USB協定簡介

1.USB協定簡介

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2017年08月28日 23:20:16 songze_lee 閱讀數：22978

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         最近學習usb相關的知識，一直感覺入不了門，看《linux那些事兒之我是usb》，對usb協定也不是很熟悉，沒能堅持看下去，直到看了《圈圈教你玩usb》一書，把自己的興趣立馬提了起來，大牛圈圈用51單片機實作了usb滑鼠鍵盤等裝置，讓人非常佩服，51單片機自己還是很熟悉，大學玩了四年單片機，單片機來實作立馬感覺親切了許多，決定先從單片機入手學，後面再看linux那些事兒之我是usb，深入學習linux核心下usb，以下先介紹usb協定，内容整理來自usb spec、網絡和圈圈書中，文中也大量引用STM32官方的USB2.0協定文檔，歡迎批評指正。另外學習《圈圈教你玩usb》動手調試實作了單片機usb滑鼠功能，源碼在https://github.com/lisongze2016/mcu_project/tree/master/USB，源碼中結合使用了linux kernel ch9.h中對描述符的結構體定義，對usb協定有了深入的了解。

        USB（Universal Serial Bus）全稱通用序列槽總線，USB為解決即插即用需求而誕生，支援熱插拔。USB協定版本有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.1等，USB2.0目前比較常用，以下以2.0為主介紹。由于USB是主從模式的結構，裝置與裝置之間、主機與主機之間不能互連，為解決這個問題，擴大USB的應用範圍，出現了USB OTG，全拼 ON The Go。USB OTG 同一個裝置，在不同的場合下可行在主機和從機之間切換。

1.1 USB特點：

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

1.2 USB裝置供電方式:

USB裝置有兩種供電方式 

自供電裝置：裝置從外部電源擷取工作電壓 

總線供電裝置：裝置從VBUS(5v) 取電 

  對總線供電裝置，區分低功耗和高功耗USB裝置 

低功耗總線供電裝置：最大功耗不超過100mA 

高功耗總線供電裝置： 枚舉時最大功耗不超過100mA，枚舉完成配置結束後功耗不超過500mA 

裝置在枚舉過程中，通過裝置的配置描述符向主機報告它的供電配置（自供電/總線供電）以及它的功耗要求

如下 USB 配置描述符（以Joystick為例），後面具體介紹：

1.3 USB總線信号:

USB使用的是差分傳輸模式，兩個資料線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

J狀态（高電平）：D+ 高，D- 低

K狀态（低電平）：D+低，D- 高

SEO狀态：D+ 低，D- 高

Reset信号：D+ and D- < VOL for >= 10ms 

主機在要和裝置通信之前會發送Reset信号來把裝置設定到預設的未配置狀态。即主機拉低兩根信号線（SE0狀态）

并保持10ms 

Idle狀态：J狀态資料發、送前後總線的狀态 

Suspend狀态：3ms以上的J狀态 

SYNC： 3個KJ狀态切換，後跟随2位時間的K狀态（看到的波形變化是總線上發送0000 0001經過NRZI編碼後的波形）

Resume信号：20ms的K狀态+低速EOP 

主機在挂起裝置後可通過翻轉資料線上的極性并保持20ms來喚醒裝置，并以低速EOP信号結尾 

帶遠端喚醒功能的裝置還可自己發起該喚醒信号；前提是裝置已進入idle狀态至少5ms，然後發出喚醒K信号，維持1ms到15ms并由主機在1ms内接管來繼續驅動喚醒信号 

SOP：從IDLE狀态切換到K狀态 

EOP：持續2位時間的SE0信号，後跟随1位時間的J狀态 

Keep alive即低速EOP信号

1.4 USB插入檢測和速度檢測：

主機通過裝置在D+或D-上的1.5K上拉來檢測裝置的連接配接和斷開事件，并由此判别裝置的速度 

主機先把高速裝置檢測為全速裝置，然後再通過“Chirp序列”的總線握手機制來識别高速和全速裝置

USB連接配接和斷開連接配接：

裝置連上主機時(連接配接)

當主機檢測到某一個資料線電平拉高并保持了一段時間，就認為有裝置連上來了

主機必需在驅動SE0狀态以複位裝置之前，立刻采樣總線狀态來判斷裝置的速度 

沒有裝置連上主機時(斷開)

D+和D-資料線上的下拉電阻起作用，使得二者都在低電平；主機端看來就是個SE0狀态；同樣地，當資料線上的SE0狀态持續一段時間了，就被主機認為是斷開狀态

1.5 資料編解碼和位填充 

USB采用NRZI（非歸零編碼）對發送的資料包進行編碼 

輸入資料0， 編碼成“電平翻轉” 

輸入資料1， 編碼成“電平不變” 

編碼出來的序列，高電平：J狀态；低電平：K狀态 

位填充是為了保證發送的資料序列中有足夠多的電平變化 

填充的對象是（輸入資料），即先填充再編碼 

資料流中每6個連續的“1”，就要插入1個“0”，進而保證編碼

資料出現電平變化 

接收方指派解碼NRZI碼流，然後識别出填充位，并丢棄它們

2. USB傳輸

一個傳輸有多個事務組成，一個事務由2/3個包組成。

傳輸又分為四種類型：批量傳輸、等時(同步)傳輸、中斷傳輸、控制傳輸。

注意：USB傳輸資料先發資料低位再發高位資料

2.1 包

包的組成：

包的内容：

Packet分四大類： 指令 (Token) 、Packet 幀首 (Start of Frame) 、Packet 資料 (Data) 、Packet 握手 (Handshake) Packet

不同類型包，以上的組成部件有所不同

PID：

這裡隻用（PID0~4）,PID4~7是PID0~4的取反，用來校驗PID

PID1~0：01 令牌包、11 資料包、10 握手包、00 特殊包

位址：

幀号：

資料:

CRC:

四種Packet類型之令牌包(Token Packet):

令牌包用來啟動一次USB傳輸。

輸出（OUT）令牌包：用來通知裝置将要輸出一個資料包

輸入（IN）令牌包：用來通知裝置傳回一個資料包

建立（SETUP）令牌包：隻用在控制傳輸中，和輸出令牌包作用一樣，也是通知裝置将要輸出一個資料包，兩者差別在于:

SETUP令牌包後隻使用DATA0資料包，且隻能發送到裝置的控制端點，并且裝置必須要接收，而OUT令牌包沒有這些限制

例子：

四種Packet類型之SOF Packet

幀起始包：在每幀（或微幀）開始時發送，以廣播的形式發送，所有USB全速裝置和高速裝置都可以接收到SOF包。

例子：

0xA5：1010 0101：對應上面PID表可知是幀起始包

四種Packet類型之Data Packet

例子：

四種Packet類型之Handshake Packet 

例子：

2.2 事務

Transaction可以分成三類 

Setup transaction：主機用來向裝置發送控制指令 

Data IN transaction：主機用來從裝置讀取資料 

Data OUT transaction：主機用來向裝置發送資料 

Transaction的packet組成 

Token packet：總是由主機發出 

Data packet：包含此次transaction的資料負載 

可選的Handshake packet 

例子：

2.3 傳輸

USB協定定義了四種傳輸類型： 

批量(大容量資料)傳輸(Bulk Transfers): 非周期性，突發  

大容量資料的通信，資料可以占用任意帶寬，并容忍延遲 。如USB列印機、掃描器、大容量儲存裝置等 

中斷傳輸(Interrupt Transfers): 周期性，低頻率

允許有限延遲的通信 如人機接口裝置（HID）中的滑鼠、鍵盤、軌迹球等

等時(同步)傳輸(Isochronous Transfers): 周期性 

持續性的傳輸，用于傳輸與時效相關的資訊，并且在資料中儲存時間戳的資訊 ,如音頻視訊裝置

控制傳輸(Control Transfers): 非周期性，突發

用于指令和狀态的傳輸

2.3.1 批量傳輸

批量輸出事務，(1)主機先發出一個OUT令牌包（包含裝置位址，端點号），(2)然後再發送一個DATA包，這時位址和端點比對的裝置就會收下這個資料包，主機切換到接收模式，等待裝置傳回握手包，（3）裝置解碼令牌包，資料包都準确無誤，并且有足夠的緩沖區來儲存資料後就會使用ACK/NYET握手包來應答主機（隻有高速模式才有NYET握手包，他表示本次資料成功接收，但是沒有能力接收下一次傳輸），如果沒有足夠的緩沖區來儲存資料，就傳回NAC，告訴主機目前沒有緩沖區可用，主機會在稍後時間重新該批量傳輸事務。如果裝置檢查到資料正确，但端點處于挂起狀态，傳回STALL。如果檢測到有錯誤（如校驗錯誤，位填充錯誤），則不做任何響應，讓主機等待逾時。

批量輸入事務，(1)主機首先發送一個IN令牌包（包含裝置位址，端點号），（2）主機切換到接收資料狀态等待裝置傳回資料。如果裝置檢測到錯誤，不做任何響應，主機等待逾時。如果此時有位址和端點比對的裝置，并且沒有檢測到錯誤，則該裝置作出反應：裝置有資料需要傳回，就将一個資料包放在總線上；如果沒有資料需要傳回，裝置傳回NAK響應主機；如果該端點處于挂起狀态，裝置傳回STALL。如果主機收到裝置發送的資料包并解碼正确後，使用ACK握手包應答裝置。如果主機檢測到錯誤，則不做任何響應，裝置會檢測到逾時。注意：USB協定規定，不允許主機使用NAK來拒絕接收資料包。主機收到NAK，知道裝置暫時沒有資料傳回，主機會在稍後時間重新該批量輸入事務。

PING令牌包，它不發送資料，直到等待裝置的握手包。

2.3.2 中斷傳輸

中斷傳輸是一種保證查詢頻率的傳輸。中斷端點在端點描述符中要報告它的查詢間隔，主機會保證在小于

這個時間間隔的範圍内安排一次傳輸。

2.3.3 等時傳輸

等時（同步）傳輸用在資料量大、對實時性要求高的場合，如音頻裝置，視訊裝置等，這些裝置對資料的延遲很敏感。對于音頻或視訊裝置資料的100%正确性要求不高，少量的資料錯誤是可以容忍的，主要是保證資料不能停頓，是以等時傳輸是不保證資料100%正确的。當資料錯誤時，不再重傳操作。是以等時傳輸沒有應答包，資料是否正确，由資料的CRC校驗來确認。

2.3.4 控制傳輸

控制傳輸可分為三個過程：（1）建立過程 （2）資料過程（可選） （3）狀态過程

 特性:  

每個USB裝置都必須有控制端點，支援控制傳輸來進行指令和狀态的傳輸。USB主機驅動将通過控制傳輸與USB裝置的控制端點通信，完成USB裝置的枚舉和配置 

方向:  

控制傳輸是雙向的傳輸，必須有IN和OUT兩個方向上的特定端點号的控制端點來完成兩個方向上的控制傳輸 

資料的拆分和資料傳輸完畢的判定 

以高速裝置的最大資料包長度64位元組為例 

要傳輸250位元組，拆分成4個packet 

要傳輸正好256位元組，通過最後一個0位元組包告訴裝置傳輸完成

各種傳輸特性比較

3. USB标準請求

3.1 USB标準請求的資料結構

3.2 USB 裝置枚舉及描述符介紹 

當一個USB裝置插入主機後，會有以下活動: 

1. include/uapi/linux/usb/ch9.h

3. struct usb_device_descriptor {

4. __u8 bLength;

5. __u8 bDescriptorType;

6. __le16 bcdUSB;

7. __u8 bDeviceClass;

8. __u8 bDeviceSubClass;

9. __u8 bDeviceProtocol;

10. __u8 bMaxPacketSize0;

11. __le16 idVendor;

12. __le16 idProduct;

13. __le16 bcdDevice;

14. __u8 iManufacturer;

15. __u8 iProduct;

16. __u8 iSerialNumber;

17. __u8 bNumConfigurations;

18. } __attribute__ ((packed));

19. #define USB_DT_DEVICE_SIZE 18

1. struct usb_config_descriptor {

2. __u8 bLength;

3. __u8 bDescriptorType;

4. __le16 wTotalLength;

5. __u8 bNumInterfaces;

6. __u8 bConfigurationValue;

7. __u8 iConfiguration;

8. __u8 bmAttributes;

9. __u8 bMaxPower;

10. } __attribute__ ((packed));

11. #define USB_DT_CONFIG_SIZE 9

2. struct usb_interface_descriptor {

3. __u8 bLength;

4. __u8 bDescriptorType;

5. __u8 bInterfaceNumber;

6. __u8 bAlternateSetting;

7. __u8 bNumEndpoints;

8. __u8 bInterfaceClass;

9. __u8 bInterfaceSubClass;

10. __u8 bInterfaceProtocol;

11. __u8 iInterface;

12. } __attribute__ ((packed));

13. #define USB_DT_INTERFACE_SIZE 9

2. struct usb_endpoint_descriptor {

3. __u8 bLength;

4. __u8 bDescriptorType;

5. __u8 bEndpointAddress;

6. __u8 bmAttributes;

7. __le16 wMaxPacketSize;

8. __u8 bInterval;

11. __u8 bRefresh;

12. __u8 bSynchAddress;

13. } __attribute__ ((packed));

14. #define USB_DT_ENDPOINT_SIZE 7

15. #define USB_DT_ENDPOINT_AUDIO_SIZE 9

2. struct usb_string_descriptor {

3. __u8 bLength;

4. __u8 bDescriptorType;

5. __le16 wData[1];

6. } __attribute__ ((packed));