什么是uart

　　通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器，是電腦硬件的一部分。它將要傳輸?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/soft/special/" target="_blank">資料在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換。作為把并行輸入信號轉(zhuǎn)成串行輸出信號的芯片，UART通常被集成于其他通訊接口的連結(jié)上。

　　具體實(shí)物表現(xiàn)為獨(dú)立的模塊化芯片，或作為集成于微處理器中的周邊設(shè)備。一般是RS-232C規(guī)格的，與類似Maxim的MAX232之類的標(biāo)準(zhǔn)信號幅度變換芯片進(jìn)行搭配，作為連接外部設(shè)備的接口。在UART上追加同步方式的序列信號變換電路的產(chǎn)品，被稱為USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter）。

　　UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計(jì)中，UART用于主機(jī)與輔助設(shè)備通信，如汽車音響與外接AP之間的通信，與PC機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件，如EEPROM通信。

　　什么是usb

　　USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。

　　下一代USB接口將會有改動方向，下一代的Type-C USB接口，可支持正反兩面插，并且傳輸數(shù)據(jù)信號強(qiáng)，但目前（2014年）生產(chǎn)商有限。

　　理論上USB接口可用于連接多達(dá)127個外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤等。USB自從1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為二十一世紀(jì)個人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。

　　usb作為一種串行接口，應(yīng)用日益廣泛。如同每個工程設(shè)計(jì)人員必須掌握I2C，RS232這些接口一樣，我們也必須掌握usb.

　　但是usb的接口協(xié)議實(shí)在有點(diǎn)費(fèi)解，linux uhci驅(qū)動作者之一Alan Stern曾經(jīng)就說過“The USB documentation is downright evil. Most of it is just crap， written by a committee. You‘re better off ignoring most of it ”。

　　本文將從整體上介紹usb協(xié)議，包括usb host ，usb hub，usb function。希望能給讀者一個總體上的了解。也因此，文章將分成相應(yīng)的三部分講解 。

　　一、usb function

　　1。初識usb.usb是一種串行接口協(xié)議，它靠d+，d-兩條數(shù)據(jù)線構(gòu)成的差分線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這讓我們非常感興趣它到底和我們通常熟悉兩線 rs232/485有何區(qū)別。了解這種區(qū)別有助于我們對usb作一個深入的了解。那么讓我們回想一下到底一個兩線rs232的數(shù)據(jù)是如何傳送的，

　　在這里我們的重點(diǎn)在于，我們發(fā)現(xiàn)要在串行口傳送數(shù)據(jù)一個最體碼的要求恐怕就是：要知道數(shù)據(jù)傳輸何時開始，何時結(jié)束。即如何delimit.那么 rs232怎么做的。顯然，在idle（空閑）時，即無數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)線處于高電平，等到有數(shù)據(jù)開始傳送，發(fā)送方首先拉低數(shù)據(jù)線（start），表示數(shù) 據(jù)傳輸開始，接受端也因?yàn)檫@個“start”信號開始準(zhǔn)備接受即將到來的數(shù)據(jù)，類似一次握手，隨后，在兩者之間的數(shù)據(jù)傳送開始，結(jié)束后主方再次拉高數(shù)據(jù) 線，表示結(jié)束傳輸，自此兩者重新進(jìn)入Idle狀態(tài)。等待下一輪傳送開始。

　　了解了rs232，那么我們自然想到usb如何做到這個呢，既然是串行位流傳輸，也理所當(dāng)然的解決這個問題。沒錯，Usb協(xié)議必然要解決這個問題，讓我們作一個類似rs232的比較吧！類似于rs232，usb的傳輸楨如圖二：

　　（這里我們暫時忽略這個傳輸所代表的意義）為了說明問題，我們對一些問題簡化，我們定義這樣幾個狀態(tài)：

　　假設(shè)D+，D-分別表示usb信號線的電平信號。那么對于usb full speed function（high speed ，low speed是不同的），我們定義差分?jǐn)?shù)據(jù)線上可能出現(xiàn)的四個狀態(tài)：

　　Data J state:D+=1，D-=0；

　　Data K state:D+=0，D-=1；

　　SE0：D+=D-=0;

　　SE1：D+=D-=1

　　這個對usb full speed function來說，idle狀態(tài)將處于Data J state，se0表示一楨結(jié)束。看這個圖是不是很像我們熟悉的rs232。沒錯！！！他們確實(shí)很相似。在無數(shù)據(jù)傳輸時，它們都處于Idle狀態(tài)，當(dāng)要開 始傳輸數(shù)據(jù)時，先發(fā)一個sync（同步信號，rs232為start，usb為一sync字節(jié)，見協(xié)議說明）信號進(jìn)行“握手”，而后開始傳輸，當(dāng)傳輸要結(jié) 束時，發(fā)一stop信號（usb為一個se0狀態(tài)表示要結(jié)束傳輸），最后又進(jìn)入idle態(tài)等待新的傳輸。不過，你可能更加注意到，他們還是不同的。不同在 于usb是按“packet” 進(jìn)行傳輸?shù)模褪钦f它傳輸?shù)淖钚挝皇莗acket，而rs232是按字節(jié)傳送的，也即它的最小傳送單位是字節(jié)。既然是按pakcet傳送，想想我們相較 于rs232的按字節(jié)單位傳輸，我們可以得到哪些“好處”。想想看，pakcet的好處不就在于我們可以靈活的定義數(shù)據(jù)的傳送格式，傳送方式，從而可以適 應(yīng)各種各樣的串行設(shè)備，這不就是所謂的“通用串行總線”嗎？

　　簡介：從本節(jié)開始，我們將介紹usb的傳輸機(jī)制。這節(jié)先介紹usb現(xiàn)有傳輸方式的背景知識，做為對下節(jié)將要展開的四種傳輸類型，描述符，等相關(guān)知識的一個導(dǎo)引。

　　2。usb傳輸。

　　我們在上一節(jié)中了解到了usb的“packet”的感念，了解到了usb傳送一個packet總是以sync開始，以 eop結(jié)束，這個稱為delimiter，即標(biāo)記packet的始末。有了packet，我們就可以在usb總線上傳輸數(shù)據(jù)了。但是這還不夠，比如數(shù)據(jù)傳 送方向，即傳回usb主機(jī)還是傳下usb從機(jī)，數(shù)據(jù)傳送的地址，數(shù)據(jù)傳送的類型（這些后面我們將會知道）這些信息在傳輸之前是必須搞清楚的，那么這個信息 如何得知呢，看來這就需要我們定一套基于packet的“協(xié)議”了。主機(jī)與從機(jī)在傳輸中均遵循這套“協(xié)議”，那么這些問題就可以迎刃而解。事實(shí)上，usb 的一次數(shù)據(jù)傳輸總是遵循這樣的“協(xié)議”的：

　　首先，主機(jī)發(fā)第1個packet給從機(jī)，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚瑪?shù)據(jù)傳輸類型。

　　其次，主機(jī)發(fā)第2個至第n個packet載有實(shí)際數(shù)據(jù)

　　最后，從機(jī)返回一個packet是一個ACK包，報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣主機(jī)就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

　　這里我們考慮的是主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)給從機(jī)的情況，那么從機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)給主機(jī)時，是不是也可以這樣呢？當(dāng)然可以，比如從機(jī)要發(fā)數(shù)據(jù)給主機(jī)時，也可以采取同主機(jī)類似的方式：

　　首先，從機(jī)發(fā)第1個packet給主機(jī)，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚瑪?shù)據(jù)傳輸類型。

　　其次，從機(jī)發(fā)第2個至第n個packet載有實(shí)際數(shù)據(jù)

　　最后，主機(jī)返回一個packet是一個ACK包，報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機(jī)就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

　　基本上可以歸結(jié)為一個“三段式”傳輸

　　這里有人可能注意到了，對這樣一個傳輸機(jī)制，從機(jī)和主機(jī)的功能將是一樣的，因?yàn)檫@樣的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，從機(jī)可能在某一時刻是主機(jī)，某一時刻又可能是從機(jī)，因?yàn)樗麄円獙?shí)現(xiàn)同樣的功能。這樣實(shí)現(xiàn)起來的復(fù)雜性也將是一樣的。

　　注：這里概念或許容易混淆，其實(shí)，我們這里的主機(jī)（master）和從機(jī)（slaver）是一個transceiver，即可收可發(fā)。相應(yīng)的，在某一時刻，master在發(fā)數(shù)據(jù)，我們稱其為transmitter，在接受時我們稱為receiver.對slaver同樣。

　　我們可能還注意到了，usb這種按pakcet傳輸?shù)姆绞皆趯?shí)現(xiàn)時已經(jīng)很復(fù)雜了（至少比rs232要復(fù)雜多吧），至少我們目前看來主從機(jī)功能一樣這 樣的實(shí)現(xiàn)方式似乎還是可行，但是后面我們談到usb host時將會了解到host的功能是如何的復(fù)雜，以至于讓一個usb function 也帶上如此的功能成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性將陡然上升。作為面向廣范應(yīng)用的usb，這是我們不允許的。我們期望的是一個使用usb 的udisk，使用usb的光驅(qū)，使用usb的耳麥等等這些東西不要因?yàn)閡sb而變得昂貴，復(fù)雜。

　　正是因?yàn)檫@個原因，usb從機(jī)的傳輸發(fā)式便由上面的方式改成了下面的方式進(jìn)行：

　　首先，主機(jī)發(fā)第1個packet給從機(jī)，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚瑪?shù)據(jù)傳輸類型。

　　其次，從機(jī)收到主機(jī)送來的第一個packet后，再發(fā)第2個至第n個packet載有實(shí)際數(shù)據(jù)

　　最后，主機(jī)返回一個packet是一個ACK包，報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機(jī)就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

　　而對于usb 主機(jī)傳輸方式保持不變。

　　對于這樣的改變，我們馬上就有疑問了：這個改變的傳輸方式是和未改變之前的等價嗎。當(dāng)然，不全等價。問題在哪里？仔細(xì)觀察一下便知，兩者區(qū) 別在于第一個packet是由誰發(fā)起的。未改變之前，第一個packet總是由要傳送數(shù)據(jù)的一方發(fā)起，而改變之后的第一個Packet總是由主機(jī)發(fā)起。這 樣，就變成如果從機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)時，總是由主機(jī)發(fā)起（第一個packet），然后從機(jī)開始傳送。

　　可能初次接觸我們會感覺怪怪的，怎么從機(jī)要給主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前反而要主機(jī)先發(fā)packet給從機(jī)。 這樣行嗎，我們要說這樣是可以的，因?yàn)橥ǔＲ淮蝹鬏斀换サ漠a(chǎn)生，并非無來由的產(chǎn)生，這些都是由程序員控制的，控制usb何時收，何時發(fā)，及發(fā)給誰！！！

　　這里我們就注意到了，usb function（總是作為從機(jī)）的功能一下從原來與主機(jī)具有相同功能的tranceiver變成了現(xiàn)在僅具發(fā)送（或接收）功能的transmitter（或Receiver）實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性及成本可想而知也就相應(yīng)得減小了。

　　簡介：本節(jié)介紹usb full speed function的四種傳輸類型。

　　上節(jié)中我們了解到了usb host 與usb function 之間采用的是一種“非對稱”的傳輸，也就是說，無論usb接受數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)，都是由usb host首先發(fā)起。即傳輸?shù)牡谝粋€packet總是由usb host發(fā)出的。這個packet將聲明本次即將進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)傳輸類型。

　　Control Transfers）

　　： 或許你已經(jīng)注意到了，一個usb host端口并不是僅僅支持一個Usb function

　　通過usb hub，一個usb host端口可以連接usb鼠標(biāo)，usb鍵盤，Usb寫字板。。.。。.。要連接這么多東西在同一個usb host上，我們通常會有一個基本問題，即usb host如何識別這些被連接在它的端口上的設(shè)備呢。正如通常的主從式通訊系統(tǒng)一樣，如rs485多機(jī)通訊，我們通常是用一個特定的地址標(biāo)志每一個從設(shè)備。 對這里的usb，我們采用同樣的方法，將為每個掛接在該usb host上的usb function指定一個特定地址，通過這個特定地址來識別每個usb function.看來這將是一個usb function在數(shù)據(jù)傳輸之前必須解決的問題--得到它的地址分配。

　　這個“地址指定”的過程需要usb host通知usb function才能完成，這個交互過程就是一個控制式傳輸。通過這個“控制式傳輸”，usb host將指定地址給usb function ，以為即將進(jìn)行的正式通訊做好準(zhǔn)備工作。這里細(xì)心的讀者可能已經(jīng)注意到了，既然usb host總要分配地址給usb function才能進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)傳輸工作，那么usb host將如何與一個初始時未分配地址的usb function進(jìn)行交互來分配地址呢。這里，是這樣解決的：usb協(xié)議保留了一個“通用地址”0，usb host 通過這個地址0來和初始未分配地址的usb function進(jìn)行通訊，進(jìn)行一些初始的準(zhǔn)備工作，諸如這里的為它非配一個特定地址。后面我們就會了解到，usb除了配置地址外，還有一些其它參數(shù)需要 事先主從雙方達(dá)成共識。這些參數(shù)也都是通過控制式傳輸完成的。

　　一個Usb的控制式傳輸總是分為兩個或三個階段進(jìn)行傳輸：setup stage，data stage（視情況而定），status stage。

　　首先是setup stage，聯(lián)系上節(jié)所說的Usb傳輸模式，usb Host總是先發(fā)起第一個packet--這里它

　　首先發(fā)起setup，

　　之后發(fā)起以data0為起始的setup data，

　　最后usb function回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。

　　其次如果有data stage，類似的，還是按照上節(jié)說的usb傳輸模式，

　　usb host總是先發(fā)起第一個Packet--Out（或in），

　　之后usb host（或usb function）發(fā)起以data1為起始的payload data，

　　最后Usb fuction（或usb host）回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。

　　如果數(shù)據(jù)未傳完，繼續(xù)data stage，同上繼續(xù)。

　　最后是status stage，類似的，

　　usb host首先發(fā)起第一個Packet--in（或out），

　　之后usb function（或usb host）發(fā)起以data1為起始的Null data（0長度），

　　最后Usb host（或usb function）回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。

　　如此，整個控制式傳輸結(jié)束。 你或許有疑問，data stage為什么進(jìn)行了多次而非一次完成？實(shí)際上，usb總是將一批大量的數(shù)據(jù)分成了許多小段來進(jìn)行傳輸，稱為一個pay load。這樣傳輸?shù)哪康氖侨菀讓鬏斶M(jìn)行控制。既然一次大量的數(shù)據(jù)總是被分成一段一段來分次傳輸，那么這里就出現(xiàn)了一個需要事先確定的參數(shù) （wMaxPacketSize）：即每次這個小段有多大。這個參數(shù)如地址指派一樣，正式傳輸之前需要事先達(dá)成共識。通過控制式傳輸，現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了 usb function的地址指定等參數(shù)的設(shè)置工作，下一步可以進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)傳輸了。

　　bulk Transactions）

　　我們終于等到usb function 配置完成，現(xiàn)在我們的任務(wù)是要傳送一批數(shù)據(jù)，這里可以使用批量數(shù)據(jù)傳輸（bulk Transactions）。?

　　首先，usb host發(fā)起第一個Packet--in（或out），表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。

　　其次，usb function（或usb host）發(fā)起以data1（或data0）為起頭的payload data，開始一次交互。

　　再其次，usb host（或Usb function）發(fā)起ack回應(yīng)這次交互。 如果數(shù)據(jù)還為傳完，繼續(xù)上述過程，即：

　　首先，usb host再次發(fā)起一個Packet--in（或out），表示又要開始數(shù)據(jù)傳輸了。

　　其次，usb function（或usb host）發(fā)起以data0（或data1）為起頭的payload data，開始又一次交互。

　　再次，usb host（或Usb function）發(fā)起ack回應(yīng)這次交互。

　　如此繼續(xù)直至傳輸完成。

　　這里的疑問依然是為什么一次可能傳完的數(shù)據(jù)為什么分成多次進(jìn)行傳輸，原因在上次介紹控制式傳輸式已經(jīng)說明。后面我們就會明白，為什么這樣可以方便控制傳輸過程。 仔細(xì)看看控制式的data stage采用的傳輸方式，是否就是批量傳輸方式呢？！注意，每次payload data的“牽頭人”（preamble）在輪番掉換，最先是data1，接著data0，再是data1，。。.。。.如此接替，只要有一次交互出現(xiàn)問題，這個接替規(guī)則就會被打破進(jìn)而被Usb host識別而發(fā)現(xiàn)傳輸異常。所以這個交替的“牽頭人”規(guī)則是可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃扇〉拇胧┲弧?/p>

　　Isochronous Transactions）和中斷式傳輸（Interrupt Transactions）

　　在批量數(shù)據(jù)傳輸中，觸發(fā)一次批量數(shù)據(jù)傳輸總是“被動”的，就是說需要數(shù)據(jù)傳輸時Usb host并不會主動發(fā)起傳輸，而是需要得到你的指令。當(dāng)你告訴它：“一切ok，讓我們開始吧！” 這時它才開始數(shù)據(jù)傳輸。這種方式顯然在某些情況下并不適合。比如音視頻流，你無法要求它聽從你的“指揮”，讓它等你發(fā)指令給usb host，然后開始一次傳輸。我們需要的是一種“及時”傳輸。一個好的方案就是設(shè)置一個timer，按照tick發(fā)起usb傳輸。這個tick通常以 1ms（usb full speed）為最小單位。這時，可以設(shè)置為每次1ms tick出現(xiàn)，usb host“自動”發(fā)起一次數(shù)據(jù)傳輸。那么這種方案具體如何來實(shí)現(xiàn)呢？看來最基本的要素便是一個發(fā)出tick的timer，而這個“timer”需要usb host和usb function（事實(shí)上還要包括usb hub）雙方均能“看到”，從而協(xié)調(diào)工作，否則單方面的timer又有何意義？這個“timer”（或tick）在usb中使用一個特殊的packet實(shí) 現(xiàn)，即是SOF。這個SOF由USB HOST 相當(dāng)精確的以每1.00 ms ±0.0005 ms的時間周期發(fā)送給usb device，來在二者之間定時。從而usb function能夠“及時”的了解到“現(xiàn)在時刻”。 現(xiàn)在我們在usb host和usb function之間建立起了“對時”機(jī)制。那么接下來看看剛才設(shè)想的“自動”傳輸如何實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，一旦usb host及usb function雙方建立了一種時間機(jī)制，那么這種“自動”傳輸是很容易實(shí)現(xiàn)的。usb 實(shí)現(xiàn)同步式傳輸或中斷式傳輸總是以一種類似于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行的，唯一不同的是傳輸?shù)挠|發(fā)不再是“被動”的，而是由SOF所建立的tick觸發(fā)。

　　首先，時間到達(dá)，usb host發(fā)起第一個Packet--in（或out），表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。

　　其次，usb function（或usb host）發(fā)起以data1（或data0）為起頭的payload data，開始一次交互。

　　再其次，如果是中斷式傳輸，usb host（或Usb function）發(fā)起ack回應(yīng)這次交互，如果是同步式傳輸，該步跳過。

　　如此重復(fù)上述步驟，即usb host等待下一個tick到達(dá)，并開始新一輪的交互。

　　這里我們注意到了，同步式傳輸和中斷式傳輸二者雖然都是時間觸發(fā)，但是中斷式傳輸需要ack應(yīng)答，而相反，同步式傳輸不需要。這個最大的區(qū)別決定了 同步式傳輸是一種非可靠傳輸，但是因此換來了更多的usb傳輸時間。也因此，同步式傳輸?shù)?payload data（對應(yīng)wMaxPacketSize ）通常相較于其他傳輸方式比較大，因?yàn)樗袅薬ck所占有數(shù)據(jù)傳輸時間。這里還有一個地方值得注意的是tick的設(shè)定，這個tick也是需要事先usb host 和usb function達(dá)成共識的參數(shù)之一。