缺陷，USB和其他接口常用计算机接口比较：技术背景接口类型数据格式传输速率(bps)最大设备数电缆长度(m)是否支持热插拔USB串行1.5M1263、5是RS232串行20K215~30否RS485串行10M321200否以太网串行10M、100M、1G1024500否PCI并行1056M、2112M——否AGP并行≥2112M——否技术背景•USB应用范围和特性技术背景USB特点：•简单易用使用统一制式的电缆和连接插座，支持热插拔。•应用广泛支持从几kbps到几百Mbps的数据带宽，支持同步和异步的传输，支持连接多达127个设备，并支持复合设备。•同步带宽提供保证的带宽和低延迟。•使用灵活支持不同大小的数据包和各种传输速率。•鲁棒性佳多种的错误校验和恢复机制。•协同PC产业协议易于实现和整合，并支持热插拔机制•低成本实现低成本的电缆和连接插座，商品化的实现技术•易于升级整体结构易于升级，能适应各类新生的应用。USB常用术语•USB主机：在任何一个USB系统中，只有一个主机。主机系统的USB控制模块叫“主机控制器”，主机控制器可由硬件、固件和软件综合实现。•USB设备：主机的“下行”设备，为系统提供具体的功能。USB主机最多可以支持127个USB设备。•USBOTG：OnTheGo，正在进行中的意思。USBOTG既是USB主机也是USB设备。但是在任意时刻，只能有一个主机。•集线器（Hub）：扩展USB主机所能连接设备的数量，主要用于扩展。•串行接口引擎（SIE）：USB主控制器的“核心”，将二进制码转化为字节，供控制器使用。USB设备开发流程①确认USB设备的开发类型，是USB主机、USB设备还是OTG②如果是USB设备，必须明确该设备的类型：HID、UDIO、CDC、HUB、IMAGE等③查找相关设备手册，确定其描述符④完成描述符后，编写USB枚举程序，观察是否枚举成功，开发已经完成大部分⑤编写应用程序，在枚举成功后，主要是进行数据处理，编写应用程序确定所开发的USB系统类型USB主机USB设备USBOTG设备类型HID、UDIO、CDC等查找手册，编写描述符枚举是否成功应用程序编写USB系统架构功能层USB设备层USB总线接口层USB系统架构USB系统架构USB系统架构（4/）USB系统架构（5/）USB设备枚举•对于USB设备开发来说，最重要的枚举，即让主机知道设备的相关信息。若枚举不成功，则设备无法识别、更不能使用。•USB设备的属性通过一组描述符来反映他们，这些描述符是具有一定格式的数据结构，主机软件可通过GET_DESCRIPTOR请求获取这些描述符。每一个描述符的第一个字节表明本描述符的长度，最后一个字节的描述符类型的信息。如果描述符中的长度域值小于描述符定义长度，此描述符被认为是非法的，不能被主机接收；如果返回描述符中的长度域值大于描述符的定义长度，则过长部分被忽略。USB原理简介•USB接口技术规范中，通信双方分为：主机和设备端。主机一般由PC机承担，嵌入式设备作为设备端。•按照USB协议的定义，USB设备包括两个基本类型：集线器（HUB）：提供更多访问USB总线的接入点；功能设备：具有特定功能的设备，如鼠标、键盘等。USB接口•USB定义了两种类型的连接器，下图从左到右依次是：microUSB插口、miniUSB插口、B系列插口、A系列插座、A系列插口。USB网络拓扑USB总线物理拓扑图USB总线逻辑拓扑图USB总线逻辑拓扑USB传输类别•音频类（Audio）•通信类－虚拟串口类(CDC)•人机接口类(HID)•大容量存储设备类(MassStorage)•智能卡接口设备类(CCID)•图像类(Image)•物理接口设备类(PhysicalInterface)USB传输类别•IrDA桥接设备类(IrDABridge)•监视设备类(Monitor)•人机接口类(HID)•个人保健设备类(PersonalHealthCare)•电源设备类(PowerDevice)•图像类(Image)具体请参考连接器(1)–StandardUSB根据应用场景不同，有多种接口类型，以下展示最常见通用的三种：USB连接器(2)--Mini、Micro传输类型USB协议定义了四种传输类型：•控制传输(ControlTransfers):突发，非周期性,由主机发起，用于命令和状态的传输。•同步传输(IsochronousTransfers):周期性，持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息。•中断传输(InterruptTransfers):周期性，低频率，允许有限延迟的通信。•大容量数据传输(BulkTransfers):非周期性，大容量突发数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟。USB信号（1/）电缆:•差分信号:1:D+VOH(2.8V)，D-VOL(0.3V)0:D-VOH(2.8V)，D+VOL(0.3V)•J状态:LowSpeed:Differential0FullSpeed:Differential1•K状态:LowSpeed:Differential1FullSpeed:Differential0USB信号（2/）•SE0(Single-ended0):D+&D-VOL•SE1(Single-ended1):D+&D-VSE1(0.8V)•复位(Reset):D+&D-VOLfor=10ms•恢复(Resume):K状态•SOP(StartofPacket)：数据线从IDLE状态切换到K状态•EOP(EndofPacket):持续2位时间的SE0信号，后跟随1位时间的J状态。•SYNC:3个重复的KJ状态切换，后跟随2位时间的K状态，共持续8位时间。(低速/全速设备)USB信号（3/）•数据的编码/解码:反向不归零码(NRZI)•Bit填充:在数据进行NRZI编码前，每6个连续的1信号之后都会插入1个0信号，以免丢失同步。USB数据格式Packet格式（1/）Packet格式（2/）Packet格式（3/）Packet格式(3)--DataPIDToggle(1)•DataToggle用于数据的同步和重发–正确的数据传输流程Packet格式(3)--DataPIDToggle(2)•DataToggle用于数据的同步和重发–当数据被破坏或者没有正确接收Packet格式(3)--DataPIDToggle(3)•DataToggle用于数据的同步和重发–当ACK的传输被破坏Packet格式(4)•低速设备:支持最多3个端点•全速和高速设备：支持最多16个IN和OUT端点Packet格式（5）11位主机每发出一个帧，帧号都会自加1当帧号达到7FFH时，将归零重新开始计数仅在每个SOF帧的帧首传输帧号Packet格式（6）根据传输类型的不同，数据域的数据长度从0到1024字节不等。Packet格式（7）TokenCRC计算IN，OUT，和SETUPToken地址域的CRC计算SOFToken的帧号域的CRCG(X)=X5+X2+1DataCRC计算所有数据域数据的CRCG(X)=X16+X15+X2+1Packet类型•Packet分四大类：•命令(Token)Packet•帧首(StartofFrame)Packet•数据(Data)Packet•握手(Handshake)PacketPacket类型(1):TokenPacketPacket类型(2):StartofFramePacketPacket类型(3):DataPacketPacket类型(4):HandshakePacket传输类型USB协议定义了四种传输类型：•控制传输(ControlTransfers):突发，非周期性,由主机发起，用于命令和状态的传输。•同步传输(IsochronousTransfers):周期性，持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息。•中断传输(InterruptTransfers):周期性，低频率，允许有限延迟的通信。•大容量数据传输(BulkTransfers):非周期性，大容量突发数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟。USB设备的状态(1)USB设备的状态(2)USB设备的插入检测USB设备枚举•当一个USB设备插入主机后，会有以下活动:USB分类•从传输速度上区分：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。不同的设备要求的传输类型不同•从传输类型上区分：同步传输、批量传输、中断传输和控制传输。•功能设备根据数据量和通信特点又进行了多达18种的详细分类，包括人机接口类（HID，如键盘、鼠标），图像类（如打印机、扫描仪），大容量存储设备类（MessStorage，如优盘）等。注意：以上三种分类是典型分类方式，具体实物可以同时属于三类中的一种，比如鼠标既是低速设备，采用中断传输方式，又属于人机接口类。MSP430USB模块和函数库•在编程环境中，API被设计成自动适应选定设备。代码保持不变，但需选择正确的设备。三类USB设备（CDC/HID/MSC）共用一个USB分层，协议栈空间分为API空间和应用程序空间。应用程序发送和接收事务处理CDCAPIHIDAPIMSCAPIUSBAPI应用程序空间API空间MSP430头文件PLL锁相环模块PLL锁相环模块为USB操作提供高精度低抖动的48MHz的时钟。USBAPI•利用TI官方提供的USBAPI，实验者只需要大概知道USB运行原理，会调用API即可，无需透彻理解USB协议，也可以容易地完成USB驱动开发。•所有的通信协议都是由API自动处理。应用程序开发之前，用户必须通过MSP430USB描述符工具配置堆栈和USB描述符。用户没有必要修改API源代码•TI官方提供的库函数，如右图所示。USB文件（1）文件夹名称文件文件描述USB_API/USB_CDC_APIUsbCdc.h/.cCDC相关功能实现USB_API/USB_CommondefMSP430USB.h定义相关MSP430USB模块device.h控制设备衍生types.h数据类型定义usb.h/.cUsblsr.h所有USB应用共有函数dma.cDMA传输函数USB_API/USB_HID_APIUsbHid.h/.cUsbHidReportHandler.h/.cUsbHidReq.h/.cHID相关功能实现USB_API/USB_MSC_APIUsbMsc.hUsbMscReq.h/.cUsbMscScsi.h/.c