USB通信協(xié)議

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）、支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。在1994年底由英特爾、IBM、Microsoft等公司聯(lián)合提出的，在此之前PC的接口雜亂，擴(kuò)展能力差，熱拔插不支持等。USB正是為了解決速度，擴(kuò)展能力，易用性等而出現(xiàn)的，本文闡述了usb 協(xié)議的特點(diǎn)及其四種傳輸模式。
1. usb的特點(diǎn)

USB 接口有4根線，兩根電源及兩根信號(hào)，Standard A類型的接口定義 如下
一般的排列方式是：紅白綠黑從左到右
紅色－USB電源：標(biāo)有－VCC、Power、5V、5VSB字樣
綠色－USB數(shù)據(jù)線：（正）－DATA+、USBD+、PD+、USBDT+
白色－USB數(shù)據(jù)線：（負(fù)）－DATA-、USBD-、PD-、USBDT+
黑色－地線：GND、Ground
1.1 Usb的四層描述符
USB協(xié)議采取主從模式，從設(shè)備端沒有主動(dòng)通知USB主機(jī)端的能力，從機(jī)插入后，主機(jī)控制器根據(jù)協(xié)議，獲取設(shè)備描述符及驅(qū)動(dòng)匹配。 每個(gè)usb設(shè)備可以有一個(gè)或多個(gè)配置（config），不同的配置的體現(xiàn)即不同的組合接口。 接口（interface）是一個(gè)邏輯概念，接口之間通常是隔離的，互相不干擾。 端點(diǎn)（endpoint）是usb設(shè)備的唯一可識(shí)別部分，也是host和device之間的通信流的終點(diǎn)。它是一個(gè)host或device上的一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放和發(fā)送usb的各種數(shù)據(jù)。每個(gè)端點(diǎn)都是一個(gè)單一連接，支持一個(gè)方向的數(shù)據(jù)流（in: device→host）（out: host→device）。 端點(diǎn)0：所有的usb設(shè)備都要擁有端點(diǎn)0，該端點(diǎn)用于對(duì)一個(gè)邏輯設(shè)備進(jìn)行配置。端點(diǎn)0支持控制傳輸，且總是在設(shè)備接入和上電時(shí)就進(jìn)行配置。
一個(gè)設(shè)備通常有一個(gè)或多個(gè)配置；
一個(gè)配置通常有一個(gè)或多個(gè)接口；
一個(gè)接口通常有一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)。

》設(shè)備描述符
/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor /
struct usb_device_descriptor {
__u8 bLength; //本結(jié)構(gòu)體大小
__u8 bDescriptorType; //描述符類型
__le16 bcdUSB; //usb版本號(hào) 200->USB2.0
__u8 bDeviceClass; //設(shè)備類
__u8 bDeviceSubClass; //設(shè)備類子類
__u8 bDeviceProtocol; //設(shè)備協(xié)議，以上三點(diǎn)都是USB官方定義
__u8 bMaxPacketSize0; //端點(diǎn)0最大包大小
__le16 idVendor; //廠家id
__le16 idProduct; //產(chǎn)品id
__le16 bcdDevice; //設(shè)備出廠編號(hào)
__u8 iManufacturer; //設(shè)備廠商字符串索引
__u8 iProduct; //產(chǎn)品描述
__u8 iSerialNumber; //設(shè)備序列號(hào)字符串索引
__u8 bNumConfigurations; //配置的個(gè)數(shù)
} attribute ((packed));
》配置描述符
/ USB_DT_CONFIG: Config descriptor /
struct usb_config_descriptor {
__u8 bLength; //自身長(zhǎng)度
__u8 bDescriptorType;//描述符類型（0x02)
__le16 wTotalLength; //該配置下，信息的總長(zhǎng)度
__u8 bNumInterfaces; //接口的個(gè)數(shù)
__u8 bConfigurationValue; //Set_Configuration命令所需要的參數(shù)值
__u8 iConfiguration; //描述該配置的字符串的索引值
__u8 bmAttributes;//供電模式的選擇
__u8 bMaxPower;//設(shè)備從總線提取的最大電流
} attribute ((packed));
》接口描述符
/ USB_DT_INTERFACE: Interface descriptor */
struct usb_interface_descriptor {
__u8 bLength;
__u8 bDescriptorType;//接口描述符的類型編號(hào)(0x04）
__u8 bInterfaceNumber; //該接口的編號(hào)
__u8 bAlternateSetting; //備用的接口描述符編號(hào)
__u8 bNumEndpoints; //該接口使用的端點(diǎn)數(shù)，不包括端點(diǎn)0
__u8 bInterfaceClass; //接口類
__u8 bInterfaceSubClass; //子類
__u8 bInterfaceProtocol; //協(xié)議
__u8 iInterface;//描述該接口的字符串索引值
} attribute ((packed));

》端點(diǎn)描述符
/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
struct usb_endpoint_descriptor {
__u8 bLength;//端點(diǎn)描述符字節(jié)數(shù)大?。?個(gè)字節(jié)）
__u8 bDescriptorType;//端點(diǎn)描述符類型編號(hào)（0x05)
__u8 bEndpointAddress; //端點(diǎn)地址及輸入輸出屬性
__u8 bmAttributes; //屬性，包含端點(diǎn)的傳輸類型，控制，中斷…
__le16 wMaxPacketSize; //端點(diǎn)收、發(fā)的最大包大小
__u8 bInterval; //主機(jī)查詢端點(diǎn)的時(shí)間間隔
__u8 bRefresh;
__u8 bSynchAddress;
} attribute ((packed));
1.2 USB 結(jié)構(gòu)及通信形式

USB總線是一個(gè)單主方式的實(shí)現(xiàn)，是一種輪詢方式的總線，為樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)議規(guī)定所有的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)發(fā)起，host controller初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸，各種設(shè)備緊緊圍繞在主機(jī)周圍。

USB通信最基本的形式是通過USB設(shè)備里一個(gè)叫endpoint的端點(diǎn)（可以理解為硬件寄存器或者buff），而主機(jī)和endpoint之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過pipe，pipe通信有兩種，一種是stream，另一種是message，協(xié)議中規(guī)定：message管道要求從它那兒過的數(shù)據(jù)必須具有一定的格式，message管道必須對(duì)應(yīng)兩個(gè)相同號(hào)碼的端點(diǎn)，一個(gè)用來in，一個(gè)用來out，咱們的缺省管道就是message管道，當(dāng)然，與缺省管道對(duì)應(yīng)的端點(diǎn)0就必須是兩個(gè)具有同樣端點(diǎn)號(hào)0的端點(diǎn)。

一個(gè)USB邏輯設(shè)備就是一系列端點(diǎn)（endpoint）的集合，它與主機(jī)之間的通信發(fā)生在主機(jī)上的一個(gè)緩沖區(qū)和設(shè)備上的一個(gè)端點(diǎn)之間，通過管道來傳輸數(shù)據(jù)。管道的一端是主機(jī)上的一個(gè)緩沖區(qū)，另一端是設(shè)備上的端點(diǎn) ，構(gòu)成一個(gè)通信信道。
2. USB 四種通信方式
USB endpoint有四種類型，分別對(duì)應(yīng)了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。它們是控制傳輸（Control Transfers），中斷傳輸（Interrupt Data Transfers），批量傳輸(Bulk Data Transfers)，等時(shí)傳輸(Isochronous Data Transfers)。其中批量傳輸、等時(shí)傳輸和中斷傳輸每傳輸一次數(shù)據(jù)都是一個(gè)事務(wù)；控制傳輸包括三個(gè)過程，建立過程和狀態(tài)過程分別是一個(gè)事務(wù)，數(shù)據(jù)過程則可能包含多個(gè)事務(wù)。從usb設(shè)備端來看，也可以把端點(diǎn)分為四種類型為控制端點(diǎn)、中斷端點(diǎn)、批量端點(diǎn)、等時(shí)端點(diǎn)。USB傳輸數(shù)據(jù)先發(fā)數(shù)據(jù)低位（LSB），再發(fā)高位數(shù)據(jù)（MSB）
2.1 控制傳輸
控制傳輸用來控制對(duì)USB設(shè)備不同部分的訪問，通常用于配置設(shè)備，獲取設(shè)備信息，發(fā)送命令到設(shè)備，或者獲取設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告?？傊褪怯脕韨魉涂刂菩畔⒌模總€(gè)USB設(shè)備都會(huì)有一個(gè)endpoint 0的控制端點(diǎn)，內(nèi)核里的USB core使用它在設(shè)備插入時(shí)進(jìn)行設(shè)備的配置，它會(huì)一種等待著USB core發(fā)送控制命令。
控制傳輸分為三個(gè)過程：
建立過程使用一個(gè)建立事務(wù)。建立事務(wù)是一個(gè)輸出數(shù)據(jù)包的過程，需要注意的點(diǎn)有：
? 首先是令牌包，建立過程使用SETUP令牌包；
? 其次是數(shù)據(jù)包類型，SETUP只能使用DATA0包；
? 最后是握手，設(shè)備只能采用ACK來應(yīng)答（錯(cuò)了的情況不應(yīng)答），不能使用NAK或者STALL來應(yīng)答，即設(shè)備必須要接受建立事務(wù)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)過程是可選的，即一個(gè)控制傳輸可能沒有數(shù)據(jù)過程。如果有，一個(gè)數(shù)據(jù)過程可以包含一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)事務(wù)，需要注意的是：
? 首先所有的數(shù)據(jù)事務(wù)必須是同一個(gè)方向的（在控制讀傳輸中，數(shù)據(jù)過程中的所有數(shù)據(jù)事務(wù)都必須是輸入的；在控制寫傳輸中，數(shù)據(jù)過程中的所有數(shù)據(jù)都必須是輸出的）；
? 其次，一旦數(shù)據(jù)傳輸方向改變，就會(huì)認(rèn)為進(jìn)入到狀態(tài)過程，狀態(tài)過程的第一個(gè)數(shù)據(jù)包必須是DATA1包；
? 最后，每次爭(zhēng)取傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包后就在DATA0和DATA1之間交換。
在這里插入圖片描述

控制傳輸?shù)腟tatus階段是序列中的最后一個(gè)事務(wù)，狀態(tài)階段由前一階段的數(shù)據(jù)流方向改變描繪，并始終使用DATA1 PID。

獲取設(shè)備描述符為控制傳輸，由5個(gè)事務(wù)組成，分別是SETUP、IN、IN、IN、OUT，具體過程如下：

2.2 批量傳輸
批事務(wù)量
{In/Out Data Packet
@令牌包（In/Out token)
@數(shù)據(jù)包 (In/Out data）
@握手包 (Out/In ack)
}

批量傳輸用來傳輸大量的數(shù)據(jù)，確保沒有數(shù)據(jù)丟失，并不保證在特定的時(shí)間內(nèi)完成。U盤使用的就是批量傳輸，咱們用它備份數(shù)據(jù)時(shí)需要確保數(shù)據(jù)不能丟，而且也不能指望它能在一個(gè)固定的比較快的時(shí)間內(nèi)拷貝完。
? 批量輸出（批量寫）時(shí)， Out Token→Out Data→ACK/NYET/NAK/STALL，其中ACK代表接收正常，且可以接收下次傳輸；NYET代表本次數(shù)據(jù)成功接收，但沒能力接收下一次傳輸；NAK表示沒有足夠的緩沖區(qū)來保存數(shù)據(jù)；STALL表示數(shù)據(jù)接收，但是端點(diǎn)處于掛起狀態(tài)。
? 批量輸入（批量讀）時(shí)，In Token→In Data→ACK /NAK/STALL，與批量寫不同，主機(jī)發(fā)送In令牌包后，若設(shè)備檢測(cè)到錯(cuò)誤，則不做任何響應(yīng)，主機(jī)等待超時(shí)。若設(shè)備沒有檢測(cè)到地址端點(diǎn)等錯(cuò)誤，但是設(shè)備又沒有數(shù)據(jù)需要返回，那么設(shè)備就會(huì)返回NAK直接響應(yīng)主機(jī)；若改端點(diǎn)處于掛起狀態(tài)，返回STALL給主機(jī)；若主機(jī)正確接收到數(shù)據(jù)后，主機(jī)返回ACK應(yīng)答設(shè)備，同樣的，主機(jī)檢測(cè)到錯(cuò)誤則不做出響應(yīng)，設(shè)備檢測(cè)超時(shí)。USB協(xié)議規(guī)定，不允許主機(jī)使用NAK拒絕接收數(shù)據(jù)包。
2.3 中斷傳輸

中斷事務(wù)
{In/Out Data Packet
@令牌包（In/Out token)
@數(shù)據(jù)包(In/Out data)
@握手包(Out/In ack)
}

中斷傳輸是一種保證查詢頻率的傳輸，用來以一個(gè)固定的速率傳送少量的數(shù)據(jù)。中斷端點(diǎn)在端點(diǎn)描述符中要報(bào)告它的查詢時(shí)間，主機(jī)會(huì)保證在小于這個(gè)事件間隔的范圍內(nèi)安排一次傳輸，USB鍵盤和USB鼠標(biāo)使用的就是這種方式，USB的觸摸屏也是，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含了坐標(biāo)信息。

中斷傳輸不是由設(shè)備主動(dòng)的發(fā)出一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求，而是由主機(jī)保證不大于某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)安排一次傳輸。中斷傳輸通常用在數(shù)據(jù)量不大，但是對(duì)時(shí)間要求較嚴(yán)格的設(shè)備。中斷傳輸也可以用來不停的檢查某個(gè)狀態(tài)，當(dāng)條件滿足后再用批量傳輸，除了對(duì)端點(diǎn)查詢的策略上不一樣之外，中斷傳輸和批量傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)基本上是一樣的。
2.4 等時(shí)傳輸

等時(shí)事務(wù)
{In/Out Data Packet
@令牌包（In/Out token)
@數(shù)據(jù)包 (In/Out data）
}

等時(shí)傳輸使用等時(shí)事務(wù)（Isochronous Transactions）來傳輸數(shù)據(jù)。同樣用來傳輸大量的數(shù)據(jù)，但并不保證數(shù)據(jù)是否到達(dá)，以穩(wěn)定的速率發(fā)送和接收實(shí)時(shí)的信息，對(duì)傳送延遲非常敏感。用在數(shù)據(jù)量大、對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，例如音頻設(shè)備、視屏設(shè)備等，這些設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)敏感，期望能夠有個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流。對(duì)音頻或者視屏設(shè)備來說，對(duì)數(shù)據(jù)的100%正確要求不高，少量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤還是能夠容忍的，主要是要保證不能停頓；所以等時(shí)傳輸是不保證數(shù)據(jù)100%正確的。當(dāng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，并不能進(jìn)行重傳操作。因此等時(shí)傳輸也就沒有應(yīng)答包，并不進(jìn)行重傳操作。數(shù)據(jù)是否正確，可以由數(shù)據(jù)包的CRC校驗(yàn)來確認(rèn)。至于出錯(cuò)的數(shù)據(jù)如何處理,是由軟件來決定的。
控制傳輸
{Setup Packet(建立階段)
@令牌包（setup token）-(out) @數(shù)據(jù)包(Setup data) -(out) @握手包(ack) - (in)
}
{In/Out Data Packet(可選數(shù)階段據(jù))
@(令牌包（In/Out token) @數(shù)據(jù)包(In/Out data) @握手包(Out/In ack)
}
{Out/In Stautus Packet(狀態(tài)階段)
@(令牌包（Out/In token) @數(shù)據(jù)包(Out/In data) @握手包( In/Out ack)
}

審核編輯黃昊宇