USB 模块全面解析(二)

本文是我整理的一些 USB 的学习心得，希望能对大家有所帮助。

文章目录

前言
🍍USB 协议层数据格式
- - 🍇包格式
  - - - 🍓 PID 域
      - 🍓 令牌包
      - 🍓 数据包
      - 🍓 握手包
  - 🍇传输类型
  - - - 🍓 批量传输
      - 🍓 中断传输
      - 🍓 实时传输
      - 🍓 控制传输
🍍USB 描述符
总结

前言

这篇文章为大家介绍 USB协议层数据格式以及 USB描述符。

USB 模块全面解析(一)

🍍USB 协议层数据格式

在USB设备中，数据传输的基本单位是 “ 包 ” 。数据先传输最低位（LSB）。那 USB “包” 里面具体包含哪些内容（“域”）？

🍇包格式

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至于SOP, SYNC, EOP 具体的电平状态，在上篇文章中都已详细介绍了 : USB 模块全面解析(一)

SOP : “包” 的开始。
SYNC : 用来同步时钟。
Packet Content : PID（包类型） + 地址/帧号/数据 + CRC（校验）。
地址：确定包要发给哪个 USB 设备。
EOP : “包” 的结束。

下面主要介绍包格式里 “Packet Content” 部分的 PID。

🍓 PID 域

在 USB 协议中， PID 是用来标识 USB 数据包类型的关键字段。用于指示数据包的类型和方向。

在 USB 包中，PID域使用 8 位来表示，格式如下：

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前 4 位 : 标识数据包的类型。
后 4 位：是前 4 位的取反，用于校验 PID 类型的正确性。如果接收方发现后 4 位不是前 4 位的取反，就认为发生了错误。

“ 包 ” 可以分为 4 种类型：
① 令牌包(Token)：指示数据传输的开始 和 方向。 （最低 2 位是 01 B）
② 数据包(Data)：用于实际传输的数据部分。（ 11 B）
③ 握手包(Handshake)：确认数据包的接收状态。（ 10 B）
④ 特殊包(Special)：用于特殊用途的包。（ 00 B）

下面是根据 4 位的 PID 分为 16 种具体的 “包”类型：
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🍓 令牌包

这里需要注意一点，有 4 种令牌包，其中 SOF 用于通知所有的设备，而 OUT, IN, SETUP 用来通知某个设备。下面是对于 OUT, IN, SETUP 令牌包的结构。

由于令牌包起通知作用，要通知某个具体的USB 设备，所以要知道 USB设备的地址（7位） 和 USB设备的端点号（4位）。

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所以一个完整的令牌包如下：
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首先 发送 SOP 表示包的开始 ->  SYNC 进行信号的同步 -> 根据 PID 的类型决定是 读/写数据 -> 11 位的帧号确定USB设备 -> CRC 校验 -> EOP 表示包的结束。

🍓 数据包

Host 使用 OUT、IN、SETUP 来通知设备：我要传输数据了。数据通过"数据包"进行传输。数据包也有 4 种类型：DATA0、DATA1、DATA2、MDATA。我们只需了解 DATA0、DATA1。

为什么要引入不同类型的数据包？

Host 和设备都会维护自己的数据包切换机制，当数据包成功发送或者接收时，数据包类型切换。当检测到对方使用的数据包类型不对时，USB 系统认为发生了错误。

比如：
① Host 发送 DATA0 给设备，设备返回 ACK 表示成功接收，设备期待下一个数据是 DATA1
② 但是 Host 没有接收到 ACK，Host 认为数据没有发送成功，Host 继续使用 DATA0 发送上一次的数据
③ 设备再次接收到 DATA0 数据包，它就知道：哦，这是重传的数据包

一个完整的数据包如下：

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🍓 握手包

握手包有 4 类：ACK、NAK、STALL、NYET。

ACK : 数据接收方用来回复发送方，表示正确接收到了数据并且有足够的空间保存数据。
NACK : Host 发送数据给设备时，设备可以回应 NAK 表示"我还没准备好，没办法接收数据"；Host 想读取设备的数据时，设备可以回复 NAK 表示"我没有数据给你"。
STALL : 表示发生了错误，比如设备无法执行这个请求(不支持该断点等待)、断点已经挂起。设备返回 STALL 后，需要主机进行干预才能接触 STALL 状态。
NYET : 仅适用于高速设备。Host 可以发出 PING 包用来确认设备有数据，设备可以回应NYET 表示"还没呢"。Hub 也可以回应 NYET 表示低速/全速传输还没完结。

一个完整的握手包如下：

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🍇传输类型

USB 设备支持 4 种不同的传输类型，每种不同的传输类型使用不同的场景和需求。

在介绍这 4 种传输类型之前，先来了解几个概念：

事务：完整的数据传输，需要涉及多个包令牌包、数据包、握手包。这个完整的数据传输过程，被称为事务(Transaction)。
传输：由一个或者多个事务组成，完成一次完整的通信。

有些事务需要握手包，有些事务不需要握手包，有些事务可以传输很大的数据，有些事务只能传输小量数据。

有四类事务：

① 批量事务：用来传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
② 中断事务：用来传输周期性的、小量的数据，数据的正确性和时效都有保证。
③ 实时事务：用来传输实时数据，数据的正确性没有保证，时效有保证。
④ 建立事务：跟批量事务类似，只不过令牌包是 SETUP 令牌包。

有四类传输(Transfer)：

① 批量传输：就是使用批量事务实现数据传输，比如 U 盘。
② 中断传输：就是使用中断事务实现数据传输，比如鼠标。
③ 实时传输：就是使用实时事务实现数据传输，比如摄像头。
④ 控制传输：由建立事务、批量事务组成，所有的 USB 设备都必须支持控制传输，用于"识别/枚举"。

过程：
对于批量，中断，实时传输都是由一个事务组成，不再划分为多个阶段。
对于控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于多个过程：建立过程，数据过程，状态过程。
阶段：
事务由包组成，这些包处于 3 个阶段：令牌阶段，数据阶段，握手阶段。令牌阶段(Token phase)：由令牌包实现。数据阶段(Data phase)：由数据包实现。握手阶段(Handshake phase)：由握手包实现。

① BIT 组成域(Field)
② 域组成包(Packet)
③ 包组成事务(Transaction)
④ 事务组成传输(Transfer)

🍓 批量传输

批量传输用批量事务来实现，用于传输大量的数据，数据的正确性有保证，时效没有保证。
批量事务由 3 个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有 SOP、SYNC、PID、EOP。（下图中各个矩形框就对应一个完整的包）

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🍓 中断传输

中断传输用中断事务来实现，用于传输小量的、周期性的数据。数据的正确性和时效都有保证。
中断事务由 3 个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段、握手阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有 SOP、SYNC、PID、EOP。中断事务的优先级比批量事务更高，它要求实时性，而批量事务不要求实时性。

中断传输要求实时性，由于 USB 协议中没有中断的功能，所以，它使用"周期性的读、写"来实现及时性。具体过程如下：

① Host 每隔 n 毫秒发出一个 IN 令牌包
② 鼠标有数据的话，发出 DATA0 或 DATA1 数据包给 Host；鼠标没有数据的话，发出 NAK 给Host。从下图中可以看到没有 NYET 延时等待。

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🍓 实时传输

实时传输用实时事务来实现，用于传输实时数据，对数据的正确性没有要求。
实时事务由 2 个阶段(phase)组成：令牌阶段、数据阶段。每个阶段都是一个完整的包，含有 SOP、SYNC、PID、EOP。实时事务不需要握手阶段。

实时传输不要求数据的准确性，没有握手阶段。（适用场景：视频通话等）
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🍓 控制传输

控制传输由多个事务组成，这些事务分别处于 3 个过程：建立过程(stage)、数据过程(stage)、状态过程(stage)。

① 建立过程(stage)，使用 SETUP 事务：Host 发出 SETUP 令牌包、DATA0 数据包、得到 ACK握手包。

② 数据过程(stage)，使用批量事务：

a. 对于输出：Host 发出OUT 令牌包，发出 DATA0、DATA1 数据包、得到 ACK 握手包
b. 对于输入：Host 发出 IN 令牌包，读到 DATA0、DATA1 数据包、发出 ACK 握手包

③ 状态过程(stage)，使用批量事务：

a. 对于输出：Host 发出IN 令牌包，读到 DATA1 数据包，发出 ACK 握手包
b. 对于输入：Host 发出 OUT 令牌包，发出 DATA1 数据包，等待 ACK 握手包

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上图的 每一个方框，都是一个完整的事务，含有：Token Packet、Data Packet、Handshake Packet。

例如，对于一个 SETUP 事务，下面是它的组成包：

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在"setup 事务"中：

① SETUP 令牌包：用来通知设备，“要开始传输了”
② DATA0 数据包 ( 8 字节数据 )：它含有固定的格式，用来告诉设备"是读还是写"、“读什么”、“写什么”。

🍍USB 描述符

设备/配置/接口/端点：

对于一个 USB设备，它可以有多种配置（Configuration）。
一个配置下可以有多个接口 (Interface), 接口等同于功能。比如 USB 耳机有 2 个接口（功能）：声音收发，按键控制。
一个接口可以有多个设置（Setting）,比如默认设置下它使用较低的带宽，也可以选择其他设置去使用更高的带宽。
一个接口由一个/ 多个端点（Endpoint）组成。端点0 属于整个设备，是双向的。

怎么描述设备，配置，端点，接口？

使用描述符（Descriptors）。有设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符。所谓描述符，就是一些格式化的数据，用来描述信息。

一个 USB 设备：
① 只有一个设备描述符：用来表示设备的 ID、它有多少个配置、它的端点 0 一次最大能传
输多少字节数据
② 可能有多个配置描述符：用来表示它有多少个接口、供电方式、最大电流
③ 一个配置描述符下面，可能有多个接口描述符：用来表示它是哪类接口、有几个设置
(Setting)、有几个端点
③ 一个接口描述符符下面，可能有多个端点描述符：用来表示端点号、方向(IN/OUT)、类
型(批量/中断/同步)

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