轉(zhuǎn)自東海的博客http://6xudonghai.blog.163.com/blog/static/3364062920086253155137/

USB作為一種串行接口，應(yīng)用日益廣泛。如同每個工程設(shè)計人員必須掌握I2C,RS232這些接口一樣，我們也必須掌握usb.

但是usb的接口協(xié)議實在有點費解，linux uhci驅(qū)動作者之一Alan Stern曾經(jīng)就說過“The USB documentation?

is downright evil. Most????of it is just crap, written by a committee. You're better off ignoring

?most?of it ”。

本文將從整體上介紹usb協(xié)議，包括usb host ,usb hub,usb function。希望能給讀者一個總體上的了解。也

因此，文章將分成相應(yīng)的三部分講解。

一。usb function

1。初識usb.usb是一種串行接口協(xié)議，它靠d+,d-兩條數(shù)據(jù)線構(gòu)成的差分線來進行數(shù)據(jù)傳輸，這讓我們非常感興

趣它到底和我們通常熟悉兩線rs232/485有何區(qū)別。了解這種區(qū)別有助于我們對usb作一個深入的了解。那么讓

我們回想一下到底一個兩線rs232的數(shù)據(jù)是如何傳送的，如圖一：

在這里我們的重點在于，我們發(fā)現(xiàn)要在串行口傳送數(shù)據(jù)一個最體碼的要求恐怕就是：要知道數(shù)據(jù)傳輸何時開始，

何時結(jié)束。即如何delimit.那么rs232怎么做的。顯然，在idle（空閑）時，即無數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)線處于高電

平，等到有數(shù)據(jù)開始傳送，發(fā)送方首先拉低數(shù)據(jù)線（start)，表示數(shù)據(jù)傳輸開始，接受端也因為這個“start”信號

開始準(zhǔn)備接受即將到來的數(shù)據(jù)，類似一次握手，隨后，在兩者之間的數(shù)據(jù)傳送開始，結(jié)束后主方再次拉高數(shù)據(jù)

線，表示結(jié)束傳輸，自此兩者重新進入Idle狀態(tài)。等待下一輪傳送開始。

了解了rs232,那么我們自然想到usb如何做到這個呢，既然是串行位流傳輸，也理所當(dāng)然的解決這個問題。沒錯，

Usb協(xié)議必然要解決這個問題，讓我們作一個類似rs232的比較吧！類似于rs232,usb的傳輸楨如圖二：

（這里我們暫時忽略這個傳輸所代表的意義）為了說明問題，我們對一些問題簡化，我們定義這樣幾個狀態(tài)：
假設(shè)D+,D-分別表示usb信號線的電平信號。那么對于usb full speed function(high speed ,low speed是不

同的),我們定義差分數(shù)據(jù)線上可能出現(xiàn)的四個狀態(tài)：

Data J state:D+=1，D-=0；
Data K state:D+=0，D-=1；
SE0：D+=D-=0;
SE1：D+=D-=1;

那么上面的圖中，相應(yīng)的也可表示為圖三：

這個對usb full speed function來說，idle狀態(tài)將處于Data J state，se0表示一楨結(jié)束。看這個圖是不是很像

我們熟悉的rs232。沒錯！?。∷麄兇_實很相似。在無數(shù)據(jù)傳輸時，它們都處于Idle狀態(tài)，當(dāng)要開始傳輸數(shù)據(jù)時，

先發(fā)一個sync(同步信號，rs232為start,usb為一sync字節(jié)，見協(xié)議說明）信號進行“握手”，而后開始傳輸，

當(dāng)傳輸要結(jié)束時，發(fā)一stop信號（usb為一個se0狀態(tài)表示要結(jié)束傳輸），最后又進入idle態(tài)等待新的傳輸。不過，

你可能更加注意到，他們還是不同的。不同在于usb是按packet進行傳輸?shù)模褪钦f它傳輸?shù)淖钚挝皇莗acket，

而rs232是按字節(jié)傳送的，也即它的最小傳送單位是字節(jié)。既然是按pakcet傳送，想想我們相較于rs232的按字節(jié)

單位傳輸，我們可以得到哪些“好處”。想想看，pakcet的好處不就在于我們可以靈活的定義數(shù)據(jù)的傳送格式，

傳送方式，從而可以適應(yīng)各種各樣的串行設(shè)備，這不就是所謂的“通用串行總線”嗎？

簡介：從本節(jié)開始，我們將介紹usb的傳輸機制。這節(jié)先介紹usb現(xiàn)有傳輸方式的背景知識，做為對下節(jié)將要展開

的四種傳輸類型，描述符，等相關(guān)知識的一個導(dǎo)引。

2。usb傳輸。
我們在上一節(jié)中了解到了usb的“packet”的感念，了解到了usb傳送一個packet總是以sync開始，以eop結(jié)束，

這個稱為delimiter,即標(biāo)記packet的始末。有了packet，我們就可以在usb總線上傳輸數(shù)據(jù)了。但是這還不夠，

比如數(shù)據(jù)傳送方向，即傳回usb主機還是傳下usb從機，數(shù)據(jù)傳送的地址，數(shù)據(jù)傳送的類型（這些后面我們將會知

道）這些信息在傳輸之前是必須搞清楚的，那么這個信息如何得知呢，看來這就需要我們定一套基于packet的

“協(xié)議”了。主機與從機在傳輸中均遵循這套“協(xié)議”，那么這些問題就可以迎刃而解。事實上，usb的一次數(shù)

據(jù)傳輸總是遵循這樣的“協(xié)議”的:

首先，主機發(fā)第1個packet給從機，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂?，?shù)據(jù)傳輸類型。

其次，主機發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)
最后，從機返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣主機

就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

這里我們考慮的是主機發(fā)數(shù)據(jù)給從機的情況，那么從機發(fā)數(shù)據(jù)給主機時，是不是也可以這樣呢？當(dāng)然可以，比如

從機要發(fā)數(shù)據(jù)給主機時，也可以采取同主機類似的方式：

首先，從機發(fā)第1個packet給主機，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚瑪?shù)據(jù)傳輸類型。
其次，從機發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)
最后，主機返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機就可以

借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

基本上可以歸結(jié)為一個“三段式”傳輸

這里有人可能注意到了，對這樣一個傳輸機制，從機和主機的功能將是一樣的，因為這樣的實現(xiàn)機制，從機

可能在某一時刻是主機，某一時刻又可能是從機，因為他們要實現(xiàn)同樣的功能。這樣實現(xiàn)起來的復(fù)雜性也將是

一樣的。

注：這里概念或許容易混淆，其實，我們這里的主機(master)和從機(slaver)是一個transceiver,即可收可發(fā)。

相應(yīng)的，在某一時刻，master在發(fā)數(shù)據(jù)，我們稱其為transmitter,在接受時我們稱為receiver.對slaver同樣。

我們可能還注意到了,usb這種按pakcet傳輸?shù)姆绞皆趯崿F(xiàn)時已經(jīng)很復(fù)雜了（至少比rs232要復(fù)雜多吧），至少我

們目前看來主從機功能一樣這樣的實現(xiàn)方式似乎還是可行，但是后面我們談到usb host時將會了解到host的功

能是如何的復(fù)雜，以至于讓一個usb function?也帶上如此的功能成本和實現(xiàn)復(fù)雜性將陡然上升。作為面向廣范

應(yīng)用的usb，這是我們不允許的。我們期望的是一個使用usb?的udisk,使用usb的光驅(qū)，使用usb的耳麥等等這些

東西不要因為usb而變得昂貴，復(fù)雜。

正是因為這個原因，usb從機的傳輸發(fā)式便由上面的方式改成了下面的方式進行：

首先，主機發(fā)第1個packet給從機，聲明數(shù)據(jù)傳送方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂罚瑪?shù)據(jù)傳輸類型。
其次，從機收到主機送來的第一個packet后，再發(fā)第2個至第n個packet載有實際數(shù)據(jù)
最后，主機返回一個packet是一個ACK包，報告數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，比如接受出錯或成功等信息，這樣從機

就可以借此了解到這次傳輸情況，從而有可能來作出相應(yīng)措施如決定是否重發(fā)。

而對于usb 主機傳輸方式保持不變。

對于這樣的改變，我們馬上就有疑問了：這個改變的傳輸方式是和未改變之前的等價嗎。當(dāng)然，不全等價。問題

在哪里？仔細觀察一下便知，兩者區(qū)別在于第一個packet是由誰發(fā)起的。未改變之前，第一個packet總是由要傳

送數(shù)據(jù)的一方發(fā)起，而改變之后的第一個Packet總是由主機發(fā)起。這樣，就變成如果從機要發(fā)送數(shù)據(jù)給主機時，

總是由主機發(fā)起（第一個packet),然后從機開始傳送。
可能初次接觸我們會感覺怪怪的，怎么從機要給主機發(fā)送數(shù)據(jù)前反而要主機先發(fā)packet給從機。 ?這樣行嗎？

我們要說這樣是可以的，因為通常一次傳輸交互的產(chǎn)生，并非無來由的產(chǎn)生，這些都是由程序員控制的，控制usb

何時收，何時發(fā)，及發(fā)給誰?。。?/p>

這里我們就注意到了，usb function(總是作為從機）的功能一下從原來與主機具有相同功能的tranceiver變成

了現(xiàn)在僅具發(fā)送（或接收）功能的transmitter（或Receiver）實現(xiàn)的復(fù)雜性及成本可想而知也就相應(yīng)得減小了。

簡介：本節(jié)介紹usb full speed function的四種傳輸類型。

上節(jié)中我們了解到了usb host?與usb function?之間采用的是一種“非對稱”的傳輸，也就是說，無論usb接受

數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)，都是由usb host首先發(fā)起。即傳輸?shù)牡谝粋€packet總是由usb host發(fā)出的。這個packet將聲

明本次即將進行的數(shù)據(jù)傳輸方向，數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)傳輸類型。

?

控制傳輸（Control Transfers)

: 或許你已經(jīng)注意到了，一個usb host端口并不是僅僅支持一個Usb function.如圖1，

通過usb hub,一個usb host端口可以連接usb鼠標(biāo)，usb鍵盤，Usb寫字板......。要連接這么多東西在同一個

usb host上，我們通常會有一個基本問題，即usb host如何識別這些被連接在它的端口上的設(shè)備呢。正如通常的

主從式通訊系統(tǒng)一樣，如rs485多機通訊,我們通常是用一個特定的地址標(biāo)志每一個從設(shè)備。對這里的usb,我們

采用同樣的方法，將為每個掛接在該usb host上的usb function指定一個特定地址，通過這個特定地址來識別

每個usb function.看來這將是一個usb function在數(shù)據(jù)傳輸之前必須解決的問題--得到它的地址分配。

這個“地址指定”的過程需要usb host通知usb function才能完成，這個交互過程就是一個控制式傳輸。通過

這個“控制式傳輸”，usb host將指定地址給usb function ,以為即將進行的正式通訊做好準(zhǔn)備工作。這里細心

的讀者可能已經(jīng)注意到了，既然usb host總要分配地址給usb function才能進行正式的數(shù)據(jù)傳輸工作，那么

usb host將如何與一個初始時未分配地址的usb function進行交互來分配地址呢。這里，是這樣解決的：

usb協(xié)議保留了一個“通用地址”0,usb host 通過這個地址0來和初始未分配地址的usb function進行通訊，進行一

些初始的準(zhǔn)備工作，諸如這里的為它非配一個特定地址。后面我們就會了解到，usb除了配置地址外，還有一些

其它參數(shù)需要事先主從雙方達成共識。這些參數(shù)也都是通過控制式傳輸完成的。一個Usb 的控制式傳輸如圖二：

一個Usb的控制式傳輸分為兩個或三個階段進行傳輸：setup stage,data stage（視情況而定）,status stage。

?

首先是setup stage,聯(lián)系上節(jié)所說的Usb傳輸模式，usb Host總是先發(fā)起第一個packet--這里它 首先發(fā)起setup, 之后發(fā)起以data0為起始的setup data, 最后usb function回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。 其次如果有data stage,類似的，還是按照上節(jié)說的usb傳輸模式， usb host總是先發(fā)起第一個Packet--Out(或in）， 之后usb host(或usb function)發(fā)起以data1為起始的payload data, 最后Usb fuction(或usb host）回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。 如果數(shù)據(jù)未傳完，繼續(xù)data stage,同上繼續(xù)。 最后是status stage,類似的， usb host首先發(fā)起第一個Packet--in(或out）， 之后usb function(或usb host)發(fā)起以data1為起始的Null data(0長度）, 最后Usb host(或usb function）回應(yīng)ack結(jié)束一次交互。

?

如此，整個控制式傳輸結(jié)束。 你或許有疑問，data stage為什么進行了多次而非一次完成？實際上，usb總是將

一批大量的數(shù)據(jù)分成了許多小段來進行傳輸，稱為一個pay load。這樣傳輸?shù)哪康氖侨菀讓鬏斶M行控制。既然

一次大量的數(shù)據(jù)總是被分成一段一段來分次傳輸，那么這里就出現(xiàn)了一個需要事先確定的參數(shù)（wMaxPacketSize）：即每次即這個小段有多大。這個參數(shù)如地址指派一樣，正式傳輸之前需要事先達成共識。通過控制式傳輸，現(xiàn)在我們

已經(jīng)完成了usb function的地址指定等參數(shù)的設(shè)置工作，下一步可以進行正式的數(shù)據(jù)傳輸了。

塊傳輸（bulk Transactions）

我們終于等到usb function 配置完成，現(xiàn)在我們的任務(wù)是要傳送一批數(shù)據(jù),這里可以使用批量數(shù)據(jù)傳輸(bulk Transactions)。 一個批量傳輸總是按照如圖所示方式進行，

首先，usb host發(fā)起第一個Packet--in(或out),表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。 其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data1(或data0)為起頭的payload data,開始一次交互。 再其次，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應(yīng)這次交互。 如果數(shù)據(jù)還為傳完，繼續(xù)上述過程，即： 首先，usb host再次發(fā)起一個Packet--in(或out),表示又要開始數(shù)據(jù)傳輸了。 其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data0(或data1)為起頭的payload data,開始又一次交互。 再次，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應(yīng)這次交互。如此繼續(xù)直至傳輸完成。

這里的疑問依然是為什么一次可能傳完的數(shù)據(jù)為什么分成多次進行傳輸,原因在上次介紹控制式傳輸式已經(jīng)說明。

后面我們就會明白，為什么這樣可以方便控制傳輸過程。 仔細看看控制式的data stage采用的傳輸方式，是否

就是批量傳輸方式呢？！注意，每次payload data的“牽頭人”（preamble)在輪番掉換，先是data1,接著data0,

再是data1,......如此接替，只要有一次交互出現(xiàn)問題，這個接替規(guī)則就會被打破進而被Usb host識別而發(fā)現(xiàn)

傳輸異常。所以這個交替的“牽頭人”規(guī)則是可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃扇〉拇胧┲弧?/p>

?

同步傳輸（Isochronous Transactions）和中斷式傳輸（Interrupt Transactions）

在批量數(shù)據(jù)傳輸中，觸發(fā)一次批量數(shù)據(jù)傳輸總是“被動”的，就是說需要數(shù)據(jù)傳輸時Usb host并不會主動發(fā)起

傳輸，而是需要得到你的指令。當(dāng)你告訴它：“一切ok，讓我們開始吧！” 這時它才開始數(shù)據(jù)傳輸。這種方式

顯然在某些情況下并不適合。比如音視頻流，你無法要求它聽從你的“指揮”，讓它等你發(fā)指令給usb host,

然后開始一次傳輸。我們需要的是一種“及時”傳輸。一個好的方案就是設(shè)置一個timer,按照tick發(fā)起usb傳輸。

這個tick通常以1ms(usb full speed)為最小單位。這時，可以設(shè)置為每次1ms tick出現(xiàn)，usb host“自動”發(fā)起一

次數(shù)據(jù)傳輸。那么這種方案具體如何來實現(xiàn)呢？看來最基本的要素便是一個發(fā)出tick的timer，而這個“timer”

需要usb host和usb function（事實上還要包括usb hub)雙方均能“看到”，從而協(xié)調(diào)工作，否則單方面的

timer又有何意義？這個"timer"(或tick)在usb中使用一個特殊的packet實現(xiàn)，即是SOF。這個SOF由USB HOST?

相當(dāng)精確的以每1.00 ms ±0.0005 ms的時間周期發(fā)送給usb device，來在二者之間定時。從而usb function能

夠“及時”的了解到“現(xiàn)在時刻”。 現(xiàn)在我們在usb host和usb function之間建立起了“對時”機制。那么接下

來看看剛才設(shè)想的“自動”傳輸如何實現(xiàn)。事實上，一旦usb host及usb function雙方建立了一種時間機制，那

么這種“自動”傳輸是很容易實現(xiàn)的。usb 實現(xiàn)同步式傳輸或中斷式傳輸總是以一種類似于批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?/p>

進行的，唯一不同的是傳輸?shù)挠|發(fā)不再是“被動”的，而是由SOF所建立的tick觸發(fā)。

首先，時間到達，usb host發(fā)起第一個Packet--in(或out),表示要開始數(shù)據(jù)傳輸了。 其次，usb function（或usb host)發(fā)起以data1(或data0)為起頭的payload data,開始一次交互。 再其次，如果是中斷式傳輸，usb host（或Usb function)發(fā)起ack回應(yīng)這次交互，如果是同步式傳輸， 該步跳過。

如此重復(fù)上述步驟,即usb host等待下一個tick到達，并開始新一輪的交互。

這里我們注意到了，同步式傳輸和中斷式傳輸二者雖然都是時間觸發(fā)，但是中斷式傳輸需要ack應(yīng)答，而相反，

同步式傳輸不需要。這個最大的區(qū)別決定了同步式傳輸是一種非可靠傳輸，但是因此換來了更多的usb傳輸時間。

也因此,同步式傳輸?shù)?payload data（對應(yīng)wMaxPacketSize ）通常相較于其他傳輸方式比較大,因為它消掉了

ack所占有數(shù)據(jù)傳輸時間。這里還有一個地方值得注意的是tick的設(shè)定，這個tick也是需要事先usb host 和

usb function達成共識的參數(shù)之一。