二十四、USB协议

一、USB是什么

　　USB，通用串行总线，是一种计算机与外围设备进行数据交互的通信协议。

　　任何东西的出现都是有理可循的，在以前计算机刚兴起的时候，要连接一个新的设备，需要断电关闭计算机，连接好设备，配置好硬件，再上电运行，这个过程相当费时费力，为了能拥有随意接入设备这种热拔插特性，USB总线协议应运而生。

USB总线如今已经有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0。

　　USB协议采用主从工作模式，即只有主机与从机之间才能进行数据通信，也正是这样引发一个缺陷，就是主机与主机、从机与从机之间不能通信。后来，USB OTG的出现弥补了这一缺陷，USB OTG的特性，就是能将一个设备，在不同的场合进行主机或从机的身份切换，如何做到这一点的，就是USB OTG中增加了一种MINI USB接头，是五线制，跟四线制一样，多出来的一条是ID线，用来标识一个设备是主机还是从机。尽管如此，还是避免不了USB主从的工作模式，数据永远在主机和从机之间进行，永远是主机发起主动权，从机只是被动的读写。

　　USB传输如今已经是一种普遍的手段，在USB1.0和USB1.1中，传输速度上有1.5Mb/s的低速模式和12Mb/s的全速模式，之后出了USB2.0，传输速度上就有了480Mb/s的高速模式、在USB3.0上，速度就更快了。这些低速、全速、高速指的是数据在每秒传输的位数，实际速率要低一点，因为还有同步域、令牌包、CRC校验、位填充、包间隙这些协议开销。而在传输距离上，建议低速不超过3米，全速不超过5米。

　　需要走出的一个误区就是：并不是设备拥有越高版本的协议，速度就一定快；就比如说PSIUSBD12这款USB芯片，虽然手册上写了符合USB2.0协议，实际上并没有高速模式，只有12Mb/s的全速模式。

二、USB协议的传输结构

以下是USB协议的LOGO：

标准的USB协议传输结构是这样子的（设备端）：

 　　USB协议采用的是差分传输模式，因而有两条数据线D+和D-，在低速和全速模式下，采用电压传输模式，在高速下，采用电流传输模式。

　　传输结构之所以采用两长两短的方式，是为了支持热拔插；当USB设备接入主机时，VCC和GND优先被接通；拔掉设备时，D-和D+数据线优先断电。原因很简单，如果D-和D+先于电源线被接通，那么此时电源为0，USB芯片的IO口引脚电压很有可能大于电源电压，很容易导致芯片闩锁，轻则无法工作，重则损坏芯片，这时候需要断电重新上电。

　　在还没有进行配置前，数据线最大电流为100mA，配置后，数据线最大电流为500mA，数据的传输为小端序方式，在国际标准上，甚至对USB协议的四线做了颜色标注，VCC为红色，GND为黑色，D-为白色，D+为绿色。

三、USB的电气特性

在电气结构上，USB设备与主机的连接也很有讲究：

主机端的D-和D+数据线各自被串联15KR电阻下拉到地，当没有USB设备插入的时候，这两条数据线就一直呈现低电平状态。

设备端的D-或者D+数据线，串联一个1.5KR的电阻上拉到3.3V，一旦设备插入主机，那么当主机捕捉到自身的D-或者D+被拉到高电平时，就知道有USB设备连接进来了，这样就检测到有外来USB设备接入了。

对于从机设备中到底是D-还是D+串联1.5KR电阻，这个就要有传输协议的模式来决定了，当配置成全速或高速时，就由D+串联电阻；当配置成低速时，就是D-串联电阻了。

简单来说就是快的就连D+，慢的就连D-。

拓扑结构
刚才说了，USB是一种主从工作模式，大多数时候主机被叫“Host”，从机被叫“Device”；

主机端具有一个或者多个USB主控制器，每个USB主控制器下带有一条或者多条根集线器，主控制器负责数据处理，根集线器负责提供一条主控制器与设备连通的接口；

当然有这么一种情况，当设备越来越多，接口不够用的时候，就需要一个特殊的USB设备登场了，那就是USB集线器，他可以在原有的USB接口上扩展出更多的接口，当然了，扩展得再多，说白了也是共享一个主控制器，因此带宽是不会变多的。

在PC端的设备管理器中就可以看到主机的USB主控制器和根集线器：

虽然说一个USB主控制器可以连接多个设备，这种连接并不是串联，也不是并联，而是通过集线器来实现的。

如图，主控制器和根集线器后有集线器，集线器将一个或者多个USB接口扩展成更多接口，将更多接口拓展成再多，但是这种拓展并不是无休止进行下去的，USB1.1最多扩展4层，USB2.0最多扩展6层。

因此大概的传输过程是这样的：

　　首先由主控制器发出数据，通过各层的集线器传送到相对应的某一层的接口给USB设备，设备接收到数据后进行分析处理，然后发送回一组数据或应答，它最先被送至本层的集线器，然后被送到上一层集线器，一直到主控制器为止，最终，主控制器将数据或者应答交给计算机进行处理。

四、编码方式 　

无论USB协议再怎么高深，发送端实际上数据传输的本质就是0和1。

USB采用的是NRZI编码方式，数据为0的时候电平翻转，数据为1的时候电平不反转。

当出现连续6位为1的时候，自动填充进一个0，这样做的目的是防止长时间的电平不变化，不利于时钟的提取。而在接收端则完全相反，自动去掉填充的0，还原出原本的数据。

这就是位填充处理了。

当然，这种编码的处理过程，USB芯片都已经自动处理好了，我们只要知道有这些细节便可。

五、描述符

　　USB协议只是一条总线，提供了一条通路而已，那么传了那么多0和1的数据，到底传输的是什么数据呢，原来是要告诉主机，这个设备的具体功能、会有什么行为，该设备的出厂商，设备ID号，厂商ID号，版本号，端点情况等等信息。

这些信息，都是由主机从设备那里获取的描述符得知的，因此，USB总线上传输的0和1数据，实际上就组成了描述符数据，发送给了主机。

描述符种类多样：设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、类特殊描述符、字符串描述符·····

一个设备只有一个设备描述符，该设备描述符定义了多种配置；

每一种配置对应一个配置描述符，该配置描述符定义了多种接口；

每一个接口对应一个接口描述符，该接口描述符定义了多个端口；

每个端点对应一个端点描述符，端点描述符定义了该端点的大小、类型等等。

因此可看出来，在主机获取描述符的过程是有顺序的，从设备描述符，到配置描述符，再到接口描述符，最后到端点描述符，如果由类特殊描述符，那就跟在端点描述符之后。

可见，描述符的获取是一层一层来的，不过在获取配置描述符的时候，可以根据配置描述符得到配置集合的总长度，从该集合我们一口气得到配置描述符、接口描述符、端点描述符和类特殊描述符。

这样也就引发了一个疑问，既然可以一口气从配置集合中获取到端点描述符了，那我为什么还要去费劲获取配置描述符和接口描述符呢，理论上讲是可以的。

我们来捋一下各种描述符之间的关系，假如有一个U盘（U盘当然是用USB通信协议啦），它有一个设备描述符，因此也有一个设备地址（USB设备采用7位来表示地址，即0~127，其中0号地址是保留给未初始化的设备用的，因此理论上可以连接127个设备，但实际上并不会接那么多)，主机是通过该设备地址找到U盘并与它通信的，但是仅仅只有设备地址是不够的，还要知道主机与U盘中哪一个端点进行通信，因此还需要有一个端点地址，只有知道了设备地址和端点地址，才能实现对设备点对点发送和接收数据。

因此按道理来说，只要知道设备描述符和端点描述符就够了，就好比你要去XX学校找XX人一样，花点时间总会找得到行得通的。

而配置描述符和接口描述符的出现，只是为了能更好的管理端点而抽象出来的概念罢了，就好比指定了XX栋xx室一样，想象一下，你得到了这么一条信息，去深圳大学3栋305室找某某某，这是不是就比单纯告诉你去深圳大学找某某某要效率高很多了？

有这么三条需要注意的点：

1、一个设备可以有多种配置，但同一时刻只能有一种配置模式；

2、同一个端点不能出现在同一个配置下的一个或几个接口中；

3、同一个端点可以出现在不同配置下的一个或几个接口中；

好了说了这么多，到现在只知道有这么几种描述符，通过设备描述符可以知道配置描述符，通过配置描述符可以知道接口描述符，通过接口描述符可以知道端点描述符；从微观上来推理数据传输的过程就很简单了：

设备端USB协议产生0和1数据，在端点出构成一个接口，由接口又构成一种配置，由配置又构成一个设备，最后把这设备的信息交给主机进行数据处理，大概过程就是这样。

当然了，设备描述符中的数据不止有配置描述符，配置描述符中的数据不止有接口描述符，接口描述符中的数据不止有端点描述符，具体有以下的数据：

设备描述符：设备使用的USB协议版本、设备类型，设备版本号，端点0的最大包大小，厂商ID，产品ID，厂商字符串索引，产品字符串索引，设备序列号索引、包含的配置数······

配置描述符：包含的接口熟，配置编号，供电方式，是否支持远程呼唤，电流需求大小·····

接口描述符：接口编号，接口端点数，接口所使用的类、子类、协议······

端点描述符：端点号、方向，端点传输类型，最大包大小，查询时间间隔·······

六、USB传输类型

　　数据和控制信号在主机和USB设备间的交换存在两种通道：单向和双向。

　　USB的数据传送是在主机软件和一个USB设备的指定端口之间。这种主机软件和USB设备的端口间的联系称为通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立的。一个指定的USB设备可有许多通道。例如，一个USB设备存在一个端口，可建立一个向其他USB设备的端口，发送数据的通道，它可建立一个从其他USB设备的端口接收数据的通道。

　　USB包含四种基本的数据传输类型:

　　1、控制传输

　　设备连接时用来对设备进行设置，还可对指定的设备进行控制。

　　2、批量传输

　　大批量产生并使用的数据，在传输约束下，具有很广的动态范围。

　　3、中断传输

　　用来描述或匹配人的感觉或特征反应的回馈。

　　4、同步传输

　　由预先确定的传送延迟来填满预定的USB带宽。

七、USB传输的数据格式

　　在物理层，USB通过二进制数据进行传输，首先二进制数据构成域（有七种），域再构成包，包再构成事务（in、out、setup）,事务最后构成传输。

　　1、域：是USB数据最小的单位，由若干位组成，域可分为七个类型：

　　（1）同步域 ：八位，值固定为00000001，用于本地时钟和输入同步。

　　（2）标识域：由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是个很重要的部分，这里能够计算出，USB的标识码有16种。

　　 （3）地址域：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址00000000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此能够知道为什么一个usb主机只能接127个设备的原因。

        （4）端点域：四位、由此可知一个USB设备的端点数量最大为16个。

　　（5）帧号域：11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量为0x800,对于同步传输有重要意义。

　　（6）数据域：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度。

　    （7）校验域：对令牌包和数据包中非pid域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种会很好的校验方法

　　 2、包

　　由域构成的包有四种类型：令牌包、数据包、握手包、特别包。

　　（1）令牌包

　　可分为输入包、输出包、配置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于配置输入命令的，输出包是用来配置输出命令的，而不是放数据的）。其中输入包、输出包和配置包的格式都是相同的：sync+pid+addR+endp+CRC5(五位的校验码)。

　　帧起始包的格式：

　　　　sync+pid+11位FRam+CRC5

　　（2）数据包

　　　　分为data0包和data1包，当usb发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，data0包和data1包交替发送即假如第一个数据包是data0,那第二个数据包就是data1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中之一)，任何的数据包都是为data0，格式如下:

　　sync+pid+0~1023字节+cRc16 (16位的校验码)

　　（3）握手包　　　　

　　　　结构最为简单的包，格式如下：sync+pid.

　　 (4)特别包：这里不做解释

　　3、事务

分别有in事务、out事务和setup事务三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下:

• 令牌包阶段:启动一个输入、输出或配置的事务。
• 数据包阶段:按输入、输出发送相应的数据。
• 握手包阶段:返回数据接收情况，在同步传输的in和out事务中没有这个阶段，这是比较特别的。