USB学习笔记（1）初始USB

本文主要是简要概述一下USB系统，让初学者对USB系统有一个大致的认识，

1. USB是什么？

USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）的缩写；
支持具有热拔插，并且是即插即用PnP（Plug and Play）的特性；
USB是主从模式的结构；
USB OTG，同一个设备在不同的场合下可以在主机和从机之间切换；
目前USB最新的协议是USB4.0

2. 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（也叫做设备）;

通常主机具有一个或多个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，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；还有另一类特殊的USB设备–USB集线器（USB hub），它可以对原有的USB口在数量上进行扩展，获得更多的USB口；需要注意的是。集线器只能扩展出更多的接口的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学习笔记（1）初始USB

3. USB的电气特性

标准的USB线是使用4芯电缆：5V电源线，差分数据线负（D-），差分数据线正（D+）以及GDN地，在USB OTG中又增加一条识别身份的ID线，主要用于确认接连的两个机器，谁做主机，谁做设备。

USB使用的差分传输模式，在USB低速和全速模式中，采用的是电压传输模式，而在高速模式下采用的是电流传输模式。

USB使用的是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。为了防止出现长时间的电平不变化，在发送数据前要经过位填充处理（当遇到连续6个数据1时，就强制插入一个数据0）。初学者只需要大概知道他们的传输方式就好了，这些工作USB芯片已经做了，不需要深究。

4. USB的插入检测机制

在USB集线器的每个下游端口的D+和D-上，分别接了一个15K的下拉电阻到地，这样当集线器的端口没有设备插入的时候，D+和D-就被这两个下拉电阻拉到了低电平，所以默认集线器默认时低电平。而在设备端，在D+或者D-上接了一个1.5K的上拉电阻到3.3V电源（全速设备和高速设备上拉电阻接到D+，低速设备上拉电阻接到D-）。当设备插入到集线器时，接了上拉的数据线与USB集线器的下拉电阻分压，最终时3V左右，对于集线器来说是个高电平。集线器检测到这个状态后，它就报告给USB主控制器，这样就检测到了有设备插入。

5. USB的协议了解

USB总线只是提供主机与设备之间通讯的数据通路，关于主机与设备之间怎么通讯的，设备实现的具体功能，是需要通过USB协议实现的。USB协议的内容比较复杂，本节只提取部分内容进行描述。

1. 描述符

简单理解，描述符就是设备告诉主机，设备能实现的功能，设备的信息等。描述符可以分为：

设备描述符(Device Descriptor)：设备描述符主要记录设备所使用的USB协议版本号，设备类型，端点0的最大包大小，厂商ID(VID)，产品ID(PID)，设备版本号，厂商字符串索引，产品字符串索引，设备***索引，可能的配置数等。
配置描述符(Configuration Descriptor)：配置描述符主要记录配置所包含的接口数，配置的编号，供电方式，是否支持远程唤醒，电流需求量等。
接口描述符(Interface Descriptor)：接口描述符主要记录接口的编号，接口的端点数，接口所使用的类，子类，协议等。
端点描述符(Endpoint Descriptor)：端点描述符主要记录端点号及方向，端点的传输类型，最大包长度，查询时间间隔等。
字符串描述符(String Descriptor)：字符串描述符主要是提供一些文字信息给用户阅读。
类特殊描述符（HID描述符）：HID描述符属于类特殊描述符的一种，HID是Human Interface Device的缩写，可以理解成人机交互设备，HID设备也是后面我们用到最多的一种设备，比方说鼠标，键盘等。
报告描述符(Report Descriptor)：报告描述符主要是为了描述报告的结构及用途。“报告”就是HID设备与主机进行通讯的媒介。
…

后面还会对描述符进行大篇幅的描述，这里先大致了解一下。

2. 包结构

USB总线上传输数据是以包为基本单位，一个包包含多个域，不同类型的包包含的域也不一样，但是它们都是以一个同步域开始，后面接一个包标识符（PID），最终以包结束符（EOP）结束这个包。简单理解，同步域就是告诉USB总线，要开始传输数据了，包结束符就是告诉USB总线，这个包的数据已经发送完毕了。而包标识符就是用来说明这个包是什么类型的包，分为四种包：

令牌包（token packet）：令牌包用来启动一次USB传输，所有的数据传输都是由主机发起的，设备只能被动接听数据，这就需要主机发送一个令牌包来通知哪个设备进行响应，如何响应
数据包（data packet）：顾名思义就是用来传输数据
握手包（handshake packet）：握手包用来表示一个传输是否被对方确认。需要注意的是，返回NAK并不是表示数据出错，只是说明设备目前没有数据接收能力。当USB主机或者设备检测到数据出错时，将说明都不返回，这个等待握手的一方就会收不到握手包从而等待超时
特殊包（special packet）：需要了解的可以去百度资料，这里不做讲述

PID类型	PID名	说明
令牌包	OUT	通知设备主机将要输出一个数据包，主机发送数据给设备
	IN	通知设备返回一个数据包，设备发送数据给主机
	SOF	通知设备这是一个帧起始包，SOF令牌包后面不跟数据包，其他令牌包都需要跟数据包
	SETUP	通知设备将要开始一个控制传输，和OUT包一样，都是告诉设备将要输出一个数据包，SETUP令牌包后面只使用DATA0数据包，且只能发到设备的控制端点，并且设备必须接收
数据包	DATA0
	DATA1
	DATA2	主要用在高速分裂事务和高速高带宽同步传输中
	MDATA	主要用在高速分裂事务和高速高带宽同步传输中
握手包	ACK	确认，表示正确接收数据，并且有足够的空间来容纳数据，设备和主机都可以发送ACK来确认，而NAK，STALL，NYET只有设备能够返回
	NAK	不确认，表示没有数据需要返回，或者数据正确接收到数据，但是没有足够的空间容纳他们，当主机接收到NAK时，知道设备还没准备好，主机会在以后合适的时机进行重新传输
	STALL	挂起，表示设备无法执行这个请求，或者端点已经被挂起了，他表示一种错误状态。
	NYET	未准备好，在USB2.0高速设备输出事务中使用，他表示设备本次数据成功接收，但是没有足够的空间接收下一次数据，主机在下一次输出数据的时候，将先用PING令牌包来试探设备是否有足够的空间接收数据
特殊类	PRE	前导（令牌包）
	ERR	错误（握手包）
	SPLIT	分裂事物（令牌包）
	PING	PING测试（令牌包）

一般USB芯片都会自动辨识各种包的类型，数据包切换，握手等协议。开发者一般不需要去关心这些，比方说USB芯片接收到了一个包，如果有空间接收就会自动返回ACK包，如果没有空间，则返回NAK包。开发者只需要通过USB芯片的数据手册，读取当前包类型，以及数据需要我们做的事情，相对应的完成就好了。

3. 传输类型

包是USB总线上传输的基本单位，但是我们不能随意的使用包来传输数据，必须按照一定的关系把这些包组成事务来传输数据。

事务通常是由2个或者3个包组成：令牌包，数据包和握手包

令牌包用来启动一个事务，总是由主机发送

数据包传送数据，可以从主机到设备，也可设备到主机，具体的方向由令牌包决定

握手包的发送者通常为数据接收者。

USB协议规定了4种传输类型：

批量传输（bulk transaction）：批量传输通常用在数据量大，对数据实时性要求不高的场合，比方说，打印机，U盘。
同步传输（isochronous transaction）:同步传输用在数据量大，对实时性要求高的场合，对数据准确率不用100%高的场合，比方说音频设备，视频设备。
中断传输（interrupt transaction）：它不是由设备主动发出的中断请求，而是主机保证在一段时间间隔安排一次传输，比方说鼠标，键盘。
控制传输：最复杂，为了保证数据的传输过程的数据完整性

其中，批量传输，同步传输，中断传输每传输一次数据都是一个事务；控制传输包括3个过程：建立过程，数据过程，状态过程，其中，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程可能是多个事务。

建立过程：建立过程使用SETUP令牌包，数据包类型只使用DATA0包，握手包，设备只能使用ACK来应答。
数据过程：这个过程不是必须的，第一个数据包必须是DATA1，后面DATA0和DATA1交替。
状态过程：与前面的过程的传输方向相反，表示本次传输结束。状态过程只使用DATA1

4. 端点和端点0

端点构建了主机与设备之间通讯的桥梁，主机与设备之间传输数据都是通过端点传输的，一般一个设备至少有一个端点，每个端点都明确规定了支持的最大包长。

端点0是每个USB设备都必须具备的默认控制端点，它一上电就存在并且可用，设备的各种描述符以及主机发送的一些命令（枚举过程）都是通过端点0来传输的。

6. USB设备的枚举过程

USB主机在检测到USB设备插入之后，就要对设备进行枚举；

枚举就是主机从设备读取各种描述符信息，设备告诉主机设备的具体功能。

设备的枚举过程使用的传输模式是控制传输，控制传输分为3个过程：建立过程，可选的数据过程，状态过程；

枚举详细过程：

设备复位：USB主机检测到USB设备插入后，对设备进行复位处理；刚插入USB总线的设备都是通过地址0来与主机通讯。

获取设备描述符：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（建立过程）；设备在收到标准请求之后，将设备描述符发送给主机（数据过程）；主机收到设备描述符之后，发送长度为0的数据包给设备（状态过程）；需要注意的是，标准的设备描述符是18个字节，但是主机第一次只会获取设备描述符的前八个字节。

设置地址阶段：主机会对设备再次复位，随后进入到设置地址阶段，主机往地址为0的设备的端点0发送设置地址请求（建立过程）；设备在收到请求之后，保存请求里面主机发送的地址信息，然后设备将获取到的新地址设置成自己的地址（以后主机就通过这个地址来访问此设备），并发送长度为0的数据给主机（状态过程），此阶段没有数据过程。

主机再次获取设备描述符：这次主机通过新的地址访问设备，并再次发送获取设备描述符的标准请求，这一次，设备就需要把18个字节的完整的设备描述符信息发送给主机。

获取配置描述符：主机在获取到了完整的设备描述符之后，会发送获取配置描述符的标准请求，此时设备会发送9个字节的配置描述符给主机。

获取配置描述符集合：在后面我们会讲到设备的配置描述符，接口描述符，类特殊描述符，端点描述符等，会以一个集合的方式放在一起，主机在获取到配置描述符信息之后（里面包好了配置描述符集合总长度），主机会再次发送一个获取配置描述符的标准请求，此时需要设备返回的数据的总长度就是配置描述符集合的总长度，所以，我们将完整的配置描述符集合信息发给主机。

获取字符串描述符：如果在前面的配置描述符里面填了字符串索引，那么主机会发送获取字符串描述符的标准请求，设备根据索引值，发送相应的字符串描述符。

报告描述符：如果是HID设备，主机还会发送获取报告描述符的标准请求，设备返回相应的信息即可。

需要注意的是，不同的USB芯片的枚举过程可能有所区别，但是大致的流程基本都差不多，完成了枚举过程，主机和设备之间的通讯的前期准备工作基本就完成了。