目錄

Ⅰ USB匯流排介面
1 USB介面標準
2 USB匯流排訊號
3 USB資料編解碼和位填充
4 USB拓撲結構
5 USB邏輯部件

Ⅱ USB裝置
1 USB裝置供電方式
2 USB裝置插入檢測機制
3 USB裝置狀態
4 USB裝置列舉過程
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是通用序列匯流排（Universal Serial Bus）的縮寫。在USB1.0和USB1.1版本中，只支援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。

ⅠUSB匯流排介面

1 USB介面標準

標準的USB聯結器有A型、B型和Mini B型，每個型號又分為插頭和插座。

USB使用差分傳輸模式，兩根資料線D+和D-。

差分訊號1：D+>2.8V，D-<0.3V；
差分訊號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
  低速下空閒狀態為“K”狀態；
  全速下空閒狀態為“J”狀態；
  高速下空閒狀態為“SE0”狀態。

針對全速模式，有以下幾個重要訊號：

• Reset訊號
  主機在要和裝置通訊之前會發送Reset訊號來把裝置配置到預設的未配置狀態。即SE0狀態保持10ms。
• Resume訊號
  20ms的K狀態+低速EOP
• Suspend訊號
  3ms以上的J狀態
• SOP訊號
  從IDLE狀態切換到K狀態
• EOP訊號
  持續2位時間的SE0訊號，後跟隨1位時間的J狀態
• SYNC訊號
  3個重複的K、J狀態切換，後跟隨2位時間的K狀態

3 USB資料編解碼和位填充

USB採用NRZI(非歸零編碼)對傳送的資料包進行編碼。即：
輸入資料0，編碼成“電平翻轉”；輸入資料1，編碼成“電平不變”

位填充是為了保證傳送的資料序列中有足夠多的電平變化。填充的物件時輸入資料，即先填充後編碼。資料流中每6個連續的“1”，就要插入1個“0”。
接收方解碼NRZI碼流，然後識別出填充位，並丟棄它們。

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匯流排基於分層的星狀拓撲結構，以HUB為中心，連線周圍裝置。總線上最多可連線127個裝置。Hub串聯數量最多5個。

5 USB邏輯部件

Ⅱ USB裝置

1 USB裝置供電方式

USB裝置有兩種供電方式：
1)自供電裝置：裝置從外部電源獲取工作電壓
2)匯流排供電裝置： 裝置從VBUS（5v）取點

對匯流排供電裝置，區分低功耗和高功耗USB裝置。
低功耗裝置是最大功耗不超過100mA。
高功耗裝置是列舉時最大功耗不超過100mA，列舉完成配置結束後功耗不超過500mA。

裝置在列舉工程中，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裝置插入檢測機制

沒有裝置連上主機時，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。
當裝置連上主機時，主機檢測到某一資料線電平拉高並持續一段時間，就認為有裝置連上來了。主機必須在復位裝置前，立即取樣匯流排狀態來判斷裝置的速度。

3 USB裝置狀態

USB裝置有插入、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。

4 USB裝置列舉過程

對應USB裝置的狀態，host對USB裝置會有以下活動：

在列舉過程中，都是使用控制傳輸。

• 復位階段
  USB主機檢測到USB裝置插入後，就會對裝置復位。USB裝置在匯流排復位後其地址為0，這樣主機就可以通過地址0和那些剛剛插入的裝置通訊。USB主機往地址為0的裝置的端點0傳送獲取裝置描述符的標準請求。裝置會將裝置描述符返回給主機，主機在成功獲取到資料包後，就會返回一個確認資料包給裝置，從而進入接下來的分配地址階段。
• 分配地址階段
  主機對裝置又一次復位，就進入到分配地址階段。主機往地址為0的裝置的端點0傳送一個設定地址的請求，新的裝置地址就包含在建立過程的資料包中。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裝置。裝置在收到這個建立過程後，就會進入到狀態過程。裝置等待主機請求狀態返回，收到狀態請求後，裝置就返回0長度的狀態資料包。如果主機確認該狀態包已經正確收到，就會發送應答包ACK給裝置，裝置在收到這個ACK之後，就要啟用新的裝置地址了。這樣裝置就分配到了一個唯一的裝置地址。
• 獲取描述符階段
  獲取描述符可以形象地表述如下：

Host:你是什麼裝置？

Device:12 01 0100....Device Descriptor
Host:你有幾種功能？
Device:09 02 09....Configuration Descriptor
Host:每個功能有幾個介面？
Device:09 04 00....Interface Descriptor
Host:每個介面使用哪幾個端點？
Device:06 05 82....Endpoint Descriptor
Host:好了，我知道你是誰了，開始傳輸裝置吧！
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位元組描述該描述符包含的位元組數目，第二個節描述該描述的型別。

• Device Descriptor

  

• Configuration Descriptor

  

• Interface Descriptor

  

• Endpoint Descriptor

  

• String Descriptor

  

Ⅲ USB傳輸

1 USB傳輸格式

USB總線上傳輸資料是以包（packet）為基本單位的，必須把不同的包組織成事務（transaction）才能傳輸資料。
USB協議規定了四種傳輸（transfer）型別：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資料都是一個事務，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，資料過程則可能包含多個事務。

2 包packet

一個包被分為不同域，根據不同型別的包，所包含的域是不一樣的。但都要以同步域SYNC開始，緊跟一個包識別符號PID，最終以包結束符EOP來結束這個包。

• PID域
  PID是用來標識一個包的型別的。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、資料包、握手包和特殊包。同類的包又各分為具體的四種包。包型別
  僅在幀首傳輸一次SOF包。

• 地址域
  地址共佔11位，其中低7位是裝置地址，高4位是端點地址。

  地址

• 幀號域
  幀號佔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。

• 資料域
  根據傳輸型別的不同，資料域的資料長度從0到1024位元組不等。

  資料長度

• CRC域

  CRC校驗

A. 令牌包

令牌包有四種：

• OUT： 通知裝置將要輸出一個數據包
• IN： 通知裝置返回一個數據包
• SETUP： 只用在控制傳輸中，也是通知裝置將要輸出一個數據包，與OUT令牌的區別是：只使用DATA0資料包，且只能發到device的控制端點
• SOF： 在每幀開始時以廣播的形式傳送，針對USB全速裝置，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包傳送幀號。

OUT/IN/SETUP令牌包沒有幀號域和資料域。

SOF令牌包沒有地址域和資料域。

B.資料包

資料包沒有地址域和幀號域。根據transfer的型別不同，資料包最大長度有所不同。

C.握手包

握手包有四種可選：

• ACK： 傳輸正確完成
• NAK： 裝置暫時沒有準備好接收資料，或沒有準備好傳送資料
• STALL： 裝置不能用於傳輸
• NYET/ERR： 僅用於高速傳輸，裝置沒有準備好或出錯

握手包僅有PID域。

3 事務transaction

事務可以分成三類

• setup事務：主機用來向裝置傳送控制命令
• 資料輸入事務：主機用來從裝置讀取資料
• 資料輸出事務：主機用來向裝置傳送資料

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型別：控制傳輸（Control transfer）、大容量資料傳輸（Bulk transfer）、同步傳輸（Isochronous transfer）和中斷傳輸（Interrupt transfer）。

A.大容量傳輸 bulk transfer

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。若資料量比較大，將採用多次批量事務傳輸來完成全部資料的傳輸，傳輸過程中資料包的PID 按照 DATA0-DATA1-DATA0-…的方式翻轉，以保證傳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。

B.中斷傳輸 interrupt transfer

中斷傳輸在流程上除不支援 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於事務傳輸發生的端點不一樣、支援的最大包長度不一樣、優先順序不一樣等這樣一些對使用者來說透明的東西。
這裡所說的中斷，跟硬體上的中斷是不一樣的，它不是由裝置主動發出一箇中斷請求，而是由主機保證在不大於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順序，僅次於同步傳輸。

C.同步傳輸 Isochronous transfer

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

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）、 資料（ 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
• 資料過程 data stage
  資料過程是可選的。一個數據過程包含一筆或者多筆資料事務。資料過程的第一個資料包必須是DATA1包，然後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。

裝置列舉過程中各種描述符的獲取以及設定地址和設定配置等，都是通過控制傳輸來實現的。

參考資料