USB系统介绍

1. 历史

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

下一代USB接口将会有改动方向，下一代的Type-C USB接口，可支持正反两面插，并且传输数据信号强，但目前（2014年）生产商有限。

目前全球‍‍有超过100亿台设备使用USB。但是，作为USB技术的发明人，阿杰伊·巴特(Ajay Bhatt)没有用它赚过一分钱，而且他坦然接受这个事实。
2015年USB技术迎来二十周岁生日。英特尔首席系统技师巴特在接受采访时表示：“开发这项技术不是为了赚钱。我是为了带来变化，带来大变化的机遇并不常见。”实际上，USB技术没有让任何人赚钱。作为巴特的USB想法的首个资助方，英特尔拥有USB技术的全部专利，但英特尔最终决定免费开放这项技术。kqiu案：但是当前IC开发模式以及市场需求，已经足够让一些厂商和个人通过USB技术获利。
协议发展：1.1->2.0->3.0

2. USB系统组成

2.1 控制器

负责和总线交互，提供I/O接口(向上支持编程，向下连接物理层)，协议层支持(添加包头，产生握手信号)，dma数据传输。分为host，device和otg。和大多数串行总线一样，usb也是工作在master/slave模式下，每次数据/控制传输的发起者 只能 是master(host)，而且由master(host)端负责管理设备，分配带宽。

2.2 集线器hub

用来管理各个物理端口，每个端口可以挂接usb功能设备或者hub，实现usb设备集群。

2.3 物理层接口

也就是usb phy，有ulpi和utmi，这是个数模混合模块，主要是模拟部分为主，数字部分通常提供一些接口，和控制器通信，可以显示当前phy工作模式等信息，用来辅助调试，但是这一层的调试就是硬件调试了，主要就是一些电气特性，通常我们对此并不是很关心。

2.4 hcd & udc driver

hcd(Host Controller Driver) 和 udc(Usb Device Controller) driver是直接和控制器打交道的代码，和我们常说的usb驱动还有些许差别。

app->usb driver->hcd/udc driver->controller

可见usb驱动工作于hcd或者udc driver之上，而且usb驱动是相对于设备来讲的，例如我有个usb键盘，对应的usb驱动就是该键盘的驱动，而hcd和udc driver则始终都是指 主机端控制器的驱动 ，这一点是要分清楚的，否则看驱动代码容易混淆。

2.5 usb驱动

用来控制特定设备的数据传输，向应用提供操作接口。例如usb摄像头驱动。后面会结合代码详细介绍。

3. USB数据传输

众所周知，usb一大便利之处就是支持热插拔，设备支持可扩展性强。那这个特点是怎么实现的呢？这里就涉及到usb的传输过程了。

首先是热插拔，这是纯粹的物理规范，通常usb设备接口四根信号线：gnd，D-，D+，Vcc。

1.1协议的设备我们现在叫全速(full speed)设备，理论传输速度12Mbps，常见的鼠标，键盘都是属于这类设备；2.0的为高速(high speed)设备，理论传输速度480Mbps；3.0的称为超速(super speed)，理论传输速度为5Gbps。1.1和2.0的识别靠不同数据pin脚上的上拉电阻区分(1.1对应D-，2.0对应D+)，3.0向下兼容2.0，但是多了一些管脚用于super speed，这里不再细述。

usb传输的通用特点： 所有的数据传输都是通过端点(endpoint)进行的，端点并不是一个具体的物理实现，而只是一种抽象[1]，这种抽象是软硬件配合完成的：首先控制器要提供几种传输的方式和寄存器入口，一旦入口使能以后控制器 就要(必须要) 根据特定的传输方式(例如bulk)对应的寻址要求(规范)结合 驱动配置 去存储单元中寻找需要传输的数据，其中的 驱动配置 通常就是和软件抽象出来的usb端点[2]相关联，而控制器的寄存器使能入口就是硬件抽象出来的usb端点了，譬如以bulk传输方式管理数据的就是bulk端点，如果使能了多个端点，几个端点的数据传输优先级和带宽控制也是一大问题，这是纯粹的硬件实现，在这里我们并不关心。在后续的章节中可以通过代码可以进一步了解usb端点相关内容。在kqiu看来，端点与其理解为usb设备端点，不如理解成数据交换的节点更为合理。端点的区分：编号，从0开始往上增长，至于哪个编号对应哪种传输，也就是什么类型的端点，是硬件IP做的事情。

3.1 控制传输

上面我们说了usb传输的通用之处，控制传输自然也是这样一个过程了。首先有个控制端点，这个端点比较特殊，所有usb设备都必须实现，而且必须一直处于工作状态，因为就是通过它来告知host(作为device的时候)或者获取(作为host的时候)设备的信息。这些信息包括设备ID(PID/VID)，设备名字，配置，接口类型等，通常可以划分为两部分：usb协议部分和类协议部分，类协议就是不同功能的设备所遵循的协议规范，例如mass storage，uvc，uac。整个获取信息的过程称为 枚举 。因为要识别不同的设备，自然就需要握手，所以控制传输必定是双向的，整个过程如下：

• 第一次握手
  host发送setup包，如果device成功接受，返回ack，然后device做好准备进行下一次传输，否则返回nak或者stall。setup包中指定了下一次transaction的方向，如果是host->device，则device准备好接收数据的缓冲区；如果是device->host，那么准备好要发送数据。
• 第二次握手
  如果从setup包传输中返回ack，那么继续第二次传输，这次传输的为control transfer所要传达的实际信息，数据传输方向及内容由前面发的setup包指定。
  传输方向是data in，则host发起data in请求，然后device返回接收setup包之后准备好的数据。host如果成功接收，则返回ack给device，否则nak；
  传输方向是data out，则host向device传输数据，device将数据存入自己的buffer中，成功则返回ack，否则nak，数据传输还涉及到长度问题，也是通过setup包指定的，这里不再细述，下文会 ~实例分析~ 。
• 第三次握手
  host controller发起data in请求，获取此次传输完成后device端点状态，device返回ack，nak或stall。
  其他传输
  除了端点0的控制传输，设备还能通过其他端点进行bulk传输，interrupt传输和isochronous传输，对应的典型设备有U盘(bulk传输)，usb键盘(interrupt传输)，usb摄像头/usb声卡(isochronous传输)，需要注意的是之所以不同设备要以不同的方式传输数据，是由该类传输的特点决定的，实际上如果没有什么特别的限制或者需要，可以采用任何一种传输方式，只要能工作都是可以的，甚至可以利用控制传输传数据，当然了，这得软硬件支持。

4. USB通信过程范例

• 枚举 enumerate
  (1) U盘

  (2) usb摄像头