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USB歷史

資料原本是使用並列埠傳輸([arallel port)，但相較於當時的串列埠傳輸以較快，不遇到一些問題

  1.傳輸時容易受到外部其他訊號干擾，傳輸長度不常

  2.並列埠資料傳輸的同步不好解決

USB 2.0介面

USB是一種序列傳輸介面，Plug and Play(PnP)隨插即用

 

USB1.x/2.0 standard pinout

  1:  V,         red(or orange),+5

  2:  D-,       white(or gold)

  3:  D+,      green

  4:  GND,   black(or blue)

 

USB1.x/2.0 mini/micro pinout

  1: V,red,+5

  2: D-,white

  3: D+,green

  4: ID,N/A,

         Permits distinction of a host connection from device connection:

• host: connected to the signal ground
• device: not connected

  5: GND: black

訊號傳輸

使用雙絞線(twisted pair,D+,D-)傳輸，消除電磁干擾

半雙工差動訊號，NRZI(non-return-zero inverted)編碼方式

NRZI(不歸零就反相): 無須同步時脈訊號也能產生同步資料存取，當資料為1時不轉換，0時再轉換

但連續的1或0會造成接受者和發送者頻率誤差，這時就會強制插0，也就是bit-stuffing

 

資料傳輸流程:

serial data -> bit-stuffing -> NRZI encoder -> differencial signal

                  <-bit-destuffing<-NRZI decoder<- 

網路層

USB網路是由階梯型星型拓樸實作的，有個master和多個slaves

USB host提供一個接口，如果要連接更多週邊，則須hub

• 一層: 提供給host(bus master)
• 二~六層: 提供給hubs or devices
• 考慮訊號衰減和時間限制，網路架構最多七層
• USB網路最多可支援127個裝置節點(7 bits in Token packet = 2^7-1)

USB device又可分為:

• hub: 用來連接更多裝置
• function: 提供特殊功能給系統，如人機裝置、影像裝置、儲存裝置
• compound device: 本身擁有功能(function)，也帶一個hub，有其他裝置連接時可做為host
• composite device: 提供超過一個功能的裝置

USB由幾種Protocol Laters 所組成，資料由Pipes傳輸。

• stream pipes: pipes可以被host或者device控制，資料的傳輸方向必須事先定義，定義為in or out 

                支援bulk transfers, isochronous transfers, and interrupt transfers。 (have no defined USB format)

• message pipes: 為host控制來進行資料傳輸設定，允許雙向通訊。只支援control transfers。 (have a defined USB format)

 

Endpoints

endpoints可以被視為資料的來源或目標。一個裝置可以擁有至多16個out和16個in的endpoints

• out: 從host指向device的方向
• in: 指向host的方向

每個endpoint只有一個傳輸方向，只有endpoint 0例外，endpoints 0可以有in and out的雙向傳輸(透過message pipe)，用來控制device。

 

傳輸型態

USB定義四種傳輸型態:

        1.control transfers: 用於控制傳輸命令及狀態操作。像是設定裝置、取得裝置資訊、發送指令到裝置等。每個USB裝              置都有一個endpoint0，USB core就是使用他在裝置插入後進行設定。

        2.interrupt transfers: 需要host端先詢問(polling)才會執行。用一個固定速度傳輸少量資料，像是鍵盤、滑鼠。

        3.bulk transfers: 用於大量資料傳輸且須要確保資料無誤(印表機、隨身碟)，沒有速度限制，如果失敗就重傳確保資料            正確。

        4.isochronous transfers: 用於大力資料傳輸，但不確保資料至否到達。USB視訊裝置，沒通過CRC資料也不會重傳。

USB資料連結

一個transaction通常包含三個封包，也可能是一個、兩個、三個封包，封包是USB傳輸的最小單位。

token packet  + data packet + handshake packet(or status packet)

*note: PID(packet ID) bits are shown in MSb order. When sent on the USB , the rightmost bit(bit 0) will be sent first.

由上表可以看到，PID只使用到前4 bits，後4 bits是前4 bits倒數，主要是因為USB傳輸是透過NRZI，可以避免bit-stuffing

Transaction

• transaction可以是host到device或者device到host
• 傳送方向是由token packet中指定
• 一般用handshake來判斷本次傳輸是否成功

Frame

低速和全速是以1 ms為單位，稱為一個frame ; 高速時再把一個frame切成八等分，一個0.125 ms，稱microframes。

Packet

sync + data bytes + EOP

• least significant bit first
• EOP(end of packet)

Token packet

PID + ADDR + ENDP + CRC5

  8   +      7     +      4    +     5         bits

• token封包定義裝置、endpoint數量、傳輸方向
• 用PID識別OUT、IN、SOF、SETUP
• 對於OUT、SETUP，位址與端點欄位用來選擇接收資料的端點
• 對於IN，位址與端點欄位選擇傳送資料的端點
• PID後面緊接著他的補數，避免biit-stuffing

SOF為特別封包類型，包含目前的frame number，主機每隔一段很小時間間隔就會發出一次SOF封包，所有裝置及hub都會收到。

Data packet

PID +        data            + CRC16

  8   +   0~1023 bytes  +     16         bits

在low-speed裝置中，data packet最大資料量為8 bytes ; 在full-speed中，  data packet最大資料量為1023 bytes ; 在high-speed，data packet最大封包資料量為1024 bytes以上。

Data 0及Data 1為基本資料封包，用於確定傳送端和接收端之間的資料切換同步。另外於USB 2.0更增加Data 2、MData資料封包，用於執行高速的即時傳輸(isochronous transfer)。

Handshake packet

PID

  8     bits

handshake packet用於確保是否正確被收到，若發生握物，將重新執行。

• ACK表示資料封包沒有bit-stuff、CRE error，也就是PID即DATA欄位都正確
• NAK表示device無法從host接收資料或是無法傳輸資料到主機。NAK也可作為流量控制，表示裝置暫時無法接收或傳送資料
• STALL表示裝置無法傳送或接收資料，需要主機介入

USB OTG(on-the-go)

USB裝置的腳色都是固定的，OTG讓原本只能為週邊的裝置也能成為host。

OTG設備永用插頭中的ID引腳來區分A/B device。

• ID接地，為連接時的host，始終為USB bus供電
• ID懸空，為連接時的device

設備的USB host/USB device可以通過HNP切換

USB OTG與USB2.0相比，多三種新的傳輸協定

1.attach detecion ptrtocol

• 藉由USB bus上的通電損失來決定是否有接附裝置，此機制會啟動兩種現象，裝置插入的基本原理表現及讓裝置能表達目前連接狀態
• 如何達成上述機制: 藉由週期性的量測USB port上的電容(capacitance)變化，已確定是否有裝置連上 ; 當電容的變化大到足以表示有新裝置街上USB port，A-device會通電到USB bus，轉備與裝置連線，而B-device會產生SRP，並等待USB bus供電。

2.session request protocol(SRP,對話請求協議)

• 兩邊供電機制已啟動後，兩個溝通的device都可以取得主控權 ; 在標準USB機制中，只允許host端進行控制。
• 此機制能夠有效的控制供電消耗，有請求才供電。

3.host negotiation protocol

• 允許兩個裝置(OTG-device)交換host/peripheral的腳色。
• 最新版的HNP有一個概念，HNP polling，週期性的詢問peripheral是否成為host

USB descriptors

• device descriptors: 提供裝置基本資訊，如USB版本、最大packet大小、廠商與型號資訊。每個裝置只能有個device descriptors。
• configuration descriptors: 指出USB的供電方式、interface數量。每個USB裝置可以用有不只一個configuration descriptor，可視為interface descriptor之header。
• interface descriptors: 提供介面資訊，可視為endpooint descriptor之header。在configuration descriptor中指定出interface數量，因此interface description可以擁有一個以上。
• endpoint description: 描述endpoint之行為與頻寬。
• string descriptor: 提供人類可讀的資訊

 

 

 

 

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