USB设备Firmware基本流程分析

通常来说USB设备（这里只分析USB设备，而不针对USB HOST，USB OTG和USB HUB）内部都有一片USB的芯片和一个MCU，有些当然有些厂商提供的USB芯片已经集成了MCU在里边，如Cypress的CY68013就是这样的。这里考虑MCU和USB芯片分开的情况吧，集成的也类似，大家可以自己去分析。USB芯片完成USB底层的事物，接收的时候：将接收到的USB串行数据识别出来，解包后存放在内部的缓存中，然后通过中断的方式告知MCU收到数据包了，MCU通过和USB芯片的并行或串行接口读回接收到的数据并进行相应的分析和处理；发送数据的时候，MCU将需要发送的数据通过和USB芯片的接口写入到USB芯片内部的缓存，写入完成后，一般来说USB芯片会在接收到来自HOST的IN令牌包时，将缓存中的数据送到USB总线上去。当发送完成后，通常USB芯片也可以通过中断的方式告知MCU。

从这里看出，USB芯片只是完成数据的解包和打包，并不对数据进行任何分析和处理，数据包的分析和处理都是由MCU完成的。具体来说是由运行在MCU中的程序，也就是通常所说的USB Firmware或者说USB固件程序完成的。
首先来分析一次简单的从HOST到Device的数据传输，即OUT型的传输，假设传输类型为BULK。
USB传输只能由HOST发起，HOST需要向Device发送一个OUT令牌包。在这个包里指定了接受数据的设备地址、端点。然后将数据包发送到USB总线上。不是目的接收器件的USB设备不会响应该数据包，目的接收设备如果能接收该数据包，则以ACK握手包响应，如果不能接收该数据包，则以NAK握手包响应。
在上述过程中，USB芯片会在接收完数据包后中断MCU，然后MCU读取缓存在USB芯片中的数据包，再决定回复ACK，或者是NAK。
以上只是一次简单的BULK OUT传输，对于BULKIN传输，HOST先发送一个IN的令牌包，USB芯片接收到该令牌包后会中断MCU，MCU如果有数据发回HOST，则将数据写入USB芯片内对应断点的缓存，然后USB芯片会自动将数据发送至USB总线。并等待接收来自HOST的握手包。

对于BLUK、Interrupt以及同步传输，传输过程都类似，整个传输过程由令牌包、数据包以及握手包组成。
对于控制传输，一次传输由三个阶段组成，即Setup阶段、可选的数据阶段以及状态阶段。
其中Setup阶段为一次OUT型的传输，HOST将8个字节的SETUP数据包发送给设备。这8个字节指定了这次控制传输的请求类型。Device会根据这8个字节做出相应的Action。
第二个阶段为数据阶段，有些控制传输没有这个阶段，如Set Address请求。
数据阶段，HOST将数据通过OUT型传输发送给Device，或者通过IN型传输向Device请求数据。
第三个阶段为状态阶段，即得到这次控制传输的状态，确认这次传输是否正常完成。HOST或者Device以一个长度为0的空数据包表示肯定的应答。
     USB Firmware中大部分程序都在处理控制传输，具体来说是11种标准请求以及针对具体设备的类请求，如Mass Storage 类的请求，还有些厂商自定义的请求。
     USB Firmware的设计和调试首先应从一次基本的传输开始。要能正常的完成一次传输，尤其是控制传输，否则连设备的枚举都不能完成，也就是说设备不能被计算机正确识别。
     USB设备上电以后，固件程序就开始运行，首先要做的第一件事情自然是初始化，包括设备自身逻辑的初始化和USB芯片的初始化。
一般来说，USB固件均被设计成为前后台的方式，前台程序为一个大的死循环，后台则为中断处理函数。当USB芯片产生中断信号时，微处理器进入到中断处理程序，并读取USB芯片的中断标记，判断中断的类型（如传输错误、收到Setup包、收到令牌包、传输完成等），然后设置相应的标志位。存储该标志位的变量应该是一个全局变量。前台程序中，固件不断的检测标志位，判断是否有中断事件发生，如果有的话则进入到相应的时间处理函数中。
前面已经说过，USB固件程序大部分都是在处理来自HOST的请求，也就是HOST发来的SETUP数据包。当前台程序检测到SETUP事件时，会先从USB芯片的缓存中读回8个字节的SETUP包，然后根据USB规范中定义的结构，对数据包尽心解析，然后进行到相应的请求处理函数。
在请求函数处理函数中，固件程序或将相应的描述符写入到USB芯片的断点缓冲，然后发送到HOST，或者通过从USB芯片的断点缓存中读回HOST发来的数据。下面来说明一次典型的getdescriptor请求。
     HOST发送SETUP令牌包―――>引起USB芯片中断MCU，中断事件为SETUP，MCU被中断，并设置中断标志
     HOST发送SETUP数据包―――>USB芯片接收数据包，并存放在断点缓存中，并自动以ACK响应主机
固件中，MCU检测到中断事件，且类型为SETUP事件，进入到SETUP事件处理函数，读回SETUP数据包，并解析之，将设备描述符填入到USB芯片的缓存，等待数据发送完成。
     HOST发送IN令牌包―――――�C>如果此时MCU已经完成数据的填充，则USB芯片将数据发回HOST，否则以NAK响应。
循环上一步骤，直至数据被发送完成。
     HOST收到描述符，并以ACK响应USB设备――->此时USB芯片中断MCU，MCU将从此中断得知传输完成。MCU设置USB芯片，在收到下一个IN令牌包时自动回复一个长度为0的数据包。
     HOST发送IN令牌包―――――->USB芯片自动回复一个长度为0的数据包。
     HOST收到数据包，并回ACK。 ―――――�C> USB请求完成
上面【设备事务】指的是USB设备自身的事务，如AD采样数据的读取、处理等。

以上即为USB固件程序的基本框架，完整的固件程序要处理的中断事务很多，但是基本的处理过程都是相似的。各USB子类设备，如大容量存储器、HID设备还有各自的请求类请求需要处理。