嵌入式软件工程师-硬件接口与通信协议-USB协议_USB安全与加密机制.docxVIP

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USB协议基础

1USB协议的历史与发展

USB(UniversalSerialBus)协议自1996年首次发布以来,经历了多个版本的迭代,从最初的USB1.0到目前的USB4.0,其传输速度和功能得到了显著提升。USB1.0的传输速度为1.5Mbps和12Mbps,而USB2.0则将速度提升至480Mbps。USB3.0(也称为SuperSpeedUSB)的传输速度达到了5Gbps,USB3.1进一步提升至10Gbps,USB3.2则达到了20Gbps。最新的USB4.0标准,基于Thunderbolt3协议,传输速度高达40Gbps,同时支持视频和数据传输,以及电源管理。

2USB设备的类型与识别

USB设备主要分为三种类型:HumanInterfaceDevices(HID),如键盘和鼠标;MassStorageDevices,如U盘和移动硬盘;以及VendorSpecificDevices,这类设备通常由制造商自定义,如打印机和扫描仪。设备的识别是通过USB设备描述符进行的,包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。这些描述符包含了设备的基本信息,如制造商、产品、版本、配置和接口等,主机通过读取这些描述符来识别和配置USB设备。

2.1示例:读取USB设备描述符

importusb.core

#找到第一个USB设备

dev=usb.core.find(idVendor=0x1234,idProduct=0x5678)

#如果设备存在

ifdevisnotNone:

#读取设备描述符

device_descriptor=dev.get_active_configuration().descriptor

print(DeviceDescriptor:,device_descriptor)

在这个例子中,我们使用Python的usb库来查找一个特定的USB设备(通过其制造商和产品ID),然后读取并打印设备的描述符。

3USB数据传输模式详解

USB数据传输模式主要包括控制传输、批量传输、中断传输和等时传输。控制传输用于设备的初始化和配置,批量传输用于大量数据的传输,中断传输用于需要频繁但数据量较小的传输,如键盘和鼠标的状态更新,等时传输用于需要实时传输的设备,如音频和视频设备。

3.1示例:使用批量传输发送数据

importusb.core

importusb.util

#找到USB设备

dev=usb.core.find(idVendor=0x1234,idProduct=0x5678)

#如果设备存在

ifdevisnotNone:

#设置设备为批量传输模式

dev.set_configuration()

#找到设备的批量传输端点

endpoint=dev[0][(0,0)][0]

#定义要发送的数据

data_to_send=[0x01,0x02,0x03,0x04]

#发送数据

dev.write(endpoint.bEndpointAddress,data_to_send)

#读取设备的响应

data_received=dev.read(endpoint.bEndpointAddress+usb.util.ENDPOINT_IN,1024)

print(DataReceived:,data_received)

在这个例子中,我们首先找到一个特定的USB设备,然后设置设备为批量传输模式,定义要发送的数据,使用dev.write函数发送数据,然后使用dev.read函数读取设备的响应。

4USB协议的架构与层次

USB协议的架构主要分为四个层次:物理层、链路层、事务层和应用层。物理层负责数据的物理传输,链路层负责数据的封装和解封装,事务层负责数据的传输控制,应用层则负责具体的设备驱动和应用。每个层次都有其特定的功能和协议,共同构成了USB协议的完整架构。

4.1示例:物理层的信号传输

物理层的信号传输主要通过USB线缆的四根线进行:电源线(Vcc)、地线(GND)、数据正线(D+)和数据负线(D-)。数据的传输是通过D+和D-线进行的,采用差分信号的方式,以减少电磁干扰和提高传输的稳定性。

在实际的编程中,我们通常不会直接操作物理层的信号,而是通过操作系统提供的USB驱动接口,或者第三方的USB库,如libusb和pyusb,来进行数据的传输。

4.2示例:使用事务层进行数据传输控制

事务层主要负责数

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