第4章 ThreadX USBX協定棧基礎知識
本章節為大家講解USB基礎知識點，學習USB前，非常有必要有個系統的認識。
4.1初學者重要提示
4.2 USB曆史
4.3 USB架構
4.4 USB硬體
4.5 USB電流
4.6 USB傳輸速度
4.7 USB通信（重要）
4.8 USB描述符
4.9 USB類
4.10 總結
4.1 初學者重要提示
1、 USB1.1和USB2.0規格書以及Cypress做的中文版USB文檔，非常推薦大家學習：
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=100698
2、 USB初學 -- 入門篇 （USB基礎知識速覽）
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=100687 。
3、 文獻參考：
https://en.wikipedia.org/wiki/USB
https://zh.wikipedia.org/wiki/USB
https://en.wikipedia.org/wiki/USB_hardware
4.2 USB曆史
1994年，由七個公司組成的小組開始開發USB：Compaq，DEC，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Nortel。目标是通過替換PC背面的衆多連接配接器，解決現有接口的可用性問題以及簡化所有連接配接到USB裝置的軟體配置，從根本上簡化外部裝置連接配接至PC，并且可以為外部裝置提供更高的資料速率。 阿傑·巴特（Ajay Bhatt）和他的團隊在英特爾制定該标準。第一批內建電路支援USB的産品由英特爾于1995年生産。
最初的USB 1.0規範于1996年1月推出，它定義了1.5 Mbit / s 低速和12 Mbit / s全速的資料傳輸速率 。12 Mbit / s适用于列印機和軟碟驅動器等高速裝置，1.5 Mbit / s适用于鍵盤，滑鼠和操縱杆等低資料速率裝置。Microsoft Windows 95，OSR 2.1在1997年8月為裝置提供了OEM支援。USB的第一個廣泛使用的版本是1998年9月釋出的1.1。蘋果的iMac是第一個帶有USB的主流産品，而iMac的成功推廣了USB本身。在蘋果公司決定從iMac上删除所有相容端口之後，許多PC制造商開始建構相容版PC，這導緻使用USB成為PC市場标準。
USB 2.0規範于2000年4月釋出，并在2001年底被USB-IF準許。惠普，英特爾，朗訊科技（現為諾基亞），NEC和飛利浦共同上司了該計劃。開發更高的資料傳輸速率，進而使規範達到480 Mbit / s，是原始USB 1.1規範的40倍。
USB 3.0規範釋出于2008年11月12日，其主要目标是提高資料傳輸速率（高達5 Gbit / s），減少電力消耗，提高輸出功率，并且向後相容USB 2.0。USB 3.0包括與USB 2.0總線類似的新型高速總線SuperSpeed。是以，新版本也稱為SuperSpeed。首批配備USB 3.0的裝置于2010年1月推出。截止到2008年，全球市場上大約有60億個USB端口和接口，每年大約銷售20億個。
USB 3.1規範于2013年7月釋出。2014年12月，USB-IF向IEC（TC100–音頻，視訊和多媒體系統和裝置）送出了USB 3.1，USB Power Delivery 2.0和USB-C規範，以納入國際标準IEC 62680（通用串行總線接口，用于資料和電源），目前基于USB 2.0。
USB 3.2規範于2017年9月釋出。
USB4規範于2019年8月29日由USB-IF釋出。
4.3 USB架構
系統中隻能有一個主機，并且與裝置進行的通信是從主機的角度進行的。主機是“上行” 元件，裝置則是“下行” 元件，資料從主機轉移到外設的操作是 OUT 傳輸。資料從外設轉移到主機的操作是 IN 傳輸。主機（尤其是主要制器）控制着所有通信并向裝置發出指令。共有三種常見的 USB 主要制器：
- 通用主要制器接口（UHCI）： 由 Intel 生産，适用于 USB 1.0 和 USB 1.1。使用 UHCI 時需要得到 Intel 的許可。該控制器支援低速模式和全速模式。
- 開放主要制器接口（OHCI）： 由 Compaq、 Microsoft 和 National Semiconductor 生産， 适用于 USB 1.0 和 1.1。該控制器支援低速模式和全速模式， 并且它的效率比 UHCI 更高， 因為可以執行更多硬體功能。
- 擴充型主要制器接口（EHCI）： 在 USB-IF 要求釋出單一主要制器規範後，已經生産了該控制器，它适用于 USB2.0。 EHCI 僅支援高速傳輸，并且将低速和全速傳輸委托給 OHCI 或 UHCI 控制器執行。
可以将一個或多個裝置連接配接至一個主機。每個裝置均有一個位址，并且會對尋址它的主機指令做出響應。裝置預計具有某種形式的功能，并不簡單作為一個被動元件。裝置具有一個上行端口。端口是裝置上的 USB 實體連接配接點。集線器是一個專用裝置，允許主機同總線上的多個外設進行通信。與 USB 外設（例如滑鼠）具有實際功能不同，集線器裝置是透明的，并且作為直通連接配接使用。集線器也作為主機和裝置間的通道。集線器具有多個連接配接點，進而可以将多個裝置連接配接到一個主機上。一個集線器可以将與下行裝置進行的通信，重複使用到一個上行端口和最多七個下行端口。但集線器并沒有主機功能。
通過使用集線器最多能夠将 127 個裝置連接配接至主要制器上。連接配接裝置的數目限制由 USB 協定決定，它限制裝置位址為 7 位。另外，由于集線器的時間限制和電纜傳播的延遲，是以最多隻能将五個集線器連結在一起。下圖顯示的是 USB 層次系統的框圖，它表示集線器和裝置的連結限制。大家可以看到，随着集線器的連結限制，層次系統也限制為七層。
USB裝置分為以下幾個類别：
- Hubs
Hubs集線器（USB擴充裝置）提供了附加的連接配接點，并從使用者角度簡化了USB連接配接。每個集線器将單個連接配接點轉換為多個連接配接點，稱為端口。
- Functions
Functions為系統提供了發送或接收資料和控制資訊的功能。每個功能都包含描述裝置功能和資源要求的配置資訊。
- Composite Devices
複合裝置是實作多種功能并包括嵌入式集線器的實體程式包。複合裝置在主機上看起來像是帶有一個或多個不可移動USB裝置的集線器。複合裝置支援不止一種類别，是以為主機提供了不止一種功能。
對于以主機為中心的開發，USB連接配接看起來像是星形網絡。集線器不會引起任何程式設計複雜性，并且對程式員而言是透明的。無論是直接連接配接到根集線器還是通過中間集線器連接配接，USB裝置的工作方式都相同。在該主/從網絡中，所有USB裝置都可用作可尋址節點。隻有主機可以在網絡中啟動資料傳輸。
注意：
- 任何USB系統中僅存在一個主機。
- 在第7層中，隻能啟用功能。
- 符合裝置占據兩層。
4.4 USB硬體
市場是上USB連機器種類非常多，常用的如下：
Type A，Type B是四個引腳，對于的引腳定義如下：
Mini 和 Micro 連接配接器具有五個（而不是 4 個）引腳。額外引腳是 ID 引腳，用于識别 OTG 應用中的主機和裝置，此引腳接地表示主機，未連接配接表示裝置。
更多的USB接口如下：
4.5 USB電流
USB2.0和USB3.0支援的電壓範圍和最大電流如下：
注：BC1.2是Battery Charging (BC) 1.2，PD是Power Delivery。
4.6 USB傳輸速度
不同USB版本的速度如下：
4.7 USB通信（重要）
USB是輪詢總線，USB主機發起所有資料交換。資料往返于USB裝置中的端點。USB主機中的用戶端将資料存儲在緩沖區中，但沒有端點。USB主機和外圍USB裝置具有不同的層，如下圖所示。層之間的連接配接是每個層之間的裝置接口。在連接配接之間，使用Pipes傳輸資料。
USB資料是由二進制數字串構成的，首先數字串構成域，域再構成包Packet（令牌包、資料包、握手包），包再構成事務Transaction（IN、OUT、SETUP），事務再構成傳輸Transfer（中斷傳輸、同步傳輸、批量傳輸和控制傳輸），傳輸最後再構成管道Pipe。下圖可以形象的展示它們之間的關系：
4.7.1 管道（Pipes）
管道是主機與裝置端點資料傳輸的連接配接通道，代表了主機的資料緩沖區與裝置端點之間交換資料的能力。管道包括資料流管道和消息管道。
- Message Pipes：消息管道具有定義的USB格式，并且受主機控制。消息管道允許資料雙向流動，并且僅支援控制傳輸。
- Stream Pipes：流管道沒有定義的USB格式，可以由主機或裝置控制。資料流具有預定義的方向，即IN或OUT。流管道支援中斷傳輸，同步傳輸和批量傳輸。
将USB裝置連接配接到USB總線并由USB主機配置後，大多數管道就存在了。管道源自主機用戶端中的資料緩沖區，并在USB裝置端點的内部終止。
4.7.2 傳輸（Transfers）
傳輸（資料流類型管道）可以包含一個或多個事務，管道支援以下傳輸類型之一：
- 控制傳輸通常用于設定USB裝置。它們始終使用IN / OUT端點0。
- 中斷傳輸可用于定期發送資料的地方，例如用于狀态更新。
- 同步傳輸傳輸實時資料，例如音頻和視訊。它們具有固定帶寬，但沒有錯誤檢測。
- 批量傳輸可用于時間不重要的資料發送，例如列印機。
4.7.3 控制傳輸（Control Transfers）
控制傳輸是雙向傳輸，供主機使用，以便主機使用IN和OUT端點0向裝置發送和從裝置請求配置資訊。每個控制轉移包括兩個及其事務。控制端點資料的最大資料包大小：
- 低速USB是8個位元組。
- 全速USB是8，16，32或者64位元組。
- 高速USB是64位元組。
通常，應用程式軟體不使用這種類型的傳輸。控制傳輸的三個階段：
1、SETUP階段攜帶8個位元組被稱為設定包，定義請求，以及指定多少資料應在資料階段被轉移。
2、該資料階段是可選的。如果存在，它将始終從包含DATA1資料包的事務開始。然後，事務類型在DATA0和DATA1之間交替，直到所有必需的資料都已傳輸。
3、STATUS階段是含有零長度分組DATA1事務。如果DATA階段為IN，則STATUS階段為OUT，反之亦然。
4.7.4 中斷傳輸（Interrrupt Transfers）
中斷傳輸與裝置之間的延遲有限。在USB中，中斷傳輸或中斷管道具有以下定義的輪詢速率：
- 全速和低速分别為1ms和255ms。
- 高速端點為125μs至4096ms。
中斷端點資料的最大包大小為：
- 全速USB最大64位元組。
- 高速USB最大1024位元組。
開發人員可以定義主機多久請求裝置進行資料傳輸。例如，對于滑鼠，可以保證每10 ms的資料傳輸速率。但是，定義輪詢速率并不能保證每10毫秒傳輸一次資料，而是保證交易将發生在第十幀内的某個位置。是以，USB事務有一定的抖動。
通常，中斷傳輸資料由事件通知，字元和來自裝置的坐标組成。
4.7.5 同步傳輸（Isochronous Transfers）
同步傳輸用于傳輸實時資訊，例如音頻和視訊資料，并且必須以恒定的速率發送。為USB等時資料流配置設定了USB帶寬的專用部分，確定按所需的速率傳送資料。同步管道在每個幀中發送一個新的資料包，而不管最後一個包的成功或失敗。
等時端點資料的最大資料包大小為：
- 全速最大1023位元組。
- 高速最大1024位元組。
同步傳輸沒有錯誤檢測。電氣傳輸中的任何錯誤均無法糾正。同步傳輸也受定時抖動的影響。
4.7.6 批量傳輸（Bulk Transfers）
批量傳輸用于控制，中斷和同步傳輸以外的資料。使用錯誤檢測可以在硬體級别上確定可靠的資料交換。
資料的傳輸方式與中斷傳輸的方式相同，但是沒有定義輪詢速率。批量傳輸占用了其他傳輸完成後的所有可用帶寬。如果總線非常繁忙，則批量傳輸可能會延遲。
批量端點資料的最大資料包大小為：
- 全速USB支援8、16、32或64位元組。
- 高速USB支援512位元組。
對于低速和全速端點，以下内容有效：如果總線空閑，則可以在單個1ms幀中進行多個批量傳輸（中斷和同步傳輸限制為每幀最多一個資料包）。
例如，批量傳輸将資料發送到列印機。隻要在合理的時間範圍内列印資料，确切的傳輸速率就不重要。
4.7.7 事務（Transaction）
事務：分别有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、資料包、握手包三個階段構成：
- 令牌包（Token Packet）是定義事務類型，方向，裝置位址和端點。
- 資料在資料包（Data Packet）中傳輸。
- 事務的最終狀态在握手資料包（Handshake Packet）中确認。
在事務中，資料從USB主機傳輸到USB裝置，反之亦然。傳輸方向在USB主機發送的令牌包中指定。然後，發送端發送一個資料包或訓示它沒有要傳輸的資料。通常，目的地以握手包作為響應，訓示傳輸是否成功。
4.7.8 包（Packets）
每個資料包以目前傳輸速率傳輸整數個位元組。資料包以同步模式開始，然後是資料包的資料位元組，最後以資料包結束（EOP）信号結束。
所有USB資料包模式都首先發送最低有效位。在資料包之前和之後，總線處于空閑狀态。
特殊的資料包是幀開始資料包（SOF），它将USB總線分為多個時間段。每個管道在每個幀中配置設定一個插槽。幀開始資料包在全速鍊路上每1ms發送一次。高速時，将1ms幀分為8個每幀125μs的微幀。在每個微幀的開頭使用相同的幀号發送幀開始資料包。幀号每1ms增加一次。
4.7.9 域（field）
域是USB資料最小的機關，由若幹位組成，域可分為七種類型：
- 同步域（SYNC），8位，值固定為0000 0001，用于本地時鐘與輸入同步，标志一個包的起始。
- 辨別域（PID），由四位辨別符+四位辨別符反碼構成，表明包的類型和格式，可以計算出USB的辨別碼有16種。
- 位址域（ADDR）：七位位址，代表了裝置在主機上的位址，位址000 0000被命名為零位址，是任何一個裝置第一次連接配接到主機時，在被主機配置、枚舉前的預設位址，是以一個USB主機隻能接127個裝置。
- 端點域（ENDP），4位，由此可知一個USB裝置有的端點數量最大為16個。
- 幀号域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀号，幀号域最大容量0x800，幀号連續增加，到0x7ff後從自動0開始，對于同步傳輸有重要意義。
- 資料域（DATA）：長度為0~1023位元組，在不同的傳輸類型中，資料域的長度各不相同，但必須為整數個位元組的長度。
- 校驗域（CRC）：對令牌包（CRC5）和資料包（CRC16）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至于具體的校驗方法請查閱相關資料，隻須注意CRC碼的除法是模2運算，不同于10進制中的除法。
4.7.10 端點（Endpoints）
端點，實際上是裝置硬體上具有一定大小的資料緩沖區。USB系統中，每一個端點都有唯一的位址，是有裝置位址和端點号給出的。預設設定端點0用作控制傳輸端點，其他端點必須在裝置被主機配置後才能使用。
端點可以描述為資料源或接收器，并且僅存在于USB裝置中。可以從USB主機接收或等待将其存儲在端點上的資料。可以将端點配置為USB規範中定義的四種傳輸類型（控制傳輸，中斷傳輸，同步傳輸和批量傳輸）。在硬體限制内，可以使用USB協定棧配置端點（例如，将端點限制為某種傳輸類型）。
端點充當一種緩沖區。例如，USB主機的用戶端可以将資料發送到端點1。來自USB主機的資料将發送到OUT端點1。準備就緒後，微控制器上的程式将立即讀取資料。由于程式無法自由通路USB總線（USB總線由USB主機控制），是以必須将傳回資料寫入IN端點1。IN端點1中的資料将保留在那裡，直到主機向端點1發送一個IN資料包以請求資料為止。
這些規則适用于所有微控制器裝置：
- 一個裝置最多可以有16個OUT和16個IN端點。
- 每個端點隻能有一個傳輸方向。
- 端點 0僅用于控制傳輸，不能配置設定任何其他功能。
- OUT始終是指從主機指向裝置的方向。
- IN始終指指向主機的方向。
注意：
- 端點的總數和每個端點支援的功能由硬體定義。
4.8 USB描述符
USB裝置使用描述符報告其屬性，描述符是具有定義格式的資料結構。每個描述符開頭位元組是此描述符的位元組數，之後是描述符類型字段。
将USB裝置連接配接到USB總線時，主機通過枚舉來識别和配置裝置。裝置插入USB主機後，USB主機立即發送設定請求。系統将訓示該裝置選擇配置和接口，以比對USB主機上運作的應用程式。選擇配置和接口後，裝置必須為活動的端點提供服務，以此與USB主機交換資料。
常用的描述符如下：
- 裝置描述符。
- 配置描述符。
- 接口描述符。
- 一個或多個端點描述符。
具體各種描述符的定義，在後面章節為大家說明。
4.9 USB類
常用的USB類如下：
其中HID，CDC，Audio，MSC等類，将在後續章節詳細說明。
4.10 總結
本章就為大家介紹這麼多，涉及到的知識點比較多，需要大家看本章開頭提供的參考文檔位址來進一步的熟悉。