USB协议

2024年6月 · 预计阅读时间： 3 分钟

基础知识#

硬件结构#

USB在硬件上分为USB Host和USB Device。其中Host内部集成有一个root hub；Device分为Hub和Function，hub用来扩展USB接口，Function就是普通的USB设备了。

USB 2.0 协议支持 3 种速率：低速(Low Speed，1.5Mbps)、全速(Full Speed, 12Mbps)、高速(High Speed, 480Mbps)。一个USB设备可能兼容低速、全速，可能兼容全速、高速，但是不会同时兼容低速、高速。

USB有四条连接线，分别为5V,D+,D-,GND 使用这两条线路实现了空闲(Idle)、开始(SOP)、传输数据(Data)、结束(EOP) 等功能。

设备连接与速率识别#

Hub端口的D+,D-都有下拉电阻15K，没有设备接入的时候为低电平，而当设备接入时，全速设备内部的 D+ 有 1.5K 的上拉电阻，低速设备内部的 D- 有 1.5K 的上拉电阻，连接到 Hub后会导致 Hub 的 D+或 D-电平变化，这样可以判断接入的是全速设备还是低速设备。

对于高速设备，它先作为全速设备被识别出来，然后再被识别为高速设备。所以，高速设备内部 D+也有 1.5K 的上拉电阻，只不过这个电阻是可以断开的：工作于高速模式时要断开它。高速设备的识别是通过通信实现的：

Hub 端口发出 SE0 信号，这就是复位信号
USB 设备监测到 SE0 信号后，会发出"a high-speed detection handshake"信号表示自己能支持高速模式，这可以细分为一下 3 种情景：
- 如果设备处于"suspend"状态，检测到 SE0 信号后，就发出"a high speed detection handshake"信号；
- 如果设备处于"non-suspend"状态，并且处于全速模式，就发出"a high speed detection handshake"信号。（这个情景，就是一个设备刚插到 Hub 端口时的情况，它一开始工作于全速模式）；
- 如果设备处于"non-suspend"状态，并且处于高速模式，就切换回全速模式（重新连接D+的上拉电阻），然后发出"a high speed detection handshake"信号那么什么是"a high speed detection handshake"信号（高速设备监测握手信号）？它是一个hub和device的握手信号过程，流程如下：
USB 设备维持 D+的上拉电阻，发出"Chirp K"信号，表示自己能支持高速模式
USB 设备发出"Chirp K "信号后，就等待 Hub 回应一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号
如果 Hub 没监测到"Chirp K "信号，它就知道这个设备不支持高速模式
如果 Hub 监测到"Chirp K "信号后，如果 Hub 能支持高速模式，就发出一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号，这是用来通知 USB 设备：Hub 也能支持高速模式。发出一系列的 "Chirp K"、"Chirp J"信号后，Hub 继续维持E0 信号直到 10ms。
如果USB设备等待回应：
- 如果收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号：USB 设备断开端口 D+的上拉电阻，使能高速模式
- 如果没有收到一系列的"Chirp K"、"Chirp J"信号：USB设备保持全速模式运行

另外，工作于高速模式的设备，D+、D-两边有 45 欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号

设备断开#

低速设备、全速设备通过检测D-或D+上电平是否拉低，就可以判断设备是否断开。而高速设备上面提到"D+、D-两边有 45 欧姆的下拉电阻，用来消除反射信号"，当断开高速设备后，Hub 发出信号，得到的反射信号无法衰减，Hub 监测到这些反射信号后就知道高速设备已经断开。

USB协议数据格式#

概述#

注意：所有的 USB 文档提到的"输入"、"输出"，都是基于 Host 的角度，"输出"表示从 Host 输出到设备，"输入"表示 Host 从设备得到数据。先从整体上看：传输(Transfer) >= 过程(Stage) = 事务(Transaction) > 阶段(Phase) = 包(Pack)

四种传输(Transfer)类型：批量传输、中断传输、实时传输、控制传输每种传输由多个过程(Stage)组成，每个过程由一个事务(Transaction)实现。

批量(Bulk)传输：批量事务
中断(Int)传输：中断事务
实时(Iso)传输：实时事务
控制(Control)传输
- 建立过程：由建立事务实现
- 数据过程：由批量事务实现
- 状态过程：由批量事务实现

上面最基础的单位是事务，而事务由多个阶段(Phase)组成（一般是3个阶段），每个阶段由一个包(Packet)实现
令牌阶段(Token phase)：由令牌包实现
数据阶段(Data phase)：由数据包实现
握手阶段(Handshake phase)：由握手包实现

字节/位传输顺序#

先传输最低位(LSB)。描述数据时按照传输顺序从左到右列出来

反向不归零编码NRZI#

对于数据 0，波形翻转；对于数据 1，波形不变。

使用 NRZI，发送端可以很巧妙地把"时钟频率"告诉接收端：只要传输连续的数据 0 即可。在下图中，低速/全速协议中"Sync Pattern"的原始数据是"00000001"，接收端从前面的 7 个 0 波形就可以算出"时钟频率"。

位填充：使用 NRZI 时，如果传输的数据总是"1"，会导致波形维持不变。如果电平长时间维持不变，比如传输 100 位 1 时，如果接收方稍有偏差，就可能认为接收到了 99 位 1、101 位1。而 USB 中采用了 Bit-Stuffing 位填充处理，即在连续发送 6 个 1 后面会插入 1 个 0，强制翻转发送信号，从而让接收方调整频率，同步接收。而接收方在接收时只要接收到连续的 6 个 1 后，直接将后面的 0 删除即可恢复数据的原貌。

包格式在概述中描述到数据格式的单位是包Packet，传输由一个或多个过程组成，每个过程对应一个事务，而每个事务有多个阶段，每个阶段又对应一个包（令牌包、数据包、握手包、特殊包）。下面介绍包的格式。

USB 总线上传输的数据以包为单位。USB 包里含有哪些内容("域")？

SOP：用来表示包的起始
SYNC：用来同步时钟
PID：表示包的类型
地址：在 USB 硬件体系中，一个 Host 对应多个 Logical Device，那么 Host 发出的包，如何确定发给谁？ a. 发给所有设备：包里不含有设备地址 b. 发给某个设备：包里含有设备地址、端点号
帧号、数据等跟 PID 相关的内容
CRC 校验码

SOP：Start Of Packet，Hub 驱动 D+、D-这两条线路从 Idle 状态变为 K 状态。SOP 中的 K 状态就是 SYNC 信号的第 1 位数据，SYNC 格式为 3 对 KJ 外加 2 个 K。 Host 发出 SOP 信号后，就会发出 SYNC 信号：它是一系列的、最大传输频率的脉冲，接收方使用它来同步数据。对于低速/全速设备，SYNC信号是8位数据(从做到右是00000001)；对于高速设备，SYNC信号是32位数据(从左到右是00000000000000000000000000000001)。使用 NRZI 编码时，前面每个"0"都对应一个跳变。在很多文档里，把 SOP 和 SYNC 统一称为"SYNC"，它的意思是"SYNC"中含有"SOP"。 EOP：End Of Packet，由数据的发送方发出EOP，数据发送方驱动D+、D-这两条线路，先设为 SE0 状态并维持 2 位时间，再设置为 J 状态并维持 1 位时间，最后 D+、D-变为高阻状态，这时由线路的上下拉电阻使得总线进入 Idle 状态。

高速的 EOP 比较复杂，作为软件开发人员无需掌握。高速模式中，Idle 状态为：D+、D-接地。SOP 格式为：从 Idle 状态切换为 K 状态。SOP 中的 K 状态就是 SYNC 信号的第 1 位数据。高速模式中的 SYNC 格式为：KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKJ KJKJKJKK，即 15 对 KJ，外加 2 个 K。

包的PID域#

根据包数据里的 PID 的 bit1, bit0 可以分为 4 类：

令牌包(Token)：01B
数据包(Data)：11B
握手包(Handshake)：10B
特殊包(Special)：00B

如上图所示，PID 有 4 位，使用 bit1,bit0 确定分类，使用 bit3,bit2 进一步细分。在 USB 包中，PID 域使用 8 位来表示，前 4 位表示 PID，后 4 位是对应位的取反。

USB描述符#

USB 设备状态切换#

USB设备插入“Attached”状态，上电Powered后，Host会发送一个Reset信号（高速设备的识别需要复位信号），设备识别后进入默认状态，设置地址，进行设备配置。设备/配置/接口/端点一个 USB 设备：

只有一个设备描述符：用来表示设备的 ID、它有多少个配置、它的端点 0 一次最大能传输多少字节数据
可能有多个配置描述符：用来表示它有多少个接口、供电方式、最大电流
一个配置描述符下面，可能有多个接口描述符：用来表示它是哪类接口、有几个设置(Setting)、有几个端点
一个接口描述符符下面，可能有多个端点描述符：用来表示端点号、方向(IN/OUT)、类型(批量/中断/同步) 举例：比如一个USB 4G上网卡就有2种配置： U 盘、上网卡。第 1 次把 4G 上网卡插入电脑时，它是一个 U 盘，可以按照里面的程序。装好程序后，把它再次插入电脑，它就是一个上网卡。再比如，USB 耳机它可能只有1种配置，就是耳机，但是有两个接口(功能)：声音收发、按键控制。声音收发接口可能也会有多个端点，比如端点0负责收发控制命令，端点1负责发送麦克风，端点2负责接收声音。

每种描述符就是在组件库中被定义成结构体，结构体中的成员就是每种描述符的属性。比如设备描述符：

typedef struct
{
  uint8_t bLength;
  uint8_t bDescriptorType;
  uint16_t bcdUSB;
  uint8_t bDeviceClass;
  uint8_t bDeviceSubClass;
  uint8_t bDeviceProtocol;
  uint8_t bMaxPacketSize;
  uint16_t idVendor;
  uint16_t idProduct;
  uint16_t bcdDevice;
  uint8_t iManufacturer;
  uint8_t iProduct;
  uint8_t iSerialNumber;
  uint8_t bNumConfigurations;
} __PACKED USBD_DeviceDescTypedef;

  /* Set the pointer to the device descriptor area*/
  pDevDesc = (USBD_DeviceDescTypedef *)pDevFrameWorkDesc;

  /* Start building the generic device descriptor common part */
  pDevDesc->bLength = (uint8_t)sizeof(USBD_DeviceDescTypedef);
  pDevDesc->bDescriptorType = UX_DEVICE_DESCRIPTOR_ITEM;
  pDevDesc->bcdUSB = USB_BCDUSB;
  pDevDesc->bDeviceClass = 0x00;
  pDevDesc->bDeviceSubClass = 0x00;
  pDevDesc->bDeviceProtocol = 0x00;
  pDevDesc->bMaxPacketSize = USBD_MAX_EP0_SIZE;
  pDevDesc->idVendor = USBD_VID;
  pDevDesc->idProduct = USBD_PID;
  pDevDesc->bcdDevice = 0x0200;
  pDevDesc->iManufacturer = USBD_IDX_MFC_STR;
  pDevDesc->iProduct = USBD_IDX_PRODUCT_STR;
  pDevDesc->iSerialNumber = USBD_IDX_SERIAL_STR;
  pDevDesc->bNumConfigurations = USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION;
  pdev->CurrDevDescSz += (uint32_t)sizeof(USBD_DeviceDescTypedef);