USB学习之一：USB协议基础

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1.1USB的特点

       在USB1.0和USB1.1版本中，只支持1.5Mb/s的低速（low-speeed）模式，和12Mb/s的全速（full-speed）模式。在USB2.0又加入了速度更快的（480Mb/s）的高速（high-speed）模式。目前USB3.0协议支持5Gb/s超高速模式。

1.2 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。通常所说的USB主机具有一个或多个USB主控制器（host controller）和根集线器（root hub），另外还有一类特殊的USB设备-USB集线器（USB hub），它可以对原有的USB口在数量上进行拓展，获得更多的USB口，它只能拓展出更多的USB口，但是不能拓展出更多的带宽，所有USB口共享一个主机控制器带宽。

       USB数据交换只能发生在主机和设备之间，主机与主机，设备与设备之间不能直接连接和交换数据。所有数据传输都是由主机主动发起，而设备只是被动应答。

      USB的拓扑结构为金字塔形，如下图所示：

理论上一个USB主机控制器最多可以接127个设备，这是因为协议规定，一个USB设备具有一个7bit的地址，取值0-127，其中0地址是保留给未初始化的设备用的。

1.3 USB的插入检测机制

        USB集线器的每个下游端口的D+ D-上，分别接了一个15k的下拉电阻到地，当集线器的端口悬空，即没有设备插入时，

输入端就被下拉到地。在USB设备端的D+或者 D-上接了一个1.5k的上拉电阻到3.3v电源，1.5k电阻是接D+ 还是D-是由设备的速度来决定的。对于全速和高速设备上拉到D+上，对于低速设备上拉到D-上。当有设备插入集线器时，接了上拉电阻的那条数据线电压由1.5k和15k电阻分压决定，大概是在3v，这对集线器来说是高电平，集线器检测到这一状态后，就报告给USB主机控制器，这样就检测到设备的插入了。

1.4:USB描述符及其之间的关系

USB1.1协议定义的标准描述符有：设备描述符（Device Descriptor）、配置描述符（Configuation Descriptor）、接口描述符（Interface Descriptor）、端点描述符（Endpoint Descriptor）及字符串描述符（String Descriptor）。

一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符里决定了该设备有多少种配置，每种配置都有一个配置描述符；而在每个配置描述符中又定义了该配置里有多少个接口，每个接口都有一个接口描述符，在接口描述符里又定义了该接口有多少个端点，每个端点有一个端点描述符。在主机获取描述符时，先获取设备描述符，接着再获取配置描述符，然后根据配置描述符中的配置集合的总长度，一次将配置描述符、接口描述符、类型描述符。端点描述符一次读回。

设备描述符：主要记录的信息有，设备所使用是USB协议版本号、设备类型、端点0的最大包大小、厂商ID和产品ID、设备版本号、厂商字符串索引、产品字符串索引、设备序列号索引、可能的配置树等。

配置描述符：主要记录配置所有包含的接口数，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：主要记录接口的编号，接口的端点树，接口所使用的类，子类，协议等。

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：主要提供一些方便人们阅读的信息，不是必须的。

1.5 USB设备的枚举过程

        USB主机检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了，枚举就是从设备读取各种描述符信息。这样主机就可以根据这些信息加载合适的驱动程序。

枚举过程：

      (1).USB设备检测到USB设备插入后，就会先对设备进行复位，USB设备在总线复位后其地址为0，这样主机就可以通过地址0和那些刚刚插入的设备通信。主机往地址为0 的设备端点发送获取设备描述符的标准请求。设备在收到请求后，会按照主机请求的参数，在数据过程将参数返回给主机，主机在获取到设备的描述符后并且确认无误后，会返回一个0长度的 确认数据包，从而进入接下来的设置地址阶段。

      (2).主机对设备又一次复位，就进入到设置地址阶段，USB主机往设备地址为0的设备端发出一个设置地址请求，新的设备地址包含在建立过程的数据包中，主机会分配一个唯一的地址给刚接入的设备，USB设备在收到这个建立过程之后，就直接进入到状态过程，因为这个控制传输没有数据过程。设备等待主机请求状态返回，收到输入令牌包后，设备就返回0长度的状态数据包，如果主机确认该状态包已经正确收到，就会发送应答包ACK给设备，设备收到这个ACK后，就要启用新的设备地址了，这样设备就分配到了一个唯一的设备地址，以后主机就通过他来访问设备。

     (3)主机再次获取设备描述符，这次是使用新的地址获取设备描述符，这次需要获取全部18个字节的设备描述符。

     (4)主机获取配置描述符，配置描述符总共为9个字节，主机获取配置描述符后，根据配置描述符中所描述的配置集合总长度，获取配置集合。配置集合包括配置描述符，接口描述符，类特殊描述符，端点描述符。接口描述符，类特殊描述符、端点描述符是不能单独获取的，必须跟随配置描述符以一个集合的方式一并返回。

      (5) 如果有字符串描述符，还要获取字符串描述符，另外像HID设备，还有报告描述符等，他们是单独获取的。

1.6 USB事务

       事务通常由两个或者三个包组成：令牌包，数据包，捂手包。

      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，也可以从设备到主机，方向由令牌包指定。

       捂手包：握手包的发送者通常为数据接受者，当数据接收正确后，发送握手包。

1.7 USB的四种传输类型

       (1)批量传输： 批量传输使用批量事务（bulk transaction）传输数据，一次批量事务有三个阶段：令牌包阶段，数据包阶段，和握手包阶段。

      (2)中断传输：中断传输是一种保证查询频率的传输，中断端点在端点描述符中要报告它的查询间隔，主机会保证在小于这个时间间隔的范围内安排一次传输。这里 所说的中断，跟我们硬件上的中断是不一样的，它不是由设备主动地发出一个中断，而是由主机在保证不大于某个时间间隔内安排一次传输，中断传输通常用在数据量不大，但是对时间要求比较严格的设备中，例如鼠标键盘等。

    (3)等时传输：等时传输（同步传输）用在数据量大，对实时性要求高的场合，例如音频设备，视频设备。

    (4)控制传输：控制传输比前面三种传输要复杂些，控制传输分为三个过程。第一个过程建立过程，第二个过程是可选的数据过程，第三个过程是状态过程。

1.8：端点类型和传输类型的关系

          一个具体的端点，只能工作在一种传输模式下。通常我们把工作在什么模式下 的 端点，就叫做什么端点，例如控制端点，批量端点，等。端点0是每个USB设备都必须具备的默认控制端点，他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各种命令，都是通过端点0 传输的，其他端点是可选的需要根据具体的设备来决定。非端点0只有在set config之后才可使用。