1.USB協議簡介

最近學習usb相關的知識，一直感覺入不了門，看linux那些事兒之我是usb，對usb協議也不是很熟悉，沒能堅持看下去，直到看了圈圈教你玩usb一書，把自己的興趣立馬提了起來，大牛圈圈用51單片機實現了usb鼠標鍵盤等設備，讓人非常佩服，51單片機自己還是很熟悉，大學玩了四年單片機，單片機來實現立馬感覺親切了許多，決定先從單片機入手學，後面再看linux那些事兒之我是usb，深入學習linux內核下usb，以下先介紹usb協議，內容整理來自usb spec、網絡和圈圈書中，文中也大量引用STM32官方的USB2.0協議文檔，歡迎批評指正。
USB（Universal Serial Bus）全稱通用串口總線，USB爲解決即插即用需求而誕生，支持熱插拔。USB協議版本有USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.1等，USB2.0目前比較常用，以下以2.0爲主介紹。由於USB是主從模式的結構，設備與設備之間、主機與主機之間不能互連，爲解決這個問題，擴大USB的應用範圍，出現了USB OTG，全拼 ON The Go。USB OTG 同一個設備，在不同的場合下可行在主機和從機之間切換。

1.1 USB特點：

USB1.0和USB1.1支持1.5Mb/s的低速模式和12Mb/bs的全速模式。在USB2.0以上支持480Mb/s的高速模式。應用如下：

1.2 USB設備供電方式:
USB設備有兩種供電方式
自供電設備：設備從外部電源獲取工作電壓
總線供電設備：設備從VBUS(5v) 取電
對總線供電設備，區分低功耗和高功耗USB設備
低功耗總線供電設備：最大功耗不超過100mA
高功耗總線供電設備：枚舉時最大功耗不超過100mA，枚舉完成配置結束後功耗不超過500mA
設備在枚舉過程中，通過設備的配置描述符向主機報告它的供電配置（自供電/總線供電）以及它的功耗要求
如下 USB 配置描述符（以Joystick爲例），後面具體介紹：

1.3 USB總線信號:
USB使用的是差分傳輸模式，兩個數據線D+和D-
差分信號1：D+ > VOH(min) (2.8V) 且D- < VOL(max)(0.3V)
差分信號0：D- > VOH and D+ < VOL

J狀態（高電平）：D+ 高，D- 低
K狀態（低電平）：D+低，D- 高
SEO狀態：D+ 低，D- 高
Reset信號：D+ and D- < VOL for >= 10ms
主機在要和設備通信之前會發送Reset信號來把設備設置到默認的未配置狀態。即主機拉低兩根信號線（SE0狀態）
並保持10ms
Idle狀態：J狀態數據發、送前後總線的狀態
Suspend狀態：3ms以上的J狀態
SYNC： 3個KJ狀態切換，後跟隨2位時間的K狀態（看到的波形變化是總線上發送0000 0001經過NRZI編碼後的波形）

Resume信號：20ms的K狀態+低速EOP
主機在掛起設備後可通過翻轉數據線上的極性並保持20ms來喚醒設備，並以低速EOP信號結尾
帶遠程喚醒功能的設備還可自己發起該喚醒信號；前提是設備已進入idle狀態至少5ms，然後發出喚醒K信號，維持1ms到15ms並由主機在1ms內接管來繼續驅動喚醒信號
SOP：從IDLE狀態切換到K狀態
EOP：持續2位時間的SE0信號，後跟隨1位時間的J狀態
Keep alive即低速EOP信號

1.4 USB插入檢測和速度檢測：

主機通過設備在D+或D-上的1.5K上拉來檢測設備的連接和斷開事件，並由此判別設備的速度
主機先把高速設備檢測爲全速設備，然後再通過“Chirp序列”的總線握手機制來識別高速和全速設備
USB連接和斷開連接：
設備連上主機時(連接)
當主機檢測到某一個數據線電平拉高並保持了一段時間，就認爲有設備連上來了
主機必需在驅動SE0狀態以復位設備之前，立刻採樣總線狀態來判斷設備的速度

沒有設備連上主機時(斷開)
D+和D-數據線上的下拉電阻起作用，使得二者都在低電平；主機端看來就是個SE0狀態；同樣地，當數據線上的SE0狀態持續一段時間了，就被主機認爲是斷開狀態

1.5 數據編解碼和位填充
USB採用NRZI（非歸零編碼）對發送的數據包進行編碼
輸入數據0，編碼成“電平翻轉”
輸入數據1，編碼成“電平不變”
編碼出來的序列，高電平：J狀態；低電平：K狀態

位填充是爲了保證發送的數據序列中有足夠多的電平變化
填充的對象是（輸入數據），即先填充再編碼
數據流中每6個連續的“1”，就要插入1個“0”，從而保證編碼
數據出現電平變化
接收方賦值解碼NRZI碼流，然後識別出填充位，並丟棄它們

2. USB傳輸
一個傳輸有多個事務組成，一個事務由2/3個包組成。
傳輸又分爲四種類型：批量傳輸、等時(同步)傳輸、中斷傳輸、控制傳輸。
注意：USB傳輸數據先發數據低位再發高位數據

2.1 包
包的組成：

包的內容：

Packet分四大類：命令 (Token) 、Packet 幀首 (Start of Frame) 、Packet 數據 (Data) 、Packet 握手 (Handshake) Packet

不同類型包，以上的組成部件有所不同

PID：

這裏只用（PID0~4）,PID4~7是PID0~4的取反，用來校驗PID
PID1~0：01 令牌包、11 數據包、10 握手包、00 特殊包

地址：

幀號：

數據:

CRC:

四種Packet類型之令牌包(Token Packet):
令牌包用來啓動一次USB傳輸。
輸出（OUT）令牌包：用來通知設備將要輸出一個數據包
輸入（IN）令牌包：用來通知設備返回一個數據包
建立（SETUP）令牌包：只用在控制傳輸中，和輸出令牌包作用一樣，也是通知設備將要輸出一個數據包，兩者區別在於:
SETUP令牌包後只使用DATA0數據包，且只能發送到設備的控制端點，並且設備必須要接收，而OUT令牌包沒有這些限制

例子：

四種Packet類型之SOF Packet
幀起始包：在每幀（或微幀）開始時發送，以廣播的形式發送，所有USB全速設備和高速設備都可以接收到SOF包。

例子：

0xA5：1010 0101：對應上面PID表可知是幀起始包
四種Packet類型之Data Packet

例子：

四種Packet類型之Handshake Packet

例子：

2.2 事務
Transaction可以分成三類
Setup transaction：主機用來向設備發送控制命令
Data IN transaction：主機用來從設備讀取數據
Data OUT transaction：主機用來向設備發送數據
Transaction的packet組成
Token packet：總是由主機發出
Data packet：包含此次transaction的數據負載
可選的Handshake packet
例子：

2.3 傳輸
USB協議定義了四種傳輸類型：
批量(大容量數據)傳輸(Bulk Transfers): 非週期性，突發
大容量數據的通信，數據可以佔用任意帶寬，並容忍延遲。如USB打印機、掃描儀、大容量儲存設備等
中斷傳輸(Interrupt Transfers): 週期性，低頻率
允許有限延遲的通信如人機接口設備（HID）中的鼠標、鍵盤、軌跡球等
等時(同步)傳輸(Isochronous Transfers): 週期性
持續性的傳輸，用於傳輸與時效相關的信息，並且在數據中保存時間戳的信息 ,如音頻視頻設備
控制傳輸(Control Transfers): 非週期性，突發
用於命令和狀態的傳輸
2.3.1 批量傳輸
批量輸出事務，(1)主機先發出一個OUT令牌包（包含設備地址，端點號），(2)然後再發送一個DATA包，這時地址和端點匹配的設備就會收下這個數據包，主機切換到接收模式，等待設備返回握手包，（3）設備解碼令牌包，數據包都準確無誤，並且有足夠的緩衝區來保存數據後就會使用ACK/NYET握手包來應答主機（只有高速模式纔有NYET握手包，他表示本次數據成功接收，但是沒有能力接收下一次傳輸），如果沒有足夠的緩衝區來保存數據，就返回NAC，告訴主機目前沒有緩衝區可用，主機會在稍後時間重新該批量傳輸事務。如果設備檢查到數據正確，但端點處於掛起狀態，返回STALL。如果檢測到有錯誤（如校驗錯誤，位填充錯誤），則不做任何響應，讓主機等待超時。
批量輸入事務，(1)主機首先發送一個IN令牌包（包含設備地址，端點號），（2）主機切換到接收數據狀態等待設備返回數據。如果設備檢測到錯誤，不做任何響應，主機等待超時。如果此時有地址和端點匹配的設備，並且沒有檢測到錯誤，則該設備作出反應：設備有數據需要返回，就將一個數據包放在總線上；如果沒有數據需要返回，設備返回NAK響應主機；如果該端點處於掛起狀態，設備返回STALL。如果主機收到設備發送的數據包並解碼正確後，使用ACK握手包應答設備。如果主機檢測到錯誤，則不做任何響應，設備會檢測到超時。注意：USB協議規定，不允許主機使用NAK來拒絕接收數據包。主機收到NAK，知道設備暫時沒有數據返回，主機會在稍後時間重新該批量輸入事務。

PING令牌包，它不發送數據，直到等待設備的握手包。

2.3.2 中斷傳輸
中斷傳輸是一種保證查詢頻率的傳輸。中斷端點在端點描述符中要報告它的查詢間隔，主機會保證在小於
這個時間間隔的範圍內安排一次傳輸。

2.3.3 等時傳輸
等時（同步）傳輸用在數據量大、對實時性要求高的場合，如音頻設備，視頻設備等，這些設備對數據的延遲很敏感。對於音頻或視頻設備數據的100%正確性要求不高，少量的數據錯誤是可以容忍的，主要是保證數據不能停頓，所以等時傳輸是不保證數據100%正確的。當數據錯誤時，不再重傳操作。因此等時傳輸沒有應答包，數據是否正確，由數據的CRC校驗來確認。

2.3.4 控制傳輸
控制傳輸可分爲三個過程：（1）建立過程（2）數據過程（可選）（3）狀態過程
特性:
每個USB設備都必須有控制端點，支持控制傳輸來進行命令和狀態的傳輸。USB主機驅動將通過控制傳輸與USB設備的控制端點通信，完成USB設備的枚舉和配置
方向:
控制傳輸是雙向的傳輸，必須有IN和OUT兩個方向上的特定端點號的控制端點來完成兩個方向上的控制傳輸

數據的拆分和數據傳輸完畢的判定
以高速設備的最大數據包長度64字節爲例
要傳輸250字節，拆分成4個packet

要傳輸正好256字節，通過最後一個0字節包告訴設備傳輸完成

各種傳輸特性比較

3. USB標準請求
3.1 USB標準請求的數據結構

3.2 USB 設備枚舉及描述符介紹
當一個USB設備插入主機後，會有以下活動:

include/uapi/linux/usb/ch9.h
/* USB_DT_DEVICE: Device descriptor */
struct usb_device_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __le16 bcdUSB;
    __u8  bDeviceClass;
    __u8  bDeviceSubClass;
    __u8  bDeviceProtocol;
    __u8  bMaxPacketSize0;
    __le16 idVendor;
    __le16 idProduct;
    __le16 bcdDevice;
    __u8  iManufacturer;
    __u8  iProduct;
    __u8  iSerialNumber;
    __u8  bNumConfigurations;
} __attribute__ ((packed));

#define USB_DT_DEVICE_SIZE        18

struct usb_config_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __le16 wTotalLength;
    __u8  bNumInterfaces;
    __u8  bConfigurationValue;
    __u8  iConfiguration;
    __u8  bmAttributes;
    __u8  bMaxPower;
} __attribute__ ((packed));

#define USB_DT_CONFIG_SIZE        9

/* USB_DT_INTERFACE: Interface descriptor */
struct usb_interface_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __u8  bInterfaceNumber;
    __u8  bAlternateSetting;
    __u8  bNumEndpoints;
    __u8  bInterfaceClass;
    __u8  bInterfaceSubClass;
    __u8  bInterfaceProtocol;
    __u8  iInterface;
} __attribute__ ((packed));

#define USB_DT_INTERFACE_SIZE        9

/* USB_DT_ENDPOINT: Endpoint descriptor */
struct usb_endpoint_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __u8  bEndpointAddress;
    __u8  bmAttributes;
    __le16 wMaxPacketSize;
    __u8  bInterval;

    /* NOTE:  these two are _only_ in audio endpoints. */
    /* use USB_DT_ENDPOINT*_SIZE in bLength, not sizeof. */
    __u8  bRefresh;
    __u8  bSynchAddress;
} __attribute__ ((packed));

#define USB_DT_ENDPOINT_SIZE        7
#define USB_DT_ENDPOINT_AUDIO_SIZE    9    /* Audio extension */

/* USB_DT_STRING: String descriptor */
struct usb_string_descriptor {
    __u8  bLength;
    __u8  bDescriptorType;

    __le16 wData[1];        /* UTF-16LE encoded */
} __attribute__ ((packed));

/* note that "string" zero is special, it holds language codes that
 * the device supports, not Unicode characters.
 */

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