USB作為一種串行接口，應(yīng)用日益廣泛。如同每個工程設(shè)計人員必須掌握I2C,RS232這些接口一樣，我們也必須掌握usb。

本文將從整體上介紹usb協(xié)議，包括usb host ,usb hub,usb function。希望能給讀者一個總體上的了解。

一.usb function：

初識usb

usb是一種串行接口協(xié)議，它靠d+,d-兩條數(shù)據(jù)線構(gòu)成的差分線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這讓我們非常感興趣它到底和我們通常熟悉兩線rs232/485有何區(qū)別。了解這種區(qū)別有助于我們對usb作一個深入的了解。那么讓我們回想一下到底一個兩線rs232的數(shù)據(jù)是如何傳送的，如圖一：

在這里我們的重點在于，我們發(fā)現(xiàn)要在串行口傳送數(shù)據(jù)一個最基本的要求恐怕就是：要知道數(shù)據(jù)傳輸何時開始，何時結(jié)束。即如何delimit.那么rs232怎么做的。顯然，在idle（空閑）時，即無數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)線處于高平，等到有數(shù)據(jù)開始傳送，發(fā)送方首先拉低數(shù)據(jù)線（start)，表示數(shù)據(jù)傳輸始，接收端也因為這個“start”信號開始準(zhǔn)備接受即將到來的數(shù)據(jù)，類似一次握手隨后，在兩者之間的數(shù)據(jù)傳送開始，結(jié)束后主方再次拉高數(shù)據(jù)線，表示結(jié)束傳輸，自此兩者重新進(jìn)入Idle狀態(tài)。等待下一輪傳送開始。了解了rs232,那么我們自然想到usb如何做到這個呢，既然是串行位流傳輸，也理所當(dāng)然的解決這個問題。沒錯，Usb協(xié)議必然要解決這個問題，讓我們作一個類似rs232的比較吧！類似于rs232,usb的傳輸楨如圖二：

(這里我們暫時忽略這個傳輸所代表的意義）為了說明問題，我們對一些問題簡化，我們定義這樣幾個狀態(tài)：假設(shè)D+,D-分別表示usb信號線的電平信號。那么對于usb full speed function(high speed ,low speed是不同的),我們定義差分?jǐn)?shù)據(jù)線上可能出現(xiàn)的四個狀態(tài)：

Data J state:D+=1，D-=0；

Data K state:D+=0，D-=1；

SE0：D+=D-=0;

SE1：D+=D-=1;

那么上面的圖中，相應(yīng)的也可表示為圖三：

這個對usb full speed function來說，idle狀態(tài)將處于Data J state，se0表示一楨結(jié)束。看這個圖是不是很像我們熟悉的rs232。沒錯，他們確實很相似。在無數(shù)據(jù)傳輸時，它們都處于Idle狀態(tài)，當(dāng)要開始傳輸數(shù)據(jù)時，先發(fā)一個sync(同步信號，rs232為start,usb為一sync字節(jié)，見協(xié)議說明）信號進(jìn)行“握手”，而后開始傳輸，當(dāng)傳輸要結(jié)束時，發(fā)一stop信號（usb為一個se0狀態(tài)表示要結(jié)束傳輸），最后又進(jìn)入idle態(tài)等待新的傳輸。不過，你可能更加注意到，他們還是不同的。不同在于usb是按packet進(jìn)行傳輸?shù)模褪钦f它傳輸?shù)淖钚挝皇莗acket，而rs232是按字節(jié)傳送的，也即它的最小傳送單位是字節(jié)。既然是按pakcet傳送，想想我們相較于rs232的按字節(jié)單位傳輸，我們可以得到哪些“好處”。想想看，pakcet的好處不就在于我們可以靈活的定義數(shù)據(jù)的傳送格式，傳送方式，從而可以適應(yīng)各種各樣的串行設(shè)備，這不就是所謂的“通用串行總線”嗎？

從本節(jié)開始，我們將介紹usb的傳輸機(jī)制。這節(jié)先介紹usb現(xiàn)有傳輸方式的背景知識，做為對下節(jié)將要展開的四種傳輸類型，描述符，等相關(guān)知識的一個導(dǎo)引。

二.usb傳輸

我們在上一節(jié)中了解到了usb的“packet”的感念，了解到了usb傳送一個packet總是以sync開始，以eop結(jié)束，這個稱為delimiter,即標(biāo)記packet的始末。有了packet，我們就可以在usb總線上傳輸數(shù)據(jù)了。但是這還不夠，比如數(shù)據(jù)傳送方向，即傳回usb主機(jī)還是傳下usb從機(jī)，數(shù)據(jù)傳送的地址，數(shù)據(jù)傳送的類型（這些后面我們將會知道）這些信息在傳輸之前是必須搞清楚的，那么這個信息如何得知呢，看來這就需要我們定一套基于packet的“協(xié)議”了。主機(jī)與從機(jī)在傳輸中均遵循這套“協(xié)議”，那么這些問題就可以迎刃而解。事實上，usb的一次數(shù)據(jù)傳輸總是遵循這樣的“協(xié)議”的:首先，主機(jī)發(fā)第1個packet給從機(jī)，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂?，?shù)據(jù)傳輸類型。其次，主機(jī)發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)最后，從機(jī)返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?，比如接受出錯或成功等信息，這樣主機(jī)就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

基本上可以歸結(jié)為一個“三段式”傳輸這里有人可能注意到了，對這樣一個傳輸機(jī)制，從機(jī)和主機(jī)的功能將是一樣的，因為這樣的實現(xiàn)機(jī)制，從機(jī)可能在某一時刻是主機(jī)，某一時刻又可能是從機(jī)，因為他們要實現(xiàn)同樣的功能。這樣實現(xiàn)起來的復(fù)雜性也將是一樣的。這里概念或許容易混淆，其實，我們這里的主機(jī)(master)和從機(jī)(slaver)是一個transceiver,即可收可發(fā)。相應(yīng)的，在某一時刻，master在發(fā)數(shù)據(jù)，我們稱其為transmitter,在接受時我們稱為receiver.對slaver同樣。我們可能還注意到了,usb這種按pakcet傳輸?shù)姆绞皆趯崿F(xiàn)時已經(jīng)很復(fù)雜了（至少比rs232要復(fù)雜多吧），至少我們目前看來主從機(jī)功能一樣這樣的實現(xiàn)方式似乎還是可行，但是后面我們談到usb host時將會了解到host的功能是如何的復(fù)雜，以至于讓一個usb function 也帶上如此的功能成本和實現(xiàn)復(fù)雜性將陡然上升。作為面向廣范應(yīng)用的usb，這是我們不允許的。我們期望的是一個使用usb 的udisk,使用usb的光驅(qū)，使用usb的耳麥等等這些東西不要因為usb而變得昂貴，復(fù)雜。正是因為這個原因，usb從機(jī)的傳輸發(fā)式便由上面的方式改成了下面的方式進(jìn)行：

首先，主機(jī)發(fā)第1個packet給從機(jī)，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂?，?shù)據(jù)傳輸類型。
其次，從機(jī)收到主機(jī)送來的第一個packet后，再發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)最后，主機(jī)返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機(jī)就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。而對于usb 主機(jī)傳輸方式保持不變。對于這樣的改變，我們馬上就有疑問了：這個改變的傳輸方式是和未改變之前的等價嗎。當(dāng)然，不全等價。問題在哪里？仔細(xì)觀察一下便知，兩者區(qū)別在于第一個packet是由誰發(fā)起的。未改變之前，第一個packet總是由要傳送數(shù)據(jù)的一方發(fā)起，而改變之后的第一個Packet總是由主機(jī)發(fā)起。這樣，就變成如果從機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)時，總是由主機(jī)發(fā)起（第一個packet),然后從機(jī)開始傳送?？赡艹醮谓佑|我們會感覺怪怪的，怎么從機(jī)要給主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前反而要主機(jī)先發(fā)packet給從機(jī)。這樣行嗎？我們要說這樣是可以的，因為通常一次傳輸交互的產(chǎn)生，并非無來由的產(chǎn)生，這些都是由程序員控制的，控制usb何時收，何時發(fā)，及發(fā)給誰?。?！這里我們就注意到了，usb function(總是作為從機(jī)）的功能一下從原來與主機(jī)具有相同功能的tranceiver變成了現(xiàn)在僅具發(fā)送（或接收）功能的transmitter（或Receiver）實現(xiàn)的復(fù)雜性及成本可想而知也就相應(yīng)得減小了。

三.usb full speed function的四種傳輸類型

我們了解到了usb host與usb function之間采用的是一種“非對稱”的傳輸，也就是說，無論usb接受數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)，都是由usb host首先發(fā)起。即傳輸?shù)牡谝粋€packet總是由usb host發(fā)出的。這個packet將聲明本次即將進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)傳輸類型。

控制傳輸：

或許你已經(jīng)注意到了，一個usb host端口并不是僅僅支持一個Usb function.如圖1

通過usb hub,一個usb host端口可以連接usb鼠標(biāo)，usb鍵盤，Usb寫字板......。要連接這么多東西在同一個usb host上，我們通常會有一個基本問題，即usb host如何識別這些被連接在它的端口上的設(shè)備呢。正如通常的主從式通訊系統(tǒng)一樣，如rs485多機(jī)通訊,我們通常是用一個特定的地址標(biāo)志每一個從設(shè)備。對這里的usb,我們采用同樣的方法，將為每個掛接在該usb host上的usb function指定一個特定地址，通過這個特定地址來識別每個usb function.看來這將是一個usb function在數(shù)據(jù)傳輸之前必須解決的問題--得到它的地址分配。這個“地址指定”的過程需要usb host通知usb function才能完成，這個交互過程就是一個控制式傳輸。通過這個“控制式傳輸”，usb host將指定地址給usb function ,以為即將進(jìn)行的正式通訊做好準(zhǔn)備工作。這里細(xì)心的讀者可能已經(jīng)注意到了，既然usb host總要分配地址給usb function才能進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)傳輸工作，那么usb host將如何與一個初始時未分配地址的usb function進(jìn)行交互來分配地址呢。這里，是這樣解決的：usb協(xié)議保留了一個“通用地址”0,usb host 通過這個地址0來和初始未分配地址的usb function進(jìn)行通訊，進(jìn)行一些初始的準(zhǔn)備工作，諸如這里的為它非配一個特定地址。后面我們就會了解到，usb除了配置地址外，還有一些其它參數(shù)需要事先主從雙方達(dá)成共識。這些參數(shù)也都是通過控制式傳輸完成的。一個Usb 的控制式傳輸如下圖：

一個Usb的控制式傳輸分為兩個或三個階段進(jìn)行傳輸：setup stage,data stage（視情況而定）,status stage。

首先是setup stage,聯(lián)系上節(jié)所說的Usb傳輸模式，usb Host總是先發(fā)起第一個packet--這里它

首先發(fā)起setup,

之后發(fā)起以data0為起始的setup data,

最后usb function回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。

其次如果有data stage,類似的，還是按照上節(jié)說的usb傳輸模式，

usb host總是先發(fā)起第一個Packet--Out(或in），

之后usb host(或usb function)發(fā)起以data1為起始的payload data,

最后Usb fuction(或usb host）回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。如果數(shù)據(jù)未傳完，繼續(xù)data stage,同上繼續(xù)。

最后是status stage,類似的，

usb host首先發(fā)起第一個Packet--in(或out），

之后usb function(或usb host)發(fā)起以data1為起始的Null data(0長度）,

最后Usb host(或usb function）回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。

如此，整個控制式傳輸結(jié)束。你或許有疑問，data stage為什么進(jìn)行了多次而非一次完成？實際上，usb總是將一批大量的數(shù)據(jù)分成了許多小段來進(jìn)行傳輸，稱為一個pay load。這樣傳輸?shù)哪康氖侨菀讓鬏斶M(jìn)行控制。既然一次大量的數(shù)據(jù)總是被分成一段一段來分次傳輸，那么這里就出現(xiàn)了一個需要事先確定的參數(shù)（wMaxPacketSize）：即每次即這個小段有多大。這個參數(shù)如地址指派一樣，正式傳輸之前需要事先達(dá)成共識。通過控制式傳輸，現(xiàn)在我們

已經(jīng)完成了usb function的地址指定等參數(shù)的設(shè)置工作，下一步可以進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)傳輸了。

塊傳輸：

我們終于等到usb function 配置完成，現(xiàn)在我們的任務(wù)是要傳送一批數(shù)據(jù),這里可以使用批量數(shù)據(jù)傳輸(bulk Transactions)。一個批量傳輸總是按照如圖所示方式進(jìn)行。

首先，usb host發(fā)起第一個Packet--in(或out),表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。

其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data1(或data0)為起頭的payload data,開始一次交互。

再其次，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應(yīng)這次交互。如果數(shù)據(jù)還為傳完，繼續(xù)上述過程，即：如此繼續(xù)直至傳輸完成。

首先，usb host再次發(fā)起一個Packet--in(或out),表示又要開始數(shù)據(jù)傳輸了。

其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data0(或data1)為起頭的payload data,開始又一次交互。

再次，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應(yīng)這次交互。

這里的疑問依然是為什么一次可能傳完的數(shù)據(jù)為什么分成多次進(jìn)行傳輸,原因在上次介紹控制式傳輸式已經(jīng)說明。后面我們就會明白，為什么這樣可以方便控制傳輸過程。仔細(xì)看看控制式的data stage采用的傳輸方式，是否就是批量傳輸方式呢？！注意，每次payload data的“牽頭人”（preamble)在輪番掉換，先是data1,接著data0,再是data1,......如此接替，只要有一次交互出現(xiàn)問題，這個接替規(guī)則就會被打破進(jìn)而被Usb host識別而發(fā)現(xiàn)傳輸異常。所以這個交替的“牽人”規(guī)則是可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃扇〉拇胧┲弧?/p>

同步傳輸和中斷式傳輸：

在批量數(shù)據(jù)傳輸中，觸發(fā)一次批量數(shù)據(jù)傳輸總是“被動”的，就是說需要數(shù)據(jù)傳輸時Usb host并不會主動發(fā)起傳輸，而是需要得到你的指令。當(dāng)你告訴它：“一切ok，讓我們開始吧！” 這時它才開始數(shù)據(jù)傳輸。這種方式顯然在某些情況下并不適合。比如音視頻流，你無法要求它聽從你的“指揮”，讓它等你發(fā)指令給usb host,然后開始一次傳輸。我們需要的是一種“及時”傳輸。一個好的方案就是設(shè)置一個timer,按照tick發(fā)起usb傳輸。這個tick通常以1ms(usb full speed)為最小單位。這時，可以設(shè)置為每次1ms tick出現(xiàn)，usb host“自動”發(fā)起一次數(shù)據(jù)傳輸。那么這種方案具體如何來實現(xiàn)呢？看來最基本的要素便是一個發(fā)出tick的timer，而這個“timer”需要usb host和usb function（事實上還要包括usb hub)雙方均能“看到”，從而協(xié)調(diào)工作，否則單方面的timer又有何意義？這個"timer"(或tick)在usb中使用一個特殊的packet實現(xiàn)，即是SOF。這個SOF由USB HOST 相當(dāng)精確的以每1.00 ms ±0.0005 ms的時間周期發(fā)送給usb device，來在二者之間定時。從而usb function能夠“及時”的了解到“現(xiàn)在時刻”?，F(xiàn)在我們在usb host和usb function之間建立起了“對時”機(jī)制。那么接下來看看剛才設(shè)想的“自動”傳輸如何實現(xiàn)。事實上，一旦usb host及usb function雙方建立了一種時間機(jī)制，那么這種“自動”傳輸是很容易實現(xiàn)的。usb 實現(xiàn)同步式傳輸或中斷式傳輸總是以一種類似于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行的，唯一不同的是傳輸?shù)挠|發(fā)不再是“被動”的，而是由SOF所建立的tick觸發(fā)。

首先，時間到達(dá)，usb host發(fā)起第一個Packet--in(或out),表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。

其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data1(或data0)為起頭的payload dat開始一次交互。

再其次，如果是中斷式傳輸，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應(yīng)這次交互，如果是同步式傳輸，該步跳過。

如此重復(fù)上述步驟,即usb host等待下一個tick到達(dá)，并開始新一輪的交互。這里我們注意到了，同步式傳輸和中斷式傳輸二者雖然都是時間觸發(fā)，但是中斷式傳輸需要ack應(yīng)答，而相反，同步式傳輸不需要。這個最大的區(qū)別決定了同步式傳輸是一種非可靠傳輸，但是因此換來了更多的usb傳輸時間。也因此,同步式傳輸?shù)?payload data（對應(yīng)wMaxPacketSize ）通常相較于其他傳輸方式比較大,因為它消掉了ack所占有數(shù)據(jù)傳輸時間。這里還有一個地方值得注意的是tick的設(shè)定，這個tick也是需要事先usb host 和usb function達(dá)成共識的參數(shù)之一。

以上是USB通信的簡要概述，需要詳細(xì)協(xié)議與程序的可以聯(lián)系本公眾號，我們會把完整的協(xié)議與程序發(fā)送給您。

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