ldrsb指令（ldrh指令）



来，我们直接切入正题，何谓USB数据传输？

其实，USB数据传输分别要经过三个阶段：

        

这个状态通常由查看USB硬件的相关寄存器来实现

以沁恒微(一家非常牛逼的usb接口芯片公司)CH554为例：

对于软件来说，首先是进行usb初始化，主要是InitUSB_Host()，DisableRootHubPort() 这两个函数，代码如下：

InitUSB_Host()实际是对USB主机进行初始化，包括设置usb控制寄存器模式，设备usb设备地址（为枚举阶段准备），启用usb的主机传输和接受端点，设置DMA缓冲区，清空根HUB端口的状态等。

注意这两行代码

USB_CTRL = bUC_HOST_MODE;  // 设置USB控制寄存器为主机模式

USB_DEV_AD = 0x00; // USB主机控制器的设备地址寄存器，设置当前通信的从设备地址。

tips:为什么首先要将USB设置为主机模式？为什么初始化要设置usb设备地址为0x00？下面介绍原理的时候会说到。

DisableRootHubPort() 是关闭HUB端口， 代码详解：

#ifdef FOR_ROOT_UDISK_ONLY

    // 如果仅支持根USB设备（例如U盘），则设置根设备状态为断开连接

    CH554DiskStatus = DISK_DISCONNECT;

#endif

#ifndef DISK_BASE_BUF_LEN

    // 如果没有定义DISK_BASE_BUF_LEN（磁盘缓冲区长度），则

    // 设置当前USB设备的状态为ROOT_DEV_DISCONNECT=0表示没有连接任何设备

    // 并将设备地址设置为0x00，表示设备未连接

    ThisUsbDev.DeviceStatus  = ROOT_DEV_DISCONNECT;

    ThisUsbDev.DeviceAddress = 0x00;

#endif

可以看到，这个函数作用是初始化设备状态：无设备；初始化设备被分配的USB地址，在枚举阶段中，地址必须为0x00(后面会讲到为什么是0x00)。

ThisUsbDev.DeviceAddress的作用为在主机模式下，DeviceAddress存储的是与当前主机连接的从设备的地址。主机通过枚举过程分配地址给每个连接的设备。假设主机分配了地址0x01给某个从设备，主机会将 DeviceAddress设置为0x01，并与该设备进行数据交换。

初始化后，开始对设备进行连接与检测。

说到设备，USB又分为低速，全速和高速设备，因此在连接与检测阶段主要判断是哪种设备类型

低速设备：传输速率最多 1.5 Mbps，适用于对带宽要求较低的设备(如鼠标、键盘等)

全速设备：传输速率最多 12 Mbps，适用于一般数据传输需求的设备（如打印机、扫描仪）。

高速设备：传输速率最多 480 Mbps，适用于需要高速数据传输的设备(音频设备、摄像头)。

以四针USB通讯接口为例：

 

低速设备：

特征：

1.低速USB从设备在 D-上连有1.5kΩ的电阻到 3.0V-3.6V电压

全速设备：

特征：

1.全速USB从设备在 D+上连有1.5kΩ的电阻到 3.0V-3.6V电压

高速设备：

高速设备就比较复杂了

高速设备检测连接方式主要通过 D+ 和 D- 信号线路上的电平变化，以及通过与主机的握手过程来确定连接模式。以下是高速设备在连接时如何检测连接方式的过程：

1.初始连接（全速模式）：

• 当高速设备最初连接到主机时，设备会默认工作在全速模式下（12 Mbps）。在此时，设备端的 D+ 信号线会通过一个上拉电阻（通常为 1.5kΩ）拉高到 3.3V，而 D- 线会处于低电平（0V）。
• 这是全速设备和主机之间最初的通信模式。

2.主机检测设备并发送复位信号：

• 主机会检测到设备连接，并发送一个复位信号到设备。复位信号会使设备重新初始化并准备进入其实际工作模式。(什么是复位信号后面会说)

3. 设备通过 ChipK 信号表明其身份

• 在复位期间，设备会通过是否能生成 ChipK 信号 来表明自己是否是一个支持高速模式的设备。如果设备是 高速设备，它会发出 ChipK 信号来通知主机它可以进入高速模式。如果设备不支持高速模式，它将保持在全速模式。
• ChipK 信号：这是 USB 高速设备用于指示自己支持高速模式的信号。如果设备支持高速模式，它会在复位后通过电平变化将该信号反馈给主机。(什么是 ChipK 信号后面会说)

4. 主机的 KJ 序列响应

• 之后，主机会检测设备的 ChipK 信号，主机是否发生KJ序列来表明高速主机身份或者是全速主机身份：
  • 如果主机支持 高速模式，主机会发送一个 KJ 序列（由 K 状态和 J 状态构成的信号序列）。这个信号表示主机在高速模式下的身份。
  • 如果主机不支持高速模式，主机会响应设备并继续保持在 全速模式。

5. 切换到高速模式

• 一旦主机和设备完成 KJ 序列 握手并确认可以工作在高速模式下，设备将执行以下操作：
  • 设备断开 D+ 线上的 1.5kΩ 上拉电阻，这是为了停止设备以全速模式的身份工作。
  • 设备在 D+ 和 D- 线路上连接 高速终端电阻（45Ω），这表明设备已经切换到 高速模式（480 Mbps）。
• 设备和主机此时都进入 默认的高速状态，并开始以高速模式进行数据传输。

6. 如果未能进入高速模式，则继续全速模式

• 如果 ChipK 信号 未成功被设备发送（例如，设备不支持高速模式），或者主机未能正确响应 KJ 序列（例如主机不支持高速模式），则设备和主机都会继续以 全速模式（12 Mbps）进行通信。

关于复位信号，ChipK 信号，K状态，J状态：

复位信号：总线维持SE0状态>10ms

K状态：对于要进行高速模式和全速模式的设备来说，D+为低电平0V，D-为高电平3V(也说3.6V)

J状态：对于要进行高速模式和全速模式的设备来说，D+为高电平3V(3.6V)，D-为低电平0V

ChipK 信号：ChirpK 信号 是在高速 USB 设备接收到总线复位信号后，通过向 D- 线 提供电流生成的电压信号，通常为 800mV。该信号的持续时间为 1ms 至 7ms，用于告知主机设备是否支持 高速模式（480 Mbps）

介绍完理论，下面让我们看看软件是怎么实现的。

以USB键盘为例，只需判断低速和全速设备，代码如下：

sfr USB_MIS_ST = 0xDA; // ReadOnly: USB miscellaneous status。可以看到USB_MIS_ST 为USB 相关的只读杂项状态寄存器，

#define bUMS_DEV_ATTACH  0x01 // ReadOnly: indicate device attached status on USB host。这个宏定义一个常量 bUMS_DEV_ATTACH ，其值为 0x01 ，表示设备连接状态的指示位。

如果设备已连接，USB_MIS_ST &bUMS_DEV_ATTACH 的结果为非零值

if ((UHOST_CTRL & bUH_PORT_EN) == 0x00)//保证在端口为启用的情况下，对速度进行设置。

#define bUMS_DM_LEVEL  0x02  // ReadOnly: indicate UDM level saved at device attached to USB host。bUMS_DM_LEVEL  是与 USB_MIS_ST 寄存器相关的一个标志位，它用于指示设备的连接速度（低速或全速）。具体来说为获取USB设备的信号线（Data+）电平，用于指示设备的连接速度。

USB_MIS_ST bUMS_DM_LEVEL  ?  0:1;这是一个条件表达式。若 bUMS_DM_LEVEL  为 1，说明设备为全速；若为 0，说明设备为低速。因此：

• 表示设备为低速。
• 表示设备为全速。

if (ThisUsbDev.DeviceSpeed == 0)
    UHOST_CTRL |= bUH_LOW_SPEED; 

若设备为低速（DeviceSpeed == 0），将 UHOST_CTRL 寄存器中的 bUH_LOW_SPEED位置 1，使主机端口支持低速通信。

通过查看USB硬件相关寄存器来判断低速还是全速设备。

以上为检测连接从设备的过程，当然，连接阶段也主要通过USB硬件的相关寄存器来实现，这里就不列举代码了。

在连接检测阶段，涉入USB还浅，见USB通信协议如井底之蛙抬头见月；倘若到了第二阶段枚举阶段，初步涉及到数据传输，就会见USB通信协议如一粒蜉蝣见青天。USB通信是一个比较复杂的通信协议，我们所做的一直都是站在巨人的肩膀上，去不断学习，深入。

枚举：主机向从设备获取各种描述符，了解设备属性的过程。

那么主机是怎么从从设备获取描述符的呢？这里就涉及到USB传输的一个重要概念：控制传输！

USB数据传输分别有四种传输方式，分别是：

控制传输：用于配置设备，获取设备信息。

中断传输：数据量较小，低延迟的传输，如键盘、鼠标。

批量传输：大数据量的非实时传输，如U盘。

等时传输：实时数据传输，如USB摄像头。

说到控制传输，我们先要理解USB传输结构的基本构成

在USB传输中，域是数据包的基本组成单元，每个域（如同步域、地址域等）承担特定的功能，确保数据的准确识别与传递。多个域组合成包，不同类型的包（如令牌包、数据包、握手包）携带控制信息、数据内容和确认状态。包之间的序列构成一个事务，事务是一次完整的数据传递动作，通常包含请求和响应。多个事务组成传输，传输是实现设备间数据交换的完整过程。这种层级关系确保了USB协议的高效和稳定，使得数据在主机和设备之间得以可靠传输。

以控制传输为例，控制传输由三个事务构成，他们分别是SETUP事务，IN事务和OUT事务。

控制传输可以分为三种结构，分别是控制写，控制读和无数据控制。每种结构由多种事务构成。

控制写由建立阶段(SETUP事务)，数据阶段(OUT事务)和状态阶段(IN事务)构成

控制读由建立阶段(SETUP事务)，数据阶段(IN事务)和状态阶段(OUT事务)构成

无数据控制由建立阶段(SETUP事务)和状态阶段(IN事务)构成

需要注意的是，在SETUP事务中，数据包固定为8字节数据结构。

现在看可能有点抽象，就拿控制写来说，抓包数据为：

建立阶段：SETUP事务，其中SETUP 事务由SETUP令牌包，DATA0数据包和ACK握手包构成。

数据阶段：OUT事务(主机发送),其中OUT事务由OUT令牌包，DATA1数据包和ACK握手包构成。

状态阶段：IN事务(从机上传)，其中IN事务由IN令牌包，DATA1数据包和ACK握手包构成。

tips：1.数据包包含DATA0包和DATA1包

        2.SETUP事务中数据包一定是DATA0包

        3.在数据阶段，一定是DATA1和DATA0，0和1之间交替翻转(懂我意思吧)，目的是为了检查传输过程中是否出错，比如连续收到了两个DATA0包，或者是DATA1包，就表面传输过程中出错

        4.在状态阶段，数据包一定是DATA1

        5.控制写为主机发送请求，控制读为从机上传数据内容

下面再列举一个控制读捕获的数据包：

可以看到控制读结构的数据阶段由一系列的IN事务组成，其中DATA1和DATA0之间交替翻转。

下面是一个无数据的控制传输：

这是一个设置地址的控制传输，只由建立阶段和状态阶段构成，至于建立阶段8字节分别代表什么含义，我们下面会说到。

控制传输中建立阶段，SETUP事务主机发出8字节 命令请求，格式如下：

第一个字段bRequestType请求特性字段，占1字节。第7位表示传输方向，第5~6位表示请求类型（标准请求，类请求等），第0~4位表示传输对象（针对USB设备，特定的接口，端点等）

第二个字段bRequest请求码字段，占1字节。请求码与请求特性中定义的请求类型相适配。

所以对于控制写的SETUP数据包21 09 00 02 00 00 01 00 来说：

第一字段0x21二进制为0010 0001，因此第7位（方向）：表示主机向设备（Host to Device）第6-5位（类型）：表示类请求（Class request）第4-0位（接收者）：00001表示接口（Interface）

因此，bRequestType值 0x21表示主机向设备发送一个类请求，目标是接口。

第二字段0x09表示请求码SET_Report，这是HID类请求，通常用于向设备发送报告（Report）。

第三字段00 02表示Report类型和Report ID

第四字段 00 00 表示接口0。

第五字段 01 00表示接下来的数据阶段需要传输的字节数（长度为1字节）。

  表示主机向接口0发送一个HID类请求（SET_REPORT），要求设置一个Output Report（ID为0），并在数据阶段发送1字节的数据。

 对于控制读数据包SETUP数据包80 06 00 01 00 00 12 00:

第一字段0x80,二进制为1000 0000，第7位(方向)：1表示设备向主机(Device to Host)，第6-5位（类型）：表示标准请求（Standard request），第4-0位(接收者)：表示设(Device) bRequestType值 表示设备向主机发送一个标准请求，目标是设备。

第二字段 表示请求码 ，这是USB标准请求，表示获取设备描述符（Device Descriptor）。

第三字段 00 01：0x0100，高字节 表示获取设备描述符（Device Descriptor），低字节 表示请求的是设备描述符。

第四字段 00 00 表示端点0.

第五字段 12 00: 0x0012 表示主机期望接收的数据长度为 字节，即18字节。设备描述符通常是18字节长。

表示主机向设备发送一个标准请求 ，请求获取设备描述符（Device Descriptor），设备将返回18字节的数据。

对于设置地址的无数据控制传输00 05 03 00 00 00 00 00：

第一字段 表示这是一个主机向设备发送的标准请求，目标是设备

第二字段 表示请求码 ，这是USB标准请求，用于设置设备地址。

第三字段03 00： 表示要设置的设备地址值为 。这意味着主机要求设备将其地址设置为 。

第四字段 00 00： 对于 请求来说没有意义，通常保留为 。

第五字段 00 00： 表示没有数据阶段，因为 请求只需发送SETUP包，无需数据传输

  表示主机发送一个标准请求 ，要求设备将其地址设置为 。

弄清楚USB传输的结构，组成后，在通晓了数据传输的基础上，我们来看看USB的枚举过程。

枚举过程分为六个阶段：

缺省地址：

指向USB从机设备的最初地址，通常为0。这也是为什么，在上面的小tips里提到初始化要设置usb设备地址为0x00。每个USB设备在连接到主机时，最初会被分配一个缺省地址。

用于：1.主机使用缺省地址与设备进行初始通信，以识别和配置设备。

        2.设备枚举：当设备连接时，主机会通过缺省地址发送请求，获取设备描述符。

        3.地址分配：在设备成功枚举后，主机会为其分配一个唯一的地址，供后续通信使用。

可以看到，枚举阶段都跟各种描述符有关，以HID设备为例

HID设备类描述符结构：

设备描述符：固定18字节。包含设备类型、支持的 USB 版本、设备类别、厂商和产品 ID、最大数据包大小等关键字段。主机通过读取设备描述符来识别和配置设备，确保设备能够与主机正确通信。用于设备初始化阶段

设备描述符举例：

配置描述符：配置描述符:描述了设备特定的配置，提供了当前配置下设备的功能接口，供电方式，耗电等信息。是一个配置的集合，集合长度不固定，包含了配置描述符、接口描述符、类定义描述符、端点描述。

若有多个接口，继续添加 接口+类+端点 描述符

接口：表明设备具体功能(接口描述符)。

端点：提供物理传输的数据通道(端点描述符)。

配置描述符举例：

可以看到，若有多个接口，继续添加 接口+类+端点  描述符。这里为 键盘接口，HID类，键盘端点 + 鼠标接口，HID类，鼠标端点。 

报表描述符：描述HID设备的数据格式，确保主机能够正确处理和解析设备发送的数据。

介绍完USB描述符后，我们来看看枚举阶段到底是怎么实现的。

枚举阶段涉及到一个重要的通信步骤，那就是控制传输：

控制传输代码：

需要注意的是：

r = USB_INT_ST & MASK_UIS_H_RES;这行代码的作用是从 USB 中断状态寄存器 USB_INT_ST 中提取出高位的 USB 主机状态，包含 USB 传输应答状态的信息，比如STALL,ACK,NAK等。可以看到，底层主要是通过查看USB相关硬件寄存器来实现

HostCtrlTransfer函数用于执行 USB 主机的控制传输，包括 SETUP、DATA（IN 或 OUT）以及 STATUS 三个阶段。

以USB键盘为例，在数据传输过程中，主要涉及中断传输，

中断传输：

 中断传输流程：

主机发出请求（Token Packet）：

1.主机会发出一个 IN 令牌或 OUT 令牌。
IN 令牌表示主机请求设备发送数据。
OUT 令牌表示主机将数据发送给设备。
2.设备响应请求（Data Packet 或握手包）：

对于 IN 令牌：

一次传输完成后，主机和设备会进入空闲状态，等待下一次传输请求。

 代码：

控制传输：

控制传输在枚举阶段已经介绍，这里就不再赘述，简单的说明控制传输的逻辑

1.令牌阶段（Setup Stage）
控制传输以一个 SETUP 包开始，这是一个 8 字节的固定长度数据包，包含了请求类型、请求编号、数据长度等信息。
主机会发送 SETUP 包到设备，表明即将进行一个控制传输。
该阶段不区分数据传输方向，始终由主机发送 SETUP 包，设备进行响应。
2. 数据阶段（Data Stage，非必须）
如果控制请求包含数据传输（即 wLength 字段不为 0），则会进入数据阶段。否则跳过此阶段，直接进入状态阶段。
数据阶段的传输方向由 SETUP 包中的 bmRequestType 字段决定：
IN 数据传输：设备向主机发送数据，主机发送 IN 令牌，设备发送 DATA0 或 DATA1 数据包。
OUT 数据传输：主机向设备发送数据，主机发送 OUT 令牌，设备接收 DATA0 或 DATA1 数据包。
数据包交替使用 DATA0 和 DATA1，以确保数据包的正确性和同步性。
如果需要多次传输数据，数据阶段可以包含多个数据包，直到传输完所需的数据量。
3. 状态阶段（Status Stage）
状态阶段用于确认控制传输是否成功完成。
如果是 IN 数据传输，状态阶段的方向为 OUT，主机发送 OUT 包并接收设备的 ACK。
如果是 OUT 数据传输，状态阶段的方向为 IN，主机发送 IN 包并接收设备的 ACK。
状态阶段没有数据，只有 ACK 包来确认传输的成功。
状态阶段结束后，控制传输完成，设备和主机恢复到空闲状态。

批量传输：

批量传输流程：

1. 令牌阶段
主机发送 IN 或 OUT 令牌。
IN 令牌：主机请求从设备读取数据。
OUT 令牌：主机向设备发送数据。
2. 数据阶段
主机或设备根据令牌类型发送 DATA 数据包。

如果设备出现错误，设备可以返回 STALL 包，表示传输遇到不可恢复的错误。

3. 握手阶段
设备收到 DATA 包后会回复握手包，主要有三种类型：
ACK：表示数据接收成功。
NAK：表示暂时无法接收数据，主机可以稍后再试。
STALL：表示发生了不可恢复的错误。

等时传输：

1.空闲（Idle）状态：

4无握手阶段：

数据阶段结束后，USB 总线恢复到空闲状态，准备下一次传输。

到此这篇ldrsb指令（ldrh指令）的文章就介绍到这了,更多相关内容请继续浏览下面的相关推荐文章，希望大家都能在编程的领域有一番成就！

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