對USB從物理層到協(xié)議層做一個(gè)簡要的介紹

1.USB概述

USB設(shè)備現(xiàn)在是用的非常普遍的一種接口了,它即插即用的特性給人們帶來了很大的方便。在嵌入式的應(yīng)用中, USB經(jīng)常被用來作為與上位機(jī)通信的接口，還用來通過U盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。USB按通訊速度可分為低速，全速和高速設(shè)備。在我們的應(yīng)用中，低速和全速是最為普遍的，在此我們對USB從物理層到協(xié)議層做一個(gè)簡要的介紹。高速USB的原理是一樣的，在理解了低速和全速設(shè)備的工作原理后再去理解高速設(shè)備就比較簡單了，在此我們暫不討論。

低速(Low Speed, 1.5Mbps):鍵盤，鼠標(biāo)，手寫筆

全速(Full Speed, 12Mbps):音頻

高速(High Speed, 480Mbps):視頻

USB協(xié)議是開放的，可以從官方網(wǎng)站usb.org下載。

2.主機(jī)，設(shè)備(Host, Device)

上圖是一個(gè)典型的USB全速主機(jī)和設(shè)備的連接示意圖。主機(jī)要有對外的供電能力，圖中可以看到作為主機(jī)的單片機(jī)，一個(gè)引腳用來控制三極管或MOSFET，提供5V的電源至USB口。設(shè)備供電有兩種方法：一種是通過USB總線，從主機(jī)提供的5V獲得，如我們常用的U盤；一種是自己從另外的電源獲得，此時(shí)主機(jī)至設(shè)備的電源線可以不連。如果設(shè)備的1.5k上拉電阻是加在D-上，那么此設(shè)備將被主機(jī)識(shí)別為低速設(shè)備。高速設(shè)備的上拉與全速設(shè)備一樣是加到D+，需要靠軟件協(xié)議進(jìn)一步區(qū)分。

通過USB總線獲得供電的設(shè)備，分為兩種配置：

低功率設(shè)備(Low-power devices): 最大電流不超過100mA

高功率設(shè)備(High-power devices): 剛連接后設(shè)備后的枚舉階段不超過100mA，配置完成后最大不超過500mA。

USB所有的通訊都是由主機(jī)發(fā)起。當(dāng)主機(jī)檢測到有設(shè)備連接時(shí)，首先會(huì)詢問設(shè)備，讓設(shè)備自報(bào)家門，看看設(shè)備都具備哪些能力，其中就包括最大電流，然后主機(jī)根據(jù)上報(bào)的描述進(jìn)行相應(yīng)的操作。這個(gè)過程叫自舉(Enumeration)。設(shè)備通過描述符(Descriptor)來聲明自己的能力，包括:

設(shè)備描述符(Device Descriptor)

配置描述符(Configuration Descriptor)

接口描述符(Interface Descriptor)

端點(diǎn)描述符(Endpoint Descriptor)

字符串描述符(String Descriptor)

端點(diǎn)(Endpiont)是USB通信的基本單元，每個(gè)USB設(shè)備都會(huì)包含若干個(gè)端點(diǎn)。主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)最終會(huì)根據(jù)設(shè)備地址和端點(diǎn)地址到達(dá)某一個(gè)端點(diǎn)，主機(jī)獲取數(shù)據(jù)也是給某個(gè)端點(diǎn)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，此端點(diǎn)隨后把存儲(chǔ)在自己緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)。

在端點(diǎn)之上是邏輯組織，多個(gè)端點(diǎn)可以歸到一個(gè)接口，多個(gè)接口可以歸為一個(gè)配置。而一個(gè)設(shè)備可以有多個(gè)配置。

3.USB物理層

(USB Specification 2.0)

? 1?紅色 Vbus(5V)

? 2 白色? D-

? 3 綠色 D+

? 4 黑色 GND

有的USB接口會(huì)多出一根ID線，以支持OTG(On The Go)。支持OTG的線兩端是不一樣的，其中一端插到OTG設(shè)備時(shí)會(huì)把設(shè)備接口的識(shí)別引腳ID拉低，此設(shè)備識(shí)別到自己的ID拉低后會(huì)進(jìn)入主機(jī)狀態(tài)(Host)，連線另一端的設(shè)備ID沒有拉低，默認(rèn)進(jìn)入設(shè)備狀態(tài)(Device)。之后通過軟協(xié)議可以主從切換。但是集中這種應(yīng)用不是太多，一臺(tái)設(shè)備要么作主機(jī)，要么作設(shè)備的情況比較多。

USB使用的是差分傳輸模式，有兩根數(shù)據(jù)線D+和D-。
Differential 1：D+ > VOH(min) (2.8V) 且D- < VOL(max)(0.3V)?
Differential 0：D- > VOH and D+ < VOL

J狀態(tài)：對于低速USB是Differential 0，對于全速USB是 Differential 1
K狀態(tài)：對于低速USB是Differential 1，對于全速USB是 Differential 0

除此之外，通過把D+,D-當(dāng)作單端信號(hào)拉低，拉高，可以表示一些特殊的狀態(tài)。

SE0狀態(tài)(Single Ended 0)：D+ 低，D- 低
SE1狀態(tài)(Single Ended 1)：D+ 高，D- 高

Reset信號(hào)：D+ and D- < VOL for >= 10ms?
主機(jī)在要和設(shè)備通信之前會(huì)發(fā)送Reset信號(hào)來把設(shè)備設(shè)置到默認(rèn)的未配置狀態(tài)。即主機(jī)拉低兩根信號(hào)線（SE0狀態(tài)）并保持10ms。

看到這里也許有點(diǎn)暈，不過沒關(guān)系，你如果看USB協(xié)議會(huì)更暈。

我們千萬不要掉進(jìn)這個(gè)坑里出不來，就像我們用串口也從來不會(huì)去觸發(fā)一個(gè)起始信號(hào)，或者拉出一個(gè)結(jié)束信號(hào)一樣，這些物理層信號(hào)狀態(tài)的處理完全由芯片集成的USB控制器來處理。而且提供USB軟件協(xié)議棧也是必須的，靠用戶自己完全把所有細(xì)節(jié)搞清楚是不現(xiàn)實(shí)的。然而就像開車一樣，你如果對汽車的原理有更深入的了解，一定更能充分的發(fā)揮出這輛車的性能。

繼續(xù)，除了以上狀態(tài)，還有：

Idle State, Resume State, Start of Packet, End of Packet, Disconnect, Connnect.

4.Packet

Packet是USB通訊最基本的單位。

SOP：Start Of Packet,標(biāo)志由空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)包發(fā)送。

SYNC：同步段，供USB設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步。

PID：Packet Identifier。種類比較多，下面再詳細(xì)說明。

Address：設(shè)備和端點(diǎn)地址。一個(gè)主機(jī)可以掛接多個(gè)設(shè)備，主機(jī)會(huì)給每個(gè)設(shè)備分配不同地址。

Frame Number：幀號(hào)，每發(fā)一幀加1，達(dá)到7FFFH時(shí)變?yōu)?。

Data：數(shù)據(jù)段。

CRC：校驗(yàn)和。

EOP：End Of Packet。

通過不同的PID，數(shù)據(jù)包被分成4個(gè)大類，每個(gè)大類又包含一些小類：

令牌 (Token) OUT，IN，SETUP，SOF

數(shù)據(jù) (Data) DATA0，DATA1

握手 (Handshake) ACK，NAK，STALL，NYET

特殊包 (Special) PRE，ERR

5.Transaction

一次Transaction總是從主機(jī)向設(shè)備發(fā)出一個(gè)令牌(Token)開始。再次強(qiáng)調(diào)，USB所有的通信過程都是由主機(jī)發(fā)起。三種令牌把Transaction分為三類：

OUT：主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備。

IN：主機(jī)從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。

SETUP：主機(jī)對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

USB協(xié)議里的OUT和IN，都要站在主機(jī)的角度來看。下面是比較典型的獲取，發(fā)送數(shù)據(jù)的例子：

每一次Transaction，Token總是必需的，數(shù)據(jù)段和握手則視情況而定。比如在上一個(gè)例子中，當(dāng)主機(jī)發(fā)出IN令牌獲取數(shù)據(jù)時(shí)，如果設(shè)備沒準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，則可以返回NAK結(jié)束此Transaction。

6.Transfer

好了，有了以上這些，似乎萬事俱備了。但是如果進(jìn)一步想一下，那么還是有些問題不好解決。什么呢？比方說DATA數(shù)據(jù)段的長度規(guī)定多長好呢？主機(jī)多長時(shí)間發(fā)起一次通信比較好呢？

一個(gè)USB主機(jī)上是允許掛載多個(gè)設(shè)備的，而這些設(shè)備千差萬別：比如像鼠標(biāo)，按鍵后需要快速響應(yīng)，把位置信息發(fā)送到主機(jī)，它的數(shù)據(jù)量很少，而像U盤則需要傳輸大量的數(shù)據(jù)。如果按鼠標(biāo)的時(shí)候U盤正在傳輸數(shù)據(jù)怎么辦呢？

為了解決上述問題，USB首先規(guī)定了四種傳輸類型：

控制傳輸(Control Transfers): 主要用來在設(shè)備剛連接到主機(jī)時(shí)對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。還有平時(shí)對設(shè)備狀態(tài)的管理。它需要雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

批量傳輸(Bulk Data Transfers): 主要用來進(jìn)行量大，但對傳輸時(shí)間要求不嚴(yán)格的場景。例如U盤。

中斷傳輸(Interrupt Data Transfers): 需要及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸信息的場景。中斷傳輸總是單向的。比如鼠標(biāo)。

同步傳輸(Isochronous Data Transfers): 一般需要占用相對固定的帶寬，延時(shí)短而且比較確定。傳輸是單向的，數(shù)據(jù)出錯(cuò)后不需要重傳。比如USB攝像頭。

然后，為了解決設(shè)備的及時(shí)響應(yīng)問題，USB每隔1ms (高速USB是每隔125us)發(fā)出一個(gè)SOF令牌，緊接令牌進(jìn)行同步類型的傳輸，之后依次是中斷類型，控制類型和批量數(shù)據(jù)傳輸類型。在每一個(gè)Frame內(nèi)，Isochronous，Interrupt和Control都會(huì)保證一定的帶寬。而Bulk型的傳輸優(yōu)先級(jí)最低，不一定每幀都得到帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

一個(gè)Transfer 由一個(gè)或多個(gè)Transactions組成。比如一次控制傳輸可以由Setup，IN,OUT等Transactions組成。Packet和Transaction是不允許被中間打斷的，而Transfer的多個(gè)Transactions可以分多次傳輸。

7.小結(jié)

我們對USB的物理層和協(xié)議層做了簡要的介紹。在接下來的文章里我們將通過實(shí)際的例子來看一下USB是如何工作的,并對很多工程師經(jīng)常忽略或者沒有意識(shí)到的一些問題進(jìn)行探討。

審核編輯：劉清