USB協(xié)議學(xué)習(xí)筆記

1、USB總線(xiàn)通信的基本單位是包，包由8位的前導(dǎo)符SYNC域、8位的PID域、數(shù)據(jù)域、CRC域以及EOP（電平信號(hào)）組成。

??? 1）SYNC域是為了同步時(shí)鐘，當(dāng)總線(xiàn)上由IDLE狀態(tài)跳變到差分的01010..的SYNC域時(shí)，表明一個(gè)包的開(kāi)始。

??? 2）PID域是為了區(qū)分不同的包類(lèi)型，比如SETUP包、OUT包、IN包等等。

??? 3）數(shù)據(jù)域則根據(jù)不同的包類(lèi)型來(lái)解釋。

??? 4）CRC域是校驗(yàn)碼。

??? 5）EOP是一種總線(xiàn)信號(hào)狀態(tài)，用來(lái)表明一個(gè)包的結(jié)束。

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2、USB的包根據(jù)PID域可以分為3個(gè)大類(lèi)：

??? 1）token（令牌）包，由USB主機(jī)發(fā)起。token包又分為IN、OUT、SETUP等。當(dāng)USB主機(jī)發(fā)送一個(gè)SETUP包時(shí)，表明接下來(lái)是一個(gè)SETUP事務(wù)傳輸。若USB主機(jī)發(fā)起的是IN包，表明接下來(lái)是一個(gè)IN事務(wù)傳輸。

??? 2）DATA0包和DATA1包。DATA0和DATA1包可以由USB主機(jī)發(fā)起或者是由USB設(shè)備發(fā)起，表明這是一個(gè)數(shù)據(jù)包。為了同步數(shù)據(jù)包，使用DATA0、DATA1、DATA0...這樣的翻轉(zhuǎn)包來(lái)達(dá)到同步。

??? 3）ACK包、NAK包以及STALL包，這些包用來(lái)表明之前的數(shù)據(jù)傳輸、控制應(yīng)答是否正確。這3個(gè)包比較特殊，只有SYNC和PID域。

注意，區(qū)分這些包是在包的PID域中區(qū)分的。

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3、USB總線(xiàn)上的設(shè)備具有地址的屬性，一個(gè)包或者一次事務(wù)傳輸，必須支持是USB主機(jī)和哪個(gè)設(shè)備的通信。換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)主機(jī)發(fā)起一個(gè)SETUP包、DATA0包等，這些包時(shí)，哪個(gè)設(shè)備應(yīng)該接收數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)呢？

為此，USB定義了事務(wù)傳輸，事務(wù)傳輸由幾個(gè)包組成，而且第一個(gè)包必定是USB主機(jī)發(fā)起的token包、接著是DATA包、最后是ACK包。其中的token包，就領(lǐng)銜了一次事務(wù)傳輸，指出此次事務(wù)傳輸是對(duì)應(yīng)哪個(gè)設(shè)備地址、哪個(gè)端點(diǎn)，還指出了此時(shí)事務(wù)傳輸中的數(shù)據(jù)包應(yīng)該如何解釋。比如，如果是SETUP的token包領(lǐng)銜的事務(wù)，則事務(wù)中的DATA包必定是由USB主機(jī)發(fā)送的REQUEST數(shù)據(jù)；如果是IN的token包，則表明本次事務(wù)中的DATA包必須由USB設(shè)備發(fā)送。事務(wù)中的ACK/NAK包，則是用于表明本次事務(wù)傳輸是否正確。

由此可見(jiàn)，在USB總線(xiàn)上的進(jìn)行通信時(shí)，都是先由USB主機(jī)發(fā)起token包，表明參與此次事務(wù)的設(shè)備和端點(diǎn)；然后不同的token包也指出了是否有DATA包，以及DATA包是由USB主機(jī)發(fā)送給USB設(shè)備還是由USB設(shè)備發(fā)送給USB主機(jī)；最后的ACK/NAK包則是應(yīng)答包，由接收數(shù)據(jù)端發(fā)送。

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4、不同的token包PID指出了不同的事務(wù)，不同的事務(wù)表明了事務(wù)中的DATA包的方向和意義。其中SETUP事務(wù)用于USB傳輸控制信息，而OUT、IN事務(wù)用于傳輸普通數(shù)據(jù)。

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5、假設(shè)本次事務(wù)是SETUP事務(wù)：

??? 1）USB主機(jī)首先在總線(xiàn)上發(fā)送SETUP包，對(duì)應(yīng)的USB設(shè)備、端點(diǎn)接收到此SETUP包后，立刻知道，USB主機(jī)將會(huì)發(fā)送DATA包，并且DATA包中的數(shù)據(jù)應(yīng)按照USB2.0規(guī)范中規(guī)定的或者其他CDC規(guī)范等規(guī)定的格式解釋。

??? 2）選中的USB設(shè)備等待USB主機(jī)發(fā)送DATA包。

??? 3）USB主機(jī)發(fā)送DATA包（DATA0），注意DATA包中并沒(méi)有指出哪個(gè)USB設(shè)備應(yīng)該接收此DATA包。但是，之前的SETUP包已經(jīng)說(shuō)明了哪個(gè)設(shè)備、端點(diǎn)應(yīng)該接收此DATA包。所以，其他的設(shè)備、端點(diǎn)忽略此DATA包。

??? 4）選中的USB設(shè)備接收到DATA包，返回ACK包（若出錯(cuò)或者其他非正常情況，返回NAK包）。并按照不同的協(xié)議規(guī)范（USB2.0、USB CDC等規(guī)范）解釋收到的DATA包。通常來(lái)說(shuō)，SETUP事務(wù)中的DATA包都是USB Device Request，USB設(shè)備根據(jù)不同的Request，或返回描述符，或執(zhí)行狀態(tài)變化，或者...

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6、假設(shè)本次事務(wù)是OUT事務(wù)：

??? 1）USB主機(jī)首先發(fā)送OUT的token包，指出了本次事務(wù)參與的設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)，并說(shuō)明，接著USB主機(jī)要發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包給USB設(shè)備。

??? 2）USB主機(jī)發(fā)送DATA包（DATA0或者DATA1）。

??? 3）選中的USB設(shè)備接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，并依據(jù)情況返回ACK包或者NAK包。

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7、假設(shè)本次事務(wù)是IN事務(wù)：

??? 1）USB主機(jī)首先發(fā)送IN的token包，指出了本次事務(wù)參與的設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)，并說(shuō)明，選中的USB設(shè)備應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)包給主機(jī)。

??? 2）選中的USB設(shè)備發(fā)送DATA包（DATA0包或者DATA1包）。

??? 3）USB主機(jī)根據(jù)情況返回ACK包或者NAK包。

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8、控制傳輸：

控制傳輸由幾個(gè)事務(wù)組成，分別是SETUP事務(wù)、IN/OUT事務(wù)、狀態(tài)階段的IN/OUT事務(wù)，對(duì)應(yīng)USB2.0規(guī)范中的設(shè)置階段、數(shù)據(jù)階段、狀態(tài)階段。

??? 1）設(shè)置階段：SETUP事務(wù)給出了本次控制傳輸中的USB REQUEST，是GET_DESCRIPOR還是SET_ADDRESS，或者是SET_CODE_LINE等等的REQUEST，這些REQUEST可以是USB2.0規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)REQUEST，也可以是設(shè)備類(lèi)型的（class-specific）的REQUEST，還可以是廠(chǎng)商指定的REQUEST（vendor-specific）。

??? 2）數(shù)據(jù)階段：根據(jù)不同的REQUEST，①或是USB主機(jī)發(fā)送DATA包，給出上一步對(duì)應(yīng)的REQUEST的補(bǔ)充信息；②或是USB設(shè)備根據(jù)不同的REQUEST，通過(guò)發(fā)送DATA包返回?cái)?shù)據(jù)給USB主機(jī)（也可以沒(méi)有數(shù)據(jù)）

??? 3）狀態(tài)階段：USB主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)階段的方向，發(fā)起OUT或者IN事務(wù)。OUT或者IN事務(wù)中的DATA包必須是DATA1，而且長(zhǎng)度必須是0。

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9、由上面的描述，USB主機(jī)和USB設(shè)備具備了基本的通信能力，比如USB主機(jī)發(fā)送REUQEST、USB設(shè)備響應(yīng)REQUEST、USB發(fā)送數(shù)據(jù)給USB設(shè)備、USB設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給USB主機(jī)等等。而且，可以看到，所有的最初事務(wù)都是先由USB主機(jī)發(fā)起的。如果一個(gè)USB設(shè)備想要發(fā)送數(shù)據(jù)給USB主機(jī)，必須等待USB主機(jī)對(duì)本設(shè)備發(fā)起IN事務(wù)時(shí)，USB設(shè)備才能通過(guò)發(fā)送DATA包（即需要發(fā)送的數(shù)據(jù)）來(lái)達(dá)到發(fā)送數(shù)據(jù)給USB主機(jī)的目的。因此，USB主機(jī)控制了USB總線(xiàn)的帶寬分配權(quán)。

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10、USB總線(xiàn)系統(tǒng)最本質(zhì)的功能就是提供一種基本的通信方式來(lái)連接USB主機(jī)和USB設(shè)備，使多個(gè)USB設(shè)備可以同時(shí)（宏觀(guān)上的同時(shí)）和USB主機(jī)通信。USB總線(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)不同的（管道、端點(diǎn)）傳輸類(lèi)型，來(lái)合理安排總線(xiàn)的帶寬，以達(dá)到不同的USB設(shè)備都可以和USB主機(jī)通信。在這種基本的通信能力基礎(chǔ)之上，USB主機(jī)向上提供client（主機(jī)上運(yùn)行的、針對(duì)特定USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)）和USB設(shè)備通信的接口。于是，不同的USB主機(jī)端client就可以驅(qū)動(dòng)不同的USB設(shè)備，使USB設(shè)備發(fā)揮特定的功能。

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11、當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備連接到USB總線(xiàn)上時(shí)，USB的hub負(fù)責(zé)通知USB主機(jī)這一變化。在USB主機(jī)端，有一個(gè)hub driver的程序負(fù)責(zé)處理這一變化。通常來(lái)說(shuō)，這就是USB的枚舉過(guò)程：

??? 1）USB主機(jī)給USB設(shè)備發(fā)送復(fù)位信號(hào)。

??? 2）USB設(shè)備接收到復(fù)位信號(hào)之后，其設(shè)備地址默認(rèn)為0。

??? 3）USB主機(jī)通過(guò)設(shè)備地址0、端點(diǎn)0，給USB設(shè)備發(fā)送獲取設(shè)備描述、配置描述符、接口描述符等等之類(lèi)的USB REQUEST。

??? 4）USB設(shè)備根據(jù)不同的REQUEST，返回特定的描述，以表明自己的身份。

??? 5）USB主機(jī)根據(jù)USB設(shè)備返回的各種描述符，依據(jù)vendor-ID、product-ID等信息，加載特定的USB驅(qū)動(dòng)，讓特定的USB驅(qū)動(dòng)去和USB設(shè)備交互，完成USB設(shè)備的初始、配置。

??? 6）特定的USB驅(qū)動(dòng)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，完成了USB功能。

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12、在加載特定的USB驅(qū)動(dòng)之前，USB主機(jī)必須能獲取USB設(shè)備的各種描述符，如此才能識(shí)別此USB設(shè)備，才能決定加載哪個(gè)驅(qū)動(dòng)去和這個(gè)設(shè)備進(jìn)行交換。所以，USB2.0規(guī)定了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的REQUEST，要求所有USB2.0設(shè)備必須支持。這樣，在USB設(shè)備掛接總線(xiàn)時(shí)，USB系統(tǒng)可以通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)的REQUEST來(lái)認(rèn)識(shí)這個(gè)USB設(shè)備，再加載特定的驅(qū)動(dòng)去和USB設(shè)備進(jìn)行交換。

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13、在標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0?? REQUEST之上，特定類(lèi)型的USB設(shè)備（calss-specific），或者廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的特殊設(shè)備（vender-specific），都可以定義不同的REQUEST，這些REQUEST的格式和標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0? REQUEST格式一致，只不過(guò)是具體的字段決定了不同的REUQEST。所以REQUEST是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這個(gè)開(kāi)放的REQUEST，就可以開(kāi)發(fā)出不同的USB設(shè)備以及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，共同組建USB系統(tǒng)。

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14、為了簡(jiǎn)化USB開(kāi)發(fā)，USB協(xié)議還制定了幾種設(shè)備類(lèi)型，比如CDC（Communicatin Device Class）設(shè)備，MSD（Mass Storage Device）設(shè)備，HID（Human Interface）設(shè)備等等，常見(jiàn)的USB轉(zhuǎn)COM就是CDC設(shè)備，USB鼠標(biāo)和USB鍵盤(pán)就是HID設(shè)備，還有U盤(pán)就是MSD設(shè)備。通常某一類(lèi)型的USB設(shè)備具有共同的操作、功能接口，將這些共同的操作、接口抽象出來(lái)，就形成了某一類(lèi)USB設(shè)備（比如CDC或者M(jìn)SD）。在此基礎(chǔ)上，USB為某類(lèi)USB設(shè)備制定了一些規(guī)范，比如CDC設(shè)備規(guī)范、MSD設(shè)備的規(guī)范，通過(guò)這些規(guī)范，在USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)REQUEST的基礎(chǔ)上，添加設(shè)備類(lèi)型指定（class-specific）的REQUEST，就可以形成特定功能的USB設(shè)備。某一類(lèi)USB設(shè)備，除了支持標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0? REQUEST之外，還支持本類(lèi)型規(guī)定的REQUEST。