USB学习笔记--基本介绍

1.1 USB的拓扑结构

USB是一种主从结构的系统，主机叫做host，从机叫做device。

通常所说的主机具有一个或者多个USB主控制器（host controller）和根集线器（root hub），主控制器主要负责数据处理，而根集线器则提供一个连接主控制器与设备之间的接口和通路。

另外，还有一种特殊的USB设备——USB集线器（USB hub），它可以对原有的USB口进行数量上的扩展，可以获得更多的USB口。

注：集线器只能扩展出更多接口的USB口，而不能扩展出更多的带宽。带宽是共享一个USB主控制器的。

USB的数据交换只能发生在主机与设备之间，主机与主机，设备与设备之间不能直接互连和交换数据。所有的数据传输都由主机主动发起，而设备只是被动的负责应答。

1.2 USB的电气特征

标准的USB连接线使用4芯电缆：5V电源线（Vbus），差分数据线负（D-），差分数据线正（D+）及地（GND），在USB_OTG中，又增加了一种MINI USB接口，使用的是5条线，比标准USB线多了一条身份识别线，USB使用差分传输模式，D-与D+为两条数据线，在低速传输模式，采用电压传输，在高速模式下，采用的电流传输。

USB使用NRZI编码方式，当数据为0时，电平翻转，数据为1时，电平不翻转，为了防止长时间电平不变化，在发送数据前要经过位填充处理，即当遇到连续6个数据1时，就强制插入一个数据0，经过位填充后的数据，由串口引擎（SIE）将数据串行化和NRZI编码后，发送到USB差分数据线上。在接收端，刚好是一个相反的过程。接收端采样数据线，有SIE将数据并行化（反串行化），然后去掉填充位，恢复出原来的数据。

USB协议规定：设备在未配置之前，可以从Vbus上最多获取100mA的电流，在配置之后，最多可从Vbus上获取500mA的电流。

USB中Vbus引脚与GND引脚比D-与D+引脚长，这是为支持热插拔而专门设计的，当USB插入时，先接通Vbus和GND，而后接通D-和D+，拔出时，先断开数据，再拔掉电源，避免有数据无电源。

USB规定，Vbus为红色，D-为白色，D+为绿色，GND为黑色。

1.3 USB插入检测机制

USB集线器的每个下游端口的D-和D+上，分别接了一个15kΩ的下拉电阻到地。当集线器的端口悬空（即没有设备插入）时，输入端就被这两个下拉电阻拉倒了低电平。而在USB设备端，在D-或者D+上接了一个1.5kΩ的上拉电阻，到3.3V电源。1.5kΩ的上拉电阻是接在D+还是D-上，由设备的速度来决定，对于全速设备和高速设备，上拉电阻是接在D+上的，而低速设备的上拉电阻则是接在D-上。即，速度快的，上拉电阻接正的，速度慢的，上拉电阻接负的。

当设备插入到集线器时，接了上拉电阻的那条数据线的电压由1.5kΩ的上拉电阻和15kΩ的下拉电阻分压决定，结果大概是3V左右。这对集线器的接收端来说，是个高电平信号，集线器检测到这个状态后，它就报告给USB主控制器（或通过它上一层的集线器报告给USB主控制器），这样就检测到设备的插入了。集线器根据检测到被拉高的数据线是D-还是D+来判断输入的是什么速度类型的设备。USB高速设备先是被识别为全速设备，然后通过集线器和设备两者的确认，再切换到高速模式。在高速模式下，是电流传输模式，这是要将D+上的上拉电阻断开。

1.4 USB的描述符

USB只是一个总线，只提供一个数据通路。一个USB设备只有一个设备描述符。

由端点构成一个接口（或接口是端点的集合），由接口又构成一个配置（或配置是接口的集合），再由配置构成一个设备（或设备是配置的集合）

1.5 USB设备枚举过程

USB主机在检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了，枚举就是从设备读取各种描述符信息，这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序，从而识别设备，进行通信。

USB的一种传输模式——控制传输。控制传输分为：建立过程，可选的数据过程以及状态过程。

建立过程是由USB主机发起的，它开始于一个SETUP令牌包，后面紧跟一个DATA0数据包，接着就时数据过程。如果是控制读传输，那么数据过程就是输入数据，如果是控制写过程，那么数据就是输出过程，如果在建立过程中，指定了数据长度为0，则没有数据过程，数据过程之后是状态过程。状态过程刚好与数据过程的数据传输方向相反；如果是控制读传输，则状态过程是一个输出数据包，如果是控制写过程，则状态是一个输入状态包。状态过程用来确认所有的数据是否都已经正确传输完成。

枚举的详细过程：

①USB主机检测到USB设备插入后，就会先对设备复位。USB设备在总线复位后其地址为0，这样主机就可以通过地址0和那些刚刚插入的设备通信。USB主机往地址为0的设备的端点0发送获取设备描述符的标准请求（这是一个控制传输的建立过程）。设备收到该请求后，会按照主机请求的参数，在数据过程将设备描述符返回给主机。主机在成功获取到一个数据包的设备描述符并且确认没有错误后，就会返回一个0长度的确认数据包（状态过程）给设备，从而进入到接下来的设备地址阶段。这里需要注意的是，第一次主机也是只发送一次数据输入请求，多余的数据将不会再次请求。因此，如果当设备端点0大小不足18字节时，就需要注意到这个问题。也就是说在第一次获取设备描述符时，只需要返回一次数据即可，不要再等主机继续获取剩余数据（如果还有），因为主机不会这么干，当主机成功获取到设备描述符的前8字节之后（USB协议规定端点0最大包长至少要8个字节），它就知道端点0的最大包长度了，因为端点0最大包长度刚好在设备描述符的第八字节处。

②主机对设备又一次复位。这时就进入到了设置地址阶段。USB主机往地址为0的设备的端点0发出一个设置地址的请求（控制传输的建立过程），新的设备地址包含在建立过程的数据包中，具体的地址由USB主机负责管理，主机分配一个唯一的地址给刚接入的设备。USB设备在接收到这个建立过程之后，就直接进入到状态过程，因为这个控制传输没有数据过程。设备等待主机请求状态返回（一个输入令牌包），收到输入令牌宝后，设备就返回0长度的状态数据包。如果主机确认该状态包已经正确收到，就会发送应答包ACK给设备，设备在收到这个ACK之后，就要启用新的地址了，这样设备就分配到了一个唯一的设备地址，以后主机就通过它来访问设备。

③主机再次获取设置描述符。这次跟第一次有点不一样，首先是主机不再使用地址0来访问设备，而是新的设备地址；另外，这次需要获取全部的18字节的设备描述符。如果你的端点0最大包长小于18字节，那就会有多次请求数据输入（即发送多个IN令牌包）。

④主机获取配置描述符。配置描述符总共为9字节。主机在获取到配置描述符后，根据配置描述符中所描述的配置集合总长度，获取配置集合。获取配置描述符和获取配置描述符集合的请求差不多，只是指定的长度不一样。

1.6 USB的包结构及传输过程

USB是串行总线，使用的是LSB在前的方式，即先出来的是最低位数据，接下来的是次低位，最后是最高位（MSB）。一个包又被分成很多个域，而LSB、MSB就是以域位单位来划分的。

USB总线上传输数据是以包位基本单位的，一个包被分成不同的域。不同类型的包，被分成不一样的域。它们有共同的特点，都要以同步域开始，紧跟着一个包标识符PID，最终以包结束符EOP来结束这个包。

同步域是用来告诉USB的串行接口引擎数据要开始传输了，同步域还可以用来同步主机端与设备端的数据时钟，因为同步域是以一串0开始的，而0在USB总线上就被编译为电平翻转，结果就是每个数据位都发生电平变化，这让串行接口引擎很容易就能恢复出采样时钟信号；对于全速设备和低速设备同步域使用的是0000001，对于高速设备，同步域使用的是31个0，后面跟着1个1。

包结束符EOP，对于高速设备和全速/低速设备也是不一样的。全速/低速设备的EOP是一个大约为2个数据位宽度的单端0（SE0）信号，SE0的意思就是，D+和D-同时都保持为低电平。由于USB使用的是差分数据线，通常都是一高一低的，而SE0不同，是一种都为低的特殊的状态。SE0用来表示一些特殊的意义，例如包结束、复位信号等。前面提到USB集线器对USB设备进行复位的操作，就是通过将总线设置为SE0状态大约10mS来实现的。对于高速设备的EOP，使用故意的位填充错误来表示，是由CRC校验来判断。如果CRC校验正确，则说明这个位填充错误时EOP；否则，说明传输错误。

包标识符PID是用来表示一个包的类型的，它总共有8位，其中USB协议使用的只有4位（PID0~PID3），另外4位（PID4~PID7）是PID0~PID3的取反，用来校验PID。USB协议规定了4类包：令牌包（token packet，PID1~0为01）、数据包（data packet，PID1~0为11）、握手包（handshake packet，PID1~0为10）、特殊包（special packet，PID1~0为00）。

令牌包用来启动一次USB传输。因为USB是主从结构的拓扑结构，所有数据都是由主机发起的，设备只能被动地接听数据。令牌包有4种，分别为输出（OUT），输入（IN），建立（SETUP）和帧起始（SOF）

输出包用来通知设备将要输出一个数据包。

输入包用来通知设备返回一个数据包。

数据包是用来传输数据的，具有相同的结构：一个同步域，后面跟整数字节的数据，然后是CRC16检验，最后是包结束符EOF

握手包是用来表示一个传输是否被对方确认。握手包只有同步域，PDI和EOP。

特殊包是一些特殊场合使用的包。

1.7 USB的四种传输类型

①USB事务，事务通常由两个或者三个包组成：令牌包、数据包和握手包。

②批量传输，批量传输使用批量事务传输数据。一次批量事务有三个阶段：令牌包阶段，数据包阶段和握手包阶段。批量传输通常用在数据量大，对数据的实时性要求不高的场合，例如，USB打印机，扫描仪、大容量存储设备。

③中断传输，中断传输是一种保证查询频率的传输。中断端点在端点描述符中要求报告它的查询间隔，主机会保证在小于这个时间间隔的范围内安排一次传输。主要用于键盘，鼠标等设备。

④等时传输，等时传输（同步传输）用在数据量大、对实时性要求高的场合，例如，音频，视频设备。

⑤控制传输，控制传输分为三个过程：第一个过程是建立过程，第二个过程是可选的数据过程，第三个过程是状态过程。

对于控制传输的端点，低速模式最大包长固定为8个字节，高速模式最大包长固定为64字节，而全速模式可在8,16,32,64字节中选择

对于等时传输的端点，全速模式最大包长上限为1023字节，高速模式最大包长上限为1024字节，低速模式不支持等时传输

对于中断传输的端点，低速模式最大包长上限为8字节，全速模式最大包长上限为64字节，高速模式最大包长上限为1024字节

对于批量传输的端点，高速模式固定为512字节，全速模式最大包长可在8,16,32,64字节中选择，低速模式不支持批量传输。