简单了解USB通信协议

一、拓扑结构

在一个USB通信系统中，只能有一个主机存在，USB通信只存在于主机和设备之间 ，每次通信都必须由主机发起 ，而设备和设备之间无法通信 。如图1，USB系统是一个分层的星型拓扑结构，可以使用hub来扩展设备。

图1

二、逻辑部件

如图2， 在设备端的通信传输最终呈现在端点上， 端点在物理上就是一块特殊的内存区域 ，它特殊就特殊在：既可以被CPU访问（也就是通过写程序用地址访问），也 可以被USB硬件引擎访问（ 因此称之为 硬件缓冲区）。 最底层通信管道就是在设备的端点和主机应用程序的缓存之间进行。

图2

三、电气特性

使用差分线传输， 差分线上的信号不是原始数据，是经过了NRZI编码的 （关于NRZI编码此处不展开了，很简单的编码，网上也有非常多的资料） ，并且还加了位填充 （防止长时间电平不变化不利于信号接收的同步）

四、插入检测机制

主机端，差分线D+、D-都做了弱下拉处理。设备端，会在D+或D-上进行上拉处理，具体的，全速和高速设备对D+上拉，低速设备对D-上拉。因此 主机通过判断差分线的电平来进行插入检测，任意一根线的电平被拉高说明有设备插入 。

五、描述符

描述符就是设备记录自己的信息， 在程序中以结构体作为容器进行存储 。对USB1.1来说，有 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。具体细节不展开

六、枚举过程

枚举使用控制传输，这里只罗列一下大概的内容：

1.设备插入后，主机对设备复位。 设备复位后地址变为0，主机使用地址0与其通信 ，获取设备描述符的前8个字节，主机就此得知端点0的最大包长度

2.主机再次对设备复位，给设备分配一个地址。此后访问该设备使用分配的地址而不是地址0

3.主机再次获取设备描述符，需要获取设备描述符的全部字节

4.主机获取配置描述符，然后根据配置描述符中描述的配置集合总长度，获取配置集合

以上过程参考图3

图3

七、传输数据的层次结构

参考图4，

1.结构从上到下为Transfer（传输） Transaction（事务） Packet（包）

2.一次传输可以包含一个或多个事务 （ 控制传输包含三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，中间的数据过程可能包含多个事务 ；其他三种传输，批量传输、同步传输、中断传输，一次传输只包含一个事务）， 一个事务一般包含两个或三个包 （令牌包、数据包、握手包， 同步传输中的事务没有握手包 ）

图4

八、包

包是传输的最基本单元

1.包的类型：分为令牌包、数据包、握手包，SOF包（表示帧首）属于令牌包

2.包的组成：参考图5，

（1）由四个部分组成：SOP, SYNC, Packet Content, EOP；其中SOP SYNC EOP为总线信号

**注意这里的SOP是包起始信号(start of packet)，和SOF包是两回事(start of frame) **

图5

（2）包的内容即以上Packet Content的展开

一个包可能总共包含五个域，其中 PID域指示了当前包的类型 ，如图6， 不同类型的包其包内容包含1到5个域之间 ，此处具体不展开

图6

3.数据包类型的pid切换机制（ data pid toggle ）

数据包有4种pid：DATA0、DATA1、DATA2、DATAM。在传输数据包的过程中，如果发送或者接收成功，发生数据包类型的pid切换，这是一个传输检错机制 ，此处不展开

九、事务

1.事务由两个或三个包组成：令牌包、数据包、握手包

2.同步传输中的事务没有握手包

3.批量传输、同步传输、中断传输的一次传输就是一个事务组成；控制传输由三个过程(stage)组成：建立过程和状态过程各自为一个事务，数据过程则可能包含多个事务

十、传输

四种类型的传输：控制传输、批量传输、同步传输、中断传输

1.控制传输：每个USB设备都必须有控制端点，支持控制传输来进行命令和状态的传输。USB主机驱动将通过控制传输与USB设备的控制端点通信，完成USB设备的枚举和配置

2.批量传输：适合大数据量传输但对实时性没有严格要求的应用，如U盘

3.同步传输：不做握手，速度快，数据易丢失。适合对实时性要求高但可以容忍少量数据错误的应用，如音频、视频

4.中断传输：适合数据量小、需要周期性通信的应用，如鼠标、键盘