USB协议分析仪大比拼

一、USB通信协议 是什么？

USB是一种支持在USB主机和USB设备之间进行串行数据传输的通信协议。主机作为总线的主叫方，采用两种信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四种数据传输方式：控制传输（control）、中断传输（interrupt）、批量传输（bulk）及等时传输（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令传输及USB规范的实现，等时传输主要用于音频及视频传输。USB通过两次总线列举（Enumeration and Renumertion）来实现设备识别以及驱动程序析加载。其具体过程为：USB设备连到主机后，主机依据USB规范在特定地址通过端口0（endpoint0）与外设通信，并将外设视为默认设备。外设与主机通信将其6设备标识（DID、PID、VID）发给主机进行第二次总线列举。主机根据设备标识，加载相应设备驱动程序，重新分配地址，并将控制权转交给外设固件（firmware），通过固件与设备驱动程序及主机应用程序的交互通信，来实现外设的功能。

二、USB通信协议——数据交易

表列出了组成4种传输类型的元素。在这里，读者就需要注意一些通信协议的结构。例如，传输与数据交易、数据交易与封包、封包与字段之间的关系。当然，这是相当复杂且容易弄混淆的地方。其中，传输包含1个或是更多的数据交易，每一个数据交易又包含1个、2个或是3个封包。而封包中，又包含封包标识符（PID）字段、检查字段（CRC）以及额外的信息字段。

表 传输类型、数据交易与封包的关系表

       *每一个封包是往下端接口传递出去的，若是低速，前面还会再放置PRE封包。

因此，若要了解完整的USB通信协议就必须从数据域谈起。通过由下而上，从简易至复杂的通信协议单位来组合出各种复杂的通信协议，进而构建出完整的通信协议。

从表的第2栏中，可以知道其中包含了3种数据交易类型。这3种数据交易是根据其目的与数据流方向来决定的。其中，SETUP数据交易用来送出控制传输要求给设备；IN数据交易是数据从设各传回主机；OUT数据交易是将数据传送出去给设各。每一个数据交易中，包含了辨识、错误检核、状态以及控制信息，同样也包含了要交换的数据等。此外，一个完整的数据交易可能占用多个帧。但是数据交易却是一个实现USB通信协议的最基本的结构组成。也即是，在总线上没有任何通信能够去切断该数据交易的沟通过程。当然，除非是错误的USB通信过程。

此外，一个小量数据的传输也许仅需一个数据交易。如果是大量的数据，传输可能就需使用多个数据交易，每一次传输一部分数据。读者或许会认为表的通信协议的结构非常复杂。其中，尤其是第1栏所列的控制传输是较为严谨与必须去实现的。

根据上述不同封包的组合与搭配就可以执行各种数据交易。但最重要的是，数据交易的格式必须与前面所提及的4种传输类型互相配合。这是因为不同的传输类型就会执行不同的数据交易。其中，除了等时传输外，控制传输、中断传输与批量传输都以下列的3个阶段来组成一个数据交易的动作。

       等时传输却只有包含如下所列的2个阶段而已。若等时传输在传输的过程中发生错误，不会重送一次，所以也就不具有握手阶段。

       因此，为了方便读者的记忆与了解整个USB的通信协议，在此以一个较简易的方式来向读者介绍。即是通过一个小口诀来介绍USB通信概念。这个口诀即是：5 4 2 3 3，如图所示。

       这个口诀相当简单，有点像是通关秘诀，而整个数字的顺序即可串联出USB的通信协议。5，4，2即分别为每个封包（令牌、数据与握手）的字段数目，其后的3则为实现一个数据交易所需的3个封包阶段（令牌、数据与握手），而最后的3则为实现一个控制传输所需的3个数据交易层。读者可以对照表，且只须以这个简易的数字顺序，从下层到上层，即可构建出一个完整的控制传输。而以下，先从USB封包类型与其所包含的字段来谈起。

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USB协议分析仪是USB产品的开发和测试工具，它记录在USB总线上发送和接收的数据，通过上位机软件提供的强大的分析和筛选功能，迅速定位数据中存在的错误和问题，从而改善USB产品的开发质量，缩短开发周期。是USB产品开发人员和USB设备制造工厂理想的测试设备。

HD-USB12 USB协议分析仪支持USB1.1低速及USB2.0全速设备。

通过连接一台全速USB集线器（Full-Speed USB Hub），HD-USB12 USB协议分析仪也可以支持USB2.0高速设备。

 功能特点

 1、 非侵入式全速/低速USB数据总线传输监测；

 2、 自动识别全速/低速USB设备；

 3、 支持21ns分辨率数据时序显示；

 4、 支持实时数据过滤，方便迅速定位数据；

 5、 支持重复数据包压缩。

 6、支持OTG (On-The-Go)——记录及分析HNP 及 SRP协议, 包括捕获VBus及D+/D-脉

7、支持USB1.1 及 USB 2.0 低速、全速及高速数据通讯的采集

8、支持 VBus电压电流监控；

9、记录容量不受限制——可以长时间大容量数据通讯捕获及记录，数据存储于系统硬盘；

10、无干扰高阻抗端口——确保对USB端口通讯无干扰；

11、支持任意设备类——不但支持目前已有的设备类还支持未知的设备类协议分析；

12、任意可编程触发——用户可以随意设置多个触发条件；

 硬件连接

 上图显示了两种不同类型的硬件连接方式。

方式一：
监控计算机与USB主机使用同一台PC机；
在这种连接方式下，如果监控计算机上安装有其它全速或低速USB设备，监控计算机向这些设备广播的数据包将会被“HD-USB12协议分析仪”捕捉并显示，这些不需要的数据可以使用过滤“IN（Orphaned）”数据包的方式滤除（详见《操作手册》4.2.4之第6小点）。

方式二：
监控计算机使用独立的PC机，USB主机使用另外一台PC机或其它形式的USB HOST。

硬件连接注意事项：
1、监控计算机端口必须使用USB2.0高速端口，并直接连接至电脑主板。其长度不应超过2米；
2、从USB设备到USB主机的电缆长度之和不应超过5米；
3、USB主机电缆最好直接连接至主机主板，以减少数据采集时的传输错误。

使用方法

  要使用“HD-USB12协议分析仪”对某个USB设备进行数据分析，可按照以下步骤操作：
1、将分析仪监控端（MONITOR）用USB电缆连接至监控计算机（监控计算机的USB端口必须为2.0高速端口）；
2、将分析仪捕获端端口USB I或端口USB II用USB电缆连接至USB主机，注意：此时暂不连接USB设备；
3、在监控计算机上运行“HD-USB12”软件，在软件的状态栏上可以看到分析仪与监控计算机的连接状态。确保分析仪与监控计算机已连接；
4、单击工具条上的“设置”按钮，设置合适的数据缓冲区限制及数据缓冲区增量，缓冲区大小不应超过系统可用内存的50%。默认的数据缓冲区为128M；默认的数据缓冲区增量为2M；
5、在“数据过滤区域”中设置过滤条件，以滤除不需要的数据包。过滤条件设置完成后用鼠标单击工具栏的“过滤”按钮启动过滤；
6、在软件工具条上用鼠标单击“ 开始”按钮启动数据采集；
7、将分析仪另一个捕获端端口用USB电缆连接至需要分析的USB设备，此时捕获的USB设备总线数据将实时显示在监控计算机的软件中。

   单击软件工具条上“停止”按钮可停止数据采集。
   可以在数据捕获之前，数据捕获当中或数据捕获之后在“数据过滤区域”中设置不同的过滤条件，以快速获得需要的数据包。
   选择“文件”菜单的“保存”命令，可将捕获的数据保存为扩展名是.USB的二进制文件；
   选择“文件”菜单的“导出”命令，可将过滤后的数据保存为扩展名是.USB的二进制文件。

性能指标

1、 监控USB端口：；USB2.0 High Speed

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

3、 采集端消耗电流：＜8mA

4、兼容于所有USB2.0 的三种速度；

5、于测试速度下自动发现链接；

6、USBbus 状态与低阶protocols 的量测；

7、支持每个研发人员均可拥有一部的可负担价格；

8、非侵入式分析；

9、小型但强健的封装，电源由USB 供给；

10、绝佳的Off－Site 介入；

11、以高速USB2.0 连接实时地下载分析的数据；
12、可加附式(Scalable) 设计的硬件；

13、可显示Transactions 与传输的层级(Transfers Layers)；
14、需求及描述元(Descriptor) 之高阶解码；
15、功能强大的显示过滤器；
16、可以多种形式(XML 、text 、raw 等等)输出分析过的数据；
17、有条理的明细表显示；
18、有软件开发套件可利用；
19、免费的Viewer 软件。

USB协议分析仪在实际USB连通中的作用

在现代电子设备中，越来越多的使用USB接口，不仅因为其使用方便，即插即拔，更因为其价格低廉，协议开放，而广泛使用在各种电子设备上，并且已经发展为不可缺少的一种接口形式。但USB接口的开发过程中，对于工程师来说还是会遇到这样或那样的问题，如何提高调试效率，缩短研发周期，就需要一种调试测试工具——USB协议分析仪。

USB协议分析仪

USB协议分析仪是协议层的分析工具，是测试设备的一种。对于USB这种高速串行总线来说，仅仅进行物理层测试是远远不够的，由于在高低电平中寓含着丰富的指令，传递着大量信息。所以对于USB传输协议就需要专用的USB协议分析仪来分析测试，USB协议分析仪是按照标准的USB协议来分解数据，将包含有用信息的数据提取出来，并解释这些数据的含义。随着设备之间传递数据速度的不断提高，越来越多的高速串行总线被使用，如SATA、SAS、Ethernet、FC等等，这些高速串行总线也同样有其协议分析工具。

为了让读者更好的了解USB协议分析仪的功能与用途，本文列举一个调试USB通信的小例子。

实验环境

如图所示，左侧计算机安装USB协议分析仪软件，加上USB协议分析仪主机构成USB协议分析系统。DE2实验板作为USB设备，右侧计算机安装应用程序对DE2进行操作。我们主要关心安装有应用程序的计算机与DE2实验板之间的USB通信是否正常，并且希望了解这个通信过程是怎样完成的。

DE2实验板是教学过程中使用的开发板，针对USB通信接口部分有一片接口控制芯片，可通过加载固件程序控制USB数据传输，对于USB开发工程师来说，编写固件程序是实现USB通信的重要部分，但很难验证固件程序是否正确，是否按照工程师的意愿执行。在PC端安装有应用程序控制实现哪些功能，是在设备底层还需要编写驱动程序，确保可实现USB通信，在生产研发中，驱动程序部分和应用程序部分大多由软件工程师完成，所以USB协议分析仪是硬件工程师和软件工程师都需要的测试设备。

USB协议分析仪是按照USB协议，将总线上的信号翻译成数据，再将数据逐层解析，分析其传输数据的含义。在这个过程中，可将USB传输过程中的错误明确的指示出来，用户可根据上下文关系找到问题所在。

 分析过程

在本实验中，如图所示，PC端应用程序的主要功能是：按下ADD键，给DE2发送加1的指令，显示在DE2实验板的液晶显示屏上；按下CLEAR键，给设备发送清零的指令，DE2实验板的液晶显示屏上的显示为00；通过这个简单的应用程序，我们可以了解实验板上USB固件程序，计算机上USB驱动程序是否可以正确工作。

如图所示，在应用程序的源程序中，点击ADD，发送的数据为“AA AB AC AD AE AF A0 A1”，这个就是我们要在USB通信过程中需要传输的数据。传输了这一组数据也就表示传输了ADD指令。

点击ADD键发送的指令数据：

AA AB AC AD AE AF A0 A1
 

下面，我们用Ex200来捕获发送的ADD指令数据以及其前后过程。分析捕捉到的数据搜索到DATA0，DATA1数据包内容皆为“AA AB AC AD AE AF A0 A1”，与源代码一致。如图所示，为DATA0数据包的内容。我们每次按下ADD控件，就可以捕获到这一组数据，这说明USB通信没有问题，可以进行下一步的大数据量传输与通信。

又如图所示，在应用程序的源程序中，点击CLEAR，发送的数据为“55 55 5C 5D 5E 5F 50 51”，这个就是我们要在USB通信过程中需要传输的数据。传输了这一组数据也就表示传输了CLEAR指令。：

点击CLEAR键发送的指令数据：

55 55 5C 5D 5E 5F 50 51
 
 
我们用Ex200来捕获发送的CLEAR指令数据以及其前后过程。分析捕捉到的数据搜索到DATA0，DATA1数据包内容皆为“55 55 5C 5D 5E 5F 50 51”，与源代码一致。如图所示，为DATA0数据包的内容。我们每次按下CLEAR控件，就可以捕获到这一组数据。

另外，USB协议分析仪是一种很好的学习USB协议的工具，如图所示，通过USB协议分析仪可分析并了解USB设备枚举过程，在教学中可以生动地说明USB通信传输过程，在实际研发中，也可提高效率，缩短开发周期。

小结

       USB协议分析仪是在USB开发过程中必不可少的工具，在研发过程中起到事半功倍的效果，随着USB通信接口的广泛使用，USB协议分析仪也会成为更普及的测试仪器。经过一段时间的发展，USB协议分析仪也趋于成熟，主机体积更加小巧，不需要外加电源即可工作，软件界面更加人性化，让人一目了然。USB协议从1.0到2.0，再到最新的USB3.0，协议分析仪也会追随USB协议发展的脚步，支持所有版本的测试。