第9课【USB协议】USB总线 接口 端点 管道 数据包 枚举 STM32_USB-FS-Device_Lib V4.1.0

简介

USB（Universal Serial Bus）通常指通用串行总线，日常生活中常见的计算机USB集线器控制器，手机等终端设备，USB线缆等，都是用了USB进行连接。USB技术体系规定了USB总线规范和USB通信协议，这意味着只要遵循USB技术要求制作的设备，都能通过USB总线进行通信。其中USB2.0规范是目前较为广泛被运用，且易于理解的，以下内容都以USB2.0为主线，穿插USB3.X，USB4.0的形式进行讨论

背景

在过去，计算机为了连接不同需求不同速度的外部设备（包括鼠标，键盘和打印机，扫描仪这类通用输入输出设备，还有其他诸如拥有特殊功能的专用设备），通常会预留很多设备接口，多样化接口解决不同设备连接需求的同时，也带来了新的问题：

• 不支持热插拔：很多接口的连接需要经过【关闭计算机->连接设备->开启计算机】的复杂流程
• 排障流程复杂：多样化的接口和通信协议，给开发者开发，消费者的使用都带来了一定了门槛

那为何不开发出一个通用的协议标准，统一计算机外设的硬件连接接口和数据传输协议。在1994年底，Intel联合Microsoft，IBM，Compaq，NEC等公司推出USB总线规范

特点

USB协议的目标，就是要解决以下+历史问题：

• 支持热插拔：计算机无需关机即可同外设连接
• 即插即用：在操作系统支持的情况下，会自行搜索并安装通用的设备驱动
• 拓展性强：同时支持多种外设，例如鼠标，键盘，摄像头，打印机，麦克风等。开发者甚至可以自己定义外设
• 支持多种传输速率：支持低速（1.5Mb/s），全速（12Mb/s），高速（480Mb//s），以及超高速（5Gb/s+）

版本

经过二十几年的发展，USB协议已经迭代了多个版本，分别是：

协议版本	更新内容
USB1.X	USB1.0发布于1996年，传输速率为1.5Mb/s，USB1.1发布于1998年，传输速率提升到12Mb/s。USB1.X提供了对HUB和HID设备的支持
USB2.0	USB2.0发布于2000年，传输速率提升到了480Mb/s。USB2.0相当于是USB1.X的升级版
USB3.X	USB3.0发布于2008年，传输速率提升到了5Gb/s，USB3.1发布于2013年，传输速率提升到了10Gb/s。USB3.X都提供对USB2.0设备和接口的向后兼容，此外USB3.X还提供了电源支持
USB4.0	USB4.0是当前最新的USB协议，发布于2019年，传输速率达到了惊人的40Gb/s。USB4.0提供了对USB3.X和USB2.0的向后兼容，此外USB4.0还提供了ThunderBolt 3协议支持

数据流模型

总线拓扑结构

USB总线系统是主从式结构的，它可以由一个主机和一个/多个从机构成：

• 主机一般被称为Host，Host一般会有一个USB主控制器（用于处理数据传输）以及一个USB根集线器（用于同从机之间进行物理连接）
• 从机一般被称为Device，一般就是指USB功能设备（发挥指定用途）或USB集线器（用于拓展USB接口）

数据传输一般只能在主机和从机之间进行，主机与主机，从机与从机之间一般是不能进行数据交换的。

USB OTG（On The Go）技术
该技术在物理连接上多使用了一根ID数据线，用作身份标识。使用此技术的设备可以在主机和从机之间切换。例如支持USB OTG技术的手机，在连接计算机时可以当作从机，当使用专用数据线同USB设备连接时有又可以作为主机，可外接USB设备包括U盘，键盘等
但从本质上讲，USB OTG技术依旧是遵循主从结构的

数据传输是由主机进行主导的，从机只是被动地进行应答，无论是输入/输出数据，都是由主机端发起，从机收到主机的请求后，按照要求执行对应操作

以下是USB总线系统的拓扑结构图：

结合拓扑图，可以很好地理解USB总线系统的特点：

• 整个系统以Host的根集线器为中心：这恰巧也诠释了USB主从模式的结构，主机是整个USB总线的中心
• USB集线器最多可以串联5个：由于低层的集线器或从机进行数据传输时，都是共享的上一层集线器的带宽，过多的集线器串联会导致每个设备分配到的带宽变小。同时，过多的集线器串联可能会导致每个从机的供电量变小，不正常运行
• 总线上最多能连接127个从机：USB协议规定，每个初始化成功的USB从机（USB功能设备和USB集线器）都必须有一个唯一的7位二进制地址，这就意味着理论上，单个USB根集线器下最多可以连接2^7=128个从机（除去特殊的地址0，地址0既是USB根集线器的默认地址，也是未初始化从机的临时地址）

地址0被USB根集线器和未初始化的从机临时使用，会出现冲突吗？
不会，当所有的从机都未初始化时（包括根集线器），USB主机会先对根集线器进行初始化，因为此时物理上只有根集线器同主机相连，在根集线器初始化中和初始化完成后，都以地址0作为自身的默认地址。而当根集线器初始化完毕后，主机会开始初始化根集线器下的设备，根集线器下的设备未初始化时的默认地址都会是地址0，但这和根集线器自身地址为地址0并不冲突，因为此时通过地址0同未初始化的设备通信，本质上是通过根集线器（地址0）间接的同USB从机通信


USB总线系统实际上真的可以连接127个从机吗？
不可以，可连接从机数量是要比127少的。因为要考虑以下因素

• 电力约束：过多USB集线器串联会导致电力供应不足，部分从机可能会不能正常工作
• 总线带宽：连接过多USB从机时，总线带宽的分配会变得十分有限，导致数据传输出现问题
• 总线长度：这里的长度指的是物理长度，USB线过长会导致电信号质量变差，数据包丢包变多
• USB集线器占位：USB集线器也会占用地址，所以实际上真正能发挥作用的从机会更少

综上来说，USB总线上连接的设备是会受到多种因素的限制的（对于USB3.0没有这种限制）

主/从设备通信流

从总线拓扑图的结构中，单独对一对USB主机/从机进行数据传输分析。从逻辑上看，它们的关系可以抽象成下图，USB主机通过用户端软件中的Buffer，通过USB总线提供的管道，和USB从机上的多个端点进行连接。USB主机/从机间的数据传输，其实就是通过用户端软件的Buffer和端点进行数据交换

其中有两个比较重要的抽象概念，端点和管道：

端点

端点是USB从机中可以收发数据的最小单位，你可以将端点理解为用于数据传输的Buffer。本质上，每个USB从机在逻辑上都可以理解为多个端点的集合，其中的多个端点都是相互独立的。通过设备地址+端点地址，USB主机可以准确的定位到端点（此处可以结合USB数据格式中的设备地址进行理解），从而进行数据交换

端点分为：

• 控制端点：USB从机都必须有一个控制端点：端点0，用于对设备进行枚举，以及对设备进行一些基本的控制。它的数据传输方向是双向的，而其他的普通端点的数据方向都是单向的
• 普通端点：USB从机除了控制端点外，可以有一个或多个普通端点。低速从机做多可以有2个，高速和全速从机最多可以有15个。普通端点需要在设备配置之后才能进行数据传输

管道

管道是USB主机和USB从机之间数据传输的模型，共有两种类型的管道：

• 无