【文章內(nèi)容簡介】 以看出每一段的連接都是點對點的。 USB的物理層USB的物理接口包括電氣特性和機械特性。USB通過一個四線電纜來傳輸信號與電源，如圖33所示。 圖33 USB電纜定義 其中，D+和D是一對差模的信號線，而VBus和GND則提供了+5V的電源，它可以給一些設備(包括Hub)供電，但也要有一定的條件限制。USB提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸率：一種是12Mb的高速(fullspeed)模式。這兩種模式可以同時存在于一個USB系統(tǒng)中。而引入低速模式，主要是為了降低要求不高的設備的成本，比如鼠標、鍵盤等等。USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線，而且最長不能超過5m；而在低速模式時中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線，但最長不能超過3m。這主要是由于信號衰減的限制。為了提供信號電壓保證，以及與終端負載相匹配，在電纜的每一端都使用了不平衡的終端負載。這種終端負載也保證了能夠檢測外設與端口的連接或分離，并且可以區(qū)分高速與低速設備。所有的設備都有上行的接口。上行和下行的接頭是不能互換的，這保證了不會有非法的連接出現(xiàn)。插頭與插座有A和B兩個系列，系列A用于基本固定的外圍設備，而系列B用于經(jīng)常拔插的設備，這兩個系列是不能互換的 。 USB總線協(xié)議所有總線操作都可以歸結(jié)為三種包的傳輸。任何操作都是從主機開始的，主機以預先排好的時序，發(fā)出一個描述操作類型、方向、外設地址以及端點號的包，我們稱之為令牌包(Token Packet)。然后在令牌中指定的數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個數(shù)據(jù)包或者指出它沒有數(shù)據(jù)可以傳輸。而數(shù)據(jù)的目的地一般要以一個確認包(Handshake Packet)來作出響應以表明傳輸是否成功。1．域的類型同步域(SYNC field)：所有的包都起始于SYNC域，它被用于本地時鐘與輸入信號的同步，并且在長度上定義為8位。SYNC的最后兩位作為一個記號表明PID域(標識域)的開始。標識域(Packet Identifier Field)：對于每個包，PID都是緊跟著SYNC的，PID指明了包的類型及其格式。主機和所有的外設都必須對接收到的PID域進行解碼。如果出現(xiàn)錯誤或者解碼為未定義的值，那么這個包就會被接收者忽略。如果外設接收到一個PID，它所指明的操作類型或者方向不被支持，外設將不作響應。地址域(Address Field)：外設端點都是由地址域指明的，它包括兩個子域：外設地址和外設端點。外設必須解讀這兩個域，其中若有任何一個不匹配，這個令牌就會被忽略。外設地址域(ADDR)指定了外設，它根據(jù)PID所說明的令牌的類型，指明了外設是數(shù)據(jù)包的發(fā)送者或接收者。ADDR共6位，因此最多可以有127個地址。一旦外設被復位或上電，外設的地址被缺省為0，這時必須在主機枚舉過程中被賦予一個獨一的地址。而0地址只能用于缺省值而不能分配作一般的地址。端點域(ENDP)有4位，它使設備可以擁有幾個子通道。所有的設備必須支持一個控制端點0(endpoint0)。低速的設備最多支持2個端點：0和一個附加端點。高速設備可以支持最多16個端點。幀號域(Frame Number Field)：這是一個11位的域，指明了目前幀的排號，每過一幀(1ms)這個域的值加1，到達最大值XFF后返回0。這個域只存在于每幀開始時的SOF令牌中。數(shù)據(jù)域(Data Field):范圍是0~1023字節(jié)，而且必須是整數(shù)個字節(jié)。CRC校驗：包括令牌校驗和數(shù)據(jù)校驗。2．包的類型令牌包(Token Packed)： 其中包括：IN(輸入)、OUT(輸出)、SETUP(設置)和SOF(Start of Frame，幀起始)四種類型。其中IN、OUT、SETUP的格式如圖34所示。圖34 IN、OUT、SETUP數(shù)據(jù)格式對于OUT和SETUP來說，ADDR和ENDP中所指明的端點將接收到主機發(fā)出的數(shù)據(jù)包，而對IN來說，所指定的端點將輸出一個數(shù)據(jù)包。Token和SOF在三個字節(jié)的時間內(nèi)以一個EOP(End of Packet)結(jié)束。如果一個包被解碼為Token包但是并沒有在3個字節(jié)時間內(nèi)以EOP結(jié)束，就會被看作非法包或該包被忽略。對于SOF包，它的格式如圖35所示。主機以一定的速率(1ms177。)發(fā)送SOF包，SOF不引起任何操作。圖35 SOF數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)包：包括Data0和Data1兩種類型。這兩種包的定義是為了支持數(shù)據(jù)觸發(fā)同步。數(shù)據(jù)包包含了PID、DATA和CRC三個域，如圖36所示。圖36 DATA數(shù)據(jù)格式應答包(Handshake Packet)：僅包含一個如圖37所示的PID域。Handshake用來報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。只有支持流控制的傳輸類型（控制中斷和批傳輸）才能返回Handshake。圖37 PID數(shù)據(jù)格式Handshake包有三種類型：(1)確認包ACK：表明數(shù)據(jù)接收成功。(2)無效包NAK：指出設備暫時不能傳送或接收數(shù)據(jù)，但無需主機介入，可以解釋成設備忙。(3)出錯包STALL：指出設備不能傳送或接收數(shù)據(jù)，但需要主機介入才能恢復，NAK和STALL不能由主機發(fā)出。特殊包（Special）:PID名稱為PRE（preamble）,用于低速操作的情形 。圖38 批操作流程批操作（bulk transaction）：批操作包括令牌、數(shù)據(jù)、應答三個階段，如圖38所示。對于輸入操作，如果設備不能返回數(shù)據(jù)，那么必須發(fā)出NAK或STALL包；對于輸出如果設備不能接收數(shù)據(jù)，也要返回NAK或STALL。 圖39描述了批操作的讀寫過程以及序列位(sequence bit)和數(shù)據(jù)包PID的使用。圖39批操作讀寫過程控制操作(control transaction):主要包括兩個操作階段（transaction stage）:設置和狀態(tài)。圖310給出了設置操作的細節(jié)，如果數(shù)據(jù)沒有正確接收，那么設備就會忽略它，而且不返回應答包。圖310 控制操作流程控制操作的詳細描述如圖311所示，其中我們要注意數(shù)據(jù)包PID的使用。圖311控制操作讀寫過程中斷操作（interrupt transaction）：中斷操作只有輸入這一個方向，具體格式與批操作的輸入情形如圖312所示。圖312中斷操作流程同步操作（isochronous transaction）: 同步操作不同于其他類型，如圖313所示，其只包含兩個階段：令牌和數(shù)據(jù)。因為同步傳輸不支持重發(fā)的能力，所以沒有應答階段。另外它也不支持數(shù)據(jù)的觸發(fā)同步與重試。圖313同步操作流程USB提供了保證數(shù)據(jù)序列同步的機制，這一機制確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。這一同步過程是通過Data0和Data1的PID以及發(fā)送者與接收者上的數(shù)據(jù)觸發(fā)序列位（data toggle sequence bit）來實現(xiàn)的。接收者的序列位只有當接收到一個正確的數(shù)據(jù)包時(包括正確的PID)才能被觸發(fā)。而發(fā)送者的序列位只有當接收到確認包ACK時才能被觸發(fā)。在總線傳輸?shù)拈_始，發(fā)送者與接收者的序列位必須一致，這是由控制命令來實現(xiàn)的。同步傳輸方式不支持數(shù)據(jù)觸發(fā)同步。圖31圖31圖316說明了數(shù)據(jù)觸發(fā)同步的基本原理。圖314 數(shù)據(jù)觸發(fā)與同步一圖315數(shù)據(jù)觸發(fā)與同步二圖316數(shù)據(jù)觸發(fā)與同步三每次總線操作，接收者將發(fā)送者的序列位(被譯碼成數(shù)據(jù)包PID的一位，即Data0或Data1)與本身的相比較。如果數(shù)據(jù)不能接收，則必須發(fā)送NAK。如果數(shù)據(jù)可以被接收，并且兩者的序列位匹配，則該數(shù)據(jù)被接收并且發(fā)送ACK，同時接收者的序列位被觸發(fā)。如果數(shù)據(jù)可以被接收，但兩者的序列位不匹配，則接收者只發(fā)出ACK而不進行其它操作。對于發(fā)送者來說，在接收到NAK時或在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到ACK，則將上一次的數(shù)據(jù)重發(fā)。5．低速操作Hub具有禁止高速信號進入低速設備的能力，這既防止了電磁干擾的發(fā)生，又保護了低速設備。圖317是一次低速的輸入操作，主機發(fā)送令牌與應答包并且接收了一個數(shù)據(jù)包。圖317 低速方式的輸入操作所有下行的低速傳輸?shù)陌?，必須先發(fā)送一個PRE包。Hub必須解釋PRE包，而所有其它的USB設備必須忽略這個包。主機在發(fā)送完P(guān)RE包后，必須等待至少4位的時間，而在這個期間，Hub完成必要的設置，使之能接收低速的信號。在接收到EOP信號之后，Hub關(guān)閉低速設備的端口。上行的操作則沒有上述的行為，低速與高速是一樣的。 低速操作還有其它的限制：(1)數(shù)據(jù)包最大限制為8個字節(jié)。(2)只支持中斷和控制傳輸方式。 USB具有檢查錯誤的能力，并且可以根據(jù)傳輸類型的要求進行相應的處理。例如，控制傳輸?shù)男枰芨叩臄?shù)據(jù)準確度，因此支持所有錯誤檢驗與重試來實現(xiàn)端對端的數(shù)