爲初學者補充USB基本知識

USB的重要關鍵字:
1、端點：位於USB設備或主機上的一個數據緩衝區，用來存放和發送USB的各種數據，每一個端點都有惟一的確定地址，有不同

的傳輸特性（如輸入端點、輸出端點、配置端點、批量傳輸端點）
2、幀：時間概念，在USB中，一幀就是1MS，它是一個獨立的單元，包含了一系列總線動作，USB將1幀分爲好幾份，每一份中是

一個USB的傳輸動作。
3、上行、下行：設備到主機爲上行，主機到設備爲下行
 
下面以一問一答的形式開始學習吧。
 
問題一：USB的傳輸線結構是如何的呢？
答案一：一條USB的傳輸線分別由地線、電源線、D+、D-四條線構成，D+和D-是差分輸入線，它使用的是3.3V的電壓（注意哦，

與CMOS的5V電平不同），而電源線和地線可向設備提供5V電壓，最大電流爲500MA（可以在編程中設置的，至於硬件的實現機制

，就不要管它了）。
 
問題二：數據是如何在USB傳輸線裏面傳送的
答案二：數據在USB線裏傳送是由低位到高位發送的。
 
問題三：USB的編碼方案？
答案三：USB採用不歸零取反來傳輸數據，當傳輸線上的差分數據輸入0時就取反，輸入1時就保持原值，爲了確保信號發送的準

確性，當在USB總線上發送一個包時，傳輸設備就要進行位插入***作（即在數據流中每連續6個1後就插入一個0），從而強迫

NRZI碼發生變化。這個瞭解就行了，這些是由專門硬件處理的。
 
問題四：USB的數據格式是怎麼樣的呢？
答案四：和其他的一樣，USB數據是由二進制數字串構成的，首先數字串構成域（有七種），域再構成包，包再構成事務（IN、

OUT、SETUP），事務最後構成傳輸（中斷傳輸、並行傳輸、批量傳輸和控制傳輸）。下面簡單介紹一下域、包、事務、傳輸，請

注意他們之間的關係。
（一）域：是USB數據最小的單位，由若干位組成（至於是多少位由具體的域決定），域可分爲七個類型：
1、同步域（SYNC），八位，值固定爲0000 0001，用於本地時鐘與輸入同步
2、標識域（PID），由四位標識符+四位標識符反碼構成，表明包的類型和格式，這是一個很重要的部分，這裏可以計算出，USB

的標識碼有16種，具體分類請看問題五。
3、地址域（ADDR）：七位地址，代表了設備在主機上的地址，地址000 0000被命名爲零地址，是任何一個設備第一次連接到主

機時，在被主機配置、枚舉前的默認地址，由此可以知道爲什麼一個USB主機只能接127個設備的原因。
4、端點域（ENDP），四位，由此可知一個USB設備有的端點數量最大爲16個。
5、幀號域（FRAM），11位，每一個幀都有一個特定的幀號，幀號域最大容量0x800，對於同步傳輸有重要意義（同步傳輸爲四種

傳輸類型之一，請看下面）。
6、數據域（DATA）：長度爲0~1023字節，在不同的傳輸類型中，數據域的長度各不相同，但必須爲整數個字節的長度
7、校驗域（CRC）：對令牌包和數據包（對於包的分類請看下面）中非PID域進行校驗的一種方法，CRC校驗在通訊中應用很泛，

是一種很好的校驗方法，至於具體的校驗方法這裏就不多說，請查閱相關資料，只須注意CRC碼的除法是模2運算，不同於10進制

中的除法。
 
（二）包：由域構成的包有四種類型，分別是令牌包、數據包、握手包和特殊包，前面三種是重要的包，不同的包的域結構不同

，介紹如下
 
1、令牌包：可分爲輸入包、輸出包、設置包和幀起始包（注意這裏的輸入包是用於設置輸入命令的，輸出包是用來設置輸出命

令的，而不是放據數的）
其中輸入包、輸出包和設置包的格式都是一樣的：
SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校驗碼）
（上面的縮寫解釋請看上面域的介紹，PID碼的具體定義請看問題五）
幀起始包的格式：
SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校驗碼）
 
2、數據包：分爲DATA0包和DATA1包，當USB發送數據的時候，當一次發送的數據長度大於相應端點的容量時，就需要把數據包分

爲好幾個包，分批發送，DATA0包和DATA1包交替發送，即如果第一個數據包是 DATA0，那第二個數據包就是DATA1。但也有例外

情況，在同步傳輸中（四類傳輸類型中之一），所有的數據包都是爲DATA0，格式如下：
SYNC+PID+0~1023字節+CRC16
 
3、握手包：結構最爲簡單的包，格式如下
SYNC+PID
 
（註上面每種包都有不同類型的，USB1.1共定義了十種包，具體請見問題五）
 
（三）事務：分別有IN事務、OUT事務和SETUP事務三大事務，每一種事務都由令牌包、數據包、握手包三個階段構成，這裏用階

段的意思是因爲這些包的發送是有一定的時間先後順序的，事務的三個階段如下：
1、令牌包階段：啓動一個輸入、輸出或設置的事務
2、數據包階段：按輸入、輸出發送相應的數據
3、握手包階段：返回數據接收情況，在同步傳輸的IN和OUT事務中沒有這個階段，這是比較特殊的。
事務的三種類型如下（以下按三個階段來說明一個事務）：
1、 IN事務：
令牌包階段——主機發送一個PID爲IN的輸入包給設備，通知設備要往主機發送數據；
數據包階段——設備根據情況會作出三種反應（要注意：數據包階段也不總是傳送數據的，根據傳輸情況還會提前進入握手包階

段）
1） 設備端點正常，設備往入主機裏面發出數據包（DATA0與DATA1交替）；
2） 設備正在忙，無法往主機發出數據包就發送NAK無效包，IN事務提前結束，到了下一個IN事務才繼續；
3） 相應設備端點被禁止，發送錯誤包STALL包，事務也就提前結束了，總線進入空閒狀態。
握手包階段——主機正確接收到數據之後就會向設備發送ACK包。
 
2、 OUT事務：
令牌包階段——主機發送一個PID爲OUT的輸出包給設備，通知設備要接收數據；
數據包階段——比較簡單，就是主機會設備送數據，DATA0與DATA1交替
握手包階段——設備根據情況會作出三種反應
1）設備端點接收正確，設備往入主機返回ACK，通知主機可以發送新的數據，如果數據包發生了CRC校驗錯誤，將不返回任何握

手信息；
2） 設備正在忙，無法接收主機發出數據包就發送NAK無效包，通知主機再次發送數據；
3） 相應設備端點被禁止，發送錯誤包STALL包，事務提前結束，總線直接進入空閒狀態。
 
3、SETUT事務：
令牌包階段——主機發送一個PID爲SETUP的輸出包給設備，通知設備要接收數據；
數據包階段——比較簡單，就是主機會設備送數據，注意，這裏只有一個固定爲8個字節的DATA0包，這8個字節的內容就是標準

的USB設備請求命令（共有11條，具體請看問題七）
握手包階段——設備接收到主機的命令信息後，返回ACK，此後總線進入空閒狀態，並準備下一個傳輸（在SETUP事務後通常是一

個IN或OUT事務構成的傳輸）
 
（四）傳輸：傳輸由OUT、IN、SETUP事務其中的事務構成，傳輸有四種類型，中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸、控制傳輸，其中

中斷傳輸和批量轉輸的結構一樣，同步傳輸有最簡單的結構，而控制傳輸是最重要的也是最複雜的傳輸。
1、中斷傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於鍵盤、鼠標等HID設備的數據傳輸中
2、批量傳輸：由OUT事務和IN事務構成，用於大容量數據傳輸，沒有固定的傳輸速率，也不佔用帶寬，當總線忙時，USB會優先

進行其他類型的數據傳輸，而暫時停止批量轉輸。
3、同步傳輸：由OUT事務和IN事務構成，有兩個特殊地方，第一，在同步傳輸的IN和OUT事務中是沒有返回包階段的；第二，在

數據包階段所有的數據包都爲DATA0
4、控制傳輸：最重要的也是最複雜的傳輸，控制傳輸由三個階段構成（初始設置階段、可選數據階段、狀態信息步驟），每一

個階段可以看成一個的傳輸，也就是說控制傳輸其實是由三個傳輸構成的，用來於USB設備初次加接到主機之後，主機通過控制

傳輸來交換信息，設備地址和讀取設備的描述符，使得主機識別設備，並安裝相應的驅動程序，這是每一個USB開發者都要關心

的問題。
1、初始設置步驟：就是一個由SET事務構成的傳輸
2、可選數據步驟：就是一個由IN或OUT事務構成的傳輸，這個步驟是可選的，要看初始設置步驟有沒有要求讀/寫數據（由SET事

務的數據包階段發送的標準請求命令決定）
3、 狀態信息步驟：顧名思義，這個步驟就是要獲取狀態信息，由IN或OUT事務構成構成的傳輸，但是要注意這裏的IN和OUT事務

和之前的INT和OUT事務有兩點不同：
1） 傳輸方向相反，通常IN表示設備往主機送數據，OUT表示主機往設備送數據；在這裏，IN表示主機往設備送數據，而OUT表示

設備往主機送數據，這是爲了和可選數據步驟相結合；
2） 在這個步驟裏，數據包階段的數據包都是0長度的，即SYNC+PID+CRC16
除了以上兩點有區別外，其他的一樣，這裏就不多說
 
（思考：這些傳輸模式在實際***作中應如何通過什麼方式去設置？）
 
問題五：標識碼有哪些？
答案五：如同前面所說的標識碼由四位數據組成，因此可以表示十六種標識碼，在USB1.1規範裏面，只用了十種標識碼，USB2.0

使用了十六種標識碼，標識碼的作用是用來說明包的屬性的，標識碼是和包聯繫在一起的，首先簡單介紹一下數據包的類型，數

據包分爲令牌包、數據、握手包和特殊包四種（具體分類請看問題七），標識碼分別有以下十六種：
令牌包 :
0x01 輸出(OUT）啓動一個方向爲主機到設備的傳輸，幷包含了設備地址和標號
0x09 輸入 (IN) 啓動一個方向爲設備到主機的傳輸，幷包含了設備地址和標號
0x05 幀起始（SOF）表示一個幀的開始，並且包含了相應的幀號
0x0d 設置（SETUP）啓動一個控制傳輸，用於主機對設備的初始化
數據包 :
0x03 偶數據包（DATA0），
0x0b 奇數據包（DATA1）
握手包:
0x02 確認接收到無誤的數據包（ACK）
0x0a 無效，接收（發送）端正在忙而無法接收（發送）信息
0x0e 錯誤，端點被禁止或不支持控制管道請求
特殊包 0x0C 前導，用於啓動下行端口的低速設備的數據傳輸
 
問題六：USB主機是如何識別USB設備的？
答案六：當USB設備插上主機時，主機就通過一系列的動作來對設備進行枚舉配置（配置是屬於枚舉的一個態，態表示暫時的狀

態），這這些態如下：
1、接入態（Attached）：設備接入主機後，主機通過檢測信號線上的電平變化來發現設備的接入；
2、供電態（Powered）：就是給設備供電，分爲設備接入時的默認供電值，配置階段後的供電值（按數據中要求的最大值，可通

過編程設置）
3、缺省態（Default）：USB在被配置之前，通過缺省地址0與主機進行通信；
4、地址態（Address）：經過了配置，USB設備被複位後，就可以按主機分配給它的唯一地址來與主機通信，這種狀態就是地址

態；
5、配置態（Configured）：通過各種標準的USB請求命令來獲取設備的各種信息，並對設備的某此信息進行改變或設置。
6、掛起態（Suspended）：總線供電設備在3ms內沒有總線***作，即USB總線處於空閒狀態的話，該設備就要自動進入掛起狀態

，在進入掛起狀態後，總的電流功耗不超過280UA。
 
問題七：剛纔在答案四提到的標準的USB設備請求命令究竟是什麼？
答案七：標準的USB設備請求命令是用在控制傳輸中的“初始設置步驟”裏的數據包階段（即DATA0，由八個字節構成），請看回

問答四的內容。標準USB設備請求命令共有11個，大小都是8個字節，具有相同的結構，由5 個字段構成（字段是標準請求命令的

數據部分），結構如下（括號中的數字表示字節數，首字母bm,b,w分別表示位圖、字節，雙字節）：
bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2）
 
各字段的意義如下：
1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0
D7=0主機到設備
=1設備到主機；
D6D5=00標準請求命令
=01 類請求命令
=10用戶定義的命令
=11保留值
D4D3D2D1D0=00000 接收者爲設備
=00001 接收者爲接口
=00010 接收者爲端點
=00011 接收者爲其他接收者
=其他 其他值保留
2、bRequest：請求命令代碼，在標準的USB命令中，每一個命令都定義了編號，編號的值就爲字段的值，編號與命令名稱如下（

要注意這裏的命令代碼要與其他字段結合使用，可以說命令代碼是標準請求命令代碼的核心，正是因爲這些命令代碼而決定了11

個USB標準請求命令）：
0） 0 GET_STATUS：用來返回特定接收者的狀態
1） 1 CLEAR_FEATURE：用來清除或禁止接收者的某些特性
2） 3 SET_FEATURE：用來啓用或激活命令接收者的某些特性
3） 5 SET_ADDRESS：用來給設備分配地址
4） 6 GET_DEscriptOR：用於主機獲取設備的特定描述符
5） 7 SET_DEscriptOR：修改設備中有關的描述符，或者增加新的描述符
6） 8 GET_CONFIGURATION：用於主機獲取設備當前設備的配置值（注同上面的不同）
7） 9 SET_CONFIGURATION：用於主機指示設備採用的要求的配置
8） 10 GET_INTERFACE：用於獲取當前某個接口描述符編號
9） 11 SET_INTERFACE：用於主機要求設備用某個描述符來描述接口
10） 12 SYNCH_FRAME：用於設備設置和報告一個端點的同步幀
以上的11個命令要說得明白真的有一匹布那麼長，請各位去看書吧，這裏就不多說了，控制傳輸是USB的重心，而這11個命令是

控制傳輸的重心，所以這11個命令是重中之重，這個搞明白了，USB就算是入門了。
 
問題八：在標準的USB請求命令中，經常會看到Descriptor，這是什麼來的呢？
回答八：Descriptor即描述符，是一個完整的數據結構，可以通過C語言等編程實現，並存儲在USB設備中，用於描述一個USB設

備的所有屬性，USB主機是通過一系列命令來要求設備發送這些信息的。它的作用就是通過如問答節中的命令***作來給主機傳遞

信息，從而讓主機知道設備具有什麼功能、屬於哪一類設備、要佔用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數據量的大小，只有主機確

定了這些信息之後，設備才能真正開始工作，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。標準的描述符有5種，USB爲這些描

述符定義了編號：
1——設備描述符
2——配置描述符
3——字符描述符
4——接口描述符
5——端點描述符
上面的描述符之間有一定的關係，一個設備只有一個設備描述符，而一個設備描述符可以包含多個配置描述符，而一個配置描述

符可以包含多個接口描述符，一個接口使用了幾個端點，就有幾個端點描述符。這間描述符是用一定的字段構成的，分別如下說

明：
1、設備描述符
struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，爲0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，爲0x01
WORD bcdUSB; //USB版本號
BYTE bDeviceClass; //USB分配的設備類代碼，0x01~0xfe爲標準設備類，0xff爲廠商自定義類型
//0x00不是在設備描述符中定義的，如HID
BYTE bDeviceSubClass; //usb分配的子類代碼，同上，值由USB規定和分配的
BYTE bDeviceProtocl; //USB分配的設備協議代碼，同上
BYTE bMaxPacketSize0; //端點0的最大包的大小
WORD idVendor; //廠商編號
WORD idProduct; //產品編號
WORD bcdDevice; //設備出廠編號
BYTE iManufacturer; //描述廠商字符串的索引
BYTE iProduct; //描述產品字符串的索引
BYTE iSerialNumber; //描述設備序列號字符串的索引
BYTE bNumConfiguration; //可能的配置數量
}
 
 
2、配置描述符
struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，爲0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，爲0x01
WORD wTotalLength; //配置所返回的所有數量的大小
BYTE bNumInterface; //此配置所支持的接口數量
BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration命令需要的參數值
BYTE iConfiguration; //描述該配置的字符串的索引值
BYTE bmAttribute; //供電模式的選擇
BYTE MaxPower; //設備從總線提取的最大電流
}
 
3、字符描述符
struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，爲0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，爲0x01
BYTE SomeDescriptor[36]; //UNICODE編碼的字符串
}
 
4、接口描述符
struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，爲0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，爲0x01
BYTE bInterfaceNunber; //接口的編號
BYTE bAlternateSetting;//備用的接口描述符編號
BYTE bNumEndpoints; //該接口使用端點數，不包括端點0
BYTE bInterfaceClass; //接口類型
BYTE bInterfaceSubClass;//接口子類型
BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的協議
BYTE iInterface; //描述該接口的字符串索引值
}
 
5、端點描述符
struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT
{
BYTE bLength; //設備描述符的字節數大小，爲0x12
BYTE bDescriptorType; //描述符類型編號，爲0x01
BYTE bEndpointAddress; //端點地址及輸入輸出屬性
BYTE bmAttribute; //端點的傳輸類型屬性
WORD wMaxPacketSize; //端點收、發的最大包的大小
BYTE bInterval; //主機查詢端點的時間間隔
}

在搞明白了上面的八個問題之後，就可以進入USB的下一步學習了。

#define DEVICE_DESCRIPTOR               0x01  //設備描述符
#define CONFIGURATION_DESCRIPTOR        0x02  //配置描述符
#define STRING_DESCRIPTOR               0x03  //字符串描述符
#define INTERFACE_DESCRIPTOR            0x04  //接口描述符
#define ENDPOINT_DESCRIPTOR             0x05  //端點描述符

#define ENDPOINT_TYPE_CONTROL           0x00  //控制傳輸
#define ENDPOINT_TYPE_ISOCHRONOUS       0x01  //同步傳輸
#define ENDPOINT_TYPE_BULK              0x02  //批量傳輸
#define ENDPOINT_TYPE_INTERRUPT         0x03  //中斷傳輸