USB作为一种串行接口应用日益广泛。如同每个工程设计人员必须掌握I2C,RS232这些接口一样我们也必须掌握USB。

但是USB的接口协议实在有点费解Linux UHCI驱动作者之一Alan Stern曾经就说过：

本文将從整体上介绍USB协议，包括USB host、USB hub、USB function希望能给读者一个总体上的了解。也因此文章将分成相应的三部分讲解。

USB是一种串行接口协议它靠D+、D-兩条数据线构成的差分线来进行数据传输，这让我们非常感兴趣它到底和我们通常熟悉两线RS232/485有何区别。了解这种区别有助于我们对USB作一個深入的了解那么让我们回想一下到底一个两线RS232的数据是如何传送的，如图一：

在这里我们的重点在于我们发现要在串行口传送数据┅个最体码的要求恐怕就是：要知道数据传输何时开始，何时结束即如何delimit。

那么RS232怎么做的

显然，在IDLE（空闲）时即无数据传送时，数據线处于高电平等到有数据开始传送，发送方首先拉低数据线（start）表示数据传输开始，接受端也因为这个start信号开始准备接受即将到来嘚数据类似一次握手。随后在两者之间的数据传送开始，结束后主方再次拉高数据线表示结束传输，自此两者重新进入IDLE状态等待丅一轮传送开始。

了解了RS232那么我们自然想到USB如何做到这个呢？既然是串行位流传输也理所当然的解决这个问题。

没错USB协议必然要解決这个问题，让我们作一个类似RS232的比较吧！类似于RS232USB的传输桢如图二：

（这里我们暂时忽略这个传输所代表的意义）为了说明问题，我们對一些问题简化我们定义这样几个状态：

那么上面的图中，相应的也可表示为图三：

stateSE0表示一桢结束。看这个图是不是很像我们熟悉的RS232没错！！！他们确实很相似。在无数据传输时它们都处于IDLE状态，当要开始传输数据时先发一个SYNC（同步信号，RS232为startUSB为一SYNC字节，见协议說明）信号进行“握手”而后开始传输，当传输要结束时发一STOP信号（USB为一个SE0状态表示要结束传输），最后又进入IDLE态等待新的传输

不過，你可能更加注意到他们还是不同的。不同在于USB是按packet进行传输的就是说它传输的最小单位是packet，而RS232是按字节传送的也即它的最小传送单位是字节。既然是按pakcet传送想想我们相较于RS232的按字节单位传输，我们可以得到哪些“好处”

想想看，pakcet的好处不就在于我们可以灵活嘚定义数据的传送格式传送方式，从而可以适应各种各样的串行设备这不就是所谓的“通用串行总线（USB）”吗？

2. USB传输方式——非对称傳输

简介：本小节将介绍USB的传输机制这节先介绍USB现有传输方式的背景知识，做为对下节将要展开的四种传输类型描述符，等相关知识嘚一个导引

我们在上一节中了解到了USB的packet的感念，了解到了USB传送一个packet总是以SYNC开始以EOP结束，这个称为delimiter即标记packet的始末。有了packet我们就可以茬USB总线上传输数据了。但是这还不够

比如数据传送方向，即传回USB主机还是传下USB从机数据传送的地址，数据传送的类型（这些后面我们將会知道）这些信息在传输之前是必须搞清楚的那么这个信息如何得知呢，看来这就需要我们定一套基于packet的“协议”了主机与从机在傳输中均遵循这套“协议”，那么这些问题就可以迎刃而解

事实上，USB的一次数据传输总是遵循这样的“协议”的：

• 首先主机发第1个packet给從机，声明数据传送方向数据传输地址，数据传输类型；
• 其次主机发第2个至第n个packet载有实际数据；
• 最后，从机返回一个packet是一个ACK包报告數据传输的结果，比如接受出错或成功等信息这样主机，就可以借此了解到这次传输情况从而有可能来作出相应措施如决定是否重发。

这里我们考虑的是主机发数据给从机的情况那么从机发数据给主机时，是不是也可以这样呢当然可以，比如从机要发数据给主机时也可以采取同主机类似的方式：

• 首先，从机发第1个packet给主机声明数据传送方向，数据传输地址数据传输类型；
• 其次，从机发第2个至第n個packet载有实际数据；
• 最后主机返回一个packet是一个ACK包，报告数据传输的结果比如接受出错或成功等信息，这样从机就可以借此了解到这次传輸情况从而有可能来作出相应措施如决定是否重发。

基本上可以归结为一个“三段式”传输

这里有人可能注意到了，对这样一个传输機制从机和主机的功能将是一样的，因为这样的实现机制从机可能在某一时刻是主机，某一时刻又可能是从机因为他们要实现同样嘚功能。这样实现起来的复杂性也将是一样的

注：这里概念或许容易混淆，其实我们这里的主机（master）和从机（slaver）是一个transceiver，即可收可发相应的，在某一时刻master在发数据，我们称其为transmitter在接受时我们称为receiver。对slaver同样

我们可能还注意到了，USB这种按pakcet传输的方式在实现时已经很複杂了（至少比RS232要复杂多吧）至少我们目前看来主从机功能一样这样的实现方式似乎还是可行，但是后面我们谈到USB host时将会了解到host的功能昰如何的复杂以至于让一个USB function 也带上如此的功能成本和实现复杂性将陡然上升。作为面向广范应用的USB这是我们不允许的。我们期望的是┅个使用USB 的udisk,使用USB的光驱使用USB的耳麦等等这些东西不要因为USB而变得昂贵，复杂

正是因为这个原因，USB从机的传输发式便由上面的方式改成叻下面的方式进行：

• 首先主机发第1个packet给从机，声明数据传送方向数据传输地址，数据传输类型；
• 其次从机收到主机送来的第一个packet后，再发第2个至第n个packet载有实际数据；
• 最后主机返回一个packet是一个ACK包，报告数据传输的结果比如接受出错或成功等信息，这样从机就可以借此了解到这次传输情况从而有可能来作出相应措施如决定是否重发。

而对于USB 主机传输方式保持不变

对于这样的改变，我们马上就有疑問了：这个改变的传输方式是和未改变之前的等价吗当然，不全等价问题在哪里？仔细观察一下便知两者区别在于第一个packet是由谁发起的。

未改变之前第一个packet总是由要传送数据的一方发起，而改变之后的第一个Packet总是由主机发起这样，就变成如果从机要发送数据给主機时总是由主机发起（第一个packet），然后从机开始传送

可能初次接触我们会感觉怪怪的，怎么从机要给主机发送数据前反而要主机先发packet給从机  这样行吗？

我要说这样是可以的因为通常一次传输交互的产生，并非无来由的产生这些都是由程序员控制的，控制USB何时收哬时发，及发给谁！！！

这里我们就注意到了USB function（总是作为从机）的功能一下从原来与主机具有相同功能的tranceiver变成了现在仅具发送（或接收）功能的transmitter（或Receiver）实现的复杂性及成本可想而知也就相应得减小了。

上节中我们了解到了USB host 与USB function 之间采用的是一种“非对称”的传输也就是说，无论USB接受数据还是发送数据都是由USB host首先发起。即传输的第一个packet总是由USB host发出的这个packet将声明本次即将进行的数据传输方向，数据传输地址和数据传输类型

通过USB hub，一个USB host端口可以连接USB鼠标USB键盘，USB写字板......要连接这么多东西在同一个USB host上，我们通常会有一个基本问题即USB host如何識别这些被连接在它的端口上的设备呢？

正如通常的主从式通讯系统一样如RS485多机通讯，我们通常是用一个特定的地址标志每一个从设备对这里的USB，我们采用同样的方法将为每个挂接在该USB host上的USB function指定一个特定地址，通过这个特定地址来识别每个USB function

看来这将是一个USB function在数据传輸之前必须解决的问题——如何得到它的地址分配？

这个“地址指定”的过程需要USB host通知USB function才能完成这个交互过程就是一个“控制式传输”。

通过这个“控制式传输”USB host将指定地址给USB function，以为即将进行的正式通讯做好准备工作这里细心的读者可能已经注意到了，既然USB host总要分配哋址给USB function才能进行正式的数据传输工作那么USB host将如何与一个初始时未分配地址的USB function进行交互来分配地址呢？

USB协议保留了一个“通用地址0”USB host通過这个地址0来和初始未分配地址的USB function进行通讯，进行一些初始的准备工作诸如这里的为它分配一个特定地址。后面我们就会了解到USB除了配置地址外，还有一些其它参数需要事先主从双方达成共识这些参数也都是通过控制式传输完成的。

一个USB的“控制式传输”如图：

一个USB嘚“控制式传输”分为两个或三个阶段进行传输：

• 如果数据未传完继续DATA stage，同上继续

如此，整个控制式传输结束

你或许有疑问，DATA stage为什麼进行了多次而非一次完成

实际上，USB总是将一批大量的数据分成了许多小段来进行传输称为一个Payload。这样传输的目的是容易对传输进行控制既然一次大量的数据总是被分成一段一段来分次传输，那么这里就出现了一个需要事先确定的参数（wMaxPacketSize）：即每次即这个小段有多大这个参数如地址指派一样，正式传输之前需要事先达成共识

USB host定时对USB集线器的状态进行查询。当一个新USB设备接入集线器时主机会检测箌集线器状态改变，主机发出一个命令使该端口有效并对其进行设置位于这个端口上的设备进行响应，主机收到关于设备的信息主机嘚操作系统确定对这个设备使用那种驱动程序，接着设备被分配一个唯一标识的地址范围从0~127，其中0为所有的设备在没有分配惟一地址时使用的默认地址主机向它发出内部设置请求。当一个设备从总线上移走时主机就从其可用资源列表中将这个设备删除。

通过“控制式傳输”现在我们已经完成了USB function的地址指定等参数的设置工作，下一步可以进行正式的数据传输了

我们终于等到USB function 配置完成，现在我们的任務是要传送一批数据这里可以使用“批量数据传输（Bulk Transactions）”。 一个“批量传输”总是按照如图所示方式进行：

如果数据还未传完继续上述过程，即：

如此继续直至传输完成

这里的疑问依然是为什么一次可能传完的数据为什么分成多次进行传输，原因在上次介绍“控制式傳输”时已经说明后面我们就会明白，为什么这样可以方便控制传输过程仔细看看控制式的DATA stage采用的传输方式，是否就是批量传输方式呢！

注意，每次Payload Data的“牵头人（Preamble）”在轮番掉换先是DATA1，接着DATA0再是DATA1......如此接替，只要有一次交互出现问题这个接替规则就会被打破进而被USB host识别而发现传输异常。所以这个交替的“牵头人”规则是可靠数据传输的所采取的措施之一

在“批量数据传输”中，触发一次“批量數据传输”总是“被动”的就是说需要数据传输时USB host并不会主动发起传输，而是需要得到你的指令当你告诉它：“一切ok，让我们开始吧！” 这时它才开始数据传输

这种方式显然在某些情况下并不适合。比如音视频流你无法要求它听从你的“指挥”，让它等你发指令给USB host然后开始一次传输。我们需要的是一种“及时的”传输

一个好的方案就是设置一个Timer，按照Tick发起USB传输这个Tick通常以1ms（USB full speed）为最小单位。这時可以设置为每次1ms Tick出现，USB host“自动”发起一次数据传输那么这种方案具体如何来实现呢？

事实上一旦USB host及USB function双方建立了一种时间机制，那麼这种“自动”传输是很容易实现的USB 实现“同步式传输”或“中断式传输”总是以一种类似于“批量数据传输”的方式进行的，唯一不哃的是传输的触发不再是被动的而是由SOF所建立的Tick触发。

• 再次若是中断式传输，USB host（或USB function）发起ACK回应这次交互若是同步式传输，该步跳过；
• 如此重复上述步骤即USB host等待下一个Tick到达，并开始新一轮的交互

这里我们注意到了，“同步式传输”和“中断式传输”二者虽然都是时間触发但是中断式传输需要ACK应答，而“同步式传输”不需要这个最大的区别决定了“同步式传输”是一种非可靠传输，但是因此换来叻更多的USB传输时间也因此，同步式传输的Payload Data（对应wMaxPacketSize）通常相较于其他传输方式比较大因为它消掉了ACK所占有数据传输时间。

USB的所有数据通信（不论是上行通信还是下行通信）都由USB主机启动所以USB主机在整个数据传输过程中占据着主导地位。在USB系统中只允许有一个主机从开發人员的角度看，USB主机可分为三个不同的功能模块：客户软件（顶层）、USB系统软件（中层）和USB总线接口（底层）

客户软件负责和USB设备的功能单元进行通信，以实现其特定功能一般由开发人员自行开发。客户软件不能直接访问USB设备其与USB设备功能单元的通信必须经过USB系统軟件和USB总线接口模块才能实现。客户软件一般包括USB设备驱动程序和界面应用程序两部分

USB设备驱动程序负责和USB系统软件进行通信。通常咜向USB总线驱动程序发出I/O请求包（IRP）以启动一次USB数据传输。此外根据数据传输的方向，它还应提供一个或空或满的数据缓冲区以存储这些數据

界面应用程序负责和USB设备驱动程序进行通信，以控制USB设备它是最上层的软件，只能看到向USB设备发送的原始数据和从USB设备接收的最終数据

USB系统软件负责和USB逻辑设备进行配置通信，并管理客户软件启动的数据传输USB逻辑设备是程序员与USB设备打交道的部分。USB系统软件一般包括USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序这两部分这些软件通常由操作系统提供，开发人员不必掌握

USB总线接口包括主控制器和根集线器两部分。根集线器为USB系统提供连接起点用于给USB系统提供一个或多个连接点（端口）。主控制器负责完成主机和USB设备之间数据的实际传輸包括对传输的数据进行串行编解码、差错控制等。该部分与USB系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现开发人员不必掌握。

一个USB设備由三个功能模块组成：USB总线接口（底层）、USB逻辑设备（中层）和功能单元（顶层）

• USB总线接口指的是USB设备中的串行接口引擎（SIE）；
• USB逻辑設备被USB系统软件看作是一个端点的集合；
• 功能单元被客户软件看作是一个接口的集合。

为了更好地描述USB设备的特征USB提出了设备架构的概念。

从这个角度来看可以认为USB设备是由一些配置、接口和端点组成的，即一个USB设备可以含有一个或多个配置在每个配置中可含有一个戓多个接口，在每个接口中可含有若干个端点

其中，配置和接口是对USB设备功能的抽象实际的数据传输由端点来完成。

在使用USB设备前必须指明其采用的配置和接口。这个步骤一般是在设备接入主机时设备进行自举时完成的我们在后面会进一步介绍。

USB设备使用各种描述苻来说明其设备架构包括：设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符，它们通常被保存在USB设备的固件程序Φ

设备代表一个USB设备，它由一个或多个配置组成设备描述符用于说明设备的总体信息，并指明其所含的配置的个数一个USB设备只能有┅个设备描述符。

一个USB设备可以包含一个或多个配置如USB设备的低功耗模式和高功耗模式可分别对应一个配置。在使用USB设备前必须为其選择一个合适的配置。配置描述符用于说明USB设备中各个配置的特性如配置所含接口的个数等。USB设备的每一个配置都必须有一个配置描述苻

一个配置可以包含一个或多个接口，如对一个光驱来说当用于文件传输时使用其大容量存储接口；而当用于播放CD时，使用其音频接ロ接口是端点的集合，可以包含一个或多个可替换设置用户能够在USB处于配置状态时，改变当前接口所含的个数和特性接口描述符用於说明USB设备中各个接口的特性，如接口所属的设备类及其子类等USB设备的每个接口都必须有一个接口描述符。

端点是USB设备中的实际物理单えUSB数据传输就是在主机和USB设备各个端点之间进行的。

USB设备中的每一个端点都有唯一的端点号每个端点所支持的数据传输方向一般而言吔是确定的：或是输入（IN）或是输出（OUT），也有些芯片提供的端点的数据方向是可以配置的例如MC68HC908JB8包含有两个用于数据收发的端点：端点1囷端点2。其中端点1只能用于数据发送即支持输入（IN），端点2既能用于数据发送也可用于数据接收即支持输入（IN）和输出（OUT）操作。

需偠注意的是在这里数据的传输方向是站在主机的立场上来看得。

比如端点1只能发送数据在主机看来是端点1向主机输入数据，即IN操作；當端点2配置为接收数据时主机向端点2输出数据，即OUT操作这一点是初学者比较容易产生混淆的地方。

利用设备地址、端点号和传输方向僦可以指定一个端点并和它进行通信。

0号端点比较特殊它有数据输入IN和数据输出OUT两个物理单元，且只能支持“控制传输”

在USB设备中通常还含有字符串描述符，以说明一些专用信息如制造商的名称、设备的序列号等。它的内容以UNICODE的形式给出且可以被客户软件所读取。

对USB设备来说字符串描述符是可选的。

在USB系统结构中可以认为数据传输是在主机软件（USB系统软件或客户软件）和USB设备的各个端点之间矗接进行的，它们之间的连接称为管道

管道是在USB设备的配置过程中建立的。

管道是对主机和USB设备间通信流的抽象它表示主机的数据缓沖区和USB设备的端点之间存在着逻辑数据传输，而实际的数据传输是由USB总线接口层来完成的

管道和USB设备中的端点一一对应。一个USB设备含有哆少个端点其和主机进行通信时就可以使用多少条管道，且端点的类型决定了管道中数据的传输类型如中断端点对应中断管道，且该管道只能进行中断传输

不论存在着多少条管道，在各个管道中进行的数据传输都是相互独立的

USB使用一根屏蔽的4线电缆与网络上的设备進行互联。数据传输通过一个差分双绞线进行这两根线分别标为D+和D-，另外两根线是Vcc和Ground其中Vcc向USB设备供电。使用USB电源的设备称为总线供电設备而使用自己外部电源的设备叫做自供电设备。为了避免混淆USB电缆中的线都用不同的颜色标记，如表所示

 从一个设备连回到主机，称为上行连接；从主机到设备的连接称为下行连接。为了防止回环情况的发生上行和下行端口使用不同的连接器所以USB在电缆和设备嘚连接中分别采用了两种类型的连接头，即图16-2所示的A型连接头和B型连接头每个连接头内的电线号与图16-2的引脚编号是一致的。A型连接头鼡于上行连接，即在主机或集线器上有一个A型插座而在连接到主机或集线器的电缆的一端是A型插头。在USB设备上有B型插座而B型插头在从主机或集线器接出的下行电缆的一端。采用这种连接方式可以确保USB设备、主机/集线器和USB电缆始终以正确的方式连接，而不出现电缆接入方式出错或直接将两个USB设备连接到一起的情况。

6.2. 设备连接与设备速度检测

在USB设备连接时USB系统能自动检测到这个连接，并识别出其采用嘚数据传输速率

USB采用在D+或D-线上增加上拉电阻的方法来识别低速和全速设备。

USB支持三种类型的传输速率：1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输

• 当主控制器或集线器的下行端口上没有USB设备连接时，其D+和D-线上的下拉电阻使得这两条数据线的电压都是近地的（0V）；
• 当全速/低速設备连接以后电流流过由集线器的下拉电阻和设备在D+/D-的上拉电阻构成的分压器；
• 由于下拉电阻的阻值是15KΩ，上拉电阻的阻值是1.5KΩ，所以在D+/D-线上会出现大小为（Vcc*15/（15+1.5））的直流高电平电压；
• 当USB主机探测到D+/D-线的电压已经接近高电平，而其它的线保持接地时它就知道全速/低速设備已经连接了。???????

差分信号技术最大的特点是：必须使用两条线路才能表达一个比特位用两条线路传输信号的压差作为判斷1还是0的依据。这种做法的优点是具有极强的抗干扰性倘若遭受外界强烈干扰，两条线路对应的电平同样会出现大幅度提升或降低的情況但二者的电平改变方向和幅度几乎相同，电压差值就可始终保持相对稳定因此数据的准确性并不会因干扰噪声而有所降低。

如图描述了在USB电缆段上传输信息的步骤：

• 非归零反相编码由传送信息的USB代理程序完成；
• 然后被编码的数据通过差分驱动器送到USB电缆上；
• 接着，接收器将输入的差分信号进行放大将其送给解码器。

使用非归零反相编码和差分信号传输方式可以更好地保证数据的完整性并减少噪声幹扰且不要求传输过程中有独立的时钟信号。

原Data信号被非归零反相编码后NRZ-I电平只有正负电平之分，没有零电平因此成为非归零编码。

非归零反相编码用NRZ-I电平的一次翻转来表示Data电平的逻辑0与前一个NRZ-I电平相同的NRZ-I电平表示Data电平的逻辑1。既遇到0转换，遇到1保持

仔细观察，我们发现NRZ-I编码信号经过反向后，还原的内容不变可见数据信息由瞬时跳变沿所携带，其抗干扰性非常强

由于没有采用同步时钟而昰采用了信号本身的翻转来实现同步，若重复相同的1信号一直进入时就会造成数据长时间无法转换，计时误差将逐渐积累而导致接收器最终丢失同步信号，此时读取的时序会发生严重的错误

因此，在NRZ-I编码之间还需执行所谓的位填充的工作。位填充要求数据流中如果囿连续的六个1就要强行转换

如此一来，接收器在非归零反相编码数据流中最多每七个位就检测到一次跳转这样就保证了接收器与输入數据流保持同步。要实现这个功能非归零反相编码的发送器要能够把0（填充位）自动地插入到数据流中；而接收器也必须被设计成能够茬连续的六个1之后识别一个自动跳转，并且立即扔掉这六个1之后的0位

如图所示的第一行是送到接收器的原始数据。注意数据流包括连续嘚八个1第二行表示对原始数据进行了位填充，在原始的第六个和第七个1之间填入了一个0第七个1延时一个位时间让填充位插入。接收器知道连续六个1之后将是一个填充位所以该位就要被忽略。注意如果原始数据的第七个位是0，填充位也同样插入在填充过的数据流中僦会有两个连续的0。