USB协议学习笔记

1、USB总线通信的基本单位是包，包由8位的前导符SYNC域、8位的PID域、数据域、CRC域以及EOP（电平信号）组成。

    1）SYNC域是为了同步时钟，当总线上由IDLE状态跳变到差分的01010..的SYNC域时，表明一个包的开始。

    2）PID域是为了区分不同的包类型，比如SETUP包、OUT包、IN包等等。

    3）数据域则根据不同的包类型来解释。

    4）CRC域是校验码。

    5）EOP是一种总线信号状态，用来表明一个包的结束。

2、USB的包根据PID域可以分为3个大类：

    1）token（令牌）包，由USB主机发起。token包又分为IN、OUT、SETUP等。当USB主机发送一个SETUP包时，表明接下来是一个SETUP事务传输。若USB主机发起的是IN包，表明接下来是一个IN事务传输。

    2）DATA0包和DATA1包。DATA0和DATA1包可以由USB主机发起或者是由USB设备发起，表明这是一个数据包。为了同步数据包，使用DATA0、DATA1、DATA0...这样的翻转包来达到同步。

    3）ACK包、NAK包以及STALL包，这些包用来表明之前的数据传输、控制应答是否正确。这3个包比较特殊，只有SYNC和PID域。

注意，区分这些包是在包的PID域中区分的。

3、USB总线上的设备具有地址的属性，一个包或者一次事务传输，必须支持是USB主机和哪个设备的通信。换句话说，当主机发起一个SETUP包、DATA0包等，这些包时，哪个设备应该接收数据并作出相应呢？

为此，USB定义了事务传输，事务传输由几个包组成，而且第一个包必定是USB主机发起的token包、接着是DATA包、最后是ACK包。其中的token包，就领衔了一次事务传输，指出此次事务传输是对应哪个设备地址、哪个端点，还指出了此时事务传输中的数据包应该如何解释。比如，如果是SETUP的token包领衔的事务，则事务中的DATA包必定是由USB主机发送的REQUEST数据；如果是IN的token包，则表明本次事务中的DATA包必须由USB设备发送。事务中的ACK/NAK包，则是用于表明本次事务传输是否正确。

由此可见，在USB总线上的进行通信时，都是先由USB主机发起token包，表明参与此次事务的设备和端点；然后不同的token包也指出了是否有DATA包，以及DATA包是由USB主机发送给USB设备还是由USB设备发送给USB主机；最后的ACK/NAK包则是应答包，由接收数据端发送。

4、不同的token包PID指出了不同的事务，不同的事务表明了事务中的DATA包的方向和意义。其中SETUP事务用于USB传输控制信息，而OUT、IN事务用于传输普通数据。

5、假设本次事务是SETUP事务：

    1）USB主机首先在总线上发送SETUP包，对应的USB设备、端点接收到此SETUP包后，立刻知道，USB主机将会发送DATA包，并且DATA包中的数据应按照USB2.0规范中规定的或者其他CDC规范等规定的格式解释。

    2）选中的USB设备等待USB主机发送DATA包。

    3）USB主机发送DATA包（DATA0），注意DATA包中并没有指出哪个USB设备应该接收此DATA包。但是，之前的SETUP包已经说明了哪个设备、端点应该接收此DATA包。所以，其他的设备、端点忽略此DATA包。

    4）选中的USB设备接收到DATA包，返回ACK包（若出错或者其他非正常情况，返回NAK包）。并按照不同的协议规范（USB2.0、USB CDC等规范）解释收到的DATA包。通常来说，SETUP事务中的DATA包都是USB Device Request，USB设备根据不同的Request，或返回描述符，或执行状态变化，或者...

6、假设本次事务是OUT事务：

    1）USB主机首先发送OUT的token包，指出了本次事务参与的设备地址和端点号，并说明，接着USB主机要发一个数据包给USB设备。

    2）USB主机发送DATA包（DATA0或者DATA1）。

    3）选中的USB设备接收到相应的数据包，并依据情况返回ACK包或者NAK包。

7、假设本次事务是IN事务：

    1）USB主机首先发送IN的token包，指出了本次事务参与的设备地址和端点号，并说明，选中的USB设备应该发送数据包给主机。

    2）选中的USB设备发送DATA包（DATA0包或者DATA1包）。

    3）USB主机根据情况返回ACK包或者NAK包。

8、控制传输：

控制传输由几个事务组成，分别是SETUP事务、IN/OUT事务、状态阶段的IN/OUT事务，对应USB2.0规范中的设置阶段、数据阶段、状态阶段。

    1）设置阶段：SETUP事务给出了本次控制传输中的USB REQUEST，是GET_DESCRIPOR还是SET_ADDRESS，或者是SET_CODE_LINE等等的REQUEST，这些REQUEST可以是USB2.0规定的标准REQUEST，也可以是设备类型的（class-specific）的REQUEST，还可以是厂商指定的REQUEST（vendor-specific）。

    2）数据阶段：根据不同的REQUEST，①或是USB主机发送DATA包，给出上一步对应的REQUEST的补充信息；②或是USB设备根据不同的REQUEST，通过发送DATA包返回数据给USB主机（也可以没有数据）

    3）状态阶段：USB主机根据数据阶段的方向，发起OUT或者IN事务。OUT或者IN事务中的DATA包必须是DATA1，而且长度必须是0。

9、由上面的描述，USB主机和USB设备具备了基本的通信能力，比如USB主机发送REUQEST、USB设备响应REQUEST、USB发送数据给USB设备、USB设备发送数据给USB主机等等。而且，可以看到，所有的最初事务都是先由USB主机发起的。如果一个USB设备想要发送数据给USB主机，必须等待USB主机对本设备发起IN事务时，USB设备才能通过发送DATA包（即需要发送的数据）来达到发送数据给USB主机的目的。因此，USB主机控制了USB总线的带宽分配权。

10、USB总线系统最本质的功能就是提供一种基本的通信方式来连接USB主机和USB设备，使多个USB设备可以同时（宏观上的同时）和USB主机通信。USB总线系统通过不同的（管道、端点）传输类型，来合理安排总线的带宽，以达到不同的USB设备都可以和USB主机通信。在这种基本的通信能力基础之上，USB主机向上提供client（主机上运行的、针对特定USB设备的驱动）和USB设备通信的接口。于是，不同的USB主机端client就可以驱动不同的USB设备，使USB设备发挥特定的功能。

11、当一个USB设备连接到USB总线上时，USB的hub负责通知USB主机这一变化。在USB主机端，有一个hub driver的程序负责处理这一变化。通常来说，这就是USB的枚举过程：

    1）USB主机给USB设备发送复位信号。

    2）USB设备接收到复位信号之后，其设备地址默认为0。

    3）USB主机通过设备地址0、端点0，给USB设备发送获取设备描述、配置描述符、接口描述符等等之类的USB REQUEST。

    4）USB设备根据不同的REQUEST，返回特定的描述，以表明自己的身份。

    5）USB主机根据USB设备返回的各种描述符，依据vendor-ID、product-ID等信息，加载特定的USB驱动，让特定的USB驱动去和USB设备交互，完成USB设备的初始、配置。

    6）特定的USB驱动和USB设备之间的数据交换，完成了USB功能。

12、在加载特定的USB驱动之前，USB主机必须能获取USB设备的各种描述符，如此才能识别此USB设备，才能决定加载哪个驱动去和这个设备进行交换。所以，USB2.0规定了几个标准的REQUEST，要求所有USB2.0设备必须支持。这样，在USB设备挂接总线时，USB系统可以通过这些标准的REQUEST来认识这个USB设备，再加载特定的驱动去和USB设备进行交换。

13、在标准的USB2.0   REQUEST之上，特定类型的USB设备（calss-specific），或者厂商开发的特殊设备（vender-specific），都可以定义不同的REQUEST，这些REQUEST的格式和标准的USB2.0  REQUEST格式一致，只不过是具体的字段决定了不同的REUQEST。所以REQUEST是一个开放的标准。通过这个开放的REQUEST，就可以开发出不同的USB设备以及对应的驱动程序，共同组建USB系统。

14、为了简化USB开发，USB协议还制定了几种设备类型，比如CDC（Communicatin Device Class）设备，MSD（Mass Storage Device）设备，HID（Human Interface）设备等等，常见的USB转COM就是CDC设备，USB鼠标和USB键盘就是HID设备，还有U盘就是MSD设备。通常某一类型的USB设备具有共同的操作、功能接口，将这些共同的操作、接口抽象出来，就形成了某一类USB设备（比如CDC或者MSD）。在此基础上，USB为某类USB设备制定了一些规范，比如CDC设备规范、MSD设备的规范，通过这些规范，在USB2.0 标准REQUEST的基础上，添加设备类型指定（class-specific）的REQUEST，就可以形成特定功能的USB设备。某一类USB设备，除了支持标准的USB2.0  REQUEST之外，还支持本类型规定的REQUEST。