1．USB概述

USB設(shè)備現(xiàn)在是用的非常普遍的一種接口了，它即插即用的特性給人們帶來了很大的方便。在嵌入式的應(yīng)用中， USB經(jīng)常被用來作為與上位機通信的接口，還用來通過U盤存儲數(shù)據(jù)等。USB按通訊速度可分為低速，全速和高速設(shè)備。在我們的應(yīng)用中，低速和全速是最為普遍的，在此我們對USB從物理層到協(xié)議層做一個簡要的介紹。高速USB的原理是一樣的，在理解了低速和全速設(shè)備的工作原理后再去理解高速設(shè)備就比較簡單了，在此我們暫不討論。

低速（Low Speed， 1．5Mbps）：鍵盤，鼠標，手寫筆

全速（Full Speed， 12Mbps）：音頻

高速（High Speed， 480Mbps）：視頻

USB協(xié)議是開放的，可以從官方網(wǎng)站usb．org下載。

2．主機，設(shè)備（Host， Device）

上圖是一個典型的USB全速主機和設(shè)備的連接示意圖。主機要有對外的供電能力，圖中可以看到作為主機的單片機，一個引腳用來控制三極管或MOSFET，提供5V的電源至USB口。設(shè)備供電有兩種方法：一種是通過USB總線，從主機提供的5V獲得，如我們常用的U盤；一種是自己從另外的電源獲得，此時主機至設(shè)備的電源線可以不連。如果設(shè)備的1．5k上拉電阻是加在D－上，那么此設(shè)備將被主機識別為低速設(shè)備。高速設(shè)備的上拉與全速設(shè)備一樣是加到D＋，需要靠軟件協(xié)議進一步區(qū)分。

通過USB總線獲得供電的設(shè)備，分為兩種配置：

低功率設(shè)備（Low－power devices）： 最大電流不超過100mA

高功率設(shè)備（High－power devices）： 剛連接后設(shè)備后的枚舉階段不超過100mA，配置完成后最大不超過500mA。

USB所有的通訊都是由主機發(fā)起。當主機檢測到有設(shè)備連接時，首先會詢問設(shè)備，讓設(shè)備自報家門，看看設(shè)備都具備哪些能力，其中就包括最大電流，然后主機根據(jù)上報的描述進行相應(yīng)的操作。這個過程叫自舉（Enumeration）。設(shè)備通過描述符（Descriptor）來聲明自己的能力，包括：

設(shè)備描述符（Device Descriptor）

配置描述符（Configuration Descriptor）

接口描述符（Interface Descriptor）

端點描述符（Endpoint Descriptor）

字符串描述符（String Descriptor）

端點（Endpiont）是USB通信的基本單元，每個USB設(shè)備都會包含若干個端點。主機下發(fā)的數(shù)據(jù)最終會根據(jù)設(shè)備地址和端點地址到達某一個端點，主機獲取數(shù)據(jù)也是給某個端點發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，此端點隨后把存儲在自己緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)給主機。

在端點之上是邏輯組織，多個端點可以歸到一個接口，多個接口可以歸為一個配置。而一個設(shè)備可以有多個配置。

3．USB物理層

（USB Specification 2．0）

1 紅色 Vbus（5V）

2 白色 D－

3 綠色 D＋

4 黑色 GND

有的USB接口會多出一根ID線，以支持OTG（On The Go）。支持OTG的線兩端是不一樣的，其中一端插到OTG設(shè)備時會把設(shè)備接口的識別引腳ID拉低，此設(shè)備識別到自己的ID拉低后會進入主機狀態(tài)（Host），連線另一端的設(shè)備ID沒有拉低，默認進入設(shè)備狀態(tài)（Device）。之后通過軟協(xié)議可以主從切換。但是集中這種應(yīng)用不是太多，一臺設(shè)備要么作主機，要么作設(shè)備的情況比較多。

USB使用的是差分傳輸模式，有兩根數(shù)據(jù)線D＋和D－。
Differential 1：D＋ ＞ VOH（min） （2．8V） 且D－ ＜ VOL（max）（0．3V）
Differential 0：D－ ＞ VOH and D＋ ＜ VOL

J狀態(tài)：對于低速USB是Differential 0，對于全速USB是 Differential 1
K狀態(tài)：對于低速USB是Differential 1，對于全速USB是 Differential 0

除此之外，通過把D＋，D－當作單端信號拉低，拉高，可以表示一些特殊的狀態(tài)。

SE0狀態(tài)（Single Ended 0）：D＋ 低，D－ 低
SE1狀態(tài)（Single Ended 1）：D＋ 高，D－ 高

Reset信號：D＋ and D－ ＜ VOL for ＞＝ 10ms
主機在要和設(shè)備通信之前會發(fā)送Reset信號來把設(shè)備設(shè)置到默認的未配置狀態(tài)。即主機拉低兩根信號線（SE0狀態(tài)）并保持10ms。

看到這里也許有點暈，不過沒關(guān)系，你如果看USB協(xié)議會更暈。

我們千萬不要掉進這個坑里出不來，就像我們用串口也從來不會去觸發(fā)一個起始信號，或者拉出一個結(jié)束信號一樣，這些物理層信號狀態(tài)的處理完全由芯片集成的USB控制器來處理。而且提供USB軟件協(xié)議棧也是必須的，靠用戶自己完全把所有細節(jié)搞清楚是不現(xiàn)實的。然而就像開車一樣，你如果對汽車的原理有更深入的了解，一定更能充分的發(fā)揮出這輛車的性能。

繼續(xù)，除了以上狀態(tài)，還有：

Idle State， Resume State， Start of Packet， End of Packet， Disconnect， Connnect．

4．Packet

Packet是USB通訊最基本的單位。

SOP：Start Of Packet，標志由空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)包發(fā)送。

SYNC：同步段，供USB設(shè)備進行時鐘同步。

PID：Packet Identifier。種類比較多，下面再詳細說明。

Address：設(shè)備和端點地址。一個主機可以掛接多個設(shè)備，主機會給每個設(shè)備分配不同地址。

Frame Number：幀號，每發(fā)一幀加1，達到7FFFH時變?yōu)?。

Data：數(shù)據(jù)段。

CRC：校驗和。

EOP：End Of Packet。

通過不同的PID，數(shù)據(jù)包被分成4個大類，每個大類又包含一些小類：

令牌 （Token） OUT，IN，SETUP，SOF

數(shù)據(jù) （Data） DATA0，DATA1

握手 （Handshake） ACK，NAK，STALL，NYET

特殊包 （Special） PRE，ERR

5．Transaction

一次Transaction總是從主機向設(shè)備發(fā)出一個令牌（Token）開始。再次強調(diào)，USB所有的通信過程都是由主機發(fā)起。三種令牌把Transaction分為三類：

OUT：主機發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備。

IN：主機從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。

SETUP：主機對設(shè)備進行設(shè)置。

USB協(xié)議里的OUT和IN，都要站在主機的角度來看。下面是比較典型的獲取，發(fā)送數(shù)據(jù)的例子：

每一次Transaction，Token總是必需的，數(shù)據(jù)段和握手則視情況而定。比如在上一個例子中，當主機發(fā)出IN令牌獲取數(shù)據(jù)時，如果設(shè)備沒準備好數(shù)據(jù)，則可以返回NAK結(jié)束此Transaction。

6．Transfer

好了，有了以上這些，似乎萬事俱備了。但是如果進一步想一下，那么還是有些問題不好解決。什么呢？比方說DATA數(shù)據(jù)段的長度規(guī)定多長好呢？主機多長時間發(fā)起一次通信比較好呢？

一個USB主機上是允許掛載多個設(shè)備的，而這些設(shè)備千差萬別：比如像鼠標，按鍵后需要快速響應(yīng)，把位置信息發(fā)送到主機，它的數(shù)據(jù)量很少，而像U盤則需要傳輸大量的數(shù)據(jù)。如果按鼠標的時候U盤正在傳輸數(shù)據(jù)怎么辦呢？

為了解決上述問題，USB首先規(guī)定了四種傳輸類型：

控制傳輸（Control Transfers）： 主要用來在設(shè)備剛連接到主機時對設(shè)備進行設(shè)置。還有平時對設(shè)備狀態(tài)的管理。它需要雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

批量傳輸（Bulk Data Transfers）： 主要用來進行量大，但對傳輸時間要求不嚴格的場景。例如U盤。

中斷傳輸（Interrupt Data Transfers）： 需要及時準確的傳輸信息的場景。中斷傳輸總是單向的。比如鼠標。

同步傳輸（Isochronous Data Transfers）： 一般需要占用相對固定的帶寬，延時短而且比較確定。傳輸是單向的，數(shù)據(jù)出錯后不需要重傳。比如USB攝像頭。

然后，為了解決設(shè)備的及時響應(yīng)問題，USB每隔1ms （高速USB是每隔125us）發(fā)出一個SOF令牌，緊接令牌進行同步類型的傳輸，之后依次是中斷類型，控制類型和批量數(shù)據(jù)傳輸類型。在每一個Frame內(nèi)，Isochronous，Interrupt和Control都會保證一定的帶寬。而Bulk型的傳輸優(yōu)先級最低，不一定每幀都得到帶寬進行數(shù)據(jù)傳輸。

一個Transfer 由一個或多個Transactions組成。比如一次控制傳輸可以由Setup，IN，OUT等Transactions組成。Packet和Transaction是不允許被中間打斷的，而Transfer的多個Transactions可以分多次傳輸。

7．小結(jié)

我們對USB的物理層和協(xié)議層做了簡要的介紹。在接下來的文章里我們將通過實際的例子來看一下USB是如何工作的，并對很多工程師經(jīng)常忽略或者沒有意識到的一些問題進行探討。

審核編輯：符乾江