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第4章 ThreadX USBX協議棧基礎知識

本章節為大家講解USB基礎知識點，學習USB前，非常有必要有個系統的認識。

4.1初學者重要提示

4.2 USB歷史

4.3 USB架構

4.4 USB硬體

4.5 USB電流

4.6 USB傳輸速度

4.7 USB通訊（重要）

4.8 USB描述符

4.9 USB類

4.10 總結

4.1 初學者重要提示

1、 USB1.1和USB2.0規格書以及Cypress做的中文版USB文件，非常推薦大家學習：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=100698

2、 USB初學 -- 入門篇 （USB基礎知識速覽）

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=100687 。

3、 文獻參考：

https://en.wikipedia.org/wiki/USB

https://zh.wikipedia.org/wiki/USB

https://en.wikipedia.org/wiki/USB_hardware

4.2 USB歷史

1994年，由七個公司組成的小組開始開發USB：Compaq，DEC，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Nortel。目標是通過替換PC背面的眾多聯結器，解決現有介面的可用性問題以及簡化所有連線到USB裝置的軟體配置，從根本上簡化外部裝置連線至PC，並且可以為外部裝置提供更高的資料速率。 阿杰·巴特（Ajay Bhatt）和他的團隊在英特爾制定該標準。第一批積體電路支援USB的產品由英特爾於1995年生產。

最初的USB 1.0規範於1996年1月推出，它定義了1.5 Mbit / s 低速和12 Mbit / s全速的資料傳輸速率 。12 Mbit / s適用於印表機和軟盤驅動器等高速裝置，1.5 Mbit / s適用於鍵盤，滑鼠和操縱桿等低資料速率裝置。Microsoft Windows 95，OSR 2.1在1997年8月為裝置提供了OEM支援。USB的第一個廣泛使用的版本是1998年9月釋出的1.1。蘋果的iMac是第一個帶有USB的主流產品，而iMac的成功推廣了USB本身。在蘋果公司決定從iMac上刪除所有相容埠之後，許多PC製造商開始構建相容版PC，這導致使用USB成為PC市場標準。

USB 2.0規範於2000年4月釋出，並在2001年底被USB-IF批准。惠普，英特爾，朗訊科技（現為諾基亞），NEC和飛利浦共同領導了該計劃。開發更高的資料傳輸速率，從而使規範達到480 Mbit / s，是原始USB 1.1規範的40倍。

USB 3.0規範釋出於2008年11月12日，其主要目標是提高資料傳輸速率（高達5 Gbit / s），減少電力消耗，提高輸出功率，並且向後相容USB 2.0。USB 3.0包括與USB 2.0匯流排類似的新型高速匯流排SuperSpeed。因此，新版本也稱為SuperSpeed。首批配備USB 3.0的裝置於2010年1月推出。截止到2008年，全球市場上大約有60億個USB埠和介面，每年大約銷售20億個。

USB 3.1規範於2013年7月釋出。2014年12月，USB-IF向IEC（TC100–音訊，視訊和多媒體系統和裝置）提交了USB 3.1，USB Power Delivery 2.0和USB-C規範，以納入國際標準IEC 62680（通用序列匯流排介面，用於資料和電源），目前基於USB 2.0。

USB 3.2規範於2017年9月釋出。

USB4規範於2019年8月29日由USB-IF釋出。

4.3 USB架構

系統中只能有一個主機，並且與裝置進行的通訊是從主機的角度進行的。主機是“上行” 元件，裝置則是“下行” 元件，資料從主機轉移到外設的操作是 OUT 傳輸。資料從外設轉移到主機的操作是 IN 傳輸。主機（尤其是主控制器）控制著所有通訊並向裝置發出指令。共有三種常見的 USB 主控制器：

• 通用主控制器介面（UHCI）： 由 Intel 生產，適用於 USB 1.0 和 USB 1.1。使用 UHCI 時需要得到 Intel 的許可。該控制器支援低速模式和全速模式。
• 開放主控制器介面（OHCI）： 由 Compaq、 Microsoft 和 National Semiconductor 生產， 適用於 USB 1.0 和 1.1。該控制器支援低速模式和全速模式， 並且它的效率比 UHCI 更高， 因為可以執行更多硬體功能。
• 擴充套件型主控制器介面（EHCI）： 在 USB-IF 要求釋出單一主控制器規範後，已經生產了該控制器，它適用於 USB2.0。 EHCI 僅支援高速傳輸，並且將低速和全速傳輸委託給 OHCI 或 UHCI 控制器執行。

可以將一個或多個裝置連線至一個主機。每個裝置均有一個地址，並且會對定址它的主機指令做出響應。裝置預計具有某種形式的功能，並不簡單作為一個被動元件。裝置具有一個上行埠。埠是裝置上的 USB 物理連線點。集線器是一個專用裝置，允許主機同總線上的多個外設進行通訊。與 USB 外設（例如滑鼠）具有實際功能不同，集線器裝置是透明的，並且作為直通連線使用。集線器也作為主機和裝置間的通道。集線器具有多個連線點，從而可以將多個裝置連線到一個主機上。一個集線器可以將與下行裝置進行的通訊，重複使用到一個上行埠和最多七個下行埠。但集線器並沒有主機功能。

通過使用集線器最多能夠將 127 個裝置連線至主控制器上。連線裝置的數目限制由 USB 協議決定，它限制裝置地址為 7 位。另外，由於集線器的時間限制和電纜傳播的延遲，因此最多隻能將五個集線器連結在一起。下圖顯示的是 USB 層次系統的框圖，它表示集線器和裝置的連結限制。大家可以看到，隨著集線器的連結限制，層次系統也限制為七層。

USB裝置分為以下幾個類別：

• Hubs

Hubs集線器（USB擴充套件裝置）提供了附加的連線點，並從使用者角度簡化了USB連線。每個集線器將單個連線點轉換為多個連線點，稱為埠。

• Functions

Functions為系統提供了傳送或接收資料和控制資訊的功能。每個功能都包含描述裝置功能和資源要求的配置資訊。

• Composite Devices

複合裝置是實現多種功能幷包括嵌入式集線器的物理程式包。複合裝置在主機上看起來像是帶有一個或多個不可移動USB裝置的集線器。複合裝置支援不止一種類別，因此為主機提供了不止一種功能。

對於以主機為中心的開發，USB連線看起來像是星形網路。集線器不會引起任何程式設計複雜性，並且對程式設計師而言是透明的。無論是直接連線到根集線器還是通過中間集線器連線，USB裝置的工作方式都相同。在該主/從網路中，所有USB裝置都可用作可定址節點。只有主機可以在網路中啟動資料傳輸。

注意：

• 任何USB系統中僅存在一個主機。
• 在第7層中，只能啟用功能。
• 符合裝置佔據兩層。

4.4 USB硬體

市場是上USB連機器種類非常多，常用的如下：

Type A，Type B是四個引腳，對於的引腳定義如下：

Mini 和 Micro 聯結器具有五個（而不是 4 個）引腳。額外引腳是 ID 引腳，用於識別 OTG 應用中的主機和裝置，此引腳接地表示主機，未連線表示裝置。

更多的USB介面如下：

4.5 USB電流

USB2.0和USB3.0支援的電壓範圍和最大電流如下：

注：BC1.2是Battery Charging (BC) 1.2，PD是Power Delivery。

4.6 USB傳輸速度

不同USB版本的速度如下：

4.7 USB通訊（重要）

USB是輪詢匯流排，USB主機發起所有資料交換。資料往返於USB裝置中的端點。USB主機中的客戶端將資料儲存在緩衝區中，但沒有端點。USB主機和外圍USB裝置具有不同的層，如下圖所示。層之間的連線是每個層之間的裝置介面。在連線之間，使用Pipes傳輸資料。

USB資料是由二進位制數字串構成的，首先數字串構成域，域再構成包Packet（令牌包、資料包、握手包），包再構成事務Transaction（IN、OUT、SETUP），事務再構成傳輸Transfer（中斷傳輸、同步傳輸、批量傳輸和控制傳輸），傳輸最後再構成管道Pipe。下圖可以形象的展示它們之間的關係：

4.7.1 管道（Pipes）

管道是主機與裝置端點資料傳輸的連線通道，代表了主機的資料緩衝區與裝置端點之間交換資料的能力。管道包括資料流管道和訊息管道。

• Message Pipes：訊息管道具有定義的USB格式，並且受主機控制。訊息管道允許資料雙向流動，並且僅支援控制傳輸。
• Stream Pipes：流管道沒有定義的USB格式，可以由主機或裝置控制。資料流具有預定義的方向，即IN或OUT。流管道支援中斷傳輸，同步傳輸和批量傳輸。

將USB裝置連線到USB匯流排並由USB主機配置後，大多數管道就存在了。管道源自主機客戶端中的資料緩衝區，並在USB裝置端點的內部終止。

4.7.2 傳輸（Transfers）

傳輸（資料流型別管道）可以包含一個或多個事務，管道支援以下傳輸型別之一：

• 控制傳輸通常用於設定USB裝置。它們始終使用IN / OUT端點0。
• 中斷傳輸可用於定期傳送資料的地方，例如用於狀態更新。
• 同步傳輸傳輸實時資料，例如音訊和視訊。它們具有固定頻寬，但沒有錯誤檢測。
• 批量傳輸可用於時間不重要的資料傳送，例如印表機。

4.7.3 控制傳輸（Control Transfers）

控制傳輸是雙向傳輸，供主機使用，以便主機使用IN和OUT端點0向裝置傳送和從裝置請求配置資訊。每個控制轉移包括兩個及其事務。控制端點資料的最大資料包大小：

• 低速USB是8個位元組。
• 全速USB是8，16，32或者64位元組。
• 高速USB是64位元組。

通常，應用程式軟體不使用這種型別的傳輸。控制傳輸的三個階段：

1、SETUP階段攜帶8個位元組被稱為設定包，定義請求，以及指定多少資料應在資料階段被轉移。

2、該資料階段是可選的。如果存在，它將始終從包含DATA1資料包的事務開始。然後，事務型別在DATA0和DATA1之間交替，直到所有必需的資料都已傳輸。

3、STATUS階段是含有零長度分組DATA1事務。如果DATA階段為IN，則STATUS階段為OUT，反之亦然。

4.7.4 中斷傳輸（Interrrupt Transfers）

中斷傳輸與裝置之間的延遲有限。在USB中，中斷傳輸或中斷管道具有以下定義的輪詢速率：

• 全速和低速分別為1ms和255ms。
• 高速端點為125μs至4096ms。

中斷端點資料的最大包大小為：

• 全速USB最大64位元組。
• 高速USB最大1024位元組。

開發人員可以定義主機多久請求裝置進行資料傳輸。例如，對於滑鼠，可以保證每10 ms的資料傳輸速率。但是，定義輪詢速率並不能保證每10毫秒傳輸一次資料，而是保證交易將發生在第十幀內的某個位置。因此，USB事務有一定的抖動。

通常，中斷傳輸資料由事件通知，字元和來自裝置的座標組成。

4.7.5 同步傳輸（Isochronous Transfers）

同步傳輸用於傳輸實時資訊，例如音訊和視訊資料，並且必須以恆定的速率傳送。為USB等時資料流分配了USB頻寬的專用部分，確保按所需的速率傳送資料。同步管道在每個幀中傳送一個新的資料包，而不管最後一個包的成功或失敗。

等時端點資料的最大資料包大小為：

• 全速最大1023位元組。
• 高速最大1024位元組。

同步傳輸沒有錯誤檢測。電氣傳輸中的任何錯誤均無法糾正。同步傳輸也受定時抖動的影響。

4.7.6 批量傳輸（Bulk Transfers）

批量傳輸用於控制，中斷和同步傳輸以外的資料。使用錯誤檢測可以在硬體級別上確保可靠的資料交換。

資料的傳輸方式與中斷傳輸的方式相同，但是沒有定義輪詢速率。批量傳輸佔用了其他傳輸完成後的所有可用頻寬。如果匯流排非常繁忙，則批量傳輸可能會延遲。

批量端點資料的最大資料包大小為：

• 全速USB支援8、16、32或64位元組。
• 高速USB支援512位元組。

對於低速和全速端點，以下內容有效：如果匯流排空閒，則可以在單個1ms幀中進行多個批量傳輸（中斷和同步傳輸限制為每幀最多一個數據包）。

例如，批量傳輸將資料傳送到印表機。只要在合理的時間範圍內列印資料，確切的傳輸速率就不重要。

4.7.7 事務（Transaction）

事務：分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、資料包、握手包三個階段構成：

• 令牌包（Token Packet）是定義事務型別，方向，裝置地址和端點。
• 資料在資料包（Data Packet）中傳輸。
• 事務的最終狀態在握手資料包（Handshake Packet）中確認。

在事務中，資料從USB主機傳輸到USB裝置，反之亦然。傳輸方向在USB主機發送的令牌包中指定。然後，傳送端傳送一個數據包或指示它沒有要傳輸的資料。通常，目的地以握手包作為響應，指示傳輸是否成功。

4.7.8 包（Packets）

每個資料包以當前傳輸速率傳輸整數個位元組。資料包以同步模式開始，然後是資料包的資料位元組，最後以資料包結束（EOP）訊號結束。

所有USB資料包模式都首先發送最低有效位。在資料包之前和之後，匯流排處於空閒狀態。

特殊的資料包是幀開始資料包（SOF），它將USB匯流排分為多個時間段。每個管道在每個幀中分配一個插槽。幀開始資料包在全速鏈路上每1ms傳送一次。高速時，將1ms幀分為8個每幀125μs的微幀。在每個微幀的開頭使用相同的幀號傳送幀開始資料包。幀號每1ms增加一次。

4.7.9 域（field）

域是USB資料最小的單位，由若干位組成，域可分為七種型別：

• 同步域（SYNC），8位，值固定為0000 0001，用於本地時鐘與輸入同步，標誌一個包的起始。
• 標識域（PID），由四位識別符號+四位識別符號反碼構成，表明包的型別和格式，可以計算出USB的標識碼有16種。
• 地址域（ADDR）：七位地址，代表了裝置在主機上的地址，地址000 0000被命名為零地址，是任何一個裝置第一次連線到主機時，在被主機配置、列舉前的預設地址，因此一個USB主機只能接127個裝置。
• 端點域（ENDP），4位，由此可知一個USB裝置有的端點數量最大為16個。
• 幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，幀號連續增加，到0x7ff後從自動0開始，對於同步傳輸有重要意義。
• 資料域（DATA）：長度為0~1023位元組，在不同的傳輸型別中，資料域的長度各不相同，但必須為整數個位元組的長度。
• 校驗域（CRC）：對令牌包（CRC5）和資料包（CRC16）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，是一種很好的校驗方法，至於具體的校驗方法請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同於10進制中的除法。

4.7.10 端點（Endpoints）

端點，實際上是裝置硬體上具有一定大小的資料緩衝區。USB系統中，每一個端點都有唯一的地址，是有裝置地址和端點號給出的。預設設定端點0用作控制傳輸端點，其他端點必須在裝置被主機配置後才能使用。

端點可以描述為資料來源或接收器，並且僅存在於USB裝置中。可以從USB主機接收或等待將其儲存在端點上的資料。可以將端點配置為USB規範中定義的四種傳輸型別（控制傳輸，中斷傳輸，同步傳輸和批量傳輸）。在硬體限制內，可以使用USB協議棧配置端點（例如，將端點限制為某種傳輸型別）。

端點充當一種緩衝區。例如，USB主機的客戶端可以將資料傳送到端點1。來自USB主機的資料將傳送到OUT端點1。準備就緒後，微控制器上的程式將立即讀取資料。由於程式無法自由訪問USB匯流排（USB匯流排由USB主機控制），因此必須將返回資料寫入IN端點1。IN端點1中的資料將保留在那裡，直到主機向端點1傳送一個IN資料包以請求資料為止。

這些規則適用於所有微控制器裝置：

• 一個裝置最多可以有16個OUT和16個IN端點。
• 每個端點只能有一個傳輸方向。
• 端點 0僅用於控制傳輸，不能分配任何其他功能。
• OUT始終是指從主機指向裝置的方向。
• IN始終指指向主機的方向。

注意：

• 端點的總數和每個端點支援的功能由硬體定義。

4.8 USB描述符

USB裝置使用描述符報告其屬性，描述符是具有定義格式的資料結構。每個描述符開頭位元組是此描述符的位元組數，之後是描述符型別欄位。

將USB裝置連線到USB匯流排時，主機通過列舉來識別和配置裝置。裝置插入USB主機後，USB主機立即傳送設定請求。系統將指示該裝置選擇配置和介面，以匹配USB主機上執行的應用程式。選擇配置和介面後，裝置必須為活動的端點提供服務，以此與USB主機交換資料。

常用的描述符如下：

• 裝置描述符。
• 配置描述符。
• 介面描述符。
• 一個或多個端點描述符。

具體各種描述符的定義，在後面章節為大家說明。

4.9 USB類

常用的USB類如下：

其中HID，CDC，Audio，MSC等類，將在後續章節詳細說明。

4.10 總結

本章就為大家介紹這麼多，涉及到的知識點比較多，需要大家看本章開頭提供的參考文件地址來進一步的熟悉。