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USB协议简介「建议收藏」

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USB协议简介「建议收藏」1.USB协议简介https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/776580942017年08月28日23:20:16songze_lee阅读数：22978版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/77658094…

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

1.USB协议简介

https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/77658094

2017年08月28日 23:20:16 songze_lee 阅读数：22978

 版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/songze_lee/article/details/77658094

         最近学习usb相关的知识，一直感觉入不了门，看《linux那些事儿之我是usb》，对usb协议也不是很熟悉，没能坚持看下去，直到看了《圈圈教你玩usb》一书，把自己的兴趣立马提了起来，大牛圈圈用51单片机实现了usb鼠标键盘等设备，让人非常佩服，51单片机自己还是很熟悉，大学玩了四年单片机，单片机来实现立马感觉亲切了许多，决定先从单片机入手学，后面再看linux那些事儿之我是usb，深入学习linux内核下usb，以下先介绍usb协议，内容整理来自usb spec、网络和圈圈书中，文中也大量引用STM32官方的USB2.0协议文档，欢迎批评指正。另外学习《圈圈教你玩usb》动手调试实现了单片机usb鼠标功能，源码在https://github.com/lisongze2016/mcu_project/tree/master/USB，源码中结合使用了linux kernel ch9.h中对描述符的结构体定义，对usb协议有了深入的理解。
        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，以下以2.0为主介绍。由于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。

1.1 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。应用如下：

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1.2 USB设备供电方式:
USB设备有两种供电方式 
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
如下 USB 配置描述符（以Joystick为例），后面具体介绍：

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1.3 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

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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（看到的波形变化是总线上发送0000 0001经过NRZI编码后的波形）

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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

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1.4 USB插入检测和速度检测：

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主机通过设备在D+或D-上的1.5K上拉来检测设备的连接和断开事件，并由此判别设备的速度 
主机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
USB连接和断开连接：
设备连上主机时(连接)
当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
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 

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没有设备连上主机时(断开)
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

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1.5 数据编解码和位填充 
USB采用NRZI（非归零编码）对发送的数据包进行编码 
输入数据0， 编码成“电平翻转” 
输入数据1， 编码成“电平不变” 
编码出来的序列，高电平：J状态；低电平：K状态 

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位填充是为了保证发送的数据序列中有足够多的电平变化 
填充的对象是（输入数据），即先填充再编码 
数据流中每6个连续的“1”，就要插入1个“0”，从而保证编码
数据出现电平变化 
接收方赋值解码NRZI码流，然后识别出填充位，并丢弃它们

2. USB传输
一个传输有多个事务组成，一个事务由2/3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

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2.1 包
包的组成：

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包的内容：

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Packet分四大类： 命令 (Token) 、Packet 帧首 (Start of Frame) 、Packet 数据 (Data) 、Packet 握手 (Handshake) Packet

不同类型包，以上的组成部件有所不同

PID：

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这里只用（PID0~4）,PID4~7是PID0~4的取反，用来校验PID
PID1~0：01 令牌包、11 数据包、10 握手包、00 特殊包

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地址：

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帧号：

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数据:

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CRC:

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四种Packet类型之令牌包(Token Packet):
令牌包用来启动一次USB传输。
输出（OUT）令牌包：用来通知设备将要输出一个数据包
输入（IN）令牌包：用来通知设备返回一个数据包
建立（SETUP）令牌包：只用在控制传输中，和输出令牌包作用一样，也是通知设备将要输出一个数据包，两者区别在于:
SETUP令牌包后只使用DATA0数据包，且只能发送到设备的控制端点，并且设备必须要接收，而OUT令牌包没有这些限制

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例子：

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四种Packet类型之SOF Packet
帧起始包：在每帧（或微帧）开始时发送，以广播的形式发送，所有USB全速设备和高速设备都可以接收到SOF包。

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例子：

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0xA5：1010 0101：对应上面PID表可知是帧起始包
四种Packet类型之Data Packet

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例子：

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四种Packet类型之Handshake Packet 

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例子：

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2.2 事务
Transaction可以分成三类 
Setup transaction：主机用来向设备发送控制命令 
Data IN transaction：主机用来从设备读取数据 
Data OUT transaction：主机用来向设备发送数据 
Transaction的packet组成 
Token packet：总是由主机发出 
Data packet：包含此次transaction的数据负载 
可选的Handshake packet 
例子：

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2.3 传输
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 
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
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
控制传输(Control Transfers): 非周期性，突发
用于命令和状态的传输
2.3.1 批量传输
批量输出事务，(1)主机先发出一个OUT令牌包（包含设备地址，端点号），(2)然后再发送一个DATA包，这时地址和端点匹配的设备就会收下这个数据包，主机切换到接收模式，等待设备返回握手包，（3）设备解码令牌包，数据包都准确无误，并且有足够的缓冲区来保存数据后就会使用ACK/NYET握手包来应答主机（只有高速模式才有NYET握手包，他表示本次数据成功接收，但是没有能力接收下一次传输），如果没有足够的缓冲区来保存数据，就返回NAC，告诉主机目前没有缓冲区可用，主机会在稍后时间重新该批量传输事务。如果设备检查到数据正确，但端点处于挂起状态，返回STALL。如果检测到有错误（如校验错误，位填充错误），则不做任何响应，让主机等待超时。
批量输入事务，(1)主机首先发送一个IN令牌包（包含设备地址，端点号），（2）主机切换到接收数据状态等待设备返回数据。如果设备检测到错误，不做任何响应，主机等待超时。如果此时有地址和端点匹配的设备，并且没有检测到错误，则该设备作出反应：设备有数据需要返回，就将一个数据包放在总线上；如果没有数据需要返回，设备返回NAK响应主机；如果该端点处于挂起状态，设备返回STALL。如果主机收到设备发送的数据包并解码正确后，使用ACK握手包应答设备。如果主机检测到错误，则不做任何响应，设备会检测到超时。注意：USB协议规定，不允许主机使用NAK来拒绝接收数据包。主机收到NAK，知道设备暂时没有数据返回，主机会在稍后时间重新该批量输入事务。

PING令牌包，它不发送数据，直到等待设备的握手包。

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2.3.2 中断传输
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。

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2.3.3 等时传输
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。

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2.3.4 控制传输
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 

数据的拆分和数据传输完毕的判定 
以高速设备的最大数据包长度64字节为例 
要传输250字节，拆分成4个packet 

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要传输正好256字节，通过最后一个0字节包告诉设备传输完成

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各种传输特性比较

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3. USB标准请求
3.1 USB标准请求的数据结构

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3.2 USB 设备枚举及描述符介绍 
当一个USB设备插入主机后，会有以下活动: 

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

  2. /* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */

  3. struct usb_device_descriptor {

  4. __u8 bLength;

  5. __u8 bDescriptorType;

  6.  

  7. __le16 bcdUSB;

  8. __u8 bDeviceClass;

  9. __u8 bDeviceSubClass;

  10. __u8 bDeviceProtocol;

  11. __u8 bMaxPacketSize0;

  12. __le16 idVendor;

  13. __le16 idProduct;

  14. __le16 bcdDevice;

  15. __u8 iManufacturer;

  16. __u8 iProduct;

  17. __u8 iSerialNumber;

  18. __u8 bNumConfigurations;

  19. } __attribute__ ((packed));

  20.  

  21. #define USB_DT_DEVICE_SIZE 18

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  1. struct usb_config_descriptor {

  2. __u8 bLength;

  3. __u8 bDescriptorType;

  4.  

  5. __le16 wTotalLength;

  6. __u8 bNumInterfaces;

  7. __u8 bConfigurationValue;

  8. __u8 iConfiguration;

  9. __u8 bmAttributes;

  10. __u8 bMaxPower;

  11. } __attribute__ ((packed));

  12.  

  13. #define USB_DT_CONFIG_SIZE 9

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  1. /* USB_DT_INTERFACE: Interface descriptor */

  2. struct usb_interface_descriptor {

  3. __u8 bLength;

  4. __u8 bDescriptorType;

  5.  

  6. __u8 bInterfaceNumber;

  7. __u8 bAlternateSetting;

  8. __u8 bNumEndpoints;

  9. __u8 bInterfaceClass;

  10. __u8 bInterfaceSubClass;

  11. __u8 bInterfaceProtocol;

  12. __u8 iInterface;

  13. } __attribute__ ((packed));

  14.  

  15. #define USB_DT_INTERFACE_SIZE 9

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  1. /* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */

  2. struct usb_endpoint_descriptor {

  3. __u8 bLength;

  4. __u8 bDescriptorType;

  5.  

  6. __u8 bEndpointAddress;

  7. __u8 bmAttributes;

  8. __le16 wMaxPacketSize;

  9. __u8 bInterval;

  10.  

  11. /* NOTE: these two are _only_ in audio endpoints. */

  12. /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */

  13. __u8 bRefresh;

  14. __u8 bSynchAddress;

  15. } __attribute__ ((packed));

  16.  

  17. #define USB_DT_ENDPOINT_SIZE 7

  18. #define USB_DT_ENDPOINT_AUDIO_SIZE 9 /* Audio extension */

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  1. /* USB_DT_STRING: String descriptor */

  2. struct usb_string_descriptor {

  3. __u8 bLength;

  4. __u8 bDescriptorType;

  5.  

  6. __le16 wData[1]; /* UTF-16LE encoded */

  7. } __attribute__ ((packed));

  8.  

  9. /* note that "string" zero is special, it holds language codes that

  10. * the device supports, not Unicode characters.

  11. */

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