USB基础知识 - 爱码网

1. USB基础知识

1.1.完整USB系统

上面都是站在host controller的层次上，说的是实实在在的物理拓扑。

对于系统软件来说，所有的hub和设备都被看作是一个个的逻辑设备。一个USB逻辑设备就是一群端点（endpoint）的集合，它与主机之间的通信发生在主机上的一个缓冲区和设备上的一个端点之间，通过管道来传输数据。意思就是管道的一端是主机上的一个缓冲区，一端是设备上的端点。

USB端点被捆绑为接口（Interface），一个接口代表一个基本功能。一个设备可以包括多个接口，一个接口可以具有多个端点。

1.2.端点

端点位于USB 外设内部，所有通信数据的来源或目的都基于这些端点，是一个可寻址的FIFO。而主机和endpoint之间的数据传输是通过pipe。每个USB 外设有一个唯一的地址，可能包含最多十六个端点。主机通过发出器件地址和每次数据传输的端点号，向一个具体端点(FIFO)发送数据。每个端点的地址为0 到15，一个端点地址对应两个个方向。所以，端点2-IN 与端点2-OUT 完全不同。每个USB设备有一个默认的双向控制端点0，因此不存在端点0-IN 和端点0-OUT。
端点是有方向的，从usb主机到设备称为out端点，从设备到主机称为in 端点。
pipe代表着一种能力，在主机和设备上的端点之间移动数据，pipe的一端是端点，另一端是主机。
USB endpoint有四种类型，也就分别对应了四种不同的数据传输方式。它们是控制传输（Control Transfers），中断传输（Interrupt Data Transfers），批量传输(Bulk Data Transfers)，等时传输(Isochronous Data Transfers)

1.3.帧

时间概念，帧是对于低速和全速模式来说的,一帧就是1ms，对于高速模式的称呼是微帧,一个微帧为 125 微妙，每帧或微帧会传多个packet。

1.4.USB的传输线结构

一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+和D-是差分输入线，它使用的是3.3V的电压，而电源线和地线可向设备提供5V电压，最大电流为500MA。

1.5.数据是如何在USB传输线里面传送的

数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。

1.6.USB的数据格式

数据由域构成包，再有包构成事务，最后由事务构成传输

1.6.1. 域

同步域（SYNC）：八位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步。
标识域（PID）：由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式（令牌包、数据、握手包和特殊包）。可以算出USB的标识码有16种：

令牌包：

0x01 输出(OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号

0x09 输入 (IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号

0x05 帧起始（SOF）表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号

0x0d 设置（SETUP）启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化

数据包：

0x03 偶数据包（DATA0），

0x0b 奇数据包（DATA1）

握手包：

0x02 确认接收到无误的数据包（ACK）

0x0a 无效，接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息

0x0e 错误，端点被禁止或不支持控制管道请求

特殊包：

0x0C 前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输

地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因
端点域（ENDP）：四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。
帧号域（FRAM）：11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x7ff，对于同步传输有重要意义
数据域（DATA）：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同。
校验域（CRC）：对令牌包和数据包中非PID域进行校验的一种方法。

1.6.2. 包（paceket）

由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包。

令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的）

输入包、输出包和设置包的格式：SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5

帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5

数据包：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，DATA0包和DATA1包交替发送，即如果第一个数据包是DATA0，那第二个数据包就是DATA1。但在等时传输中，所有的数据包都是为DATA0。

数据包格式：SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

握手包：

格式：SYNC+PID

1.6.3. 事务（Transaction）

有IN事务、OUT事务和SETUP事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成。

1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务

2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据

3、握手包阶段：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段。

IN事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；

数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应

1）设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）；

2）设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；

3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。

握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

OUT事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——比较简单，就是主机给设备送数据，DATA0与DATA1交替

握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应

1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；

2）设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；

3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。

SETUT事务：

令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；

数据包阶段——比较简单，就是主机给设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令，共有11条。

握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）

1.6.4. 传输

传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、等时传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。

中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中
批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。
同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0
控制传输：控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成。

1、初始设置步骤：就是一个由SETUP事务构成的传输

2、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）

3、状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成的传输

1.7.USB主机是如何识别USB设备

接入态（Attached）：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；
供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）
缺省态（Default）：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；
地址态（Address）：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
配置态（Configured）：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。
挂起态（Suspended）：总线供电设备在3ms内没有总线操作，即USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280UA。

1.8.标准USB设备请求命令

标准的USB设备请求命令是用在控制传输中的SETUP事务中的数据包阶段（即DATA0，由八个字节构成），标准USB设备请求命令共有11个，大小都是8个字节，具有相同的结构，由5个字段构成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号中的数字表示字节数，首字母bm,b,w分别表示位图、字节，双字节）：

bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2）

各字段的意义如下：

bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0

D7=0主机到设备

=1设备到主机；

D6D5=00标准请求命令

=01 类请求命令

=10用户定义的命令

=11保留值

D4D3D2D1D0=00000 接收者为设备

=00001 接收者为设备

=00010 接收者为端点

=00011 接收者为其他接收者

=其他其他值保留

bRequest

USB_REQ_GET_STATUS 0x00用来返回特定接收者的状态

USB_REQ_CLEAR_FEATURE 0x01用来清除或禁止接收者的某些特性

USB_REQ_SET_FEATURE 0x03用来启用或激活命令接收者的某些特性

USB_REQ_SET_ADDRESS 0x05用来给设备分配地址

USB_REQ_GET_DESCRIPTOR 0x06用于主机获取设备的特定描述符

USB_REQ_SET_DESCRIPTOR 0x07修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符

USB_REQ_GET_CONFIGURATION 0x08用于主机获取设备当前设备的配置值

USB_REQ_SET_CONFIGURATION 0x09用于主机指示设备采用的要求的配置

USB_REQ_GET_INTERFACE 0x0A用于获取当前某个接口描述符编号

USB_REQ_SET_INTERFACE 0x0B用于主机要求设备用某个描述符来描述接口

USB_REQ_SYNCH_FRAME 0x0C用于设备设置和报告一个端点的同步帧

2. descriptor描述符

描述符有设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符描述符。这些描述符之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。

2.1.端点描述符

struct usb_endpoint_descriptor {

__u8 bLength;

__u8 bDescriptorType;

__u8 bEndpointAddress;//方向，端点号

__u8 bmAttributes;//传输类型

__le16 wMaxPacketSize;//只包括了Data包里面数据字段，俗称data payload

__u8 bInterval;

/* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */

/* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */

__u8 bRefresh;

__u8 bSynchAddress;

} __attribute__ ((packed));

2.2.接口描述符

struct usb_interface_descriptor {

__u8 bLength;

__u8 bDescriptorType;

__u8 bInterfaceNumber;

__u8 bAlternateSetting;//接口使用的是哪个可选设置。

__u8 bNumEndpoints;

__u8 bInterfaceClass; //mass storage 的Class就是0x08，hub的Class就是0x09

__u8 bInterfaceSubClass;

__u8 bInterfaceProtocol;

__u8 iInterface;

} __attribute__ ((packed));

2.3.配置描述符

struct usb_config_descriptor {

__u8 bLength;

__u8 bDescriptorType;

__le16 wTotalLength;//所有描述符总长度

__u8 bNumInterfaces;

__u8 bConfigurationValue;

__u8 iConfiguration;

__u8 bmAttributes; //bit 6表示self-powered，bit 5表示这个配置支持远程唤醒

__u8 bMaxPower;

} __attribute__ ((packed));

2.4.设备描述符

struct usb_device_descriptor {

__u8 bLength;

__u8 bDescriptorType;

__le16 bcdUSB;

__u8 bDeviceClass;

__u8 bDeviceSubClass;

__u8 bDeviceProtocol;

__u8 bMaxPacketSize0;

__le16 idVendor;

__le16 idProduct;

__le16 bcdDevice;

__u8 iManufacturer;

__u8 iProduct;

__u8 iSerialNumber;

__u8 bNumConfigurations;

} __attribute__ ((packed));

2.5.字符描述符

3. 一些结构体

3.1.端点

struct usb_host_endpoint

3.2.接口

struct usb_host_interface

struct usb_interface

3.3.配置

struct usb_host_config

3.4.设备

struct usb_device

4. USB设备的生命线

从插上USB设备开始，hub检测到有设备连接了进来，它会为设备分配一个struct usb_device结构的对象并初始化，并调用设备模型提供的接口将设备添加到usb总线的设备列表里，然后usb总线会遍历驱动列表里的每个驱动，调用自己的match函数看它们和你的设备或接口是否匹配。