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(jī)和USB設(shè)備之間進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。主機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)，等時(shí)傳輸主要用于音頻及視頻傳輸。USB通過(guò)兩次總線列舉（Enumeration and Renumertion）來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備識(shí)別以及驅(qū)動(dòng)程序析加載。其具體過(guò)程為：USB設(shè)備連到主機(jī)后，主機(jī)依據(jù)USB規(guī)范在特定地址通過(guò)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(jī)通信將其6設(shè)備標(biāo)識(shí)（DID、PID、VID）發(fā)給主機(jī)進(jìn)行第二次總線列舉。主機(jī)根據(jù)設(shè)備標(biāo)識(shí)，加載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(guò)固件與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及主機(jī)應(yīng)用程序的交互通信，來(lái)實(shí)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(lèi)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(gè)或是更多的數(shù)據(jù)交易，每一個(gè)數(shù)據(jù)交易又包含1個(gè)、2個(gè)或是3個(gè)封包。而封包中，又包含封包標(biāo)識(shí)符（PID）字段、檢查字段（CRC）以及額外的信息字段。

表 傳輸類(lèi)型、數(shù)據(jù)交易與封包的關(guān)系表

       *每一個(gè)封包是往下端接口傳遞出去的，若是低速，前面還會(huì)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(guò)由下而上，從簡(jiǎn)易至復(fù)雜的通信協(xié)議單位來(lái)組合出各種復(fù)雜的通信協(xié)議，進(jìn)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(lèi)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(lái)決定的。其中，SETUP數(shù)據(jù)交易用來(lái)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(jī)；OUT數(shù)據(jù)交易是將數(shù)據(jù)傳送出去給設(shè)各。每一個(gè)數(shù)據(jù)交易中，包含了辨識(shí)、錯(cuò)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(gè)完整的數(shù)據(jù)交易可能占用多個(gè)幀。但是數(shù)據(jù)交易卻是一個(gè)實(shí)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(méi)有任何通信能夠去切斷該數(shù)據(jù)交易的溝通過(guò)程。當(dāng)然，除非是錯(cuò)誤的USB通信過(guò)程。

此外，一個(gè)小量數(shù)據(jù)的傳輸也許僅需一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)交易，每一次傳輸一部分?jǐn)?shù)據(jù)。讀者或許會(huì)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(shí)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(lèi)型互相配合。這是因?yàn)椴煌膫鬏旑?lèi)型就會(huì)執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)交易。其中，除了等時(shí)傳輸外，控制傳輸、中斷傳輸與批量傳輸都以下列的3個(gè)階段來(lái)組成一個(gè)數(shù)據(jù)交易的動(dòng)作。

       等時(shí)傳輸卻只有包含如下所列的2個(gè)階段而已。若等時(shí)傳輸在傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，不會(huì)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(gè)USB的通信協(xié)議，在此以一個(gè)較簡(jiǎn)易的方式來(lái)向讀者介紹。即是通過(guò)一個(gè)小口訣來(lái)介紹USB通信概念。這個(gè)口訣即是：5 4 2 3 3，如圖所示。

       這個(gè)口訣相當(dāng)簡(jiǎn)單，有點(diǎn)像是通關(guān)秘訣，而整個(gè)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(gè)封包（令牌、數(shù)據(jù)與握手）的字段數(shù)目，其后的3則為實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)交易所需的3個(gè)封包階段（令牌、數(shù)據(jù)與握手），而最后的3則為實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制傳輸所需的3個(gè)數(shù)據(jù)交易層。讀者可以對(duì)照表，且只須以這個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)字順序，從下層到上層，即可構(gòu)建出一個(gè)完整的控制傳輸。而以下，先從USB封包類(lèi)型與其所包含的字段來(lái)談起。

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USB協(xié)議分析儀是USB產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試工具，它記錄在USB總線上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)軟件提供的強(qiáng)大的分析和篩選功能，迅速定位數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤和問(wèn)題，從而改善USB產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期。是USB產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員和USB設(shè)備制造工廠理想的測(cè)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(guò)連接一臺(tái)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(diǎn)

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

 2、 自動(dòng)識(shí)別全速/低速USB設(shè)備；

 3、 支持21ns分辨率數(shù)據(jù)時(shí)序顯示；

 4、 支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)過(guò)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(zhǎng)時(shí)間大容量數(shù)據(jù)通訊捕獲及記錄，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)硬盤(pán)；

10、無(wú)干擾高阻抗端口——確保對(duì)USB端口通訊無(wú)干擾；

11、支持任意設(shè)備類(lèi)——不但支持目前已有的設(shè)備類(lèi)還支持未知的設(shè)備類(lèi)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(gè)觸發(fā)條件；

 硬件連接

 上圖顯示了兩種不同類(lèi)型的硬件連接方式。

方式一：
監(jiān)控計(jì)算機(jī)與USB主機(jī)使用同一臺(tái)PC機(jī)；
在這種連接方式下，如果監(jiān)控計(jì)算機(jī)上安裝有其它全速或低速USB設(shè)備，監(jiān)控計(jì)算機(jī)向這些設(shè)備廣播的數(shù)據(jù)包將會(huì)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(guò)濾“IN（Orphaned）”數(shù)據(jù)包的方式濾除（詳見(jiàn)《操作手冊(cè)》4.2.4之第6小點(diǎn)）。

方式二：
監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用獨(dú)立的PC機(jī)，USB主機(jī)使用另外一臺(tái)PC機(jī)或其它形式的USB HOST。

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

使用方法

  要使用“HD-USB12協(xié)議分析儀”對(duì)某個(gè)USB設(shè)備進(jìn)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(jì)算機(jī)（監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(jī)，注意：此時(shí)暫不連接USB設(shè)備；
3、在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)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(jì)算機(jī)的連接狀態(tài)。確保分析儀與監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(guò)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(guò)濾區(qū)域”中設(shè)置過(guò)濾條件，以濾除不需要的數(shù)據(jù)包。過(guò)濾條件設(shè)置完成后用鼠標(biāo)單擊工具欄的“過(guò)濾”按鈕啟動(dòng)過(guò)濾；
6、在軟件工具條上用鼠標(biāo)單擊“ 開(kāi)始”按鈕啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；
7、將分析儀另一個(gè)捕獲端端口用USB電纜連接至需要分析的USB設(shè)備，此時(shí)捕獲的USB設(shè)備總線數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(guò)濾區(qū)域”中設(shè)置不同的過(guò)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(kuò)展名是.USB的二進(jìn)制文件；
   選擇“文件”菜單的“導(dǎo)出”命令，可將過(guò)濾后的數(shù)據(jù)保存為擴(kuò)展名是.USB的二進(jìn)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(cè)試速度下自動(dòng)發(fā)現(xiàn)鏈接；

6、USBbus 狀態(tài)與低階protocols 的量測(cè)；

7、支持每個(gè)研發(fā)人員均可擁有一部的可負(fù)擔(dān)價(jià)格；

8、非侵入式分析；

9、小型但強(qiáng)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(shí)時(shí)地下載分析的數(shù)據(jù)；
12、可加附式(Scalable) 設(shè)計(jì)的硬件；

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

USB協(xié)議分析儀在實(shí)際USB連通中的作用

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，越來(lái)越多的使用USB接口，不僅因?yàn)槠涫褂梅奖悖床寮窗危驗(yàn)槠鋬r(jià)格低廉，協(xié)議開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)還是會(huì)遇到這樣或那樣的問(wèn)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(cè)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(cè)試設(shè)備的一種。對(duì)于USB這種高速串行總線來(lái)說(shuō)，僅僅進(jìn)行物理層測(cè)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(duì)于USB傳輸協(xié)議就需要專(zhuān)用的USB協(xié)議分析儀來(lái)分析測(cè)試，USB協(xié)議分析儀是按照標(biāo)準(zhǔn)的USB協(xié)議來(lái)分解數(shù)據(jù)，將包含有用信息的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，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(lái)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(gè)調(diào)試USB通信的小例子。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境

如圖所示，左側(cè)計(jì)算機(jī)安裝USB協(xié)議分析儀軟件，加上USB協(xié)議分析儀主機(jī)構(gòu)成USB協(xié)議分析系統(tǒng)。DE2實(shí)驗(yàn)板作為USB設(shè)備，右側(cè)計(jì)算機(jī)安裝應(yīng)用程序?qū)E2進(jìn)行操作。我們主要關(guān)心安裝有應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)與DE2實(shí)驗(yàn)板之間的USB通信是否正常，并且希望了解這個(gè)通信過(guò)程是怎樣完成的。

DE2實(shí)驗(yàn)板是教學(xué)過(guò)程中使用的開(kāi)發(fā)板，針對(duì)USB通信接口部分有一片接口控制芯片，可通過(guò)加載固件程序控制USB數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于USB開(kāi)發(fā)工程師來(lái)說(shuō)，編寫(xiě)固件程序是實(shí)現(xiàn)USB通信的重要部分，但很難驗(yàn)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(shí)現(xiàn)哪些功能，是在設(shè)備底層還需要編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，確保可實(shí)現(xiàn)USB通信，在生產(chǎn)研發(fā)中，驅(qū)動(dòng)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(cè)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(hào)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(gè)過(guò)程中，可將USB傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤明確的指示出來(lái)，用戶可根據(jù)上下文關(guān)系找到問(wèn)題所在。

 分析過(guò)程

在本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)板的液晶顯示屏上的顯示為00；通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序，我們可以了解實(shí)驗(yàn)板上USB固件程序，計(jì)算機(jī)上USB驅(qū)動(dòng)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(diǎn)擊ADD，發(fā)送的數(shù)據(jù)為“AA AB AC AD AE AF A0 A1”，這個(gè)就是我們要在USB通信過(guò)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(diǎn)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(lái)捕獲發(fā)送的ADD指令數(shù)據(jù)以及其前后過(guò)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(shuō)明USB通信沒(méi)有問(wèn)題，可以進(jìn)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(diǎn)擊CLEAR，發(fā)送的數(shù)據(jù)為“55 55 5C 5D 5E 5F 50 51”，這個(gè)就是我們要在USB通信過(guò)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(diǎn)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(lái)捕獲發(fā)送的CLEAR指令數(shù)據(jù)以及其前后過(guò)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(guò)USB協(xié)議分析儀可分析并了解USB設(shè)備枚舉過(guò)程，在教學(xué)中可以生動(dòng)地說(shuō)明USB通信傳輸過(guò)程，在實(shí)際研發(fā)中，也可提高效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。

小結(jié)

       USB協(xié)議分析儀是在USB開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的工具，在研發(fā)過(guò)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(huì)成為更普及的測(cè)試儀器。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，USB協(xié)議分析儀也趨于成熟，主機(jī)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(huì)追隨USB協(xié)議發(fā)展的腳步，支持所有版本的測(cè)試。