USB通信原理講義修正版匯報人：AA2024-01-19目錄USB概述與基本原理USB設備識別與配置數(shù)據(jù)傳輸過程詳解USB主機控制器驅動程序設計USB設備驅動程序設計與實現(xiàn)USB通信協(xié)議擴展與應用前景展望01USB概述與基本原理USB（UniversalSerialBus）是一種通用的串行總線標準，用于連接計算機與外部設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。USB定義USB自1994年由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NorthernTelecom等公司聯(lián)合推出以來，經(jīng)歷了USB1.0、USB1.1、USB2.0和USB3.0等多個版本的演進，不斷提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和兼容性。發(fā)展歷程USB定義及發(fā)展歷程系統(tǒng)組成USB系統(tǒng)由主機（Host）、設備（Device）和物理連接三部分組成。其中，主機是USB系統(tǒng)的核心，負責管理USB總線和連接的設備；設備是連接到USB總線上的各種外部設備，如鼠標、鍵盤、打印機等；物理連接則通過USB接口和電纜實現(xiàn)主機與設備之間的連接。拓撲結構USB采用分層星型拓撲結構，主機位于中心，設備通過集線器（Hub）與主機相連。這種結構使得USB系統(tǒng)具有良好的擴展性和靈活性，可以方便地添加或移除設備。USB系統(tǒng)組成與拓撲結構數(shù)據(jù)傳輸方式USB采用四種數(shù)據(jù)傳輸方式，包括批量傳輸（BulkTransfer）、等時傳輸（IsochronousTransfer）、中斷傳輸（InterruptTransfer）和控制傳輸（ControlTransfer）。不同的傳輸方式適用于不同的應用場景和需求。特點USB數(shù)據(jù)傳輸具有速率高、穩(wěn)定性好、兼容性強等特點。其中，USB2.0標準支持最高480Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而USB3.0標準更是將速率提升至5Gbps。此外，USB還支持熱插拔和即插即用功能，使得設備的連接和使用更加便捷。數(shù)據(jù)傳輸方式及特點USB協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層三個層次。物理層負責數(shù)據(jù)的傳輸和接收；數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)的成幀和錯誤檢測；應用層則負責協(xié)議的具體實現(xiàn)和應用。協(xié)議層次USB通信模型采用主從式結構，主機在通信過程中處于主導地位，負責發(fā)起和管理通信過程；設備則根據(jù)主機的請求進行相應的響應和操作。這種通信模型保證了USB系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。通信模型協(xié)議層次與通信模型02USB設備識別與配置

設備描述符解析設備描述符概述設備描述符是USB設備向主機提供的關于自身基本信息的描述，包括設備類型、廠商ID、產品ID等。設備描述符結構設備描述符由一系列字段組成，每個字段都有特定的含義和長度，如bLength、bDescriptorType、bcdUSB等。設備描述符解析過程主機在枚舉設備時，首先獲取設備描述符，然后解析其中的信息，以便了解設備的特性和要求。03配置描述符選擇過程主機在了解設備的基本信息后，根據(jù)需求選擇合適的配置描述符，以便進一步與設備進行通信。01配置描述符概述配置描述符描述了USB設備的配置信息，包括支持的接口數(shù)、每個接口的特性等。02配置描述符結構配置描述符由一系列字段組成，包括配置值、配置字符串索引、接口關聯(lián)表等。配置描述符選擇接口與端點設置USB設備的接口定義了設備的功能，而端點是接口中的通信點，用于數(shù)據(jù)的傳輸。接口描述符與端點描述符接口描述符描述了接口的特性，如接口號、接口類、子類、協(xié)議等；端點描述符描述了端點的特性，如端點地址、屬性、最大包長等。接口與端點設置過程主機根據(jù)配置描述符中的信息，設置相應的接口和端點，以便與設備進行數(shù)據(jù)交換。接口與端點概述設備地址分配與狀態(tài)轉換設備地址分配在USB通信中，每個設備都需要一個唯一的地址以便主機進行識別和通信。主機在枚舉設備時，會為設備分配一個地址。狀態(tài)轉換USB設備在連接到主機后，會經(jīng)歷一系列的狀態(tài)轉換，包括默認狀態(tài)、地址狀態(tài)、配置狀態(tài)等。這些狀態(tài)轉換是USB通信過程中的重要環(huán)節(jié)。03數(shù)據(jù)傳輸過程詳解123批量傳輸是一種可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，適用于大量數(shù)據(jù)的傳輸。它采用錯誤檢測和重傳機制，確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。傳輸方式批量傳輸具有較高的傳輸效率，通過減少協(xié)議開銷和優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸策略，實現(xiàn)了較高的吞吐量和較低的時延。傳輸效率批量傳輸常用于文件傳輸、打印機數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓鼍?，滿足對大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸需求。應用場景批量傳輸（BulkTransfer）實時性中斷傳輸具有較高的實時性，設備可以在任何時間向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足實時性要求較高的應用場景。應用場景中斷傳輸常用于鍵盤、鼠標等輸入設備的數(shù)據(jù)傳輸，以及實時性要求較高的傳感器數(shù)據(jù)采集等場景。傳輸方式中斷傳輸是一種周期性、小量的數(shù)據(jù)傳輸方式。它允許設備在需要時向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，而不必等待主機的請求。中斷傳輸（InterruptTransfer）帶寬保證等時傳輸為數(shù)據(jù)流提供恒定的帶寬，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和實時性。應用場景等時傳輸常用于音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，滿足對實時性和連續(xù)性要求較高的應用場景。傳輸方式等時傳輸是一種實時的、連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸方式，適用于對時間敏感的數(shù)據(jù)傳輸，如音頻和視頻數(shù)據(jù)。等時傳輸（IsochronousTransfer）控制傳輸是一種雙向的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，用于設備配置、命令控制等場景。它采用請求/響應模型，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。傳輸方式控制傳輸支持主機與設備之間的交互操作，允許主機向設備發(fā)送命令并接收設備的響應。交互性控制傳輸常用于設備的初始化、配置和控制等操作，如USB設備的枚舉和配置過程。應用場景控制傳輸（ControlTransfer）04USB主機控制器驅動程序設計HCD功能及結構概述USB主機控制器驅動程序（HCD）是USB系統(tǒng)中的核心軟件組件，負責與USB主機控制器硬件進行通信，管理USB總線上設備的連接、配置和數(shù)據(jù)傳輸。HCD功能HCD通常由內核模式驅動和用戶模式驅動兩部分組成。內核模式驅動負責底層的硬件操作和中斷處理，而用戶模式驅動則提供高級別的API接口，以便應用程序與USB設備進行通信。HCD結構當系統(tǒng)啟動時，HCD驅動被加載到內核中，并注冊相應的設備驅動接口。加載HCD驅動HCD驅動通過調用特定的硬件初始化函數(shù)，對USB主機控制器進行初始化，包括配置寄存器、分配內存資源等。初始化硬件HCD驅動為每個連接到USB總線的設備創(chuàng)建一個USB設備驅動對象，用于管理設備的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)傳輸。創(chuàng)建USB設備驅動對象HCD驅動啟動USB設備枚舉過程，通過發(fā)送標準請求獲取設備的描述符信息，并根據(jù)描述符信息為設備分配相應的驅動程序。啟動USB設備枚舉HCD初始化流程分析I/O請求處理應用程序通過與USB設備驅動程序進行交互，發(fā)送I/O請求來讀寫USB設備的數(shù)據(jù)。設備驅動程序將這些請求轉換為相應的USB傳輸事務，并提交給HCD進行處理。中斷處理當USB設備產生中斷時，HCD的中斷處理程序被調用。中斷處理程序負責處理與中斷相關的事件，例如數(shù)據(jù)傳輸完成、設備連接狀態(tài)變化等，并將相應的事件通知給設備驅動程序。數(shù)據(jù)傳輸管理HCD負責管理USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸。它根據(jù)設備驅動程序提交的傳輸請求，將數(shù)據(jù)傳輸事務發(fā)送到USB總線上，并監(jiān)控傳輸過程的狀態(tài)。一旦傳輸完成或出現(xiàn)錯誤，HCD將相應的事件通知給設備驅動程序。HCD與設備驅動程序交互機制減少中斷次數(shù)通過合并多個中斷事件或采用延遲中斷處理技術，可以減少中斷次數(shù)，降低系統(tǒng)開銷。采用批量傳輸或等時傳輸方式，可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。此外，還可以通過調整傳輸參數(shù)（如數(shù)據(jù)包大小、傳輸間隔等）來優(yōu)化傳輸性能。針對多核處理器架構進行優(yōu)化，利用多核并行處理能力提高USB通信性能。例如，可以將不同的USB設備分配給不同的處理器核心進行處理。通過實現(xiàn)電源管理功能，可以降低USB設備的功耗。例如，在設備空閑時將其置于低功耗模式，或者在不需要高速通信時降低設備的工作頻率。優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸效率支持多核處理器實現(xiàn)電源管理功能HCD性能優(yōu)化策略探討05USB設備驅動程序設計與實現(xiàn)設備驅動功能需求梳理設備識別與枚舉驅動程序需要能夠正確識別USB設備，并對其進行枚舉，包括讀取設備描述符、配置描述符、接口描述符等。數(shù)據(jù)傳輸支持USB設備的數(shù)據(jù)傳輸功能，包括批量傳輸、中斷傳輸、等時傳輸?shù)?。設備控制實現(xiàn)對USB設備的控制操作，如設置設備配置、接口選擇、特性設置等。電源管理支持USB設備的電源管理功能，如掛起、恢復、遠程喚醒等。采用分層架構設計，將USB協(xié)議棧與硬件操作分離，提高代碼的可移植性和可維護性。驅動架構提供對USB硬件操作的抽象接口，屏蔽硬件平臺的差異，實現(xiàn)跨平臺移植。硬件抽象層將驅動程序劃分為核心層、協(xié)議層和硬件抽象層三個主要模塊，每個模塊負責不同的功能。模塊劃分負責驅動程序的初始化、設備識別與枚舉、數(shù)據(jù)傳輸?shù)群诵墓δ?。核心層實現(xiàn)USB協(xié)議棧的相關功能，如端點管理、傳輸類型處理、錯誤處理等。協(xié)議層0201030405設備驅動架構設計及模塊劃分數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)傳輸類型選擇合適的端點和傳輸方式，通過USB協(xié)議棧提供的函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。電源管理根據(jù)設備的電源狀態(tài)和需求，通過USB協(xié)議棧提供的函數(shù)實現(xiàn)設備的掛起、恢復和遠程喚醒等操作。設備控制通過發(fā)送控制請求實現(xiàn)對設備的控制操作，如設置設備配置、接口選擇等。設備識別與枚舉通過發(fā)送標準請求獲取設備描述符、配置描述符和接口描述符等信息，實現(xiàn)設備的識別和枚舉。關鍵函數(shù)實現(xiàn)方法論述設備驅動調試技巧分享調試工具使用專業(yè)的USB調試工具，如USBlyzer、BusHound等，可以捕獲USB總線上的數(shù)據(jù)包，幫助定位問題。斷點調試在關鍵代碼處設置斷點，通過調試器單步執(zhí)行代碼，觀察變量變化和函數(shù)調用情況，幫助理解代碼邏輯和定位問題。日志輸出在驅動程序中添加詳細的日志輸出，記錄關鍵操作和執(zhí)行結果，便于問題追蹤和分析。仿真測試使用仿真環(huán)境模擬USB設備的連接和斷開操作，以及不同傳輸類型和數(shù)據(jù)量的測試場景，驗證驅動程序的穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)。06USB通信協(xié)議擴展與應用前景展望OTG技術定義OTG技術原理OTG技術應用OTG技術原理簡介On-The-Go（OTG）技術是一種使USB設備在無需主機（Host）的情況下，實現(xiàn)設備間直接通信的技術。通過在USB設備中集成主/從控制器，使設備既可作為主機也可作為從機，實現(xiàn)設備間的點對點通信。支持OTG的USB設備可以與其他USB設備直接連接，進行數(shù)據(jù)交換、共享資源等操作，如手機與U盤、數(shù)碼相機等設備的互連。無線USB技術發(fā)展趨勢分析隨著無線通信技術的不斷發(fā)展和普及，無線USB技術將朝著更高傳輸速率、更低延遲、更廣覆蓋范圍的方向發(fā)展。無線USB技術發(fā)展趨勢無線USB技術是一種基于無線通信技術實現(xiàn)的USB數(shù)據(jù)傳輸技術，旨在消除有線連接帶來的束縛和不便。無線USB技術概述目前主流的無線USB技術標準包括Wi-FiDirect、藍牙等，它們通過不同的通信協(xié)議實現(xiàn)設備間的無線連接和數(shù)據(jù)傳輸。無線USB技術標準物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設備，按約定的協(xié)議，對任何物體進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。USB在物聯(lián)網(wǎng)中的應用USB作為一種通用的數(shù)據(jù)傳輸接口，在物聯(lián)網(wǎng)領域具有廣泛的應用前景，如智能家居、工業(yè)自動化、智能交通等領域。USB在物聯(lián)網(wǎng)中的挑戰(zhàn)與機遇