usb连接和枚举

主设备和从设备

usb通讯的两端分别称为：HOST(主设备/USB主机)和device(从设备/USB设备)

常见的usb主机： 计算机

usb主机架构

客户软件负责和usb设备的功能单元进行通信，用于实现其特殊供功能，比如：传输文件，播放声音。一般是专用的，根据设备的不同而不同，需要开发人员自行编写。

客户软件： 分为驱动程序和界面应用程序两个部分

​ 驱动程序对接usb系统软件，告知usb收发的数据内容，启动一次usb数据传输。

​ 界面应用程序是最上层的软件，是和驱动程序直接对接，提供可视化操作，可以看到向usb设备的原始数据以及从USB设备接收的最终数据。

usb系统软件： 负责和usb逻辑设备进行配置通讯，并配置主机资源，设置usb参数，根据带宽安排传输队列等。 主要由操作系统执行

usb总线接口： 一般包括usb主机控制器和根集线器两部分。

​ 主机控制器：用于完成主机和usb设备之间的实际传输

​ 根集线器： 实现了主机控制和其他usb设备的连接

usb主设备一般具有以下功能：

• 检测usb设备的插拔动作
• 管理主从通讯之间的控制流
• 管理主从之间的数据流
• 记录主机状态和设备动作信息
• 控制主控制器和usb设备间的电器接口

usb设备按照功能分类： 集线器和功能设备

集线器：

• 用于扩展usb主机的usb端口
• 结构上有一个上行端口，多个下行端口
• 支持级联，系统中最多5个集线器
• 支持速度转换

usb功能设备：

• 一个独立的外围设备，可以是单一功能也可以是多功能的合成设备
• 内部包含有描述自身功能和资源需求的配置信息。

usb设备架构：

使用设备前，必须由主机指明采用哪个配置，哪个接口。usb设备通过描述符来说明其架构中的各种属性，有设备描述符，配置描述符，接口描述符和端点描述符等等。一个设备只会有一个设备描述符，如果是高速设备，既支持高速传输也支持全速传输，那么还需要支持限定描述符，用于指出另一传输速度下的设备总体信息。

使用usb设备前，必须选择一个合适的配置，虽然有多个配置， 但是当前只有一个配置生效。如果是高速设备，既支持高速，也支持全速传输，则必须还要支持其他的速率配置描述符，用于指出另一传输速度下的设备配置信息。

接口描述符用来说明功能属性的，比如usb声卡设备，有两个接口，一个为麦克风接口，一个为耳机输入接口。而且多个接口可以共存的，有几个接口，就有几个接口描述符。

端点是实际的物理单元， usb数据传输就是在usb主机和设备的各个端点之间进行传输的。有多少个端点就有多少个端点描述符。

在usb系统中，一般USB主机通过集线器（HUB)进行usb设备扩展，以层次性的星型拓扑结构进行物理连接。

一个usb功能设备最多通过五级集线器连到usb主机上。有些usb设备内部包含了一个集线器，这种既包含了一个集线器，又包含了usb的设备的usb设备，称之为复合设备。

usb主机和usb设备通信在软件协议上具有如下特征：

• 主机和usb设备之间通讯物理通道：主设备分配的地址/默认地址0+从设备固有端点号
• 主机和usb设备之间时间长度单位： 帧/微帧
• usb主机和usb设备之间协议处理基本单位： 事务处理
• usb主机和usb设备之间通讯： 在基本单元”事务“中，主机总是发起者，并且和设备交互应答方式进行通讯。

连接和检测

usb主机和usb低速设备的连接示意图

usb主机端口的d+d-线上都有15k的下拉电阻，当主机没有连接设备时，在下拉电阻的作用下，这个d+和d-的电压都是近地（0V), 也就是se0状态，此时usb主机检测到se0状态维持了至少2.5us, 会认为没有设备连接。当低速设备连上以后，在usb设备端口的d-线上有1.5k的上拉电阻，此时设备上的上拉电阻和主机d-线上的下拉电阻构成分压，所以在d-线上会出现3v左右的电压，而d+上仍然是0v. 就是差分0状态。此时主机检测到这个状态维持2ms, 认为有设备连接。并且当前设备是低速设备。

总结如下：

• usb主机端口在D+和D-上都有15千欧电阻接地
• 低速USB从设备在D-上连有1.5千欧的电阻到3.0-3.6v电压
• 没有连接： 主机端口检测到D+和D-电压都近地0V
• 低速设备连接： 主机端口检测到D-电压约3v， D+电压近地0V

usb主机和usb全速设备的连接示意图

当全速设备连上以后，在usb设备端口的d+线上有1.5k的上拉电阻，此时设备上的上拉电阻和主机d+线上的下拉电阻构成分压， 所以在d+线上会出现3v左右的电压，而d-上依旧保持0V，这就是差分1状态。此时主机检测到这个状态维持2ms, 认为有设备连接

总结如下：

• usb主机端口在D+和D-上都有15千欧电阻接地
• 低速USB从设备在D+上连有1.5千欧的电阻到3.0-3.6v电压
• 没有连接： 主机端口检测到D+和D-电压都近地0V
• 低速设备连接： 主机端口检测到D+电压约3v， D-电压近地0V

usb主机和usb高速设备的连接示意图

与高速设备的连接比较特殊，它分为高速主机和高速设备，他们之间是一个双向检测，高速主机端口需要检测连接上来的usb设备是低速，全速还是高速，而高速设备同样也需要检测对应连接的主机是全速还是高速主机。

usb高速主机和usb高速设备识别过程

一开始，USB高速设备以一个全速设备的身份出现，设备连接后，d+和d-的压差为3.3v, 由于d+被拉高，告知主机有一个全速的设备接入，这个适合主机端口会输出总线复位信号，d+d-都会拉低，设备看到复位信号后，会通过内部的电流源向d-持续灌输大概17ma左右的电流，在本身线路等效阻抗为40Ω的终端电阻下，会产生大概800mv的电压，我们称之为chirp K信号，这个信号大概持续时间1ms-7ms, 当高速主机检测到这个chirp K信号后，它会在设备发送这个chirp K信号后的100us内，开始回复一连串的kjkjkj的序列，这个序列就是向设备表明，我是一个usb2.0的高速设备的主机，这里的kj信号是连续的，中间是不能间断的，而且每个K或J的持续时间大概是在40-60us之间，高速主机发送这个chirp K信号的方式和设备一样，都是通过电流源向差分数据线交替灌输17ma的电流实现的，所以看到电压都是800mv，如果当前是一个全速的设备，它就不会发出这个chirp K信号，也就说明这个chirp K信号是设备高速usb主机我是一个高速设备，对应如果是一个全速的主机，是不支持高速操作的，那么它也不会再chirp K信号结束后，给出如下图的KJ序列。 所以这种KJ序列是由USB主机告知设备我是一个高速主机。

高速设备初始是以一个全速设备出现的，所以D+上会有1.5K的上拉电阻，当主机和设备都知道对方是高速后，会断开d+上的上拉电阻，连接d+d-上的高速终端电阻，然后再500us内切到高速模式。当它连上了高速终端电阻以后，也就是在3对KJ信号之后，电阻进行了减半，但电流不变，所以这里的电压减半，变成了400mv。所以device applies termination这个点可以认为是usb高速设备从全速切到高速状态的一个分界点。

总结如下：

• 高速设备先以全速设备结构和主机相连，他们之间做双向检测
• 主机输出总线复位信号期间，usb设备以是否可以产生chirp K信号来表明高速或全速身份
• 在chirp K信号后，主机是否发生KJ信号来表明高速主机身份或者是全速主机身份
• 匹配到高速主机和高速设备后，USB设备断开D+上的1.5KΩ的上拉电阻，连接d+和d-上的高速中断电阻，进入默认的高速状态，否则以全速状态通讯。

usb设备插拔，以及速度检测的结果：

• 设备断开： 主机检测到d+和d-上近地状态（0v), 并持续在2.5us以上
• 设备连接： 主机检测到d+或d-上有高电平（3V), 并持续2ms以上
• 低速设备： 主机检测到d-上有高电平
• 全速设备： 主机检测到d+上有高电平（有可能为告诉设备）‘
• 高速设备：主机检测到d+上有高电平，然后通过一系列协商握手信号确认双方身份（双向检查）

总线的几种状态

常见的几种状态	描述
正常工作	总线上存在周期性的sof(每个帧开始的sof包）包, 当主机和usb设备连接后， 如果不操作设备，但是设备仍然挂载在设备的端口下面，需要随时进行传输，那么此时usb总线处于正常工作状态。 在全速中1ms一次，高速中125us一次
总线复位	总线维持SE0状态 > 10ms， 就是由主机控制器或者集线器的下游端口产生，用于驱动d+和d-都处于0V，就是se0状态，并且大于10ms， 这个动作一般都是主机和设备刚连接后，主机控制器或者集线器的下游端口发出，属于usb通讯协议的复位。在一些传输出错的异常情况下，也会出现这个复位动作，这点有点类似于我们芯片使用的上电复位，以及出错后的手动复位的意思
总线挂起	总线无活动 > 3ms， 当usb总线上持续J状态超过3ms, 就认为处于总线挂起，这个时候主机控制器或集线器的下游端口会停止所有的传输，包括sof令牌包。 而usb检测到这个状态并且持续一段时间后，就可以选择是否将自己进入挂起，比如切换到低功耗模式

常见的几种变化	触发点
无连接---->连接	D+/D-上出现高电平 > 2ms
正常—>挂起	J状态保持 > 3ms
挂起—>正常(唤醒)	出现K状态信号并持续一段时间，唤醒包括主机唤醒usb设备和设备远程唤醒usb主机两种方式：之后usb主机和设备处于正常工作状态，主机控制器和下游端口正常发出sof包

信号传输状态

J 状态（差分） K状态（差分） SE0状态（单端） SE1状态（单端）

状态	差分0： D+≈0v D-≈3v 差分1： D+≈3v D-≈0v
J状态	Low Speed : 差分0 Full Speed：差分1
K状态	Low Speed : 差分1 Full Speed: 差分0
SE0状态	D+和D-都为0V
SE1状态	D+和D-状态都大于0.8V

枚举过程

usb通讯分为两个阶段： 1. 枚举传输阶段 2. 用户数据通信阶段

枚举：枚举过程是所有usb设备连接主机后都必须要经过的一段数据传输，在这个阶段，主机会了解usb设备的信息结构，类别属性，并启用usb设备的每个配置和功能， usb主设备向usb从设备通过获取各种描述符，从而了解设备属性，知道是什么样的设备，并加载对应的USB类，功能驱动程序，然后进行后续一些列的数据通信。

枚举过程的特点：

• 主设备连接识别从设备必须的过程
• 由多个控制传输构成
• 经过地址0（缺省地址）到其他地址（主设备分配地址）的通讯
• 对于挂载多个usb从设备的系统，主设备是逐一进行枚举操作

枚举过程：

• usb设备上电(一般从usb口取电)并连接到usb总线
• 主机检测到总线上有设备连接
• 主机会等待100ms用户机械，电器特性稳定
• 总线执行总线复位至少10ms, host向device发送了bus reset使设备进入了default状态，从此设备可以响应默认地址0， 高速设备在复位期间和usb设备进行握手，完成速度切换，并得到USB设备通讯速度
• 主机驱动总线空闲至少10ms用户恢复时间
• 主机发出获取设备描述符请求（缺省地址），要求device发送64字节
• 主机在收到设备描述符的前18个字节后，可再次向设备发送bus reset, 主机为从设备分配唯一设备地址，后续通讯用此地址
• 主机以新地址发出获取设备描述符请求
• 主机以新地址发出获取配置描述符请求，获取设备全部配置
• 主机分析获取的描述符信息，并作相应记录和处理
• 主机发送设置配置请求，为从设备选择一个合适的配置

设备描述符

• 设备描述符： 第一个需要获取的描述符，长度固定18字节
• 配置描述符： 描述了设备特定的配置，提供了当前配置下设备的功能接口，供电方式，耗电等信息。是一个配置的集合，集合长度不固定，包含了配置描述符，接口描述符，类定义描述符，端点描述符。

控制传输

• 是所有USB从设备必须支持的传输方式，固定使用端点0通讯
• 控制传输的方向是双向的，既可以主机下传数据给设备，又可以从设备上传数据
• 多用于主设备和从设备进行信息，功能，状态等方面的获取和修改。

控制传输可以分为三种结构，每种结构都是由多个事务构成

• 控制写：分为建立阶段，数据阶段和状态阶段。 建立阶段是由一个setup事务构成，数据阶段是由一个或多个out事务构成，最后一个状态阶段由一个IN事务构成
• 控制读：分为建立阶段，数据阶段和状态阶段。 建立阶段是由一个setup事务构成，数据阶段是由一个或多个IN事务构成，最后一个状态阶段由一个OUT事务构成
• 无数据控制： 只有建立阶段和状态阶段，建立阶段是由一个setup事务构成，状态阶段由一个IN事务构成
• 后面括号中的0/1指的是pid类型，事务由多个包组成，如果包中存在数据，这个数据分类，分为data0/1数据包 ，这个0/1就是表示其中表示的是data0数据包还是data1数据吧
• 其实setup包一定是data0, 末尾的状态包一定是data1, 中间数据传输一定是1打头，然后0/1反转

建立阶段 – Setup事务

• 固定的8字节数据结构
• 重点的数据吧哦的PID - DATA0
• 应答包必须为ACK

数据阶段 – 一个或多个连续的IN/OUT事务

• 不是必要阶段
• 控制都—连续IN事务， 控制写 — 连续OUT事务
• 事务数据包从PID_DATA1开始，然后进行1-0-1-0-…交替翻转
• 应答包支持ACK/NAK/STALL

状态阶段 — 一个IN/OUT事务

• 数据包长度为0
• 数据包的PID – DATA1
• 执行的事务和数据阶段事务相反
• 没有数据阶段，执行IN事务