接口与协议学习笔记-USB协议_USB2.0_USB3.0不同版本（三）

USB（Universal Serial Bus）全称通用串口总线，USB为解决即插即用需求而诞生，支持热插拔。USB协议版本有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.1等，USB2.0目前比较常用，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，全拼 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。

1、USB特点

USB1.0和USB1.1支持1.5Mb/s的低速模式和12Mb/bs的全速模式。在USB2.0以上支持480Mb/s的高速模式。

2、  自供电设备：设备从外部电源获取工作电压 总线供电设备：设备从VBUS(5v) 取电 。对总线供电设备，区分低功耗和高功耗USB设备

低功耗总线供电设备：最大功耗不超过100mA 
高功耗总线供电设备： 枚举时最大功耗不超过100mA，枚举完成配置结束后功耗不超过500mA 
设备在枚举过程中，通过设备的配置描述符向主机报告它的供电配置（自供电/总线供电）以及它的功耗要求

3、 USB总线信号:
        USB使用的是差分传输模式，两个数据线D+和D- 
        差分信号1：D+ > VOH(min) (2.8V) 且D- < VOL(max)(0.3V) 
        差分信号0：D- > VOH and D+ < VOL

总有以下个状态，

J状态（高电平）：D+ 高，D- 低
K状态（低电平）：D+低，D- 高
SEO状态：D+ 低，D- 高
Reset信号：D+ and D- < VOL for >= 10ms 
主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备设置到默认的未配置状态。即主机拉低两根信号线（SE0状态）
并保持10ms 
Idle状态：J状态数据发、送前后总线的状态 
Suspend状态：3ms以上的J状态

SYNC： 3个KJ状态切换，后跟随2位时间的K状态

Resume信号：20ms的K状态+低速EOP 
主机在挂起设备后可通过翻转数据线上的极性并保持20ms来唤醒设备，并以低速EOP信号结尾 
带远程唤醒功能的设备还可自己发起该唤醒信号；前提是设备已进入idle状态至少5ms，然后发出唤醒K信号，维持1ms到15ms并由主机在1ms内接管来继续驱动唤醒信号 
SOP：从IDLE状态切换到K状态 
EOP：持续2位时间的SE0信号，后跟随1位时间的J状态 
Keep alive即低速EOP信号

唤醒slave设备操作

4、USB插入检测和速度检测

全速高速设备在D+接上拉1.5k电阻，低速设备在D-接上拉1.5K电阻。主机检测到某一个数据线电平拉高并保持了一段时间，就认为有设备连上来了， 先把高速设备检测为全速设备，然后再通过“Chirp序列”的总线握手机制来识别高速和全速设备。主机必需在驱动SE0状态以复位设备之前，立刻采样总线状态来判断设备的速度 。

D+和D-数据线上的下拉电阻起作用，使得二者都在低电平；主机端看来就是个SE0状态；同样地，当数据线上的SE0状态持续一段时间了，就被主机认为是断开状态。

5、USB传输

一个传输有多个事务组成，一个事务由2到3个包组成。传输又分为四种类型：批量传输、等时(同步)传输、中断传输、控制传输。注意：USB传输数据先发数据低位再发高位数据。

USB协议定义了四种传输类型： 
批量(大容量数据)传输(Bulk Transfers): 非周期性，突发  
大容量数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟 。如USB打印机、扫描仪、大容量储存设备等 

低速 USB 设备不支持批量传输，高速批量端点的最大包长度为 512，全速批量端点的最大包长度可以为 8、16、32、64。

批量传输在访问 USB 总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，USB HOST 总是优先安排其他类型的传输，当总线带宽有富余时才安排批量传输。

高速的批量端点必须支持PING 操作，向主机报告端点的状态，NYET 表示否定应答，没有准备好接收下一个数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。

中断传输(Interrupt Transfers): 周期性，低频率
允许有限延迟的通信 如人机接口设备（HID）中的鼠标、键盘、轨迹球等

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。

中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输，HOST通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据，否则返回NAK，表示尚未准备好。

中断传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传。 
      对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。

高速中断传输不得占用超过 80%的微帧时间，全速和低速不得超过 90%。

中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可以是1~255mS，低速端点为10~255mS，高速端点为(2interval-1)*125uS，其中 interval取 1到 16之间的值。

除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据。

所谓单向传输，并不是说该传输只支持一个方向的传输，而是指在某个端点上该传输仅支持一个方向，或输出，或输入。如果需要在两个方向上进行某种单向传输，需要占用两个端点，

分别配置成不同的方向，可以拥有相同的端点编号。

等时(同步)传输(Isochronous Transfers): 周期性 
持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息 ,如音频视频设备

等时（同步）传输用在数据量大、对实时性要求高的场合，如音频设备，视频设备等，这些设备对数据的延迟很敏感。对于音频或视频设备数据的100%正确性要求不高，少量的数据错误是可以容忍的，主要是保证数据不能停顿，所以等时传输是不保证数据100%正确的。当数据错误时，不再重传操作。因此等时传输没有应答包，数据是否正确，由数据的CRC校验来确认。

控制传输(Control Transfers): 非周期性，突发
用于命令和状态的传输

控制传输可分为三个过程：（1）建立过程 （2）数据过程（可选） （3）状态过程
                              特性:  
                             每个USB设备都必须有控制端点，支持控制传输来进行命令和状态的传输。USB主机驱动将通过控制传输与USB设备的控制端点通信，完成USB设备的枚举和配置 
                             方向:  
                             控制传输是双向的传输，必须有IN和OUT两个方向上的特定端点号的控制端点来完成两个方向上的控制传输

控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。第一阶段为从HOST到Device的SETUP事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型；

第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。

控制传输通过控制管道在应用软件和 Device 的控制端点之间进行，控制传输过程中传输的数据是有格式定义的，USB 设备或主机可根据格式定义解析获得的数据含义。

其他三种传输类型都没有格式定义。

控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64Byte；对于低速设备该值为 8；全速设备可以是 8或 16或 32或 64。

最大包长度 表征了一个端点单次接收/发送数据的能力，实际上反应的是该端点对应的Buffer 的大小。Buffer 越大，单次可接收/发送的数据包越大，反之亦反。

当通过一个端点进行数据传输时，  若数据的大小超过该端点的最大包长度时，需要将数据分成若干个数据包传输，并且要求除最后一个包外，所有的包长度均等于该最大包长度。

这也就是说如果一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的包，即意味着数据传输结束。

控制传输在访问总线时也受到一些限制，如：

a. 高速端点的控制传输不能占用超过 20%的微帧，全速和低速的则不能超过 10%。 
        b. 在一帧内如果有多余的未用时间，并且没有同步和中断传输，可以用来进行控制传输。

6、USB的编码方案

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***作（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0）。

7、USB的数据格式

（一）域：是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：

1、同步域（SYNC），八位，值固定为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，这里可以计算出，USB的标识码有16种，具体分类请看问题五。

3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了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，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为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，请看下面）。

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（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

（二）包：由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下

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）

帧起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

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，格式如下

SYNC+PID

8、USB 2.0 和USB 3.0 对比 

1. USB 2.0基于半双工二线制总线，两根线的差分信号来传输数据，只能提供单向数据流传输；而USB 3.0采用了TxRx四线制差分信号线，类似于PCIe总线，故而支持双向并发数据流传输。
2. USB3.0的最大数据传输速率为5Gbps，与USB2.0的480Mbps相比，提升到了10倍以上。
3. USB3.0芯片大小目标与现有的USB2.0芯片相当，封装尺寸为6mm×6mm～7mm×7mm
4. USB3.0连接器为了保证与现有标准的兼容性，USB3.0引入了新的连接器，包括两种类型：标准规格和面向便携设备的Micro规格。标准规格又包含两种类型：A型与B型。

   A型接口：USB2.0连接器在前，而USB3.0连接器在后

   B型接口：USB3.0连接器设置于USB2.0连接器的上方。

5. 电源电流在同样的5V电压下，USB3.0的电源电流可达到900mA，而USB2.0的100mA。
6. USB3.0将会智能管理USB设备，最大限度地杜绝空置的电能浪费，此举对笔记本用户会带来一定的好处；USB3.0增大了供应电流。在之前的USB规范中，设备取电一般最大可以得到100毫安的电流，如果采用高电量的模式，则得到的电流是500毫安，如果需要更大的电流，则只能借助变压器，然而USB3.0可供应的最大电流是900毫安。这意味着，对于MP3、手机充电来说，采用USB3.0传输的话，充电效率将成倍的提高，从而大大节约充电时间。据悉这是由于USB3.0增加5个针脚造成的。