USB基础简介

一、USB2.0

 

Universal Serial Bus （通用串行总线） 

符合USB总线数据通信要求的通信协议

1、意义

1.易用（热插拔、即插即用）

2.易扩充（USBHub可同时操作127个设备、兼容USB1.1）

3.高速（相对）

 

2、分类（按传输速率）

1.USB2.0 LowSpeed(1.5Mbps，适用于交互设备)

2.USB2.0 FullSpeed(12Mbps，适用于电话、音频)

3.USB2.0 HighSpeed(480Mbps，适用于海量存储、视频)

备注：USB2.0 是取代 USB1.1 的，而 USB3.0 是 USB2.0 的补充协议

二、USB2.0总线布局

1、主机——设备

      1）、主机在一个USB系统中是唯一存在的

      2）、不支持主机——主机或设备——设备的连接

      3）、插头和插座（A型、B型、mini、micro ）

      4）、电源线（红）、地线（黑）、D+（绿）、D-（白）

      5）、USBon-the-go技术（多一根ID选择线，接地为主，悬空为从）

2、有层次性的星型结构

      1）、网络集线器（Hub）

      2）、根集线器（Root Hub）

三、USB2.0总线逻辑拓扑结构

四、USB系统逻辑结构

五、USB2.0通信方式

1、差分信号与NRZI编码

       1）、SE0状态：D+与D-上均为低电平（signal-ended）

       2）、J状态（信号序列皆以J开始）：D-高电平，D+低电平（LS）D+高电平，D-低电平（FS）

       3）、K状态：与J状态相反的电平

       4）、状态维持时间：位周期，即位传输速率对应的时间。2.8ns/83.3ns/667ns（这就是USB物理传输速率的本质含义）

       5）、NRZI编码：NonReturn Zero-Invert（非回零，反向编码）

       6）、位插入编码：每碰到六个连续1，则插入一个0

       7）、NRZI编码的意义在于尽量消除缆线上的误差和延时

2、高速设备的识别

      1）、低速和全速设备的高电平为大于2.8V，低电平为小于0.3V

      2）、高速设备的高电平为0.4V，低电平为0

                a.高速设备首先作为全速设备上电

                b.如果Hub支持2.0规范，则将上电设备的状态置为SE0

                c.如果设备是高速设备则会往D-线反向灌17.78mA的电流，在D-上形成一个800mV的电平（设备此时整体阻抗约45欧姆），称为Chirp K信号

                d.Hub如果支持高速设备，则通过交替向D+和D-线灌17.78mA电流的方式，形成3对维持60us左右的ChirpJ与Chirp K信号对，表明自己支持高速设备

                e.此时设备与Hub交换速率信息过程完毕。如果满足设备与Hub都是高速的条件，设备将在500us之内通过调节自身阻抗使系统整体阻抗降低到22.5欧姆

                f.设备恢复到J状态，此时由于整体阻抗的变化，D+信号线上的电平已经变成了400mV，系统进入高速通信状态

 

六 、USB2.0传输协议

 

1、端点（ENDP）

      1）、端点是可惟一识别的USB设备的一部分，一系列独立的端点构成了USB逻辑设备

      2）、每个逻辑设备有一个被主机分配的惟一地址；每个端点在设备内部有一个设备给定的端点号（端点方向+ 端点号）

      3）、每个端点都只能支持数据流入或流出（注意不是每个端点号）

      4）、每个端点在被设置前处于未知状态，不可被主机访问（端点0除外）

      5）、端点0为缺省控制端点，设备加电复位后即可访问

      6）、一个设备最多可以有16个端点（包括端点0）

2、包（Packet）

      1）、包是USB在传输过程中的最小逻辑单位

      2）、所有的包都以同步字段封包和包末尾（SYNC / EOP）开始和结束

      3）、所有的包都包含包标识符（PID）

      4）、PID用于表示包类型

      5）、包本身没有方向概念

3、同步字段

      1）、全速/低速设备的SYNC是3对KJ，然后两个K（00000001）

      2）、高速设备的SYNC是15对KJ，然后两个K

      3）、EOP为两个SE0，然后回到J

      4）、总线解析包格式的时候不会等待EOP，而是必须在包的格式要求的最后一个字段后紧接EOP，否则该包即使格式满足要求也会被放弃

注：此后提到“包”这个概念的时候，将不再包括SYNC和EOP

 

类型	子类型	PID值	描述
Token	OUT	0001	Out事务开始
	IN	1001	In事务开始
	SOF	0101	帧事务开始
	SETUP	1101	建立事务开始
Data	DATA0	0011	偶同步位数据包
	DATA1	1011	奇同步位数据包（两者总是交错的）
	DATA2*	0111	用于高速设备微帧同步传输的数据包，MDATA为切分后的数据包
	MDATA*	1111
Handshake	ACK	0010	确认包
	NAK	1010	不确认，不能发送或不能接收
	STALL	1110	端点挂起，或一个请求不被支持
	NYET*	0110	设备接收无响应（实际已确认）
Special	PRE	1100	仅用于低速，启动低速设备数据传输
	ERR*	1100	以高速总线传送全速或低速事务时切分事务出错的握手
	SPLIT*	1000	以高速总线传送全速或低速事务时切分事务
	PING*	0100	主机询问设备是否有空间接收数据

4、包格式

 

 

5、事务（Transaction）

   1）、以标记包开始完成一个单一动作的包的集合

   2）、USB上的数据传输由各种类型的事务组成

   3）、所有的事务均由主机发起，设备只能应答

   4）、事务通常由请求包开始，以握手包结束，但同步传输中没有握手包

   5）、根据请求包类型，事务也被分为帧、建立、IN、OUT四种大类型

   6）、在高速设备中还有PING事务（只包含一个PING包和一个握手包），在高速总线上使用低速传输时，一个事务可以被SPLIT包拆分

6、帧事务

   1）、一个帧事务只有一个SOF包

   2）、USB总线连接建立开始即由主机产生帧事务

   3）、帧事务以每1ms（FS）/125us（HS）一次的额定速率产生

   4）、一个SOF包中含有一个从USB总线连接建立起顺序递增的帧号

   5）、SOF事务不产生任何数据流传输和任何返回

   6）、SOF事务不保证设备可以接收到

   7）、SOF事务用于逻辑端点产生独立时间片

7、建立事务

   1）、一个建立事务由一个SETUP请求包，一个八字节长度DATA0包和一个握手包组成

   2）、建立事务只能以ACK握手

   3）、ACK握手后，进入空闲

8、IN事务

   1）、一个IN事务从IN请求包开始，表明主机要求设备产生数据

   2）、如果要求的IN事务中的数据包不止一个，则必须以DATA0包和DATA1包交替（奇校验位和偶校验位交替）

   3）、IN事务可以没有握手包，若是有握手，以NAK、或STALL握手则提前结束事务。

   4）、若以数据传送正确，则以ACK包握手

   5）、IN事务不能以NYET握手

9、OUT事务

   1）、一个OUT事务从OUT请求包开始，表明主机将要产生数据

   2）、如果要求的OUT事务中的数据包不止一个，则必须以DATA0包和DATA1包交替（奇校验位和偶校验位交替）

   3）、OUT事务可以没有握手包，若是有握手，以NAK、或STALL握手则提前结束事务。

   4）、若以数据正确，则以ACK包或NYET包握手，高速设备推荐以NYET握手

10、PING事务

    1）、一个PING事务从PING包开始，表明主机询问设备是否有应答

    2）、PING事务必须握手

    3）、若设备不能应答则以NAK握手，设备错误或端点挂起则以STALL握手，设备能应答则以ACK握手。

注：此讲义在此后将忽略PING事务，在高速USB传输中，OUT事务前一搬都会有不间断的PING事务，直到PING事务以ACK握手，OUT事务才产生

 

11、传输（Transfer）

    1）、传输由各种事务构成，具有方向特性

    2）、每个端点的传输类型在端点设置时就被固定下来了

    3）、四种传输类型：控制、同步、中断、批量

    4）、控制传输

         a）、所有的USB设备都需要控制传输

         b）、某些型号的USB-KEY

    5）、同步传输

         USB话筒

    6）、中断传输

         USB鼠标、键盘

    7）、批量传输

         U盘

12、控制传输

    1）、控制传输至少有建立和状态两个阶段，并根据需要可能拥有数据阶段

    2）、建立事务中的数据内容决定是否有数据阶段，数据阶段为一个带握手的IN事务或OUT事务，一次控制传输中的数据阶段不能即有IN事务又有OUT事务

    3）、如果一次控制传输中数据阶段为IN事务则此次控制传输为上行，如果为OUT事务则为下行

    4）、状态阶段为一个和数据阶段相反的事务，若没有数据阶段则状态阶段为一个IN事务

    5）、状态阶段的DATA包数据长度为0，且必为DATA1包

13、同步传输

    1）、一次同步传输只有一个没有握手包的IN事务或OUT事务

    2）、IN事务同步传输为上行，OUT事务同步传输为下行

    3）、同步传输由帧事务决定时间片，但帧事务并不是同步传输的一部分

    4）、同步传输中的DATA包不用DATA0和DATA1交替，而是全以DATA0包传输。

14、中断传输

    1）、一次中断传输只有一个IN事务或OUT事务，该事务可以有握手也可以不握手

    2）、IN事务为上行，OUT事务为下行

    3）、中断条件生成则主机产生OUT或IN请求包

15、批量传输

    1）、一次批量传输可以有一个或多个IN事务或OUT事务

    2）、一次批量传输不能即有IN事务又有OUT事务

    3）、由IN事务组成的批量传输为上行，由OUT事务组成的批量传输为上行

    4）、在一个IN或OUT事务若以ACK握手则表示可以开始下一个事务，若以NAK握手则重传这次事务，若以STALL握手，则传输被停止，需要软件干预解除状态

    5）、若数据出错可以没有任何握手，主机会重新生成该次事务

    6）、批量传输的数据负载量由具体传输协议定义

16、批量传输与中断传输的差异

    1）、中断传输数据量小（一次一个事务），批量传输数据量大（一次多个事务）

    2）、中断传输有固定的数据长度，批量传输则是一个范围

17、同步传输与中断传输的异同

    1）、中断传输强调触发条件，同步传输强调实时（可以理解为帧数是唯一触发条件）

    2）、中断传输数据量小，同步传输数据量较大

    3）、中断传输和同步传输都有固定的数据长度，但中断传输的数据长度由端点配置决定，同步传输则完全固定

    4）、中断传输可以靠具体传输协议来处理数据错误及通道STALL的状态，而同步传输不行

18、USB设备状态

1）、设备连接

     USB协议不定义设备离开总线的行为

2）、设备加电

     USB设备即可自供电也可由总线供电，USB设备在自供电时不一定处于加电状态，必须由总线的VBUS供电时才是加电状态

3）、复位

     a、USB设备上电后必须收到主机的复位请求后才开始响应USB总线上的请求

     b、在复位后USB设备使用默认设备地址

4）、地址分配

     主机给USB分配一个地址后，设备将以分配的地址响应

5）、设备配置

     USB设备接收到配置请求后，按照设备、接口、端点描述符的信息配置设备功能

6）、设备挂起

     USB设备在一定周期内和总线没发生数据交换则进入挂起状态

19、USB总线枚举过程

1）、Hub通知主机有USB设备连接到USB总线上

2）、主机通过查询Hub获得设备信息（设备在哪个端口）

3）、主机等待100ms，待供电稳定后向设备发送复位请求

4）、主机通过设备端点0为设备分配一个地址（Set Address）

5）、主机通过设备端点0向设备依次发送获取设备、配置、字符串标准描述符请求（Get Descriptor）

6）、主机根据设备的配置信息向设备发送配置请求（Set Config）

7）、主机根据获得的设备类型调用适合的驱动开始与设备正常通信

20、枚举请求

1）、在总线枚举时，请求是主机通过设备的端点0以控制传输方式进行的

2）、USB总线标准请求的格式被封装在控制传输的建立事务的DATA0包中（通常我们所说的“SETUP包”，但是这个说法并不准确）

3）、一个请求格式包含6个字段共8个字节

偏移	字段	长度	值类型	作用
0	bmRequestType	1	位图	请求特征（方向、种类、对象）
1	bRequest	1	值	具体请求
2	wValue	2	值	值型参数
4	wIndex	2	索引	索引或偏移型参数
6	wLength	2	值	数据阶段长度

功能	bmRequestType	bRequest	wValue	wIndex	wLength	数据要求
分配地址	00H	05H	地址	0	0	无
获取设备描述符	80H	06H	01H	0	描述符长度	IN，设备描述符
获取配置描述符	80H	06H	02H	0	描述符长度	IN，配置描述符+接口描述符+端点描述符（可选）
获取字符串描述符	80H	06H	03H	指定的字符串索引	字符串描述符长度	IN，指定的字符串描述符
配置设备	00H	09H	配置值	0	0	无
设置设备特性	00H	03H	特性值	0	0	无
设置接口特性	01H	03H	特性值	接口号	0	无
设置端点特性	02H	03H	特性值	端点号	0	无

21、设备描述符

1）、设备描述符描述USB设备的一般信息

2）、一个物理意义上的USB设备只能有一个设备描述符

3）、设备描述符传递的关键信息包括

     a、设备的缺省控制传输通道的最大包长

     b、设备的类型

     c、设备使用的协议

     d、PID/VID

     e、其他用于描述设备的关键字符串的索引

4）、设备类型和协议可以不在设备描述符中指出，而在接口描述符中指出，对于可能由多个接口的设备，在接口描述符中指出设备类型和协议是更好的选择

5）、设备描述符包含14个字段，共18字节：

偏移	字段	长度	类型	描述
0	bLengh	1	常量	描述符自身的长度（12H）
1	bDescriptorType	1	常量	描述符类型（01H）
2	bcdUSB	2	BCD码	USB版本号（USB2.0取{00H，02H}）
4	bDeviceClass	1	值	00H：接口指定 01H~FEH：标准定义的设备类型 FFH：厂商自定义设备类型
5	bDeviceSubClass	1	值	若设备类型为0，则此字段必须为0
6	bDevicePortocol	1	值	00H：接口指定 01H~FEH：标准定义的协议 FFH：厂商自定义协议
7	bMaxPacketSize0	1	值	缺省通道最大包长，即端点0最大包长（8、16、32、64）
8	idVendor	2	BCD码	VID（合法VID值必须由USB-IF授权）
10	idProduct	2	BCD码	PID（厂商自订）
12	bcdDevice	2	BCD码	设备发型号
14	iManufacturer	1	索引	描述厂商信息的字符串描述符索引
15	iProduct	1	索引	描述产品信息的字符串描述符索引
16	iSerialNumber	1	索引	产品序列号字符串描述符索引
17	bNumConfigurations	1	值	可能拥有的配置描述符数量

22、配置描述符

1）、一个设备可以有多种配置，配置描述符中的bConfiguration Value字段和配置设备请求中的相应字段匹配即可

2）、配置描述符必须和其后的接口描述符、端点描述符（如果有的话）合并在一起构成一个设备配置

3）、设备、配置、接口、端点四个概念有如下关系：

     a、一个设备有一个或多个配置

     b、每个配置有一个或多个接口

     c、每个接口有零个或多个端点

     d、在同一配置下，一个端点不会在多个接口间共享

     e、在两个配置下的端点可以复用

     f、一次枚举，设备只能按一个配置描述，可以通过软件或硬件手段在配置间切换后重新枚举

4）、配置描述符包含8个字段，共9个字节：

偏移	字段	长度	类型	描述
0	bLengh	1	常量	描述符自身的长度（09H）
1	bDescriptorType	1	常量	描述符类型（02H）
2	wTotalLength	2	值	配置信息总长度（包括配置、接口、端点、类描述符）
4	bNumberInterface	1	值	此配置支持的接口个数
5	bConfigurationValue	1	值	与设备配置请求中选定该配置的值相同
6	iConfiguration	1	索引	描述该配置的字符串描述符索引
7	bmAttributes	1	位图	配置特性： 可配置在此配置下的设备是否为自供电；是否可远程唤醒主机
8	MaxPower	1	值	该值乘以2的结果为在此配置下设备的耗电量。

23、接口描述符

1）、一个接口可能拥有多个可选的设置

2）、在同一个接口的不同设置下，端点可复用

3）、一个接口描述符可以通过SetInterface请求来切换其可选设置

4）、接口描述符中提到的端点个数，是指此接口用到的除了端点0以外的端点个数

5）、配置描述符包含9个字段，共9个字节：

偏移	字段	长度	类型	描述
0	bLengh	1	常量	描述符自身的长度（09H）
1	bDescriptorType	1	常量	描述符类型（04H）
2	iInterfaceNumber	1	索引	该接口在该配置中的索引（该配置中的第一个接口该值为0，该配置中的第二个接口该值为1…）
3	iAlternateSetting	1	索引	当前接口所使用的设置索引（当前接口若使用第一种设置该值为0；第二种设置该值为1…）
4	bNumberEndpoints	1	值	该接口所使用的非零端点数量
5	bInterfaceClass	1	值	该接口的类型 0：保留 1~254:USB定义的接口类型（8：MassStrorage、3：HID） 255：厂商自定义
6	bInterfaceSubClass	1	值	子类型 该值在不同的bInterfaceClass中有不同定义（6：SCSI、4：UFI）
7	bInterfaceProtocol	1	值	协议类型，该值在不同的bInterfaceClass中有不同定义（50H：Bulk Only、0：CBI）
8	iInterface	1	索引	描述此接口的字符串描述符索引值

24、端点描述符

1）、端点描述符用于描述接口中使用端点的类型及带宽需求

2）、端点0不需要描述

3）、一个接口描述符后面接着该接口需要的端点描述符，然后才是下一个接口的描述符

4）、端点描述符包含6个字段，共7个字节：

偏移	字段	长度	类型	描述
0	bLengh	1	常量	描述符自身的长度（07H）
1	bDescriptorType	1	常量	描述符类型（05H）
2	bmEndpointAddr	1	位图	Bit3~0：端点号（0～15） Bit6~4：保留（0） Bit7：方向（控制传输类型的端点此处忽略） Out：0 In：1
3	bmAttributes	1	位图	Bit0、1表示传输类型: 00=控制传输 01=同步传输 10=批量传输 11=中断传输 其他位全保留
4	wMaxPacketSize	2	值	对于中断、控制、批量传输，该字段表述该端点下传输的最大数据包的大小； 对于同步传输该字段为每次传输的数据净负荷预留时间
6	bInterval	1	值	中断、同步传输：两次请求包的帧数间隔，同步必须为1，中断可取1～255 控制、批量传输：忽略

25、字符串描述符

1）、除索引0外，其他字符串描述符是可有可无的

2）、之前所提到的描述符中的某个字符串如果没有的话，将索引写0即可

3）、字符串描述符中的字符串必须采用UNICODE编码

4）、字符串描述符支持多国语言，索引号为0的字符串专门描述USB设备所支持的语言

偏移	字段	长度	类型	描述
0	bLengh	1	值	描述符自身的长度(2x + 2, x为支持的语言数)
1	bDescriptorType	1	常量	描述符类型（03H）
2	wLANGID[0]	2	值	语言ID
4	wLANGID[1]	2	值	语言ID
6	…	…	…	…
2x+ 2	wLANGID[x]	2	值	语言ID

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