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USB協(xié)議分析儀大比拼

一、USB通信協(xié)議 是什么？

USB是一種支持在USB主機和USB設(shè)備之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議,。主機作為總線的主叫方,，采用兩種信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四種數(shù)據(jù)傳輸方式：控制傳輸（control）,、中斷傳輸（interrupt）,、批量傳輸（bulk）及等時傳輸（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令傳輸及USB規(guī)范的實現(xiàn),，等時傳輸主要用于音頻及視頻傳輸,。USB通過兩次總線列舉（Enumeration and Renumertion）來實現(xiàn)設(shè)備識別以及驅(qū)動程序析加載。其具體過程為：USB設(shè)備連到主機后,，主機依據(jù)USB規(guī)范在特定地址通過端口0（endpoint0）與外設(shè)通信,，并將外設(shè)視為默認(rèn)設(shè)備。外設(shè)與主機通信將其6設(shè)備標(biāo)識（DID,、PID,、VID）發(fā)給主機進行第二次總線列舉。主機根據(jù)設(shè)備標(biāo)識,，加載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動程序,，重新分配地址，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給外設(shè)固件（firmware）,，通過固件與設(shè)備驅(qū)動程序及主機應(yīng)用程序的交互通信,，來實現(xiàn)外設(shè)的功能。

二,、USB通信協(xié)議——數(shù)據(jù)交易

表列出了組成4種傳輸類型的元素,。在這里，讀者就需要注意一些通信協(xié)議的結(jié)構(gòu),。例如,，傳輸與數(shù)據(jù)交易、數(shù)據(jù)交易與封包,、封包與字段之間的關(guān)系,。當(dāng)然,，這是相當(dāng)復(fù)雜且容易弄混淆的地方。其中,，傳輸包含1個或是更多的數(shù)據(jù)交易,，每一個數(shù)據(jù)交易又包含1個、2個或是3個封包,。而封包中,，又包含封包標(biāo)識符（PID）字段、檢查字段（CRC）以及額外的信息字段,。

表 傳輸類型,、數(shù)據(jù)交易與封包的關(guān)系表

       *每一個封包是往下端接口傳遞出去的，若是低速,，前面還會再放置PRE封包,。

因此，若要了解完整的USB通信協(xié)議就必須從數(shù)據(jù)域談起,。通過由下而上,，從簡易至復(fù)雜的通信協(xié)議單位來組合出各種復(fù)雜的通信協(xié)議，進而構(gòu)建出完整的通信協(xié)議,。

從表的第2欄中,，可以知道其中包含了3種數(shù)據(jù)交易類型。這3種數(shù)據(jù)交易是根據(jù)其目的與數(shù)據(jù)流方向來決定的,。其中,，SETUP數(shù)據(jù)交易用來送出控制傳輸要求給設(shè)備；IN數(shù)據(jù)交易是數(shù)據(jù)從設(shè)各傳回主機,；OUT數(shù)據(jù)交易是將數(shù)據(jù)傳送出去給設(shè)各,。每一個數(shù)據(jù)交易中，包含了辨識,、錯誤檢核,、狀態(tài)以及控制信息，同樣也包含了要交換的數(shù)據(jù)等,。此外,，一個完整的數(shù)據(jù)交易可能占用多個幀。但是數(shù)據(jù)交易卻是一個實現(xiàn)USB通信協(xié)議的最基本的結(jié)構(gòu)組成,。也即是,，在總線上沒有任何通信能夠去切斷該數(shù)據(jù)交易的溝通過程。當(dāng)然,，除非是錯誤的USB通信過程,。

此外，一個小量數(shù)據(jù)的傳輸也許僅需一個數(shù)據(jù)交易,。如果是大量的數(shù)據(jù),，傳輸可能就需使用多個數(shù)據(jù)交易,，每一次傳輸一部分?jǐn)?shù)據(jù)。讀者或許會認(rèn)為表的通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,。其中,，尤其是第1欄所列的控制傳輸是較為嚴(yán)謹(jǐn)與必須去實現(xiàn)的。

根據(jù)上述不同封包的組合與搭配就可以執(zhí)行各種數(shù)據(jù)交易,。但最重要的是,，數(shù)據(jù)交易的格式必須與前面所提及的4種傳輸類型互相配合。這是因為不同的傳輸類型就會執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)交易,。其中,，除了等時傳輸外，控制傳輸,、中斷傳輸與批量傳輸都以下列的3個階段來組成一個數(shù)據(jù)交易的動作。

       等時傳輸卻只有包含如下所列的2個階段而已,。若等時傳輸在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生錯誤,，不會重送一次，所以也就不具有握手階段,。

       因此,，為了方便讀者的記憶與了解整個USB的通信協(xié)議，在此以一個較簡易的方式來向讀者介紹,。即是通過一個小口訣來介紹USB通信概念,。這個口訣即是：5 4 2 3 3，如圖所示,。

       這個口訣相當(dāng)簡單,，有點像是通關(guān)秘訣，而整個數(shù)字的順序即可串聯(lián)出USB的通信協(xié)議,。5,，4，2即分別為每個封包（令牌,、數(shù)據(jù)與握手）的字段數(shù)目,，其后的3則為實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)交易所需的3個封包階段（令牌、數(shù)據(jù)與握手）,，而最后的3則為實現(xiàn)一個控制傳輸所需的3個數(shù)據(jù)交易層,。讀者可以對照表，且只須以這個簡易的數(shù)字順序,，從下層到上層,，即可構(gòu)建出一個完整的控制傳輸。而以下,，先從USB封包類型與其所包含的字段來談起,。

       北京迪陽公司推出市場上最暢銷的USB協(xié)議分析儀. 價格:5500元起

USB協(xié)議分析儀是USB產(chǎn)品的開發(fā)和測試工具,，它記錄在USB總線上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，通過上位機軟件提供的強大的分析和篩選功能,，迅速定位數(shù)據(jù)中存在的錯誤和問題,，從而改善USB產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期,。是USB產(chǎn)品開發(fā)人員和USB設(shè)備制造工廠理想的測試設(shè)備,。

HD-USB12 USB協(xié)議分析儀支持USB1.1低速及USB2.0全速設(shè)備。

通過連接一臺全速USB集線器（Full-Speed USB Hub）,，HD-USB12 USB協(xié)議分析儀也可以支持USB2.0高速設(shè)備,。

 功能特點

 1、 非侵入式全速/低速USB數(shù)據(jù)總線傳輸監(jiān)測,；

 2,、 自動識別全速/低速USB設(shè)備；

 3,、 支持21ns分辨率數(shù)據(jù)時序顯示,；

 4、 支持實時數(shù)據(jù)過濾,，方便迅速定位數(shù)據(jù),；

 5、 支持重復(fù)數(shù)據(jù)包壓縮,。

 6,、支持OTG (On-The-Go)——記錄及分析HNP 及 SRP協(xié)議, 包括捕獲VBus及D+/D-脈

7、支持USB1.1 及 USB 2.0 低速,、全速及高速數(shù)據(jù)通訊的采集

8,、支持 VBus電壓電流監(jiān)控；

9,、記錄容量不受限制——可以長時間大容量數(shù)據(jù)通訊捕獲及記錄,，數(shù)據(jù)存儲于系統(tǒng)硬盤；

10,、無干擾高阻抗端口——確保對USB端口通訊無干擾,；

11、支持任意設(shè)備類——不但支持目前已有的設(shè)備類還支持未知的設(shè)備類協(xié)議分析,；

12,、任意可編程觸發(fā)——用戶可以隨意設(shè)置多個觸發(fā)條件；

 硬件連接

 上圖顯示了兩種不同類型的硬件連接方式,。

方式一：
監(jiān)控計算機與USB主機使用同一臺PC機,；
在這種連接方式下，如果監(jiān)控計算機上安裝有其它全速或低速USB設(shè)備,，監(jiān)控計算機向這些設(shè)備廣播的數(shù)據(jù)包將會被“HD-USB12協(xié)議分析儀”捕捉并顯示,，這些不需要的數(shù)據(jù)可以使用過濾“IN（Orphaned）”數(shù)據(jù)包的方式濾除（詳見《操作手冊》4.2.4之第6小點）,。

方式二：
監(jiān)控計算機使用獨立的PC機，USB主機使用另外一臺PC機或其它形式的USB HOST,。

硬件連接注意事項：
1,、監(jiān)控計算機端口必須使用USB2.0高速端口，并直接連接至電腦主板,。其長度不應(yīng)超過2米,；
2、從USB設(shè)備到USB主機的電纜長度之和不應(yīng)超過5米,；
3,、USB主機電纜最好直接連接至主機主板，以減少數(shù)據(jù)采集時的傳輸錯誤,。

使用方法

  要使用“HD-USB12協(xié)議分析儀”對某個USB設(shè)備進行數(shù)據(jù)分析,，可按照以下步驟操作：
1、將分析儀監(jiān)控端（MONITOR）用USB電纜連接至監(jiān)控計算機（監(jiān)控計算機的USB端口必須為2.0高速端口）,；
2,、將分析儀捕獲端端口USB I或端口USB II用USB電纜連接至USB主機，注意：此時暫不連接USB設(shè)備,；
3,、在監(jiān)控計算機上運行“HD-USB12”軟件,，在軟件的狀態(tài)欄上可以看到分析儀與監(jiān)控計算機的連接狀態(tài),。確保分析儀與監(jiān)控計算機已連接；
4,、單擊工具條上的“設(shè)置”按鈕,，設(shè)置合適的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)限制及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)增量，緩沖區(qū)大小不應(yīng)超過系統(tǒng)可用內(nèi)存的50%,。默認(rèn)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為128M,；默認(rèn)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)增量為2M；
5,、在“數(shù)據(jù)過濾區(qū)域”中設(shè)置過濾條件,，以濾除不需要的數(shù)據(jù)包。過濾條件設(shè)置完成后用鼠標(biāo)單擊工具欄的“過濾”按鈕啟動過濾,；
6,、在軟件工具條上用鼠標(biāo)單擊“ 開始”按鈕啟動數(shù)據(jù)采集；
7,、將分析儀另一個捕獲端端口用USB電纜連接至需要分析的USB設(shè)備,，此時捕獲的USB設(shè)備總線數(shù)據(jù)將實時顯示在監(jiān)控計算機的軟件中。

   單擊軟件工具條上“停止”按鈕可停止數(shù)據(jù)采集,。
   可以在數(shù)據(jù)捕獲之前,，數(shù)據(jù)捕獲當(dāng)中或數(shù)據(jù)捕獲之后在“數(shù)據(jù)過濾區(qū)域”中設(shè)置不同的過濾條件,，以快速獲得需要的數(shù)據(jù)包。
   選擇“文件”菜單的“保存”命令,，可將捕獲的數(shù)據(jù)保存為擴展名是.USB的二進制文件,；
   選擇“文件”菜單的“導(dǎo)出”命令，可將過濾后的數(shù)據(jù)保存為擴展名是.USB的二進制文件,。

性能指標(biāo)

1,、 監(jiān)控USB端口：；USB2.0 High Speed

2,、 采集USB端口支持：USB2.0 Full Speed&USB1.1 Low Speed

3,、 采集端消耗電流：＜8mA

4、兼容于所有USB2.0 的三種速度,；

5,、于測試速度下自動發(fā)現(xiàn)鏈接；

6,、USBbus 狀態(tài)與低階protocols 的量測,；

7、支持每個研發(fā)人員均可擁有一部的可負(fù)擔(dān)價格,；

8,、非侵入式分析；

9,、小型但強健的封裝,，電源由USB 供給；

10,、絕佳的Off－Site 介入,；

11、以高速USB2.0 連接實時地下載分析的數(shù)據(jù),；
12,、可加附式(Scalable) 設(shè)計的硬件；

13,、可顯示Transactions 與傳輸?shù)膶蛹?Transfers Layers),；
14、需求及描述元(Descriptor) 之高階解碼,；
15,、功能強大的顯示過濾器；
16,、可以多種形式(XML ,、text 、raw 等等)輸出分析過的數(shù)據(jù)；
17,、有條理的明細(xì)表顯示,；
18、有軟件開發(fā)套件可利用,；
19,、免費的Viewer 軟件。

USB協(xié)議分析儀在實際USB連通中的作用

在現(xiàn)代電子設(shè)備中,，越來越多的使用USB接口,，不僅因為其使用方便，即插即拔,，更因為其價格低廉,，協(xié)議開放，而廣泛使用在各種電子設(shè)備上,，并且已經(jīng)發(fā)展為不可缺少的一種接口形式,。但USB接口的開發(fā)過程中，對于工程師來說還是會遇到這樣或那樣的問題,，如何提高調(diào)試效率,，縮短研發(fā)周期，就需要一種調(diào)試測試工具——USB協(xié)議分析儀,。

USB協(xié)議分析儀

USB協(xié)議分析儀是協(xié)議層的分析工具,，是測試設(shè)備的一種。對于USB這種高速串行總線來說,，僅僅進行物理層測試是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,，由于在高低電平中寓含著豐富的指令，傳遞著大量信息,。所以對于USB傳輸協(xié)議就需要專用的USB協(xié)議分析儀來分析測試,，USB協(xié)議分析儀是按照標(biāo)準(zhǔn)的USB協(xié)議來分解數(shù)據(jù),，將包含有用信息的數(shù)據(jù)提取出來,，并解釋這些數(shù)據(jù)的含義。隨著設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)速度的不斷提高,，越來越多的高速串行總線被使用,，如SATA、SAS,、Ethernet,、FC等等，這些高速串行總線也同樣有其協(xié)議分析工具,。

為了讓讀者更好的了解USB協(xié)議分析儀的功能與用途,，本文列舉一個調(diào)試USB通信的小例子。

實驗環(huán)境

如圖所示,，左側(cè)計算機安裝USB協(xié)議分析儀軟件,，加上USB協(xié)議分析儀主機構(gòu)成USB協(xié)議分析系統(tǒng),。DE2實驗板作為USB設(shè)備，右側(cè)計算機安裝應(yīng)用程序?qū)E2進行操作,。我們主要關(guān)心安裝有應(yīng)用程序的計算機與DE2實驗板之間的USB通信是否正常,，并且希望了解這個通信過程是怎樣完成的。

DE2實驗板是教學(xué)過程中使用的開發(fā)板,，針對USB通信接口部分有一片接口控制芯片,，可通過加載固件程序控制USB數(shù)據(jù)傳輸，對于USB開發(fā)工程師來說,，編寫固件程序是實現(xiàn)USB通信的重要部分,，但很難驗證固件程序是否正確，是否按照工程師的意愿執(zhí)行,。在PC端安裝有應(yīng)用程序控制實現(xiàn)哪些功能,，是在設(shè)備底層還需要編寫驅(qū)動程序，確?？蓪崿F(xiàn)USB通信,，在生產(chǎn)研發(fā)中，驅(qū)動程序部分和應(yīng)用程序部分大多由軟件工程師完成,，所以USB協(xié)議分析儀是硬件工程師和軟件工程師都需要的測試設(shè)備,。

USB協(xié)議分析儀是按照USB協(xié)議，將總線上的信號翻譯成數(shù)據(jù),，再將數(shù)據(jù)逐層解析,，分析其傳輸數(shù)據(jù)的含義。在這個過程中,，可將USB傳輸過程中的錯誤明確的指示出來,，用戶可根據(jù)上下文關(guān)系找到問題所在。

 分析過程

在本實驗中,，如圖所示,，PC端應(yīng)用程序的主要功能是：按下ADD鍵，給DE2發(fā)送加1的指令,，顯示在DE2實驗板的液晶顯示屏上,；按下CLEAR鍵，給設(shè)備發(fā)送清零的指令,，DE2實驗板的液晶顯示屏上的顯示為00,；通過這個簡單的應(yīng)用程序，我們可以了解實驗板上USB固件程序,，計算機上USB驅(qū)動程序是否可以正確工作,。

如圖所示，在應(yīng)用程序的源程序中，點擊ADD,，發(fā)送的數(shù)據(jù)為“AA AB AC AD AE AF A0 A1”,，這個就是我們要在USB通信過程中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。傳輸了這一組數(shù)據(jù)也就表示傳輸了ADD指令,。

點擊ADD鍵發(fā)送的指令數(shù)據(jù)：

AA AB AC AD AE AF A0 A1
 

下面,，我們用Ex200來捕獲發(fā)送的ADD指令數(shù)據(jù)以及其前后過程。分析捕捉到的數(shù)據(jù)搜索到DATA0,，DATA1數(shù)據(jù)包內(nèi)容皆為“AA AB AC AD AE AF A0 A1”,，與源代碼一致。如圖所示,，為DATA0數(shù)據(jù)包的內(nèi)容,。我們每次按下ADD控件，就可以捕獲到這一組數(shù)據(jù),，這說明USB通信沒有問題,，可以進行下一步的大數(shù)據(jù)量傳輸與通信。

又如圖所示,，在應(yīng)用程序的源程序中,，點擊CLEAR，發(fā)送的數(shù)據(jù)為“55 55 5C 5D 5E 5F 50 51”,，這個就是我們要在USB通信過程中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),。傳輸了這一組數(shù)據(jù)也就表示傳輸了CLEAR指令。：

點擊CLEAR鍵發(fā)送的指令數(shù)據(jù)：

55 55 5C 5D 5E 5F 50 51
 
 
我們用Ex200來捕獲發(fā)送的CLEAR指令數(shù)據(jù)以及其前后過程,。分析捕捉到的數(shù)據(jù)搜索到DATA0,，DATA1數(shù)據(jù)包內(nèi)容皆為“55 55 5C 5D 5E 5F 50 51”，與源代碼一致,。如圖所示,，為DATA0數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。我們每次按下CLEAR控件,，就可以捕獲到這一組數(shù)據(jù),。

另外，USB協(xié)議分析儀是一種很好的學(xué)習(xí)USB協(xié)議的工具,，如圖所示,，通過USB協(xié)議分析儀可分析并了解USB設(shè)備枚舉過程,，在教學(xué)中可以生動地說明USB通信傳輸過程,，在實際研發(fā)中，也可提高效率,，縮短開發(fā)周期,。

小結(jié)

       USB協(xié)議分析儀是在USB開發(fā)過程中必不可少的工具，在研發(fā)過程中起到事半功倍的效果，隨著USB通信接口的廣泛使用,，USB協(xié)議分析儀也會成為更普及的測試儀器,。經(jīng)過一段時間的發(fā)展，USB協(xié)議分析儀也趨于成熟,，主機體積更加小巧,，不需要外加電源即可工作，軟件界面更加人性化,，讓人一目了然,。USB協(xié)議從1.0到2.0，再到最新的USB3.0,，協(xié)議分析儀也會追隨USB協(xié)議發(fā)展的腳步,，支持所有版本的測試。