USB协议简述

原创

qqtang797 2021-06-17 16:15:09 ©著作权

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一、前言

USB通用串行总线（Universal Serial Bus）在计算机系统中使用的很广泛，相比较RS232、RS485、CAN总线而言，USB的协议层比较复杂，但是物理层的原理很相似。我们先看看物理层的区别。

二、物理层

USB总线和RS485和CAN总线类似，都是使用两根差分信号线（D+、D-）进行数据传输，在我之前的一篇关于CAN总线仲裁的文章中有介绍，CAN总线上有两种状态：显性和隐性，通过线与运算可以实现优先级仲裁工作。与CAN总线不同的是，对于USB FULL SPEED DEVICE来说USB总线拥有4中状态：J、K、SE0、SE1，对应的差分线状态为：

Data J state：D+=1，D-=0；
Data K state：D+=0，D-=1；
SE0：D+=D-=0;
SE1：D+=D-=1;

USB物理层使用这4种状态来进行信号传输，也就是在总线上有这4种状态，在分析USB的物理层数据格式之前，先使用RS232协议作为开门砖。由于RS232总线只有一根数据线，且传输的是数字信号，所以总线只能表述两种状态：高电平、低电平，所以使用RS232进行数据传输的信号格式如下图：

USB协议简述_嵌入式 .

空闲状态下RS232总线上的状态为高电平，启动传输的时候总线上会先产生一个起始位（Start Bit），表示数据传输的开始，后续传输8位的数据，传输完成数据之后继续传输一个停止位（Stop Bit），表示数据传输的结束。上面这个过程就是一个完整的RS232物理层的数据帧，这个帧只包含8个位的有效数据，如果需要传输多个字节的数据，需要在上一层协议中进行传输控制。

理解了RS232协议之后，USB总线的物理层也就简单了。USB总线也有空闲状态，空闲状态下总线处于J状态。开始进行数据传输的时候USB总线也发出一个类似于RS232协议中的“起始位”的信号，叫做SYNC（同步域），用于通知接收设备开始进行数据传输，同步域由多个位的信号构成。结束数据传输的时候USB也会发出一个类似于RS232协议中"停止位"的信号，叫做EOP（结束域），处于EOP时，总线处于SE0状态若干个位的时间。在SYNC和EOP之间的就是有效的数据，这个数据就USB协议层的内容了，我们物理层先不管这个USB协议层的内容。下图就是USB物理层的信号结构：

USB协议简述_单片机_02

可以看出USB物理层的传输以SYNC开始以EOP结束，加上中间的有效数据，整个过程称为一个Packet（包）。Packet是USB中的最小传输单位，和上面介绍的RS232中的一个数据帧一样，但是不同的是RS232的一个最小传输单位只有一个字节，而USB的最小传输单位Packet可以包含多个字节的数据。现在我们大致了解了USB总线物理层的构成了，下面可以探究一下USB协议层的结构。

三、USB协议层

3.1、Packet

下图是一个典型的USB Packet格式：

USB协议简述_单片机_03

剥离掉物理层的东西（空闲状态、同步域、结束域），剩下的就是USB协议层的东西了，当然这个帧格式只是USB协议格式中的一种，物理层和协议层的对应关系如下图：

USB协议简述_单片机_04

3.2、域

一个Packet包含多个域：标识域（PID）、地址域（ADDR）、端点域（ENDP）、帧号域（FRAM）、数据域（DATA）、校验域（CRC）。

1、标识域（PID），由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种：

USB协议简述_嵌入式_05

2、地址域（ADDR）：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000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，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。

3、端点域（ENDP），四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。

4、帧号域（FRAM），11位，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一）。

5、数据域（DATA）：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

6、校验域（CRC）：对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

一个USB Packet通常包含多个上述的域，有的是必有的例如标识域（PID），有的可以没有，Packet的类型通过标识域（PID）来鉴别：

1、令牌包：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的）其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：
　　SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）
　　帧起始包的格式：
　　SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

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，即如果第一个数据包是 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），所有的数据包都是为DATA0，格式如下：
　　SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

3、握手包：结构最为简单的包，格式如下 SYNC+PID 。

每包数据的最后都会有一个包结束符EOP（End-of-Packet），对于高速设备和全速/低速设备也是不一样的。全速/低速设备的EOF是一个大约为2个数据位宽度的单端0（SE0）信号。SE0的意思就是，D+和D-同时都保持为低电平。由于USB使用的是差分数据线，通常都是一高一低的，而SE0不同，是一种都为低的特殊状态。SE0用来表示一些特殊的意义，例如包结束、复位信号灯。USB集线器对USB设备进行复位的操作，就是通过将总线设置为SE0状态大约10ms来实现的。对于高速设备的EOF，使用故意的位填充错误来表示。那么如何判断一个位填充错误是真的位错误还是包结束呢？这个由CRC校验来判断。如果CRC校验正确，则说明这个位填充错误是EOP，否则，说明传输出错。

3.3、Transaction

USB协议中的最小传输单位 Packet 已经定义好了，但是USB的应用层不是直接使用 Packet 进行数据传输工作，USB应用层的传输是基于Transfer（传输）的，也就是想发送、接收数据都是基于Transfer，而一个Transfer是由若干个Transaction（事务）组成，而Transaction（事务）才是由多个Packet组成的，协议结构如下图：

USB协议简述_嵌入式_06

我们先说说Transaction（事务）。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：
　　1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务
　　2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据
　　3、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，这是比较特殊的。
事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：
1、 IN事务：
　　令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据；
　　数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应（要注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段）
　　　　1）设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）；
　　　　2）设备正在忙，无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，到了下一个IN事务才继续；
　　　　3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态。
　　握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。
2、 OUT事务：
　　令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据；
　　数据包阶段——比较简单，就是主机会给设备送数据，DATA0与DATA1交替
　　握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应
　　　　1）设备端点接收正确，设备往入主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；
　　　　2）设备正在忙，无法接收主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；
　　　　3）相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态。
3、SETUT事务：
　　令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；
　　数据包阶段——比较简单，就是主机会设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令（共有11条）
　　握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输（在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输）

3.4、Transfer

再说说Transfer（传输），传输由OUT、IN、SETUP事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是最复杂的传输。
　　1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中。
　　2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输。
　　3、同步传输：由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0 。
　　4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。
　　　　1)、初始设置步骤：就是一个由SETUP事务构成的传输;
　　　　2)、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）;
　　　　3)、状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成构成的传输，但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：
　　　　　　(1) 传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合；
　　　　　　(2) 在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16

四、应用层

在Transfer（传输）之上就可以进行应用层的传输了。首先介绍一个概念叫做“描述符”，顾名思义，描述符就是描述事物的一道符！这道符不是写在纸上的，而是存在内存中的一个数据结构。用在USB设备中，描述符有很多种，包括：设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、HID描述符。

设备描述符（Device Descriptor），用于描述USB设备，每个USB设备只有一个设备描述符，包含了设备类型、设备遵循的协议、厂商ID、产品id、序列号等，一个完整的设备描述符如下：

DEVICE DESCRIPTOR
    bLength: 18
    bDescriptorType: 0x01 (DEVICE)
    bcdUSB: 0x0200
    bDeviceClass: Vendor Specific (0xff)
    bDeviceSubClass: 255
    bDeviceProtocol: 255
    bMaxPacketSize0: 64
    idVendor: Marvell Semiconductor, Inc. (0x1286)
    idProduct: Unknown (0x812a)
    bcdDevice: 0x0000
    iManufacturer: 3
    iProduct: 2
    iSerialNumber: 0
    bNumConfigurations: 1

配置描述符（Configuration Descriptor），用于配置设备，一个USB设备可以拥有多个配置描述符，但是同一时间只能有一种配置生效，配置描述符如下：

CONFIGURATION DESCRIPTOR
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x02 (CONFIGURATION)
    wTotalLength: 121
    bNumInterfaces: 4
    bConfigurationValue: 1
    iConfiguration: 0
    Configuration bmAttributes: 0xc0  SELF-POWERED  NO REMOTE-WAKEUP
        1... .... = Must be 1: Must be 1 for USB 1.1 and higher
        .1.. .... = Self-Powered: This device is SELF-POWERED
        ..0. .... = Remote Wakeup: This device does NOT support remote wakeup
    bMaxPower: 250  (500mA)

接口描述符（Interface Descriptor），USB interface用来处理一类 USB 逻辑连接, 例如一个鼠标, 一个键盘, 或者一个音频流. 一些 USB 设备有多个接口。也就是复合设备，例如一个 USB 扬声器可能有 2 个接口: 一个 USB 键盘给按钮和一个 USB 音频流。一个接口描述符包含多个端点描述符。

INTERFACE DESCRIPTOR (2.0): class Vendor Specific
    bLength: 9
    bDescriptorType: 0x04 (INTERFACE)
    bInterfaceNumber: 2
    bAlternateSetting: 0
    bNumEndpoints: 2
    bInterfaceClass: Vendor Specific (0xff)
    bInterfaceSubClass: 0x00
    bInterfaceProtocol: 0x00
    iInterface: 8

端点描述符（Endpoint Descriptor），USB的通讯都是基于端点的，一个endpiont只能承载一个方向的数据。endpiont分为如下几种：

CONTROL

控制端点被用来允许对 USB 设备的不同部分存取. 通常用作配置设备, 获取关于设备的信息, 发送命令到设备, 或者获取关于设备的状态报告. 这些端点在尺寸上常常较小. 每个 USB 设备有一个控制端点称为"端点 0", 被 USB 核用来在插入时配置设备. 这些传送由 USB 协议保证来总有足够的带宽使它到达设备.

INTERRUPT

中断端点传送小量的数据, 以固定的速率在每次 USB 主请求设备数据时. 这些端点对 USB 键盘和鼠标来说是主要的传送方法. 它们还用来传送数据到 USB 设备来控制设备, 但通常不用来传送大量数据. 这些传送由 USB 协议保证来总有足够的带宽使它到达设备.

BULK

块端点传送大量的数据. 这些端点常常比中断端点大(它们一次可持有更多的字符). 它们是普遍的, 对于需要传送不能有任何数据丢失的数据. 这些传送不被 USB 协议保证来一直使它在特定时间范围内完成. 如果总线上没有足够的空间来发送整个 BULK 报文, 它被分为多次传送到或者从设备. 这些端点普遍在打印机, 存储器, 和网络设备上.