USB 基本知识

USB的重要关键概念:

端点：位于USB设备或主机上的一个数据缓冲区，用来存放和发送USB的各种数据，每一个端点都有惟一的确定地址，有不同的传输特性（如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点）设备支持端点的数量是有限制的，除默认端点外低速设备最多支持2组端点(2 个输入，2 个输出)，高速和全速设备最多支持15组端点。
帧：时间概念，在USB中，一帧就是1MS，它是一个独立的单元，包含了一系列总线动作，USB将1帧分为好几份，每一份中是一个USB的传输动作。
upstream、downstream(上行、下行)：设备到主机为上行，主机到设备为下行

USB协议的数据格式

一个transfer(传输)由一个或多个transaction(事务)构成，一个transaction(事务)由一个或多个packet(包)构成，一个packet(包)由一个或多个sync(域)构成。

基本构成

1.传输数据通信
USB的数据通讯首先是基于传输(transfer)的，传输的类型有:中断传输、批量传输、同步传输、控制传输。
2.事务数据通讯
一次传输由一个或多个事务(transaction)构成，事务可以分为:in事务、out事务、setup事务。
3.包数据通讯
一个事务由一个或多个包(packet)构成，包可分为:令牌包(setup)、数据包(data)、握手包(ack)、特殊包。
4.域数据通讯
一个包由多个sync(域)构成，域可分为：同步域(sync)、标识域(pid)、地址域(addr)、端点域(endp)、帧号域(fram)、数据域(data)、校验域(crc)。

域数据格式

域是USB数据最小的单位，由若干位组成（至于是多少位由具体的域决定），域可分为七个类型：

同步域（SYNC） ：八位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步
标识域（PID） ：由四位标识符+四位标识符反码构成，表明包的类型和格式，这是一个很重要的部分，这里可以计算出，USB的标识码有16种
地址域（ADDR） ：七位地址，代表了设备在主机上的地址，地址000 0000被命名为零地址，是任何一个设备第一次连接到主机时，在被主机配置、枚举前的默认地址，由此可以知道为什么一个USB主机只能接127个设备的原因。
端点域（ENDP） ：四位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。
帧号域（FRAM） ：11位 ，每一个帧都有一个特定的帧号，帧号域最大容量0x800，对于同步传输有重要意义（同步传输为四种传输类型之一，请看下面）。
数据域（DATA） ：长度为0~1023字节，在不同的传输类型中，数据域的长度各不相同，但必须为整数个字节的长度
校验域（CRC） ：对令牌包和数据包（对于包的分类请看下面）中非PID域进行校验的一种方法，CRC校验在通讯中应用很泛，是一种很好的校验方法，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

包数据格式

由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同的包的域结构不同，介绍如下：

令牌包 ：可分为输入包、输出包、设置包和帧起始包（注意这里的输入包是用于设置输入命令的，输出包是用来设置输出命令的，而不是放据数的）
其中输入包、输出包和设置包的格式都是一样的：帧起始包的格式：

SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

数据包 ：分为DATA0包和DATA1包，当USB发送数据的时候，当一次发送的数据长度大于相应端点的容量时，就需要把数据包分为好几个包，分批发送，DATA0包和DATA1包交替发送，即如果第一个数据包是 DATA0，那第二个数据包就是DATA1。但也有例外情况，在同步传输中（四类传输类型中之一），所有的数据包都是为DATA0，格式如下：

SYNC+PID+0~1023字节+CRC16

握手包 ：结构最为简单的包，格式如下：

SYNC+PID

USB事务

事务的三个阶段

分别有IN、OUT和SETUP三大事务，每一种事务都由令牌包、数据包、握手包三个阶段构成，这里用阶段的意思是因为这些包的发送是有一定的时间先后顺序的，事务的三个阶段如下：

令牌包阶段 ：启动一个输入、输出或设置的事务。
数据包阶段 ：按输入、输出发送相应的数据。
握手包阶段 ：返回数据接收情况，在同步传输的IN和OUT事务中没有这个阶段，这是比较特殊的。

事务的三种类型

IN事务

令牌包阶段——主机发送一个PID为IN的输入包给设备，通知设备要往主机发送数据。
数据包阶段——设备根据情况会作出三种反应(注意：数据包阶段也不总是传送数据的，根据传输情况还会提前进入握手包阶段)。
- 设备端点正常：设备往主机里面发出数据包(DATA0与DATA1交替)；
- 设备正在忙：无法往主机发出数据包就发送NAK无效包，IN事务提前结束，下一个IN事务继续；
- 相应设备端点被禁止：发送错误包STALL包，事务也就提前结束了，总线进入空闲状态；
握手包阶段——主机正确接收到数据之后就会向设备发送ACK包。

OUT事务

令牌包阶段——主机发送一个PID为OUT的输出包给设备，通知设备要接收数据
数据包阶段——比较简单，就是主机会往设备送数据，DATA0与DATA1交替
握手包阶段——设备根据情况会作出三种反应
- 设备端点接收正确，设备给主机返回ACK，通知主机可以发送新的数据，如果数据包发生了CRC校验错误，将不返回任何握手信息；
- 设备正在忙，无法给主机返回ACK，就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据
- 相应设备端点被禁止，发送错误包STALL包，事务提前结束，总线直接进入空闲状态

SETUT事务

令牌包阶段——主机发送一个PID为SETUP的输出包给设备，通知设备要接收数据；
数据包阶段——比较简单，就是主机往设备送数据，注意，这里只有一个固定为8个字节的DATA0包，这8个字节的内容就是标准的USB设备请求命令
握手包阶段——设备接收到主机的命令信息后，返回ACK，此后总线进入空闲状态，并准备下一个传输(在SETUP事务后通常是一个IN或OUT事务构成的传输)。

USB的传输

控制传输(Control Transfers): 非周期性，突发

控制传输是一种可靠的双向传输，一次控制传输可分为三个阶段。

第一阶段为从HOST到Device的SETUP事务传输，这个阶段指定了此次控制传输的请求类型；
第二阶段为数据阶段，也有些请求没有数据阶段；
第三阶段为状态阶段，通过一次IN/OUT 传输表明请求是否成功完成。

控制传输对于最大包长度有固定的要求。对于高速设备该值为 64Byte ；对于低速设备该值为 8；全速设备可以是 8或 16或 32或 64。

中断传输(Interrupt Transfers): 周期性，低频率

允许有限延迟的通信如人机接口设备（HID）中的鼠标、键盘、轨迹球等。

中断传输是一种保证查询频率的传输。中断端点在端点描述符中要报告它的查询间隔，主机会保证在小于这个时间间隔的范围内安排一次传输。

中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输，HOST通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据，否则返回NAK，表示尚未准备好。

中断传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传。对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。

批量传输(Bulk Transfers): 非周期性，突发

大容量数据的通信，数据可以占用任意带宽，并容忍延迟。如USB打印机、扫描仪、大容量储存设备等。

批量输出事务

主机先发出一个OUT令牌包（包含设备地址，端点号）。
然后再发送一个DATA包，这时地址和端点匹配的设备就会收下这个数据包，主机切换到接收模式，等待设备返回握手包。
设备解码令牌包，数据包都准确无误，并且有足够的缓冲区来保存数据后就会使用ACK/NYET握手包来应答主机（只有高速模式才有NYET握手包，他表示本次数据成功接收，但是没有能力接收下一次传输），如果没有足够的缓冲区来保存数据，就返回NAC，告诉主机目前没有缓冲区可用，主机会在稍后时间重新该批量传输事务。如果设备检查到数据正确，但端点处于挂起状态，返回STALL。如果检测到有错误（如校验错误，位填充错误），则不做任何响应，让主机等待超时。

批量输入事务

主机首先发送一个IN令牌包（包含设备地址，端点号）。
主机切换到接收数据状态等待设备返回数据。如果设备检测到错误，不做任何响应，主机等待超时。如果此时有地址和端点匹配的设备，并且没有检测到错误，则该设备作出反应：设备有数据需要返回，就将一个数据包放在总线上；如果没有数据需要返回，设备返回NAK响应主机；如果该端点处于挂起状态，设备返回STALL。如果主机收到设备发送的数据包并解码正确后，使用ACK握手包应答设备。如果主机检测到错误，则不做任何响应，设备会检测到超时。
注意：USB协议规定，不允许主机使用NAK来拒绝接收数据包。主机收到NAK，知道设备暂时没有数据返回，主机会在稍后时间重新该批量输入事务。

等时传输(Isochronous Transfers): 周期性

持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息 ,如音频视频设备

等时（同步）传输用在数据量大、对实时性要求高的场合，如音频设备，视频设备等，这些设备对数据的延迟很敏感。对于音频或视频设备数据的100%正确性要求不高，少量的数据错误是可以容忍的，主要是保证数据不能停顿 ，所以等时传输是不保证数据100%!正(MISSING)确的。当数据错误时，不再重传操作。因此等时传输没有应答包，数据是否正确，由数据的CRC校验来确认。

USB身份识别

对于插入的USB设备，主机需要发送比较短的请求来确认设备的身份、类型、速度等信息，这个过程称之为枚举

枚举过程

等待稳定 ：主机通过电平差检测到设备，等待100ms让设备电平趋于稳定。设备插入后主机通过检测电压的改变识别到设备接入，检测到设备后，并不急于与设备进行USB任何数据传输。
首次复位 ：HUB发起复位，让设备进入初始的地址0模式。设备被复位后，会默认使用地址：0，端点号：0，与主机开始进行信息交换。所有的USB设备在总线复位后其地址都为0，这样主机就可以跟那些刚刚插入的设备通过地址0通信。枚举过程不是多设备并行处理，而是一次枚举一个设备。
首次查询设备描述符 ：GET_DESCRIPTOR 主机查询设备描述符，只要前8字节。此次获取该描述符主机不会认真解析，应该仅仅只为检测是否正常通信。
二次复位 ：在接收到设备描述符前8个字节后，再次重启设备。
设置地址 ：SET_ADDRESS 主机下发设置地址命令，设备获取新地址
二次查询设备描述符 ：GET_DEVICE_DESCRPTOR获取整个18字节的设备描述符
获取配置描述符 ：GET_CONFIGURATION 获取9字节配置描述符
完成配置 ：SET_CONFIGURATION

USB协议详解 - 图1

描述符

标准的usb描述符包含以下几部分：

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

USB协议详解 - 图2

设备描述符

一个设备只有一个设备描述符！

typedef struct _USB_DEVICE_DESCRIPTOR_{    
    BYTE        bLength,    
    BYTE        bDescriptorType,    
    WORD        bcdUSB,    
    BYTE        bDeviceClass,    
    BTYE        bDeviceSubClass,    
    BYTE        bDeviceProtol,    
    BYTE        bMaxPacketSize0,    
    WORD        idVenderI,    
    WORD        idProduct,    
    WORD        bcdDevice,    
    BYTE        iManufacturr,    
    BYTE        iProduct,    
    BYTE        iSerialNumber,    
    BYTE        iNumConfiguations
} USB_DEVICE_DESCRIPTOR;

详细描述如下：

bLength : 描述符大小．固定为0x12
bDescriptorType : 设备描述符类型．固定为0x01
bcdUSB : USB 规范发布号．表示了本设备能适用于那种协议，如2.0=0x0200，1.1=0x0110等
bDeviceClass : 类型代码（由USB指定），当它的值是0时，表示所有接口在配置描述符里，并且所有接口是独立的。当它的值是1到FEH时，表示不同的接口关联的。当它的值是FFH时，它是厂商自己定义的
bDeviceSubClass : 子类型代码（由USB分配），如果bDeviceClass值是0，一定要设置为0．其它情况就跟据USB-IF组织定义的编码
bDeviceProtocol : 协议代码（由USB分配），如果使用USB-IF组织定义的协议，就需要设置这里的值，否则直接设置为0。如果厂商自己定义的可以设置为FFH
bMaxPacketSize0 : 端点０最大分组大小（只有8,16,32,64有效）
idVendor : 供应商ID（由USB分配）
idProduct : 产品ID（由厂商分配），由供应商ID和产品ID，就可以让操作系统加载不同的驱动程序．
bcdDevice : 设备出产编码．由厂家自行设置
iManufacturer : 厂商描述符字符串索引．索引到对应的字符串描述符．为０则表示没有
iProduct : :产品描述符字符串索引．同上．
iSerialNumber : 设备序列号字符串索引．同上
bNumConfigurations : 可能的配置数．指配置字符串的个数

如STM32中生成的USB配置如下：

__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_FS_DeviceDesc[USB_LEN_DEV_DESC] __ALIGN_END =
{
  0x12,                       /*bLength */
  USB_DESC_TYPE_DEVICE,       /*bDescriptorType*/

  0x00,                       /*bcdUSB */

  0x02,
  0x00,                       /*bDeviceClass*/
  0x00,                       /*bDeviceSubClass*/
  0x00,                       /*bDeviceProtocol*/
  USB_MAX_EP0_SIZE,           /*bMaxPacketSize*/
  LOBYTE(USBD_VID),           /*idVendor*/
  HIBYTE(USBD_VID),           /*idVendor*/
  LOBYTE(USBD_PID_FS),        /*idProduct*/
  HIBYTE(USBD_PID_FS),        /*idProduct*/
  0x00,                       /*bcdDevice rel. 2.00*/
  0x02,
  USBD_IDX_MFC_STR,           /*Index of manufacturer  string*/
  USBD_IDX_PRODUCT_STR,       /*Index of product string*/
  USBD_IDX_SERIAL_STR,        /*Index of serial number string*/
  USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION  /*bNumConfigurations*/
};

配置描述符

配置描述符定义了设备的配置信息，一个设备可以有多个配置描述符！

typedef struct _USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_{    
    BYTE      bLength,    
    BYTE      bDescriptorType,    
    WORD      wTotalLength,    
    BYTE      bNumInterfaces,    
    BYTE      bConfigurationValue,    
    BYTE      iConfiguration,    
    BYTE      bmAttributes,    
    BYTE      MaxPower
} USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR;

详细描述如下：

bLength : 描述符大小，固定为0x09
bDescriptorType : 配置描述符类型，固定为0x02
wTotalLength : 返回整个数据的长度，指此配置返回的配置描述符，接口描述符以及端点描述符的全部大小
bNumInterfaces : 配置所支持的接口数，指该配置配备的接口数量，也表示该配置下接口描述符数量
bConfigurationValue : 作为Set Configuration的一个参数选择配置值
iConfiguration : 用于描述该配置字符串描述符的索引
bmAttributes : 供电模式选择，Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒
MaxPower : 总线供电的USB设备的最大消耗电流，以2mA为单位

接口描述符

接口描述符说明了接口所提供的配置，一个配置所拥有的接口数量通过配置描述符的bNumInterfaces决定

typedef struct _USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_{
    BYTE      bLength,    
    BYTE      bDescriptorType,    
    BYTE      bInterfaceNumber,    
    BYTE      bAlternateSetting,
    BYTE      bNumEndpoint,    
    BYTE      bInterfaceClass,    
    BYTE      bInterfaceSubClass,    
    BYTE      bInterfaceProtocol,    
    BYTE      iInterface
} USB_INTERFACE_DESCRIPTOR;

详细描述如下：

bLength : 描述符大小，固定为0x09
bDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x04
bInterfaceNumber : 该接口的编号
bAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的位置．即备用的接口描述符标号
bNumEndpoint : 使用的端点数目．端点０除外
bInterfaceClass : 类型代码（由USB分配）
bInterfaceSubClass : 子类型代码（由USB分配）
bInterfaceProtocol : 协议代码（由USB分配）
iInterface : 字符串描述符的索引

端点描述符

USB设备中的每个端点都有自己的端点描述符，由接口描述符中的bNumEndpoint决定其数量

typedef struct _USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_ {
    BYTE        bLength,
    BYTE        bDescriptorType,
    BYTE        bEndpointAddress,
    BYTE        bmAttributes,
    WORD        wMaxPacketSize,
    BYTE        bInterval
}USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR;

详细描述如下：

bLength : 描述符大小．固定为0x07
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x05
bEndpointType : USB设备的端点地址．Bit7，方向，对于控制端点可以忽略，1/0:IN/OUT．Bit6-4，保留．BIt3-0：端点号
bmAttributes : 端点属性．Bit7-2，保留．BIt1-0：00控制，01同步，02批量，03中断
wMaxPacketSize ：本端点接收或发送的最大信息包大小
bInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔．对于批量传送和控制传送的端点忽略．对于同步传送的端点，必须为１，对于中断传送的端点，范围为 1-255

字符串描述符

其中字符串描述符是可选的．如果不支持字符串描述符，其设备，配置，接口描述符内的所有字符串描述符索引都必须为０

typedef struct _USB_STRING_DESCRIPTION_ {
    BYTE      bLength,
    BYTE      bDescriptionType,
    BYTE      bString[1];
}USB_STRING_DESCRIPTION;

详细描述如下：

bLength : 描述符大小．由整个字符串的长度加上bLength和bDescriptorType的长度决定
bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x03
bString[1] : Unicode编码字符串