USB基础知识了解

USB 的重要关键字：

1. 端点：位于 USB 设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送 USB 的各种数据，每
   一个端点都有唯一确定的地址，有不同的传输特性（如输入端点、输出端点、配置端点、
   批量传输端点）。
2. 帧：时间概念，在 USB 中，一帧就是 1ms，它是一个独立的单元，包含了一系列总线动
   作，USB 将 1 帧分为好几份，每一份就是一个 USB 传输动作。
3. 上行、下行：设备到主机为上行，主机到设备为下行。
   Q1：USB 的传输线结构是怎样的？
   一条 USB 传输线分别由地线、电源线、D+和 D-构成。D+和 D-是差分输入线，使用 3.3V
   电压，与 CMOS 的 5V 电平不同。电源线和地线可为设备提供 5V 电压，最大电流为 500mA，
   可在编程中设置。
   Q2：数据是如何在 USB 传输线里传送的？
   数据在 USB 传输线里是由低位到高位发送的。
   Q3：USB 的编码方案是怎样的（了解即可）？
   USB 采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入 0 时就取反，输入 1 时就
   保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在 USB 总线上发送一个包时，传输设备就要进
   行位插入操作（即在数据流中每连续 6 个 1 后就插入一个 0），从而强迫 NRZI 码发生变化。
   Q4：USB 的数据格式是怎样的？
   USB 数据格式是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域（有七种），域再构成包，
   包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输（中断传输、并行传输、批量传输和
   控制传输）。下面简单介绍一下域、包、事务和传输，注意它们之间的关系。
4. 域：是 USB 数据最小的单位，由若干位组成，域可分为七个类型：

1. 同步域（SYNC）：八位，固定值为 0000 0001，用于本地时钟与输入同步；
2. 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（这是
   一个很重要的部分，这里可计算出，USB 的标识码有 16 种，具体分类见 Q5）；
3. 地址域（ADDR）：七位地址，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；
4. 端点域（ENDP）：四位，一个 USB 设备有的端点数最大为 16 个；
5. 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 0x800，
   对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一，见下文）；
6. 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，但必须为整数个字节的长度；
7. 校验域（CRC）：对令牌包和数据包（对于包的分类见下文）中非 PID 域进行校验的
   一种方法，CRC 校验在通讯中应用很广泛，是一种很好的校验方法。CRC 码的除法
   是模 2 运算，不同于十进制中的除法；

2. 包：由域构成的包有四种类型：令牌包、数据包、握手包和特殊包，前三种是重要的包，
   不同的包的域结构不同。

1. 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，而不是放数据的）。其中输入包、
   输出包和设置包的格式都是一样的：
   SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）
   帧起始包的格式：
   SYNC+PID+11 位的 FRAM+CRC5（五位的校验码）
2. 数据包：分为 DATA0 和 DATA1 包，当 USB 发送数据时，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。但也有
   例外情况，在同步传输中，所有的数据包都是 DATA0，格式如下：
   SYNC+PID+0~1023 字节
3. 握手包：结构最为简单，格式如下：
   SYNC+PID
   （上面每种包都有不同类型，USB1.1 共定义了十种包，见 Q5）

3. 事务：分别有 IN、OUT 和 SETUP 三大事务，每种事务都由令牌包、数据包和握手包三
   个阶段构成（这里用阶段的意思是因为这些包的发送都有一定的时间先后顺序）。事务
   的三个阶段如下：

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，
   这是比较特殊的。
   事务的三种类型如下：
4. IN 事务：
   a) 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；
   b) 数据包阶段——设备跟据情况会做出三种反应（注意：数据包阶段也不总是传
   送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）：
   i. 设备端点正常，设备往主机里面发送数据包（DATA0 与 DATA1 交替 ）；
   ii. 设备正忙：无法往主机发送数据包就发送 NAK 无效包，IN 事务提前结束，
   到了下一个 IN 事务才继续；
   iii. 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。
   c) 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。
5. OUT 事务：
   a) 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；
   b) 数据包阶段——主机箱设备发送数据，DATA0 与 DATA1 交替；
   c) 握手包阶段——设备根据情况会做出三种反应：
   i. 设备端点接收正确，设备向主机返回 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；
   ii. 设备正忙，无法往主机发送数据包就发送 NAK 无效包，通知主机再次发
   送数据；
   iii. 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。
6. SETUP 事务：
   a) 数据包阶段——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；
   b) 数据包阶段——主机向设备发送数据（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，见
   Q7）；
   c) 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）。

4. 传输：传输由 OUT、IN、SETPU 事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批
   量传输、同步传输和控制传输。其中中断传输和批量传输的结构一样，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。

1. 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
2. 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
   批量传输
3. 等时传输：由 OUT 事务和 IN 事务构成，有两个特殊的地方，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是
   DATA0
4. 控制传输：最重要的也是最复杂的传输，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），每一个阶段都可以看成一个传输，也就是说控制
   传输其实是由三个阶段构成的，用来于 USB 设备初次连接到主机之后，主机通过
   控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装
   相应的驱动程序，这是每一个 USB 开发者都要关心的问题。
   a) 初始设置步骤：就是一个由 SETUP 事务构成的传输
   b) 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 SETUP 事务的数据包阶段发送的
   标准请求命令决定）
   c) 状态信息步骤：这个步骤就是要获取状态信息，由 IN 或 OUT 事务构成的传输，
   但要注意这里的 IN 和 OUT 事务与之前的 IN 和 OUT 事务有两点不同：
   i. 传输方向相反，通常 IN 表示设备向主机发送数据，OUT 表示主机向设备
   发送数据；而在这里，IN 表示主机向设备发送数据，OUT 表示设备向主
   机发送数据，这是为了和可选数据步骤相结合；
   ii. 在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是 0 长度的，即 SYNC+PID+CRC16
   思考：这些传输模式在实际操作中应通过什么方式设置？
   Q5：标识码有哪些？
   标识码由四位数据组成，可以表示十六种标识码。在 USB1.1 规范里，只用了十种标识
   码，USB2.0 使用了十六种标识码。标识码的作用是用来说明包的属性的，标识码是和数据
   包联系在一起的。数据包分为令牌包、数据、握手和特殊包四种，标识码分别有以下十六种：

1. 令牌包：
   0x01 输出（OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备的地址和标号
   0x09 出入（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
2. 数据包：
   0x03 偶数据包（DATA0）
   0x0b 奇数据包（DATA1）
3. 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
4. 特殊包：
   0x0c 前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输
   Q6：USB 主机是如何识别 USB 设备的？
   当 USB 设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属
   于枚举的一个态，态表示暂时的状态），这些态如下：
5. 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；
6. 供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值和配置阶段后的
   供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）
7. 缺省态（Default）：USB 在被配置前，通过缺省地址 0 与主机进行通信
8. 地址态（Address）：经过配置，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
9. 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
   备的某些信息进行改变或设置
10. 挂起态（Suspended）：总线在给设备供电 3ms 内没有任何操作，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
    Q7：标准的 USB 设备请求命令究竟是什么？
    标准的 USB 设备请求命令是用在控制传输中的“初始设置步骤”里的数据包阶段（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：
11. 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，其他保留值
12. bRequest：请求命令代码，在标准的 USB 命令中，每一个命令都定义了编号，编号的值
    就是字段的值，编号与命令名称如下（要注意这里的命令代码与其他字段结合使用，可
    以说命令代码是标准请求命令代码的核心，正是因为这些命令代码而决定了 11 个 USB
    标准请求命令）：

1. 0 GET_STATUS：用来返回特定接收者的状态
2. 1 CLEAR_FEATURE：用来清除或禁止接收者的某些特性
3. 3 SET_FEATURE：用来启用或激活命令接收者的某些特性
4. 5 SET_ADDRESS：用来给设备分配地址
5. 6 GET_DESCRIPTOR：用于主机获取设备的特定描述符
6. 7 SET_ DESCRIPTOR：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符
7. 8 GET_CONGFIGURATION：用于主机获取设备当前的配置值（与上面的不同）
8. 9 SET_CONGFIGURATION：用于主机知识设备采用的要求的配置
9. 10 GET_INTERFACE：用于获取当前某个接口描述符编号
10. 11 SET_INTERFACE：用于主机请求设备用某个描述符来描述接口
11. 12 SYNCH_FRAME：用于设备设置和报告一个端点的同步帧
    Q8：在标准 USB 请求命令中，经常会看到 DESCRIPTOR，这是什么？
    DESCRIPTOR 即描述符，是一个完整的数据结构，可以通过 C 语言等编程实现，并存储
    在 USB 设备中，用于描述一个 USB 设备的所有属性，USB 主机通过一系列命令来要求设备
    发送这些信息的。它的作用就是通过如问答节中的命令操作来给主机传递信息，从而让主机
    知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大
    小，只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作。标准的描述符有 5 种，USB 为
    这些描述符定义了编号：
    1——设备描述符
    2——配置描述符
    3——字符描述符
    4——接口描述符
    5——端点描述符

1. 设备描述符
   struct DEVICE DESCRIPTOR_STRUCT
   {
   BYTE bLenght; //设备描述符的字节数大小，为 0x12
   BYTE bDESCRIPTORType; //描述符类型编号，为 0x01
   WORD bcdUSB; //USB 版本号
   BYTE bDeviceClass; //USB 分配的设备类代码，0x01~0xfe 为标准设备类，
   //0xff 为厂商自定义类型
   //0x00 不是在设备描述符中定义的，如 HID
   BYTE bDeviceSubClass; //usb 分配的子类代码，同上，值由 USB 规定和分配的
   BYTE bDeviceProtocl; //USB 分配的设备协议代码，同上
   BYTE bMaxPacketSize0; //端点 0 的最大包的大小
   WORD idVendor; //厂商编号
   WORD idProduct; //产品编号
   WORD bcdDevice; //设备出厂编号
   BYTE iManufacturer; //描述厂商字符串的索引
   BYTE iProduct; //描述产品字符串的索引
   BYTE iSerialNumber; //描述设备序列号字符串的索引
   BYTE bNumConfiguration; //可能的配置数量
   }
2. 配置描述符
   struct _CONFIGURATION_DESCRIPTOR_STRUCT
   {
   BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为 0x12
   BYTE bDESCRIPTORType; //描述符类型编号，为 0x01
   WORD wTotalLength; //配置所返回的所有数量的大小
   BYTE bNumInterface; //此配置所支持的接口数量
   BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration 命令需要的参数值
   BYTE iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值
   BYTE bmAttribute; //供电模式的选择
   BYTE MaxPower; //设备从总线提取的最大电流
   }
3. 字符描述符
   struct _STRING_DESCRIPTOR_STRUCT
   {
   BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为 0x12
   BYTE bDESCRIPTORType; //描述符类型编号，为 0x01
   BYTE SomeDESCRIPTOR[36]; //UNICODE 编码的字符串
   }
4. 接口描述符
   struct _INTERFACE_DESCRIPTOR_STRUCT
   {
   BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为 0x12
   BYTE bDESCRIPTORType; //描述符类型编号，为 0x01
   BYTE bInterfaceNunber; //接口的编号
   BYTE bAlternateSetting; //备用的接口描述符编号
   BYTE bNumEndpoints; //该接口使用端点数，不包括端点 0
   BYTE bInterfaceClass; //接口类型
   BYTE bInterfaceSubClass; //接口子类型
   BYTE bInterfaceProtocol; //接口所遵循的协议
   BYTE iInterface; //描述该接口的字符串索引值
   }
5. 端点描述符
   struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT
   {
   BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为 0x12
   BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为 0x01
   BYTE bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性
   BYTE bmAttribute; //端点的传输类型属性
   WORD wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包的大小
   BYTE bInterval; //主机查询端点的时间间隔
   }