USB2.0概述及协议基础

目录

Ⅰ USB总线接口
1 USB接口标准
2 USB总线信号
3 USB数据编解码和位填充
4 USB拓扑结构
5 USB逻辑部件

Ⅱ USB设备
1 USB设备供电方式
2 USB设备插入检测机制
3 USB设备状态
4 USB设备枚举过程
5 USB描述符

Ⅲ USB传输
1 USB传输格式  
2 包packet  
3 事务transaction
4 传输transfer

USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）的缩写。在USB1.0和USB1.1版本中，只支持1.5Mb/s的低速（low-speed）模式和12Mb/s的全速（full-speed）模式，在USB2.0中，又加入了480Mb/s的高速模式。

USB应用范围

ⅠUSB总线接口

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1 USB接口标准

标准的USB连接器有A型、B型和Mini B型，每个型号又分为插头和插座。

USB接口标准

2 USB总线信号

USB使用差分传输模式，两根数据线D+和D-。

差分信号1：D+>2.8V，D-<0.3V；
差分信号0：D->2.8V，D+<0.3V。

• J状态和K状态
  低速下：D+为“0”，D-为“1”是为“J”状态，“K”状态相反；
  全速下：D+为“1”，D-为“0”是为“J”状态，“K”状态相反；
  高速同全速。
• SE0状态
  D+为“0”，D-为“0”
• IDLE状态
  低速下空闲状态为“K”状态；
  全速下空闲状态为“J”状态；
  高速下空闲状态为“SE0”状态。

针对全速模式，有以下几个重要信号：

• Reset信号
  主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备配置到默认的未配置状态。即SE0状态保持10ms。
• Resume信号
  20ms的K状态+低速EOP
• Suspend信号
  3ms以上的J状态
• SOP信号
  从IDLE状态切换到K状态
• EOP信号
  持续2位时间的SE0信号，后跟随1位时间的J状态
• SYNC信号
  3个重复的K、J状态切换，后跟随2位时间的K状态

suspend、resume信号

SYNC信号

3 USB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。即：
输入数据0，编码成“电平翻转”；输入数据1，编码成“电平不变”

NRZI编码

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。填充的对象时输入数据，即先填充后编码。数据流中每6个连续的“1”，就要插入1个“0”。
接收方解码NRZI码流，然后识别出填充位，并丢弃它们。

位填充

4 USB拓扑结构

USB是一种主从结构的系统，主机叫做Host，从机叫做Device。Device包括USB function和USB HUB。

USB总线基于分层的星状拓扑结构，以HUB为中心，连接周围设备。总线上最多可连接127个设备。Hub串联数量最多5个。

USB拓扑结构

USB体系结构

5 USB逻辑部件

USB逻辑部件

Ⅱ USB设备

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1 USB设备供电方式

USB设备有两种供电方式：
1)自供电设备：设备从外部电源获取工作电压
2)总线供电设备： 设备从VBUS（5v）取点

对总线供电设备，区分低功耗和高功耗USB设备。
低功耗设备是最大功耗不超过100mA。
高功耗设备是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。

设备在枚举工程中，通过配置描述符来向主机报告它的供电方式和功耗要求的。

2 USB设备插入检测机制

没有设备连上主机时，主机的D+和D-都在低电平（SE0状态），当SE0状态 持续一段时间了，就被主机认为是断开状态。
当设备连上主机时，主机检测到某一数据线电平拉高并持续一段时间，就认为有设备连上来了。主机必须在复位设备前，立即采样总线状态来判断设备的速度。

3 USB设备状态

USB设备有插入、供电、初始化、分配地址、配置和挂起六中状态，其状态转移图如下。

USB设备状态

4 USB设备枚举过程

对应USB设备的状态，host对USB设备会有以下活动：

在枚举过程中，都是使用控制传输。

• 复位阶段
  USB主机检测到USB设备插入后，就会对设备复位。USB设备在总线复位后其地址为0，这样主机就可以通过地址0和那些刚刚插入的设备通信。USB主机往地址为0的设备的端点0发送获取设备描述符的标准请求。设备会将设备描述符返回给主机，主机在成功获取到数据包后，就会返回一个确认数据包给设备，从而进入接下来的分配地址阶段。
• 分配地址阶段
  主机对设备又一次复位，就进入到分配地址阶段。主机往地址为0的设备的端点0发送一个设置地址的请求，新的设备地址就包含在建立过程的数据包中。具体的地址由主机负责管理，主机会分配一个唯一的地址给刚接入的设备。设备在收到这个建立过程后，就会进入到状态过程。设备等待主机请求状态返回，收到状态请求后，设备就返回0长度的状态数据包。如果主机确认该状态包已经正确收到，就会发送应答包ACK给设备，设备在收到这个ACK之后，就要启用新的设备地址了。这样设备就分配到了一个唯一的设备地址。
• 获取描述符阶段
  获取描述符可以形象地表述如下：

Host:你是什么设备？

Device:12 01 0100....Device Descriptor
Host:你有几种功能？
Device:09 02 09....Configuration Descriptor
Host:每个功能有几个接口？
Device:09 04 00....Interface Descriptor
Host:每个接口使用哪几个端点？
Device:06 05 82....Endpoint Descriptor
Host:好了，我知道你是谁了，开始传输设备吧！
Device:OK，Read Go!

5 USB描述符

USB描述符有以下11类：

每种描述符的第一个字节描述该描述符包含的字节数目，第二个节描述该描述的类型。

• Device Descriptor

  
  
  

• Configuration Descriptor

  
  
  

• Interface Descriptor

  
  
  

• Endpoint Descriptor

  
  
  

• String Descriptor

  
  
  

Ⅲ USB传输

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1 USB传输格式

USB总线上传输数据是以包（packet）为基本单位的，必须把不同的包组织成事务（transaction）才能传输数据。
USB协议规定了四种传输（transfer）类型：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。其中，批量传输、同步传输和中断传输每传输一次数据都是一个事务，控制传输包括三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含多个事务。

2 包packet

一个包被分为不同域，根据不同类型的包，所包含的域是不一样的。但都要以同步域SYNC开始，紧跟一个包标识符PID，最终以包结束符EOP来结束这个包。

packet的组成

• PID域
  PID是用来标识一个包的类型的。它共有8位，只使用4位（PID0_{PID3），另外4位是PID0}PID3的取反，用来校验PID。
  

  

  PID
  
  PID规定了四类包：令牌包、数据包、握手包和特殊包。同类的包又各分为具体的四种包。
  
  

  包类型
  
  仅在帧首传输一次SOF包。

• 地址域
  地址共占11位，其中低7位是设备地址，高4位是端点地址。

  
  
  

  地址

• 帧号域
  帧号占11位，主机每发出一个帧，帧号都会自加1，当帧号达到0x7FF时，将归零重新开始计数。

• 数据域
  根据传输类型的不同，数据域的数据长度从0到1024字节不等。

  
  
  

  数据长度

• CRC域

  
  
  

  CRC校验

A. 令牌包

令牌包有四种：

• OUT： 通知设备将要输出一个数据包
• IN： 通知设备返回一个数据包
• SETUP： 只用在控制传输中，也是通知设备将要输出一个数据包，与OUT令牌的区别是：只使用DATA0数据包，且只能发到device的控制端点
• SOF： 在每帧开始时以广播的形式发送，针对USB全速设备，主机每1ms产生一个帧，USB主机会对当前帧号进行统计，每次帧开始时通过SOF包发送帧号。

OUT/IN/SETUP令牌包没有帧号域和数据域。

OUT/IN/SETUP令牌包结构

SOF令牌包没有地址域和数据域。

SOF令牌包结构

B.数据包

数据包没有地址域和帧号域。根据transfer的类型不同，数据包最大长度有所不同。

数据包结构

C.握手包

握手包有四种可选：

• ACK： 传输正确完成
• NAK： 设备暂时没有准备好接收数据，或没有准备好发送数据
• STALL： 设备不能用于传输
• NYET/ERR： 仅用于高速传输，设备没有准备好或出错

握手包仅有PID域。

握手包结构

3 事务transaction

事务可以分成三类

• setup事务：主机用来向设备发送控制命令
• 数据输入事务：主机用来从设备读取数据
• 数据输出事务：主机用来向设备发送数据

事务组成：Token packet + Data packet + 可选的Handshake packet

4 传输transfer

USB协议定义了四种传输类型：控制传输（Control transfer）、大容量数据传输（Bulk transfer）、同步传输（Isochronous transfer）和中断传输（Interrupt transfer）。

传输类型	特点	应用场景
控制传输	非周期性，突发	命令和状态的传输
大容量传输	非周期性，突发	数据可以占用任意带宽，容忍延迟
同步传输	周期性	持续性传输，传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息
同步传输	周期性，低频率	允许有延迟的通信

A.大容量传输 bulk transfer

bulk transfer流程图

图中一个方框表示一个 Packet，灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示Device 发出的包。批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。若数据量比较大，将采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。
一次批量传输（ Transfer）由 1 次到多次批量事务传输（ Transaction）组成。

bulk transfer

B.中断传输 interrupt transfer

interrupt transfer流程图

中断传输在流程上除不支持 PING 之外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。
这里所说的中断，跟硬件上的中断是不一样的，它不是由设备主动发出一个中断请求，而是由主机保证在不大于某个时间间隔内安排一次传输。
主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。

中断传输

C.同步传输 Isochronous transfer

Isochronous transfer流程图

同步传输是不可靠的传输，所以它没有握手包，也不支持 PID 翻转。主机在排定事务传输时，同步传输有最高的优先级。

同步传输

D.控制传输 Control transfer

一次控制传输分为三（或两个）个阶段：建立（ Setup）、 数据（ DATA）（可能没有）以及状态（ Status）。 每个阶段都由一次或多次事务传输组成。

• 建立过程 setup stage
  使用一个建立事务，如下：
  
  

  control transfer的setup stage流程图
• 数据过程 data stage
  数据过程是可选的。一个数据过程包含一笔或者多笔数据事务。数据过程的第一个数据包必须是DATA1包，然后每次正确传输一个数据包就在DATA0和DATA1之间交替。
• 状态过程 status stage
  状态过程也是一笔批量事务。状态过程只使用DATA1包。

设备枚举过程中各种描述符的获取以及设置地址和设置配置等，都是通过控制传输来实现的。

控制传输

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参考资料

• USB开发者论坛