對USB從物理層到協議層做一個簡要的介紹

1.USB概述

USB設備現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。在嵌入式的應用中, USB經常被用來作為與上位機通信的接口，還用來通過U盤存儲數據等。USB按通訊速度可分為低速，全速和高速設備。在我們的應用中，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備的工作原理后再去理解高速設備就比較簡單了，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協議是開放的，可以從官方網站usb.org下載。

2.主機，設備(Host, Device)

上圖是一個典型的USB全速主機和設備的連接示意圖。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，此時主機至設備的電源線可以不連。如果設備的1.5k上拉電阻是加在D-上，那么此設備將被主機識別為低速設備。高速設備的上拉與全速設備一樣是加到D+，需要靠軟件協議進一步區分。

通過USB總線獲得供電的設備，分為兩種配置：

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

高功率設備(High-power devices): 剛連接后設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起。當主機檢測到有設備連接時，首先會詢問設備，讓設備自報家門，看看設備都具備哪些能力，其中就包括最大電流，然后主機根據上報的描述進行相應的操作。這個過程叫自舉(Enumeration)。設備通過描述符(Descriptor)來聲明自己的能力，包括:

設備描述符(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設備都會包含若干個端點。主機下發的數據最終會根據設備地址和端點地址到達某一個端點，主機獲取數據也是給某個端點發出讀數據命令，此端點隨后把存儲在自己緩沖區的數據發給主機。

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設備時會把設備接口的識別引腳ID拉低，此設備識別到自己的ID拉低后會進入主機狀態(Host)，連線另一端的設備ID沒有拉低，默認進入設備狀態(Device)。之后通過軟協議可以主從切換。但是集中這種應用不是太多，一臺設備要么作主機，要么作設備的情況比較多。

USB使用的是差分傳輸模式，有兩根數據線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：對于低速USB是Differential 0，對于全速USB是 Differential 1
K狀態：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。

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

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

看到這里也許有點暈，不過沒關系，你如果看USB協議會更暈。

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一個起始信號，或者拉出一個結束信號一樣，這些物理層信號狀態的處理完全由芯片集成的USB控制器來處理。而且提供USB軟件協議棧也是必須的，靠用戶自己完全把所有細節搞清楚是不現實的。然而就像開車一樣，你如果對汽車的原理有更深入的了解，一定更能充分的發揮出這輛車的性能。

繼續，除了以上狀態，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,標志由空閑狀態轉入數據包發送。

SYNC：同步段，供USB設備進行時鐘同步。

PID：Packet Identifier。種類比較多，下面再詳細說明。

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

Frame Number：幀號，每發一幀加1，達到7FFFH時變為0。

Data：數據段。

CRC：校驗和。

EOP：End Of Packet。

通過不同的PID，數據包被分成4個大類，每個大類又包含一些小類：

令牌 (Token) OUT，IN，SETUP，SOF

數據 (Data) DATA0，DATA1

握手 (Handshake) ACK，NAK，STALL，NYET

特殊包 (Special) PRE，ERR

5.Transaction

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

OUT：主機發送數據給設備。

IN：主機從設備獲取數據。

SETUP：主機對設備進行設置。

USB協議里的OUT和IN，都要站在主機的角度來看。下面是比較典型的獲取，發送數據的例子：

每一次Transaction，Token總是必需的，數據段和握手則視情況而定。比如在上一個例子中，當主機發出IN令牌獲取數據時，如果設備沒準備好數據，則可以返回NAK結束此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數據段的長度規定多長好呢？主機多長時間發起一次通信比較好呢？

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

為了解決上述問題，USB首先規定了四種傳輸類型：

控制傳輸(Control Transfers): 主要用來在設備剛連接到主機時對設備進行設置。還有平時對設備狀態的管理。它需要雙向的數據傳輸。

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，數據出錯后不需要重傳。比如USB攝像頭。

然后，為了解決設備的及時響應問題，USB每隔1ms (高速USB是每隔125us)發出一個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，控制類型和批量數據傳輸類型。在每一個Frame內，Isochronous，Interrupt和Control都會保證一定的帶寬。而Bulk型的傳輸優先級最低，不一定每幀都得到帶寬進行數據傳輸。