USB2.0规范

到清朝，超全面！ 一张图带你了解USB2.0规范！内容包括它的传输机制、概念、传输类型、数据流模型、USB协议规范、事务传输（Transaction）的流程和USB 框架，本专业和有兴趣的朋友们不要错过。

USB2.0规范

• 传输机制
  • 令牌包
    • 指定数据包的来源和去向的设备地址和端点
      • 指的是PID为 IN/OUT/SETUP的包
  • 数据包
    • USB总线上数据传输的最小单位，
      • SYNC
      • 数据
        • 不用包的格式不同，都是PID开头(16种PID)
      • EOP
  • 握手包
    • 表示传输的成功与否
• 概念
  • 端点
    • 是USB设备中可以进行数据收发的最小单元，支持单向或双向数据传输， 除默认端点低速设备最多支持2组(2输入，2输出)，高速全速最多支持15组
  • 管道
    • 是主机和设备端点之间数据传输的模型
      • 无格式流管道
      • 有格式信息管道
        • 默认控制管道，USB设备一旦上电就存在
          • 主机通过控制管道获取设备描述符、配置描述符、状态，并对其进行配置
          • 默认管道接收并处理三种类型的请求
            • 标准请求
              • 11种，如得到设备描述、设置地址、得到配置描述符等
            • 类(class)请求
              • usb定义了若干个子类，如hub类、大容量存储器类等
            • 厂商请求
              • 厂商自定义的类请求
  • Hub
    • 提供了一种低成本、低复杂度的USB接口扩展方法
      • 上行port面相HOST
      • 下行port面相hub或功能设备
        • 下行port上，hub提供设备连接监测和设备移除监测的能力，并给下行port供电
    • 组成
      • hub重发器(HUB Repeater)
        • 是上行port和下行port协议控制的开关，它负责高速数据包的重生与分发(广播)
      • 转发器(transaction translator)
        • 提供了从高速和全速/低速通讯的转换能力，通过hub可以在高速HOST和全速/低速设备之间进行匹配
      • hub控制器(HUB controller)
        • 负责和HOST的通信，HOST通过hub类请求和hub控制器通讯，获得关于hub本身和其下行port的描述符，进行下行port和设备的监控与管理
  • 枚举
    • 由一系列标准请求组成(若属于某种子类，包括子类特殊请求)
    • 通过枚举，HOST可以获取设备的基本描述信息(包括USB的版本号，PID，VID，设备分类class，供电方式，最大消耗电流，配置数量，各种类型端点数量，传输能力等)
    • HOST根据PID，VID加载设备驱动程序，并对设备进行合适的配置
    • 对于总线供电的设备，枚举之前最多从总线获取100mA的电流
• 传输类型
  • 控制传输
    • 用于设备枚举或某个特定的操作
      • 第一阶段为，从HOST 到 Device 的 SETUP 事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型
      • 第二阶段为，数据阶段，也有些请求没有数据阶段；
      • 第三阶段为，状态阶段，通过一次 IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。
        • 一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的 包，即意味着数据传输结束。
      • 控制传输对于最大包长度有固定的要求 对于高速设备该值为 64Byte； 对于低速设备 该值为 8全速设备可以是 8 或 16 或 32 或 64。
  • 中断传输
    • 用于延迟要求严格、小量数据的可靠传输，如键盘、鼠标等 注: 中断传输也是usb host发起的传输，采用轮循的方式询问 设备是否有数据要传输，若有也传输，否则NAK主机
      • 对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到 1024/64/8 Byte。
      • 全速端点的轮询间隔可以是 1~255mS，低速端点为 10~255mS，高速端 点为(2interval-1)*125uS，其中 interval 取 1 到 16 之间的值。
      • 除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽 端点最 多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据。
  • 批量传输
    • 用于延迟要求宽松，大量数据的可靠传输，如u盘等
      • 低速 USB 设备不支持批量传输， 高速批量端点的最大包长度为 512， 全速批量端点的最大包长度可以为 8、16、32、64。
      • 批量传输在访问 USB 总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级
      • 高速的批量端点必须 支持 PING 操作，向主机报告端点的状态，NYET 表示否 定应答，没有准备好接收下一个 数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包
  • 等时传输 同步传输
    • 用于可靠性要求不高的实时传输，如摄像头、usb音响等
      • 不支持错误重发机制。只有高速和全速端点 支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为 1024，低速的为 1023
• 数据流模型
  • 
    • 功能层
      • 完成功能的描述，定义和行为
    • 设备层
      • 完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转换成一次次基本传输
    • 总线接口层
      • 处理总线上的bit流，完成数据传输的物理层实现和总线管理
  • 应用软件通过usb驱动程序(USBD)发 起 IRQ 请求，请求数据传输。主机控制器驱动 程序(HCD)接收 IRQ 请求，并解析成为 USB 传输和传输事务（Transaction），并对 USB 系统中的所有传输事务进行任务排定
  • 
    • 可以认为USB 通讯就是应用软件 Buffer 和设备端点 Buffer 之间的数据交换，交换的通道称为管道。
    • 同一管道只支持一种类型的数据传输。用在一起来对设备进行控制的若干管道称为设备的接口
    • 这就是端点、管道和接口的关系。一个 USB 设备可以包括若干个端点，不同的端点以端点编号和方向区 分。不同端点可以支持不同的传输类型、访问间隔以及最大数据包大小
• USB协议规范
  • USB 采用 little edian 字节顺序，采用 NRZI 编码，若遇到连续的 6 个 1 要求进行为填充，即插入一个0
  • USB 包都由 SYNC 开始，高速包的 SYNC 宽度为 32bit，全速/低速包的 SYNC 宽度为 8bit
  • USB 包格式
    • 
  • PID 表征了数据包的类型
    • 分为令牌（Token）、数据（Data）、握手（Handshacke） 以及特殊包 4 大类
  • 令牌包
    • PID 之后是 7 位的地址和 4 位的端点号。令牌包没有数据域，以 5 位 的 CRC 校验和结束
    • SOF令牌包
      • PID后接11位帧号
  • 数据包
    • PID后接数据域，数据域长度n字节，数据域后是16位CRC校验和结束
  • 握手包
    • 仅有PID域，没有数据域，没有检验和域
    • 包含: ACK，NAK，STALL 以及 NYET 四种
  • 分离传输用到的特殊包
    • 
    • StartSplit 和 Complete-Split 包
    • 在Start-Split 和Complete-Split 包中主要指定了此次分离传输所在的HUB 的地址和下行 端口编号以及端点类型（控制、中断、批量、同步）。以及此次传输中数据包在整个数据 中的位置（第一个包、中间的包、末尾的包）。
  • 数据在 USB 总线上的传输以包为单位，包只能在帧内传输。高速 USB 总线的帧周期为 125uS，全速以及低速 USB 总线的帧周期为 1mS。帧的起始由一个特定的包（SOF 包）表 示，帧尾为 EOF。EOF 不是一个包，而是一种电平状态，EOF 期间不允许有数据传输。
• 事务传输（Transaction）的流程
  • 1.批量事务传输
    • 
    • 一个方框表示一个 Packet，灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示 Device 发出的包。批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。若数据量比较大，将 采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的 PID 按照 DATA0- DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。
    • USB 允许连续 3 次以下的传输错误，会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清 零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST 认为该端点功能错误（STALL），放弃该端 点的传输任务。一次批量传输（Transfer）由 1 次到多次批量事务传输（Transaction）组 成。
  • 2.控制传输
    • 阶段1: 建立(setup)
      • 建立阶段，Device 只 能返回ACK 包，或者 不返回任何包
    • 阶段2: 数据(data)
      • 可能没有数据阶段，这个阶段将会通过 一次或多次控制传输事务，完成数据的传输 同样也会采用PID 翻转的机制
    • 阶段3: 状态(status)
      • 通过一次方向与前一次相反的控制事务传输来表明传输的成功与否。 如果成功会返回一个长度为 0 的数据包，否则返回 NAK 或STALL
    • 每个阶段都由一次或多次（数据阶段）事务传输组成（Transaction）
      • 
    • 与批量传输相比，在流程上并没有多大区别，区别只在于该事务传 输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不 一样等这样一些对用户来说透明 的东西
      • 
  • 3.中断传输
    • 中断传输在流程上除不支持 PING 之外，其他的跟批量传输是一样的
      • 
    • 区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、 优先级 不一样等这样一些对用户来说透明的东西
    • 主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断 传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。同样中断传输也采用 PID 翻转的机制 来保证收发端数据同步
  • 4. 同步传输
    • 同步传输是不可靠的传输，所以它没有 握手包，也不支持 PID 翻转。主机在排定事 务传输时，同步传输有最高的优先级
      • 
  • 
• USB 框架
  • 状态转移图
    • 
    • 
  • 枚举的过程
    • 1. 连接了设备的 HUB 在 HOST 查询其状态改变端点时返回对应的 bitmap，告知 HOST 某个PORT 状态发生了改变

USB2.0规范

• 传输机制
  • 令牌包
    • 指定数据包的来源和去向的设备地址和端点
      • 指的是PID为 IN/OUT/SETUP的包
  • 数据包
    • USB总线上数据传输的最小单位，
      • SYNC
      • 数据
        • 不用包的格式不同，都是PID开头(16种PID)
      • EOP
  • 握手包
    • 表示传输的成功与否
• 概念
  • 端点
    • 是USB设备中可以进行数据收发的最小单元，支持单向或双向数据传输， 除默认端点低速设备最多支持2组(2输入，2输出)，高速全速最多支持15组
  • 管道
    • 是主机和设备端点之间数据传输的模型
      • 无格式流管道
      • 有格式信息管道
        • 默认控制管道，USB设备一旦上电就存在
          • 主机通过控制管道获取设备描述符、配置描述符、状态，并对其进行配置
          • 默认管道接收并处理三种类型的请求
            • 标准请求
              • 11种，如得到设备描述、设置地址、得到配置描述符等
            • 类(class)请求
              • usb定义了若干个子类，如hub类、大容量存储器类等
            • 厂商请求
              • 厂商自定义的类请求
  • Hub
    • 提供了一种低成本、低复杂度的USB接口扩展方法
      • 上行port面相HOST
      • 下行port面相hub或功能设备
        • 下行port上，hub提供设备连接监测和设备移除监测的能力，并给下行port供电
    • 组成
      • hub重发器(HUB Repeater)
        • 是上行port和下行port协议控制的开关，它负责高速数据包的重生与分发(广播)
      • 转发器(transaction translator)
        • 提供了从高速和全速/低速通讯的转换能力，通过hub可以在高速HOST和全速/低速设备之间进行匹配
      • hub控制器(HUB controller)
        • 负责和HOST的通信，HOST通过hub类请求和hub控制器通讯，获得关于hub本身和其下行port的描述符，进行下行port和设备的监控与管理
  • 枚举
    • 由一系列标准请求组成(若属于某种子类，包括子类特殊请求)
    • 通过枚举，HOST可以获取设备的基本描述信息(包括USB的版本号，PID，VID，设备分类class，供电方式，最大消耗电流，配置数量，各种类型端点数量，传输能力等)
    • HOST根据PID，VID加载设备驱动程序，并对设备进行合适的配置
    • 对于总线供电的设备，枚举之前最多从总线获取100mA的电流
• 传输类型
  • 控制传输
    • 用于设备枚举或某个特定的操作
      • 第一阶段为，从HOST 到 Device 的 SETUP 事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型
      • 第二阶段为，数据阶段，也有些请求没有数据阶段；
      • 第三阶段为，状态阶段，通过一次 IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。
        • 一个端点收到/发送了一个长度小于最大包长度的 包，即意味着数据传输结束。
      • 控制传输对于最大包长度有固定的要求 对于高速设备该值为 64Byte； 对于低速设备 该值为 8全速设备可以是 8 或 16 或 32 或 64。
  • 中断传输
    • 用于延迟要求严格、小量数据的可靠传输，如键盘、鼠标等 注: 中断传输也是usb host发起的传输，采用轮循的方式询问 设备是否有数据要传输，若有也传输，否则NAK主机
      • 对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到 1024/64/8 Byte。
      • 全速端点的轮询间隔可以是 1~255mS，低速端点为 10~255mS，高速端 点为(2interval-1)*125uS，其中 interval 取 1 到 16 之间的值。
      • 除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输，高速高带宽 端点最 多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据。
  • 批量传输
    • 用于延迟要求宽松，大量数据的可靠传输，如u盘等
      • 低速 USB 设备不支持批量传输， 高速批量端点的最大包长度为 512， 全速批量端点的最大包长度可以为 8、16、32、64。
      • 批量传输在访问 USB 总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级
      • 高速的批量端点必须 支持 PING 操作，向主机报告端点的状态，NYET 表示否 定应答，没有准备好接收下一个 数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包
  • 等时传输 同步传输
    • 用于可靠性要求不高的实时传输，如摄像头、usb音响等
      • 不支持错误重发机制。只有高速和全速端点 支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为 1024，低速的为 1023
• 数据流模型
  • 
    • 功能层
      • 完成功能的描述，定义和行为
    • 设备层
      • 完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转换成一次次基本传输
    • 总线接口层
      • 处理总线上的bit流，完成数据传输的物理层实现和总线管理
  • 应用软件通过usb驱动程序(USBD)发 起 IRQ 请求，请求数据传输。主机控制器驱动 程序(HCD)接收 IRQ 请求，并解析成为 USB 传输和传输事务（Transaction），并对 USB 系统中的所有传输事务进行任务排定
  • 
    • 可以认为USB 通讯就是应用软件 Buffer 和设备端点 Buffer 之间的数据交换，交换的通道称为管道。
    • 同一管道只支持一种类型的数据传输。用在一起来对设备进行控制的若干管道称为设备的接口
    • 这就是端点、管道和接口的关系。一个 USB 设备可以包括若干个端点，不同的端点以端点编号和方向区 分。不同端点可以支持不同的传输类型、访问间隔以及最大数据包大小
• USB协议规范
  • USB 采用 little edian 字节顺序，采用 NRZI 编码，若遇到连续的 6 个 1 要求进行为填充，即插入一个0
  • USB 包都由 SYNC 开始，高速包的 SYNC 宽度为 32bit，全速/低速包的 SYNC 宽度为 8bit
  • USB 包格式
    • 
  • PID 表征了数据包的类型
    • 分为令牌（Token）、数据（Data）、握手（Handshacke） 以及特殊包 4 大类
  • 令牌包
    • PID 之后是 7 位的地址和 4 位的端点号。令牌包没有数据域，以 5 位 的 CRC 校验和结束
    • SOF令牌包
      • PID后接11位帧号
  • 数据包
    • PID后接数据域，数据域长度n字节，数据域后是16位CRC校验和结束
  • 握手包
    • 仅有PID域，没有数据域，没有检验和域
    • 包含: ACK，NAK，STALL 以及 NYET 四种
  • 分离传输用到的特殊包
    • 
    • StartSplit 和 Complete-Split 包
    • 在Start-Split 和Complete-Split 包中主要指定了此次分离传输所在的HUB 的地址和下行 端口编号以及端点类型（控制、中断、批量、同步）。以及此次传输中数据包在整个数据 中的位置（第一个包、中间的包、末尾的包）。
  • 数据在 USB 总线上的传输以包为单位，包只能在帧内传输。高速 USB 总线的帧周期为 125uS，全速以及低速 USB 总线的帧周期为 1mS。帧的起始由一个特定的包（SOF 包）表 示，帧尾为 EOF。EOF 不是一个包，而是一种电平状态，EOF 期间不允许有数据传输。
• 事务传输（Transaction）的流程
  • 1.批量事务传输
    • 
    • 一个方框表示一个 Packet，灰色的包表示主机发出的包，白色的包表示 Device 发出的包。批量传输是可靠的传输，需要握手包来表明传输的结果。若数据量比较大，将 采用多次批量事务传输来完成全部数据的传输，传输过程中数据包的 PID 按照 DATA0- DATA1-DATA0-…的方式翻转，以保证发送端和接收端的同步。
    • USB 允许连续 3 次以下的传输错误，会重试该传输，若成功则将错误次数计数器清 零，否则累加该计数器。超过三次后，HOST 认为该端点功能错误（STALL），放弃该端 点的传输任务。一次批量传输（Transfer）由 1 次到多次批量事务传输（Transaction）组 成。
  • 2.控制传输
    • 阶段1: 建立(setup)
      • 建立阶段，Device 只 能返回ACK 包，或者 不返回任何包
    • 阶段2: 数据(data)
      • 可能没有数据阶段，这个阶段将会通过 一次或多次控制传输事务，完成数据的传输 同样也会采用PID 翻转的机制
    • 阶段3: 状态(status)
      • 通过一次方向与前一次相反的控制事务传输来表明传输的成功与否。 如果成功会返回一个长度为 0 的数据包，否则返回 NAK 或STALL
    • 每个阶段都由一次或多次（数据阶段）事务传输组成（Transaction）
      • 
    • 与批量传输相比，在流程上并没有多大区别，区别只在于该事务传 输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不 一样等这样一些对用户来说透明 的东西
      • 
  • 3.中断传输
    • 中断传输在流程上除不支持 PING 之外，其他的跟批量传输是一样的
      • 
    • 区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、 优先级 不一样等这样一些对用户来说透明的东西
    • 主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断 传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。同样中断传输也采用 PID 翻转的机制 来保证收发端数据同步
  • 4. 同步传输
    • 同步传输是不可靠的传输，所以它没有 握手包，也不支持 PID 翻转。主机在排定事 务传输时，同步传输有最高的优先级
      • 
  • 
• USB 框架
  • 状态转移图
    • 
    • 
  • 枚举的过程
    • 1. 连接了设备的 HUB 在 HOST 查询其状态改变端点时返回对应的 bitmap，告知 HOST 某个PORT 状态发生了改变