目錄

Ⅰ USB總線接口
1 USB接口標準
2 USB總線信號
3 USB數據編解碼和位填充
4 USB拓撲結構
5 USB邏輯部件

Ⅱ USB設備
1 USB設備供電方式
2 USB設備插入檢測機制
3 USB設備狀態
4 USB設備枚舉過程
5 USB描述符

Ⅲ USB傳輸
1 USB傳輸格式  
2 包packet  
3 事務transaction
4 傳輸transfer

USB是通用串行總線（Universal Serial Bus）的縮寫。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應用范圍

ⅠUSB總線接口

1 USB接口標準

標準的USB連接器有A型、B型和Mini B型，每個型號又分為插頭和插座。

USB接口標準

2 USB總線信號

USB使用差分傳輸模式，兩根數據線D+和D-。

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

• J狀態和K狀態
  低速下：D+為“0”，D-為“1”是為“J”狀態，“K”狀態相反；
  全速下：D+為“1”，D-為“0”是為“J”狀態，“K”狀態相反；
  高速同全速。
• SE0狀態
  D+為“0”，D-為“0”
• IDLE狀態
  低速下空閑狀態為“K”狀態；
  全速下空閑狀態為“J”狀態；
  高速下空閑狀態為“SE0”狀態。

針對全速模式，有以下幾個重要信號：

• Reset信號
  主機在要和設備通信之前會發送Reset信號來把設備配置到默認的未配置狀態。即SE0狀態保持10ms。
• Resume信號
  20ms的K狀態+低速EOP
• Suspend信號
  3ms以上的J狀態
• SOP信號
  從IDLE狀態切換到K狀態
• EOP信號
  持續2位時間的SE0信號，后跟隨1位時間的J狀態
• SYNC信號
  3個重復的K、J狀態切換，后跟隨2位時間的K狀態

suspend、resume信號

SYNC信號

3 USB數據編解碼和位填充

USB采用NRZI(非歸零編碼)對發送的數據包進行編碼。即：
輸入數據0，編碼成“電平翻轉”；輸入數據1，編碼成“電平不變”

NRZI編碼

位填充是為了保證發送的數據序列中有足夠多的電平變化。填充的對象時輸入數據，即先填充后編碼。數據流中每6個連續的“1”，就要插入1個“0”。
接收方解碼NRZI碼流，然后識別出填充位，并丟棄它們。

位填充

4 USB拓撲結構

USB是一種主從結構的系統，主機叫做Host，從機叫做Device。Device包括USB function和USB HUB。

USB總線基于分層的星狀拓撲結構，以HUB為中心，連接周圍設備。總線上最多可連接127個設備。Hub串聯數量最多5個。

USB拓撲結構

USB體系結構

5 USB邏輯部件

USB邏輯部件

Ⅱ USB設備

1 USB設備供電方式

USB設備有兩種供電方式：
1)自供電設備：設備從外部電源獲取工作電壓
2)總線供電設備： 設備從VBUS（5v）取點

對總線供電設備，區分低功耗和高功耗USB設備。
低功耗設備是最大功耗不超過100mA。
高功耗設備是枚舉時最大功耗不超過100mA，枚舉完成配置結束后功耗不超過500mA。

設備在枚舉工程中，通過配置描述符來向主機報告它的供電方式和功耗要求的。

2 USB設備插入檢測機制

沒有設備連上主機時，主機的D+和D-都在低電平（SE0狀態），當SE0狀態 持續一段時間了，就被主機認為是斷開狀態。
當設備連上主機時，主機檢測到某一數據線電平拉高并持續一段時間，就認為有設備連上來了。主機必須在復位設備前，立即采樣總線狀態來判斷設備的速度。

3 USB設備狀態

USB設備有插入、供電、初始化、分配地址、配置和掛起六中狀態，其狀態轉移圖如下。

USB設備狀態

4 USB設備枚舉過程

對應USB設備的狀態，host對USB設備會有以下活動：

在枚舉過程中，都是使用控制傳輸。

• 復位階段
  USB主機檢測到USB設備插入后，就會對設備復位。USB設備在總線復位后其地址為0，這樣主機就可以通過地址0和那些剛剛插入的設備通信。USB主機往地址為0的設備的端點0發送獲取設備描述符的標準請求。設備會將設備描述符返回給主機，主機在成功獲取到數據包后，就會返回一個確認數據包給設備，從而進入接下來的分配地址階段。
• 分配地址階段
  主機對設備又一次復位，就進入到分配地址階段。主機往地址為0的設備的端點0發送一個設置地址的請求，新的設備地址就包含在建立過程的數據包中。具體的地址由主機負責管理，主機會分配一個唯一的地址給剛接入的設備。設備在收到這個建立過程后，就會進入到狀態過程。設備等待主機請求狀態返回，收到狀態請求后，設備就返回0長度的狀態數據包。如果主機確認該狀態包已經正確收到，就會發送應答包ACK給設備，設備在收到這個ACK之后，就要啟用新的設備地址了。這樣設備就分配到了一個唯一的設備地址。
• 獲取描述符階段
  獲取描述符可以形象地表述如下：

Host:你是什么設備？

Device:12 01 0100....Device Descriptor
Host:你有幾種功能？
Device:09 02 09....Configuration Descriptor
Host:每個功能有幾個接口？
Device:09 04 00....Interface Descriptor
Host:每個接口使用哪幾個端點？
Device:06 05 82....Endpoint Descriptor
Host:好了，我知道你是誰了，開始傳輸設備吧！
Device:OK，Read Go!

5 USB描述符

USB描述符有以下11類：

每種描述符的第一個字節描述該描述符包含的字節數目，第二個節描述該描述的類型。

• Device Descriptor

  
  

• Configuration Descriptor

  
  

• Interface Descriptor

  
  

• Endpoint Descriptor

  
  

• String Descriptor

  
  

Ⅲ USB傳輸

1 USB傳輸格式

USB總線上傳輸數據是以包（packet）為基本單位的，必須把不同的包組織成事務（transaction）才能傳輸數據。
USB協議規定了四種傳輸（transfer）類型：批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。其中，批量傳輸、同步傳輸和中斷傳輸每傳輸一次數據都是一個事務，控制傳輸包括三個過程，建立過程和狀態過程分別是一個事務，數據過程則可能包含多個事務。

2 包packet

一個包被分為不同域，根據不同類型的包，所包含的域是不一樣的。但都要以同步域SYNC開始，緊跟一個包標識符PID，最終以包結束符EOP來結束這個包。

packet的組成

• PID域
  PID是用來標識一個包的類型的。它共有8位，只使用4位（PID0_{PID3），另外4位是PID0}PID3的取反，用來校驗PID。
  

  PID
  
  PID規定了四類包：令牌包、數據包、握手包和特殊包。同類的包又各分為具體的四種包。
  
  包類型
  
  僅在幀首傳輸一次SOF包。

• 地址域
  地址共占11位，其中低7位是設備地址，高4位是端點地址。

  
  
  地址

• 幀號域
  幀號占11位，主機每發出一個幀，幀號都會自加1，當幀號達到0x7FF時，將歸零重新開始計數。

• 數據域
  根據傳輸類型的不同，數據域的數據長度從0到1024字節不等。

  
  
  數據長度

• CRC域

  
  
  CRC校驗

A. 令牌包

令牌包有四種：

• OUT： 通知設備將要輸出一個數據包
• IN： 通知設備返回一個數據包
• SETUP： 只用在控制傳輸中，也是通知設備將要輸出一個數據包，與OUT令牌的區別是：只使用DATA0數據包，且只能發到device的控制端點
• SOF： 在每幀開始時以廣播的形式發送，針對USB全速設備，主機每1ms產生一個幀，USB主機會對當前幀號進行統計，每次幀開始時通過SOF包發送幀號。

OUT/IN/SETUP令牌包沒有幀號域和數據域。

OUT/IN/SETUP令牌包結構

SOF令牌包沒有地址域和數據域。

SOF令牌包結構

B.數據包

數據包沒有地址域和幀號域。根據transfer的類型不同，數據包最大長度有所不同。

數據包結構

C.握手包

握手包有四種可選：

• ACK： 傳輸正確完成
• NAK： 設備暫時沒有準備好接收數據，或沒有準備好發送數據
• STALL： 設備不能用于傳輸
• NYET/ERR： 僅用于高速傳輸，設備沒有準備好或出錯

握手包僅有PID域。

握手包結構

3 事務transaction

事務可以分成三類

• setup事務：主機用來向設備發送控制命令
• 數據輸入事務：主機用來從設備讀取數據
• 數據輸出事務：主機用來向設備發送數據

事務組成：Token packet + Data packet + 可選的Handshake packet

4 傳輸transfer

USB協議定義了四種傳輸類型：控制傳輸（Control transfer）、大容量數據傳輸（Bulk transfer）、同步傳輸（Isochronous transfer）和中斷傳輸（Interrupt transfer）。

A.大容量傳輸 bulk transfer

bulk transfer流程圖

圖中一個方框表示一個 Packet，灰色的包表示主機發出的包，白色的包表示Device 發出的包。批量傳輸是可靠的傳輸，需要握手包來表明傳輸的結果。若數據量比較大，將采用多次批量事務傳輸來完成全部數據的傳輸，傳輸過程中數據包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻轉，以保證發送端和接收端的同步。
一次批量傳輸（ Transfer）由 1 次到多次批量事務傳輸（ Transaction）組成。

bulk transfer

B.中斷傳輸 interrupt transfer

interrupt transfer流程圖

中斷傳輸在流程上除不支持 PING 之外，其他的跟批量傳輸是一樣的。他們之間的區別也僅在于事務傳輸發生的端點不一樣、支持的最大包長度不一樣、優先級不一樣等這樣一些對用戶來說透明的東西。
這里所說的中斷，跟硬件上的中斷是不一樣的，它不是由設備主動發出一個中斷請求，而是由主機保證在不大于某個時間間隔內安排一次傳輸。
主機在排定中斷傳輸任務時，會根據對應中斷端點描述符中指定的查詢間隔發起中斷傳輸。中斷傳輸有較高的優先級，僅次于同步傳輸。

中斷傳輸

C.同步傳輸 Isochronous transfer

Isochronous transfer流程圖

同步傳輸是不可靠的傳輸，所以它沒有握手包，也不支持 PID 翻轉。主機在排定事務傳輸時，同步傳輸有最高的優先級。

同步傳輸

D.控制傳輸 Control transfer

一次控制傳輸分為三（或兩個）個階段：建立（ Setup）、 數據（ DATA）（可能沒有）以及狀態（ Status）。 每個階段都由一次或多次事務傳輸組成。

• 建立過程 setup stage
  使用一個建立事務，如下：
  
  control transfer的setup stage流程圖
• 數據過程 data stage
  數據過程是可選的。一個數據過程包含一筆或者多筆數據事務。數據過程的第一個數據包必須是DATA1包，然后每次正確傳輸一個數據包就在DATA0和DATA1之間交替。
• 狀態過程 status stage
  狀態過程也是一筆批量事務。狀態過程只使用DATA1包。

設備枚舉過程中各種描述符的獲取以及設置地址和設置配置等，都是通過控制傳輸來實現的。

控制傳輸

參考資料

• USB開發者論壇