USB 协议学习：000-有关概念

背景

USB作为一种串行接口，应用非常广泛。掌握usb也是作为嵌入式工程师的一项具体要求。

概述

USB( Universal Serial Bus, 通用串行总线 )属于一种轮询式总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线动作最多传送三个数据包，包括令牌(Token)、数据(Data)、联络(HandShake)。

按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常被称为令牌包(TokenPacket)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机)到设备就是从设备到主机。

在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接收端之间的USB数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。USB中有一个特殊的通道一缺省控制通道，它属于消息通道，设备一启动即存在，从而为设备的设置、状态查询和输入控制信息提供一个入口。

由于USB是主从模式的结构，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为解决这个问题，扩大USB的应用范围，出现了USB OTG(ON The Go)。USB OTG 同一个设备，在不同的场合下可行在主机和从机之间切换。

USB 的 3种工作模式：低速（low speed）、全速（full speed）、高速（high speed）

在USB的通讯中，有传输（transfer），事务（Transaction），包（packet）三级。包是最基础的传输单元，与TCP/IP协议中的MAC层协议作用相同。

USB数据是由二进制数字串构成的，数字串构成域，域再构成包，包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输（中断 interrupt 传输、并行传输、批量传输和控制 control 传输）。

域：若干个二进制数据组在一起叫做‘域’ 。

USB的域就是放在USB包中某小段某小段的数据。实际上我们以前的学习已经遇到了，只是没有这么叫。将域单独拎出来总结我认为对于初学者来说是比较混乱的。

在USB的通讯中，有传输（transfer），事务（Transaction），包（packet）三级。包是最基础的传输单元，与TCP/IP协议中的MAC层协议作用相同。

在一次传输中，由多次事务组成，每次的事务又由多个包组成

与众多协议相同，较高级别的协议的报文是基于/内嵌在低级协议的报文当中的，在USB中也不例外，例如，包中预留了DATA位，其目的就是填写报文

通信有关

一个设备有多个配置，一个配置有多个接口，一个接口有多个端点。（一个device有多个configuration,一个configuration有多个interface，一个interface有多个endpoint）

同一时刻只有一个配置有效；当我们需要不同的功能，只要选择不同的配置即可。同一个端点号不能出现在多个不同的接口中。

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的确定地址，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）

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，每一份是一个USB的传输动作。

upstream、downstream(上行、下行)：设备到主机为上行，主机到设备为下行

USB接口一般是4根线，VCC GND DM(D-) DP(D+) ；差分传输，3.3v 电压

传送方式：数据在usb线里由地位到高位传送

枚举：USB主机检测到USB设备以后，读取设备的各种描述符的过程。

通过枚举，USB主机可以知道设备是什么样的设备，以对应加载合适的驱动程序。

调试USB设备，很重要的一点就是USB的枚举过程；只要枚举成功了，剩下的工作就不多了。

获取设备描述符的传输过程

设置事务：主机向设备下发 -> 80 06 00 01 00 00 40 00

令牌包 --> ：SETUP类型
数据包 --> ：由于令牌是SETUP类型，所以主机紧接着下发数据包，DATA0类型
握手包 <-- ：设备收到数据包，回复应答

输入事务：设备向主机上发 -> 12 01 00 01 DC 00 00 10 71 04 F0 FF 00 01 00 00

令牌包 --> ：IN类型，主机准备好，设备可以上发数据
数据包 <-- ：DATA1类型：DATA0与DATA1在发送数据时需要交替，DATA中夹带设备描述符
握手包 --> ：主机收到回复，向设备应答

输出事务：无

令牌包 --> ：OUT类型
数据包 --> ：DATA0类型，再一次切换为DATA0，没有需要发送给设备的
握手包 <-- ：设备收到数据包，回复应答

USB的包

包：有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，不同的包的域结构不同，介绍如下：

1、令牌包：可分为输令牌入包(IN)、输出令牌包(OUT)、设置令牌包(SETUP)和帧起始包(SOF)（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，而不是放据数的）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）

输出令牌包：用来通知设备将要输出一个数据包。
输入令牌包：用来通知设备符合一个数据包。
建立令牌包：只用在控制传输中，与输出令牌包作用相同。区别在于：SETUP令牌包以后只使用DATA0数据包，且只能发送到设备的控制端点且设备必须要接收；而OUT令牌包没有这些限制。
帧起始包：在每一帧/微帧开始时发送，以广播的形式发送给总线，所有的USB全速设备和高速设备都可以接收到（全速设备每毫秒发一个帧；高速设备每125us产生一个微帧）;USB主机会对当前帧号进行计数，在每一帧开始时（或者微帧开始时，因为每毫秒有8个微帧，所以这8个微帧的帧号相同）；帧号为11位。在4个令牌包中，只有SOF包之后不跟随数据传输（其他都有数据传输）。每一个令牌包都会有一个CRC5的校验。（只校验PID之后的数据，因为PID已经有4位反码进行校验了）

帧起始包的格式：SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）+EOP

2、数据包：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，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（四类传输类型中之一），所有的数据包都是为DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

3、握手包：结构最为简单的包，格式：SYNC+PID

4、特殊包：根据不同的通讯而有不同的行为。schips

USB的事务

分别有IN(输入)、OUT(输出)和SETUP(设置)三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成。

USB事务的特点：

不能中断：USB的每次事务是“堵塞”，必须该事务完整后才能做其他事务
状态判断：之前的举例当中，每次传输都是成功的回复了ACK，可以看到，上图中，事务发起了三次IN的Token包，设备才发送了下一帧数据。不会因为设备忙就退出事务。
流程控制：下发/接收数据、控制进出方向、确认回复

事务的三个阶段：

这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的。因为USB是半双工，DM DP并非独立工作，所以采用"三段式"通讯，保证总线不会冲突

1、令牌包阶段：主机发起，启动一个输入、输出或设置的事务。

2、数据包阶段：根据令牌包中的方向，由主机发起（OUT/SETUP）或者设备发起（IN）数据包。

3、握手包阶段：数据包接收方发起握手包，返回状态，包含ACK NAK STALL状态等。（在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段）

事务的三种类型如下(以下按三个阶段来说明一个事务)：

IN事务

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；

数据包阶段：设备根据情况会作出三种反应(要注意：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)。

设备端点正常：设备往主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)；
设备正在忙：无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；
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。

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。

OUT事务

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；

数据包阶段：比较简单，就是主机会往设备送数据，DATA0与DATA1交替

握手包阶段：设备根据情况会作出三种反应

设备端点接收正确，设备给主机返回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；
设备正在忙，无法给主机返回ACK，就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；
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。

SETUT事务

令牌包阶段：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；

数据包阶段：比较简单，就是主机往设备送数据，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，详见2.4。

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)。

枚举过程

等待稳定：主机通过电平差检测到设备，等待100ms让设备电平趋于稳定
首次复位：HUB发起复位，让设备进入初始的地址0模式
首次查询设备描述符：GET_DESCRIPTOR 主机查询设备描述符，只要前8字节 ==> 80 06 01 00 00 00 12 00
二次复位：在接收到设备描述符前8个字节后，再次重启设备
设置地址：SET_ADDRESS 主机下发设置地址命令，设备获取新地址 ==> 00 05 01 00 00 00 00 00
二次查询设备描述符：GET_DEVICE_DESCRPTOR获取整个18字节的设备描述符 ==> 80 06 01 00 00 00 12 00
获取配置描述符：GET_CONFIGURATION 获取9字节配置描述符 ==> 80 06 02 00 00 00 09 00
完成配置：SET_CONFIGURATION，

附录： USB插入检测

A：USB是如何检测到设备插入的
Q：主机端将DM DP接入下拉电阻；设备端根据不同速度，将DM DP的某一根接上拉电阻，插入时通过压差即可判定是否插入
- 低速设备：在DM线上接入上拉
- 全速设备：在DP线上接入上拉
- 高速设备：在DP线上接入上拉，在主机对设备进行复位后进一步的确认

主机在要和设备通信之前会发送Reset信号（拉低两根信号线并保持10ms ）来把设备设置到默认的未配置状态。