【USB】USB基本通讯原理概述

USB设备导论

USB（通用串行总线）设备是一种广泛使用的接口设备，支持即插即用和热插拔功能。

USB硬件接口类型

常见的USB设备应用

存储设备：
输入设备：
音频设备：
网络设备：
通信设备：
多媒体设备：
扩展和集线器：
电源设备：
USB虚拟设备：

USB知识框架

USB分析仪、调试方法、抓包分析

USB协议基础、USB总线电平标准、总线状态、信号
USB描述符
USB传输、中断、事务
USB包，
USB硬件设计、热插拔

USB基本原理介绍

从接入到使用

USB设备分为两类：主机（Host）和从机（Device）。

同一USB网络中，只能存在一个主机。USB OTG允许设备在主机和从机之间切换角色。
比如：音箱作为USB主机时，可以读取U盘音乐；作为USB从机时，接受电脑的USB音频输入。

USB拔插： 主机通过检测USB D+/D- 的电平变化感知从机的接入或者拔出

主机端D+/D-下拉15KΩ电阻到GND（0V），从机端D+/D-上拉1.5KΩ电阻到3.3V。
当从机接入主机时，D+/D-上的电压变为3V，双方通过电平变化就可以发现USB的拔插事件
USB拔插事件会触发主机的中断（或回调），执行从机的加载、释放过程。

USB枚举： 主机通过获取设备的描述符集合来识别USB设备

USB连接后，主机通过访问描述符集合来识别从机并配置从机
每个USB设备都必须有遵循相应格式的描述符集合介绍自身的功能和用途，包含设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符、其它特殊描述符等。

USB使用： 主机以轮询的方式发数据，从机以中断的方式接收数据

USB的数据传输过程描述以及主机端为主

USB通信构建过程概述

主机访问指定USB设备： 主机为所有从机分配唯一的设备地址，通过地址访问从机

主机给所有已连接的设备分配地址，并确保不会重复（Addr1-AddrN）
对刚接入没分配地址的从机，主机使用默认地址Addr0与其通信，握手后分配新地址

主机访问指定USB设备的指定功能： 主机通过（设备地址，设备端点）访问指定从机的指定接口/功能。

用端点（Endpoint，EP）区分USB从机的不同功能（如一个从机同时具有HID、CDC等复合功能，通过端点区分，避免冲突）
端点具有唯一性，其和从机的功能用途一一对应，主机按照端点的属性构建专用的端点通道进行通信；端点还标识了特定用途的数据传输方向
初次接入时，主从双方通过（Addr0, EP0）进行通信

主从双方构建读/写通信过程： 主机用默认端点0（EP0）创建通道枚举从机，根据描述符集中的其他端点创建对应通道访问其他功能

从机必须支持默认控制端点EP0，用于处理设备的配置和状态令牌，此外用其它端点来处理数据传输，如：批量（Bulk）、中断（Interrupt）、等时（Isochronous）或控制（Control）类型的端点。
初接入时，主机通过（Addr0, EP0）访问从机，创建EP0的端点通道，枚举并分配地址
而后主机使用（Addr1, EP0）重新枚举从机；根据从机提供的信息（端点、属性）创建相应的数据通道，定义通道读写方式。

主从双方通信过程： 一次完整的通信分为三个过程：请求过程（令牌包）、数据过程（数据包）和状态过程（握手包），没有数据要传输时，则跳过数据过程。每一次帧轮询周期，有以下三种通信过程情况：

主机发送令牌包（Token）开始请求过程，从机数据输入至主机，主机发送状态过程至从机
主机发送令牌包（Token）开始请求过程，主机数据输出至从机，从机回复状态过程至主机
主机发送令牌包（Token）开始请求过程，无数据传输，从机回复状态过程至主机

USB主从详细通信过程

在USB通信中，每个USB数据包开始之前，会发送前导码和同步码，确保接收方能够正确地同步并准备接收随后的数据。

每秒被分为1000个帧（Frame），主机在每帧开始前，会向所有从机广播帧起始令牌包（SOF包）

通知所有从机，主机的USB总线正常工作
使得从机可以同步主机的时序
USB高速设备主机将帧进一步等分为8个微帧，同一帧内，8个微帧的帧号都等于当前SOF包的帧号。
PID (Packet Identifier) 字段是每个包中的重要部分，用于标识数据包的类型和状态，通常位于数据包的头部，设计考虑了错误检测，其中高四位是低四位的二进制补码。

以下为SOF包结构：

#pragma data_alignment=1    //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Token_SOF_t{
    uint8_t  bPID;          // 0xA5, SOF（0101B）
    uint16_t b11FrameID:11; // 帧号
    uint16_t b5CRC:5;       // wFrameID字段（11bit）的CRC校验码
}USB_Token_SOF_t;

请求过程

主机广播SOF包之后，会发送带有地址和端点信息的令牌包（Token）来指定要访问的从机，分别有：建立令牌包（SETUP）、输出令牌包（OUT）、输入令牌包（IN）。

这三种令牌包统称为请求包，结构如下：

#pragma data_alignment=1    //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Token_t{
    uint8_t bPID;           // 0xE1, OUT    (0001B);
                               0x69, IN     (1001B);
                               0x2D, SETUP  (1101B);
    uint16_t b7Addr:7;      // 要访问的设备地址
    uint16_t b4Endpoint:4;  // 要访问的端点号
    uint16_t b5CRC:5;       // wFrameID字段（11bit）的CRC校验码
}USB_Token_t;

主机可以通过请求包指定要访问的从机，发起请求过程，配置从机或指示从机准备发送/接收数据。在枚举过程中，主机使用SETUP包请求从机的信息。枚举成功后，主机使用IN包请求输入数据，OUT包请求输出数据。
枚举时，在SETUP包的后面会紧跟一个8B长度的请求（Request），用于描述主机的具体意图，结构如下：

#pragma data_alignment=1    //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Request_t{
    uint8_t  bmRequestType; // 请求类型
    uint8_t  bRequest;      // 具体请求，参考USB 2.0 Spec Chapter 9.4
    uint16_t wValue;        // 内容和Request有关
    uint16_t wIndex;        // 内容和Request有关
    uint16_t wLength;       // 数据过程可传输的最大字节数
}USB_Request_t;

typedef struct _bmRequestType_t{
    uint8_t b5Recipient:5;  // 0 = Device, 1 = Interface
                               2 = Endpoint, 3 = Other
                               4..31 = Reserved
    uint8_t b2Type:2;       // 0 = Standard, 1 = Class
                               2 = Vendor, 3 = Reserved
    uint8_t b1Direction:1;  // 0 = Host-to-device
                               1 = Device-to-host
}bmRequestType_t;

数据过程

请求的bmRequestType字段中，Direction标志位声明了数据要传输的方向。
当请求为输出（Data OUT，Direction = 1）时，从机接收不超过wLength字段中声明长度的数据，并根据请求的内容解析接收到的数据；当请求为输入时（Data IN，Direction = 0）时，从机根据请求的内容发送对应的数据（不超过wLength中声明的长度）。
数据包（Data Packets）的结构如下：

#pragma data_alignment=1    //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Data_Packet_t{
    uint8_t bPID;           // 0xC3, DATA0 (0011B); even
                               0x4B, DATA1 (1011B); odd
                               0x87, DATA2 (0111B); for usb high speed
                               0x0F, MDATA (1111B); for usb high speed
    uint8_t bData[];        // 0 ~ 8192B
    uint16_t wCRC16;        // bData字段的CRC校验码
}USB_Data_Packet_t;

在USB全速设备中，数据包以DATA0、DATA1的PID交替发送。当接收方连续收到两个PID相同的DATA包时，就知道丢包了。DATA2与MDATA是USB高速设备所使用的PID

状态过程

#pragma data_alignment=1    //对齐方式为Byte
typedef struct _USB_Handshake_t{
    uint8_t bPID;           // 0xD2, ACK    (0010B); 确认接收
                               0x5A, NAK    (1010B); 没有数据要返回
                               0x1E, STALL  (1110B); 无法执行的请求
                               0x96, NYET   (0110B); 接收成功但无法
                            接收下一次数据，仅在usb高速设备中使用。下
                            次主机发送数据需要先发送PING包试探设备。
}USB_Handshake_t;

通信异常
当从机还没准备好时主机请求数据；从机收到未知请求；端点通信数据量溢出；主机不应发送的请求；或没有数据要发送等情况时，本轮通信会直接进入状态过程，从机发送NYET/ERR/STALL/NAK包。
当数据传输出错时，数据的发送方停止发送数据，直到本次通信超时。

USB通信过程小结

USB的帧结构允许主机在同一帧内与多个从机进行通信。

每个USB帧以一个SOF（Start Of Frame）包开始，它标志着一个新的帧周期的开始，帧周期通常是1毫秒。

在一个帧内，主机可以与多个从机进行通信，通过令牌包（Token Packet）来发起数据传输。
指定地址、端点

从机属性（USB描述符）

描述符集描述了从机的所有功能细节，包含唯一的设备描述符，至少一个配置描述符和接口描述符，每个接口描述符至少包含一个端点描述符，此外还有其他可选的特殊描述符进行补充。

USB描述符是用来描述USB设备特性的数据结构：
设备描述符（Device Descriptor）

描述整个USB设备的基本信息，如设备类型、版本号、制造商和产品信息等。

配置描述符（Configuration Descriptor）

描述设备的一个配置，包括设备如何被配置和使用的信息。一个配置描述符可以包含多个接口描述符。

接口描述符（Interface Descriptor）

描述设备的一个功能接口，如音频接口或HID接口。一个接口描述符可以包含多个端点描述符。

端点描述符（Endpoint Descriptor）

描述数据传输的端点，包括端点的地址、类型（如控制、批量、中断或同步流）和最大数据包大小等。
端点0通常用于控制传输，其他端点用于数据传输。

枚举的详细过程

USB设备接入后，主机复位从机，使用<addr0, EP0>构建端点通道（Pipe）请求设备描述符，从机发送完整的设备描述符或只发送前8B内容（当EP0最大包长度只有8B）；

主机分配唯一的设备地址并发送Set Address请求，收到应答后再次复位从机；

主机再次请求完整的设备描述符，当一次请求不足以获取完整的描述符，主机会请求多次；

主机请求完整的配置描述符；

根据设备描述符和配置描述符中声明的字符串描述符索引号，请求所有字符串描述符；

（可选）主机请求限定符描述符，当描述符中声明了支持更高速的USB协议时，主机复位从机，用新的USB协议重新枚举从机，当获取描述符失败时，认为从机不支持此功能，按原协议重新枚举并跳过此步骤；

根据配置描述符中声明的集合长度，请求配置集合。其中配置集合包括配置描述符、接口描述符、端点描述符以及特殊类描述符。当从机包含多个配置描述符集合时，会多次请求。

主机请求选择配置（Set Configuration）；

主机选择接口，请求接口空闲状态（Set Idle），此时接口生效。根据接口描述符，可能会请求其他的特殊描述符（一般这些描述符是对接口描述符的补充描述）。如果从机包含多个接口，此步骤会重复多次；

主机知道USB设备的类型、通信方式和工作方式后，采用恰当的对策轮询USB设备。在Windows平台，主机完成枚举后会给从机派发相应的驱动（符合官方支持的设备标准）或者不派发驱动（找不到对应驱动，需要手动安装）。

USB设备类别与业务应用

PD快充协议

用到专用标识快充的引脚

HID设备

人机交互设备，最早起源于USB，后面也扩展到蓝牙、Wi-Fi等领域概念中

UAC

SPK、MIC

CDC

//apps/soundbox/task

app-USB设备事件》从机事件》 cdc处理

疑惑解答及扩展思考

USB2.0接口皆只有Vcc、GND、D+、D-四个引脚，为何有低速、全速、高速之分？

低速（Low-Speed）：1.5 Mbps（兆比特每秒）
全速（Full-Speed）：12 Mbps
高速（High-Speed）：480 Mbps

多种因素，包括硬件成本、功耗、散热、应用需求、向后兼容性、技术复杂性等。

如键盘、鼠标等，仅用低速或全速设备即可；而USB闪存、U盘等，则需要全速/高速设备。

端点与描述符的区别与联系？

端点是USB设备中用于数据传输的实际逻辑通道。
描述符则是用来描述端点以及其他USB设备特性的数据结构。

USB描述符在USB通信的不同阶段都会被用到，如：
在设备枚举时，读取设备描述符；
配置设置时，通过读取配置描述符，并进行配置；
读取接口描述符，例如HID接口、UAC接口，可以激活或禁用特定接口；
端点配置，根据端点描述符配置数据传输；在数据传输过程中，主机使用端点描述符中提供的信息来控制数据的发送和接收。

雷电接口与USB接口的区别、联系？

USB：由多家公司合作开发，包括英特尔、微软、IBM等，目的是创建一个通用的接口标准
雷电接口：由英特尔和苹果公司合作开发，旨在提供一种高速数据传输接口

雷电接口：可以兼容USB设备，但提供了额外的功能和更高的性能。

USB接口的端点数受到什么限制？

为什么有些USB设备端点数有限？

Jindu-Chen