USB -- 初识USB协议（一）
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链接快速定位
前沿
1 概述
1.1 特点及应用范围
1.2 拓扑结构
1.3 电气特性
1.4 线缆
2 设备的识别
2.1 插入检测和速度检测
2.2 枚举过程
3 各类描述符解析
3.1 设备描述符
3.2 配置描述符
3.3 接口描述符
3.4 端点描述符
3.5 字符串描述符
3.6 其它描述符
4 Packet
4.1 Packet的组成
4.2 Packet的内容
4.2.1 Packet包的内容--PID域
4.2.2 Packet包的内容--地址域
4.2.3 Packet包的内容--帧号域
4.2.4 Packet包的内容--数据域
4.2.5 Packet包的内容--CRC域
4.3 Packet的类型
4.3.1 Packet包的类型--令牌包
4.3.2 Packet包的类型--SOF包
4.3.3 Packet包的类型--数据包
4.3.4 Packet包的类型--握手包
5 传输类型
5.1 控制传输
5.2 中断传输
5.3 批量传输
5.4 同步传输
6 复位挂起和唤醒机制
链接快速定位
USB官网
USB2.0资料下载
前沿
本小节主要围绕USB2.0的概述、设备的识别、描述符、传输类型、复位及唤醒机制讲解。
1 概述
1.1 特点及应用范围
USB2.0分为低速、全速和高速系列，不同速度的应用场景有所不同，具体见下图。
1.2 拓扑结构
USB总线基于分层的星状拓扑结构，拓扑结构有以下特点：
- 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
- 线缆长度最长5米
下图是USB的拓扑结构实例。
1.3 电气特性
USB使用差分传输模式，标准的USB连接线使用4芯电缆：5V电源线（VBUS）、差分数据线负（DM）、差分数据线正（DP）和地线（GND）。在USB OTG中，使用5芯线缆，比标准的USB多了一条身份识别线（ID）。
1.4 线缆
USB线缆分为很多种，这里展示常见的5种线缆，分别是Mini-USB、USB-TypeA、USB-TypeB、USB-TypeC、Micro-USB接口。
2 设备的识别
2.1 插入检测和速度检测
下图展示了全速和低速设备的检测机制，主机端的DM、DP信号线下拉15K的电阻，当有设备接入的时候，DM和DP信号线会呈现不同的电平。
当DP上拉1.5K电阻接入主机的时候，DP为1，DM为0，此时设备被识别为全速设备；当DM上拉1.5K电阻接入主机的时候，DM为1，DP为0，此时设备被识别为低速设备。
高速设备首先被检测为全速设备，然后通过成为“chirp sequence”的总线握手机制检测高速的能力。
2.2 枚举过程
USB主机在检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了。为什么要枚举呢？枚举就是从设备读取各种描述符信息，这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序，从而知道设备是什么类型的设备，如何进行通讯等。调试USB设备，很重要的一点就是USB的枚举过程，只要枚举成功了，剩下的工作就不多了。
枚举的过程可以用下图来简单的概括。
以下是一个简单的枚举过程，帮助大家理解软件层面的协议。
| Host [ 80 06 00 01 00 00 40 00 ] 主机：你是什么设备？ |
| Device [ 12 01 00 02 0A 00 00 40 70 34 08 00 00 02 01 02 03 01 ] 设备：我是CDC设备 |
| Host [ 00 05 21 00 00 00 00 00 ] 主机设置唯一设备地址（地址只能从0-127），以后使用此地址和设备通讯 |
| Host [ 80 06 00 01 00 00 12 00 ] 主机：你是什么设备？ |
| Device [ 12 01 00 02 02 02 02 40 70 34 08 00 00 02 01 02 03 01 ] 设备：我是CDC设备 |
| Host [ 80 06 00 02 00 00 FF 00 ] 主机：你有几个接口？每个接口使用了哪几个端点？ |
| Device [ 09 02 43 00 02 01 00 C0 32 09 04 00 00 01 02 02 01 00 05 24 00 10 01 05 24 01 00 01 04 24 02 02 05 24 06 00 01 07 05 82 03 08 00 FF 09 04 01 00 02 0A 00 00 00 07 05 03 02 40 00 00 07 05 81 02 ] |
| Device [ 40 00 00 ] 设备：我有2个接口，一个接口使用了输入端点2，一个接口使用了输入端点1和输出端点3 |
| Host [ 80 06 00 03 00 00 FF 00 ] 主机：你的字符串使用的是什么编码格式？ |
| Device [ 04 03 09 04 ] 设备：我使用的美国的编码格式 |
| Host [ 80 06 02 03 09 04 FF 00 ] 主机：你的产品名称是什么？ |
| Device [ 32 03 53 00 54 00 4D 00 33 00 32 00 20 00 56 00 69 00 72 00 74 00 75 00 61 00 6C 00 20 00 43 00 4F 00 4D 00 20 00 50 00 6F 00 72 00 74 00 20 00 20 00 ] 设备：我的产品名称是… |
| Host [ 80 06 03 03 09 04 FF 00 ] 主机：你的设备UID是什么？ |
| Device [ 1A 03 35 00 43 00 44 00 45 00 35 00 38 00 34 00 30 00 33 00 32 00 33 00 30 00 ] 设备：我的 UID是.... |
以下是USB2.0协议的截图，USB2.0资料下载，主要讲解了枚举过程的SETUP指令的含义，这里举个请求设备描述符(80 06 00 01 00 00 40 00)的例子:
| 命令格式 | bmRequestType | bRequest | wValue | wIndex | wLength |
| 命令数据 | 80 | 06 | 0100 | 0000 | 0040 |
| 含义 | Data transfer direction: Device-to-host Type: Standard Recipient: Device |
GET_DESCRIPTOR | Descriptor Descriptor |
0 | Descriptor |
3 各类描述符解析
这里主要讲解设备端回复的描述符，主机端请求的类型需要参考USB2.0手册根据具体请求回复具体的命令。
3.1 设备描述符
| Offset |
Field |
Size |
Value |
描述 |
备注 |
| 0 |
bLength |
1 |
数字 |
该描述子包含的字节数目 |
一般都是18 |
| 1 |
bDescripotorType |
1 |
常数 |
设备描述符的类型常数 |
1 |
| 2 |
bcdUSB |
2 |
BCD |
该设备符合遵循的USB协议版本号 |
|
| 4 |
bDeviceClass |
1 |
Class |
由USB-IF分配的，能在 Defined Class Codes | USB-IF查询 |
|
| 5 |
bDeviceSubClass |
1 |
SubClass |
||
| 6 |
bDeviceProtocol |
1 |
Protocol |
||
| 7 |
bMaxPacketSize0 |
1 |
数字 |
EPO的最大包长 |
HS必须是64 |
| 8 |
idVendor |
2 |
ID |
USB-IF分配的 |
0x3470 |
| 10 |
iProduct |
2 |
ID |
厂家分配的 |
0x0008 |
| 12 |
bcdDevice |
2 |
BCD |
该设备自身的版本号 |
|
| 14 |
iManufacturer |
1 |
Index |
各自在众多字符串描述符中的序号 |
|
| 15 |
iProduct |
1 |
Index |
||
| 16 |
iSerialNumber |
1 |
index |
||
| 17 |
bNumConfigurations |
1 |
数字 |
该设备在当前速度下支持多少种configuration |
Virtual_Com_Port_DeviceDescriptor[ ] =
{
0x12, /* 整个Descriptor的长度：18字节 */
0x01, /* Descriptor的类别：Device Descriptor(0x01) */
0x00, 0x02, /* 设备所遵循的USB协议的版本号：2.00 */
0x0A, /* 设备所实现的类：CDC Class*/
0x00, /* 设备所实现的子类：*/
0x00, /* 设备所遵循的协议类别：*/
0x40, /* 端点0的最大数据包长度：64字节*/
0x70, 0x34, /* IDVendor: 0x3470 */
0x08, 0x00, /* IDProduct: 0x0008 */
0x00, 0x02, /* bcdDevice: 2.00*/
1, /* 用于描述生产厂商的字符描述符的索引号 */
2, /* 用于描述产品的字符描述符的索引号*/
3, /* 用于描述产品系列号的字符描述符的索引号*/
0x01 /* 设备所支持的配置数目：1*/
}
bDeviceClass、bDeviceSubClass和bDeviceProtocol可在USB官网进行查询，idVendor是向USB机构申请的，需要支付一笔费用，如果针对开发者，可以选择芯片厂商的idVendor进行开发。
3.2 配置描述符
| Offset |
Field |
Size |
Value |
描述 |
备注 |
| 0 |
bLength |
1 |
数字 |
该描述子包含的字节数目 |
一般都是9 |
| 1 |
bDescripotorType |
1 |
常数 |
配置描述符的类型常数 |
2 |
| 2 |
wTotalLength |
2 |
数字 |
包含了所有描述子的长度(配置、接口、端点、类相关、厂商相关) |
当主机要求配置描述符时，所有相关的接口、端点描述符都要返回 |
| 4 |
bNumInterfaces |
1 |
数字 |
该配置包含几个接口 |
|
| 5 |
bConfigurationValue |
1 |
数字 |
选择该配置时，传递给SetConfiguration0的参数 |
|
| 6 |
iConfiguration |
1 |
index |
在众多字符串描述符中的序号 |
|
| 7 |
bmAttributes |
1 |
位图 |
D7:保留为1是否由总线供电 D6:是否支持远程唤醒 D5:D4~D0:保留为0 |
|
| 8 |
bMaxPower |
1 |
mA |
该设备在该configuration下全速工作时需要从总线获取的电流(以2mA为单位) |
Virtual_Com_Port_ConfigDescriptor[ ] =
{
0x09, /* 描述符的长度：9字节 */
0x02, /* 描述符的类型: 0x02 配置描述符 */
VIRTUAL_COM_PORT_SIZ_CONFIG_DESC, 0x00, /* 完整的描述 符包括接口描述符、 端点描述符和类描述符的长度 */
0x02, /* 配置所支持的接口数目：2*/
0x01, /* 用SetConfiguration选择此配置时所指定的配置号*/
0x00, /* 用于描述此配置的字符描述符的索引号：0 */
0xC0, /* 供电配置：B7(1 保留), B6(自供电), B5(远程唤醒), B4- B0(0 保留) */
0x32, /* 最大功耗，以2mA为单位计算：0x32表示 100mA */
}
3.3 接口描述符
| Offset |
Field |
Size |
Value |
描述 |
备注 |
| 0 |
bLength |
1 |
数字 |
该描述子包含的字节数目 |
一般都是9 |
| 1 |
bDescripotorType |
1 |
常数 |
接口描述符的类型常数 |
4 |
| 2 |
bInterfaceNumber |
1 |
数字 |
该接口的序号:在该配置所支持的众多接口中的序号 |
从0开始 |
| 3 |
bAlternateSetting |
1 |
数字 |
用来选择该接口的某个setting |
|
| 4 |
bNumEndpoints |
1 |
数字 |
该接口支持多少个非0的EP |
如果此项为0则该接口使用默认的控制通道 |
| 5 |
blnterfaceClass |
1 |
Class |
由USB-IF分配 |
|
| 6 |
bInterfaceSubClass |
1 |
SubClass |
||
| 7 |
blnterfaceProtocol |
1 |
Protocol |
||
| 8 |
ilnterface |
1 |
index |
在众多字符串描述符中的序号 |
Virtual_Com_Port_InterfaceDescriptor[ ] =
{
0x09, /* 描述符的长度：9字节 */
4, /* 描述符的类型：0x04接口描述符(Interface) */
0x00, /* 选择此接口的索引号，从0开始计算：0 */
0x00, /* 用于选择此设置的索引号：0 */
0x02, /* 实现此接口需要使用的端点数目：2 */
0x0A, /* 此接口所遵循的类：CDC Class */
0x00, /* 此接口所遵循的子类：*/
0x00, /* 此接口所支持的协议：*/
0, /* 用于描述此接口的字符描述符的索引号 */
}
3.4 端点描述符
| Offset |
Field |
Size |
Value |
描述 |
备注 |
| 0 |
bLength |
1 |
数字 |
该描述子包含的字节数目 |
一般都是7 |
| 1 |
bDescripotorType |
1 |
常数 |
端点描述符的类型常数 |
5 |
| 2 |
bEndpointAddress |
1 |
端点 |
Bit7: 方向 (0-OUT; 1-IN) Bit6~4:保留为0 Bit3~0:端点号 |
|
| 3 |
bmAttributes |
1 |
位图 |
传输类型 |
|
| 4 |
wMaxPacketSize |
2 |
数字 |
该端点的最大包长 |
|
| 6 |
bInterval |
1 |
数字 |
主机查询EP的间隔，以帧或微帧为单位 FS/HS的ISO EP:取值1~16，间隔是2(bInterval-1)6bInterval数字 FS/LS的INTR EP: 取值1~255 HS的INTR EP:取值在1~16，间隔是2(bInterval1) HS的BULK/CTRL OUT EP:设定了设备的最大NAK率(即每个微帧最多回几个NAK) ; 取值0~255 |
Virtual_Com_Port_InterfaceDescriptor[ ] =
{
0x07, /* 描述符长度：7字节 */
5, /* 描述符类型：端点描述符*/
0x81, /* 端点的特性：B3-B0(端点号), B6-B4(0), B7(1=IN, 0=OUT)
0x81：Endpoint1/ IN */
0x02, /* 端点的类型：B1-B0(00=控制 01=同步 10=大容量 11=中断) 0x02：大容量端点 */
0x40, 0x00 /* 此端点的最大有效数据长度：64 字节 */
0x00, /* 主机查询此端点数据的间隔时间：大容量端点，忽略此值*/
}
3.5 字符串描述符
字符串描述符包括以下：
- 字符串语言ID描述符
| Offset |
Field |
Size |
Value |
描述 |
备注 |
| 0 |
bLength |
1 |
常数 |
该描述子包含的字节数目 |
一般为4 |
| 1 |
bDescripotorType |
1 |
常数 |
字符串描述符的类型常数 |
3 |
| 2 |
LangID |
2 |
数字 |
语言ID码 |
- 其它字符串描述符
| Offset |
Field |
Size |
Value |
描述 |
备注 |
| 0 |
bLength |
1 |
N+2 |
该描述子包含的字节数目 |
|
| 1 |
bDescripotorType |
1 |
常数 |
字符串描述符的类型常数 |
3 |
| 2 |
WLANGID[O] |
2 |
数字 |
语言编号编码0 |
|
| … |
… |
… |
… |
… |
… |
| n |
WLANGID[x] |
2 |
数字 |
语言编号编码n |
3.6 其它描述符
4 Packet
4.1 Packet的组成
Packet主要由下面四部分组成：
- SOP：起始帧，从DILE状态(J状态)切换到K状态
- SYNC：同步域，3个重复的KJ状态切换，后跟随2个位时间的K状态
- Packet Connent：内容域，主要包括以下内容：
- PID：包标识
- 地址：设备地址
- 帧号：11位帧号
- 数据：通信的数据
- CRC：校验
- EOP：结束帧，持续2个位时间的SE0信号，后跟随1个位时间的J状态
接下来重点讲解一下Packet Connent域里面的内容。
| 状态 |
速度 |
差分值 |
| J状态 |
LS |
差分0 |
| FS |
差分1 |
|
| K状态 |
LS |
差分1 |
| FS |
差分0 |
4.2 Packet的内容
4.2.1 Packet包的内容--PID域
PID：Packet Identifier，包标识，LSB在前，前4个字节为PID码，后四个字节是前四个字节的取反。
| PID0（LSB） |
PID1 |
PID2 |
PID3 |
PID0 |
PID1 |
PID2 |
PID3 （MSB） |
以下是PID的类型码。
| PID类型 |
PID名 |
PID[3:0] |
说明 |
| 令牌类 |
OUT |
0001B |
通知设备将要输出数据 |
| IN |
1001B |
通知设备将要输入数据 |
|
| SOF |
0101B |
通知设备这是一个帧起始包 |
|
| SETUP |
1101B |
通知设备将要开始一个控制传输 |
|
| 数据类 |
DATA0 |
0011B |
不同类型的数据包 |
| DATA1 |
1011B |
||
| DATA2 |
0111B |
||
| MDATA |
1111B |
||
| 握手类 |
ACK |
0010B |
确认 |
| NAK |
1010B |
不确认 |
|
| STALL |
1110B |
挂起 |
|
| NYET |
0110B |
未准备好 |
|
| 特殊类 |
PRE |
1100B |
前导（这是一个令牌包） |
| ERR |
1100B |
错误（这是一个握手包） |
|
| SPLIT |
1000B |
分裂事物（这是一个令牌包） |
|
| PING |
0100B |
PING测试（这是一个令牌包） |
|
| …… |
0000B |
保留，未使用 |
4.2.2 Packet包的内容--地址域
地址由7位的设备地址和4位的端点地址组成。
| addr0 (LSB) |
addr1 |
addr2 |
addr3 |
addr4 |
addr5 |
addr6 |
| addr0 (LSB) |
addr1 |
addr2 |
addr3 |
4.2.3 Packet包的内容--帧号域
帧号域由以下特性：
- 11位
- 主机每发出一个帧，帧号都会自动加1（全速和低速设备1ms发出一帧， 高速设备0.125ms发出一帧）
- 当帧号达到0x7FFF的时候，将清零帧号重新计数
- 仅在每个帧的帧首才传输一次SOF包
4.2.4 Packet包的内容--数据域
根据传输类型的不同，数据域的数据长度从0-1024字节不等。
| 传输类型 |
控制传输 |
批量传输 |
中断传输 |
同步传输 |
||||||||
| 设备速度 |
HS |
FS |
LS |
HS |
FS |
LS |
HS |
FS |
LS |
HS |
FS |
LS |
| 数据包长度 |
64 |
64 |
8 |
512 |
64 |
N.A |
1024 |
64 |
8 |
1024 |
1023 |
N.A |
4.2.5 Packet包的内容--CRC域
4.3 Packet的类型
4.3.1 Packet包的类型--令牌包
令牌包的组成为：PID+地址+CRC
- PID：IN、OUT、SETUP令牌
- 地址：7位的设备地址和4位的端点号组成
- CRC：这里是对地址域计算
4.3.2 Packet包的类型--SOF包
SOF包的组成为：PID+帧号+CRC
- PID：SOF令牌
- 帧号：LS/FS每1ms一个帧，HS每0.125ms一个帧
- CRC：这里是对帧号域计算
4.3.3 Packet包的类型--数据包
数据包的组成为：PID+数据+CRC
- PID：DATA0、DATA1、DATA2、MDATA令牌
- 数据：传输类型不同，数据包的最大长度有所不同
- CRC：这里是对数据域计算
4.3.4 Packet包的类型--握手包
握手包的组成为：PID
- PID：ACK、NAK、STALL、NYET令牌
- ACK：表示正确接收数据，并且有足够的空间来容纳数据。主机和设备都可以用ACK来确认，而NAK、STALLA、NYET只能设备返回，主机不能使用这些握手包。
- NAK：表示没有数据需要返回，或者数据正确接收但是没有足够的空间来容忍它们。 当主机收到NAK时，知道设备还未准备好，主机会在以后的合适的时机进行重新传输。
- STALL：表示设备无法执行这个请求，或者端点已经被挂起，它表示一种错误的状态。 设备返回STALL后，需要主机进行干预才能解除这种STALL状态。
- NYET：只在USB2.0的高速设备输出事物中使用，表示设备本次数据成功接收，但是没有 足够的空间来接收下一次数据。主机在下一次输出数据时，将先使用PING令牌包来试探 设备是否有空间接收数据，以避免不必要的带宽浪费。
注意：
1. 当收到SETUP包的时候，设备只能回复ACK；
2. 当同步传输的时候，没有握手包。
5 传输类型
USB的传输类型分为控制传输、中断传输、批量传输和同步传输，每种传输类型用在特定的场合。
5.1 控制传输
非周期性传输，用于命令和状态的传输。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设备的控制端点通讯，完成USB设备的枚举和配置。
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住传输。
5.2 中断传输
周期性，低频率传输，允许有限延迟的通信，中断传输用于那些频率不高，但对周期有一定要求的数据传输。具有保证的带宽，并能在下个周期对先前错误的传输进行重传；对于全速端点，中断传输的时间间隔在1ms到255ms之间，对于低速端点，时间间隔限制在10ms到255ms之间，对于高速端点， 时间间隔为2bInterval-1*125us，bInterval的值在1到16之间。
中断传输总算单向的，可以用单向的中断端点来实现某个方向上的中断传输。
5.3 批量传输
非周期性，大容量数据的通信，数据可以占用任意带宽。大容量数据传输适用于那些需要大数据量传输，但是对实时性，对延迟性和带宽没有严格要求的应用。大容量传输可以占用任意可用的数据带宽。
大容量传输是单向的，可以用单向的大容量传输端点来实现某个方向的大容量传输。
5.4 同步传输
周期性，持续的传输，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。同步传输用于传输那些需要保证带宽，并且不能忍受延迟的信息。整个带宽都将用于保证同步传输的数据完整，并且不支持出错重传。
同步传输总是单向的，可以使用单向的同步端点来实现某个方向上的同步传输。
6 复位挂起和唤醒机制
USB使用的差分传输模式，两个数据线D+和D-（VOH：2.8V VOL：0.3V）
- 差分信号1：D+ > VOH and D- < VOL
- 差分信号0：D- > VOH and D+ < VOL
- IDLE状态：J状态
- 复位信号：D+ and D- < VOL for >= 10ms
- 挂起信号：USB主机3m内不发送任何信号（3ms以上的IDLE状态）
- 唤醒信号：K状态持续20ms以上，并以低速EOP信号结尾。
| 状态 |
速度 |
差分值 |
| J状态 |
LS |
差分0 |
| FS |
差分1 |
|
| K状态 |
LS |
差分1 |
| FS |
差分0 |
接下来讲解USB的各类应用及代码，敬请期待。。。