USB基础知识点介绍

本文主要介绍USB2.0相关的知识点。

USB 2.0介绍

USB 2.0是一种通用串行总线（Universal Serial Bus）的接口标准，是USB（Universal Serial Bus）技术的第二代版本。它于2000年4月发布，是USB 1.1的升级版本。

USB 2.0采用并行传输方式，传输速度相比USB 1.1有了显著的提升。USB 2.0的最大传输速度为480Mbps（兆位每秒），是USB 1.1传输速度（12Mbps）的40倍之多。这意味着USB 2.0可以更快地传输数据，实现更高的数据吞吐量。

除了传输速度的提升，USB 2.0还引入了其他一些重要的改进。首先，USB 2.0支持热插拔，这意味着用户可以在计算机运行时随时连接和拔掉USB设备，而无需重新启动计算机。其次，USB 2.0还支持多点接入，即多个设备可以同时连接到一个USB总线上，并与计算机进行通信。此外，USB 2.0还提供了更高的电源输出，可以为高功率设备（如打印机、扫描仪等）提供足够的电力供应。

USB 2.0广泛应用于各种设备和领域。例如，大多数计算机、笔记本电脑都配备了USB 2.0接口，用于连接鼠标、键盘、打印机、摄像头等外部设备。同时，USB 2.0也支持各种便携设备，如USB闪存驱动器、移动硬盘、移动电话等，以实现快速数据传输。此外，USB 2.0还可以用于音频、视频设备的传输，如数码相机、音响、电视等。

总之，USB 2.0是一种高速、多功能的接口标准，它在数据传输速度、热插拔、多点接入等方面都有显著的改进。它的出现为计算机和外部设备之间的连接带来了方便和灵活性，成为广大用户使用的主要接口之一。

总线构成

一条USB的传输线分别由地线、电源线、D+、D-四条线构成，D+和D-是差分输入线，它使用的是3.3V的电压。电源线和地线可向设备提供5V电压，汲取电流可配置。

充电类型

有多种充电协议，包括CDP、DCP、SDP和PD等。

CDP（Charging Downstream Port）：CDP是一种USB充电协议，可以通过USB接口向外部设备提供最高1.5A的电流，适用于智能手机、平板电脑等小型设备的快速充电。
DCP（Dedicated Charging Port）：DCP是一种USB充电协议，可以通过USB接口向外部设备提供最高1.5A的电流，但不能进行数据传输，适用于充电设备等需要快速充电而不需要数据传输的设备。
SDP（Standard Downstream Port）：SDP是一种USB充电协议，可以通过USB接口向外部设备提供最高500mA的电流，适用于低功率设备的充电，如鼠标、键盘等。
PD（Power Delivery）：PD是一种USB充电协议，可以通过USB接口向外部设备提供最高100W的电力输出，支持双向电力传输和数据传输，适用于大功率设备的充电，如笔记本电脑、平板电脑等。
除了以上几种USB充电协议，还有一些厂商自己开发的充电协议，如苹果的Lightning和USB-PD兼容的快充协议等。

编码

USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入动作（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0），从而NRZI码发生变化。

USB Descriptor

宏定义

#define DEVICE_DESCRIPTOR               0x01 //设备描述符
#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 //端点描述符

Descriptor即描述符，是一个完整的数据结构，USB主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息，

从而让主机知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量的大小，只有主机确定了这些信息之后，设备才能真正开始工作。

标准的描述符有5种，USB为这些描述符定义了编号：
1——设备描述符
2——配置描述符
3——字符描述符
4——接口描述符
5——端点描述符

上面的描述符之间有一定的关系，一个设备只有一个设备描述符，而一个设备描述符可以包含多个配置描述符，一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口描述符可以包含几个端点描述符。描述符是用一定的字段构成的，如下：

设备描述符

struct _DEVICE_DEscriptOR_STRUCT 
{ 
BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12 
BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01 
WORD bcdUSB; //USB版本号 
BYTE bDeviceClass; //USB分配的设备类代码，0x01~0xfe为标准设备类，0xff为厂商自定义类型 
//0x00不是在设备描述符中定义的，如HID 
BYTE bDeviceSubClass; //usb分配的子类代码，同上，值由USB规定和分配的 
BYTE bDeviceProtocl; //USB分配的设备协议代码，同上 
BYTE bMaxPacketSize0; //端点0的最大包的大小 
WORD idVendor; //厂商编号 
WORD idProduct; //产品编号 
WORD bcdDevice; //设备出厂编号 
BYTE iManufacturer; //描述厂商字符串的索引 
BYTE iProduct; //描述产品字符串的索引 
BYTE iSerialNumber; //描述设备序列号字符串的索引 
BYTE bNumConfiguration; //可能的配置数量 
}

配置描述符

struct _CONFIGURATION_DEscriptOR_STRUCT 
{ 
BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12 
BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01 
WORD wTotalLength; //配置所返回的所有数量的大小 
BYTE bNumInterface; //此配置所支持的接口数量 
BYTE bConfigurationVale; //Set_Configuration命令需要的参数值 
BYTE iConfiguration; //描述该配置的字符串的索引值 
BYTE bmAttribute; //供电模式的选择 
BYTE MaxPower; //设备从总线提取的最大电流 
}

字符描述符

struct _STRING_DEscriptOR_STRUCT 
{ 
BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12 
BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01 
BYTE SomeDescriptor[36]; //UNICODE编码的字符串 
}

接口描述符

struct _INTERFACE_DEscriptOR_STRUCT 
{ 
BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12 
BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01 
BYTE bInterfaceNunber; //接口的编号 
BYTE bAlternateSetting;//备用的接口描述符编号 
BYTE bNumEndpoints; //该接口使用端点数，不包括端点0 
BYTE bInterfaceClass; //接口类型 
BYTE bInterfaceSubClass;//接口子类型 
BYTE bInterfaceProtocol;//接口所遵循的协议 
BYTE iInterface; //描述该接口的字符串索引值 
}

端点描述符

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）

struct _ENDPOIN_DEscriptOR_STRUCT 
{ 
BYTE bLength; //设备描述符的字节数大小，为0x12 
BYTE bDescriptorType; //描述符类型编号，为0x01 
BYTE bEndpointAddress; //端点地址及输入输出属性 
BYTE bmAttribute; //端点的传输类型属性 
WORD wMaxPacketSize; //端点收、发的最大包的大小 
BYTE bInterval; //主机查询端点的时间间隔 
}

USB数据格式

USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域（有七种），域再构成包，包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输（中断传输、并行传输、批量传输和控制传输）。

域

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：
1、同步域（SYNC）：八位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步；
2、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；
3、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；
4、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。
5、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；

6、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；
7、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，注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

包

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。

1、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：
SYNC+PID+ADDR+ENDP+CRC5（五位的校验码）
（上面的缩写解释请看上面域的介绍）
帧起始包的格式：
SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）

2、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

3、握手包

结构最为简单的包，格式如下
SYNC+PID（上面每种包都有不同类型的，USB1.1共定义了十种包）

事务

分别有IN事务、OUT事务和SETUP事务三大事务，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：
1、令牌包阶段：启动一个输入、输出或设置的事务
2、数据包阶段：按输入、输出发送相应的数据
3、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。
事务的三种类型如下（以下按三个阶段来说明一个事务）：

1、 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（要注意：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）
1）设备端点正常，设备往入主机里面发出数据包（DATA0与DATA1交替）；
2）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，到了下一个IN事务才继续；
3）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。

2、 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
1）设备端点接收正确，设备往入主机返回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；
2）设备正在忙，无法接收主机发出数据包就发送NAK无效包，通知主机再次发送数据；
3）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。

3、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，就是主机会设备送数据，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传输

宏定义

#define ENDPOINT_TYPE_CONTROL           0x00 //控制传输
#define ENDPOINT_TYPE_ISOCHRONOUS       0x01 //同步传输
#define ENDPOINT_TYPE_BULK              0x02 //批量传输
#define ENDPOINT_TYPE_INTERRUPT         0x03 //中断传输

传输由OUT、IN、SETUP事务其中的事务构成，传输有四种类型，中断传输、批量传输、同步传输、控制传输，其中中断传输和批量转输的结构一样，同步传输有最简单的结构，而控制传输是最重要的也是较复杂的传输。
中断传输

由OUT事务和IN事务构成，如用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中
批量传输

由OUT事务和IN事务构成，如用于大容量数据传输（mass storage），没有固定的传输速率，也不占用带宽，当总线忙时，USB会优先进行其他类型的数据传输，而暂时停止批量转输
同步传输

由OUT事务和IN事务构成，有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0。
控制传输

控制传输由三个阶段构成（初始设置阶段、可选数据阶段、状态信息步骤），每一个阶段可以看成一个传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，USB设备初次加接到主机之后，主机通过控制传输来交换信息，设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序。

标识码

在USB1.1规范里面，只用了十种标识码，USB2.0使用了十六种标识码，标识码的作用是用来说明包的属性的，标识码是和包联系在一起的，首先简单介绍一下数据包的类型，数据包分为令牌包、数据、握手包和特殊包四种，标识码分别有以下十六种：
令牌包 :
0x01 输出(OUT）启动一个方向为主机到设备的传输，并包含了设备地址和标号
0x09 输入 (IN) 启动一个方向为设备到主机的传输，并包含了设备地址和标号
0x05 帧起始（SOF）表示一个帧的开始，并且包含了相应的帧号
0x0d 设置（SETUP）启动一个控制传输，用于主机对设备的初始化
数据包 :
0x03 偶数据包（DATA0），
0x0b 奇数据包（DATA1）
握手包:
0x02 确认接收到无误的数据包（ACK）
0x0a 无效，接收（发送）端正在忙而无法接收（发送）信息
0x0e 错误，端点被禁止或不支持控制管道请求
特殊包 0x0C 前导，用于启动下行端口的低速设备的数据传输

USB主机识别USB设备过程

当USB设备插上主机时，主机就通过一系列的动作来对设备进行枚举配置（配置是属于枚举的一个态），这这些态如下：
1、接入态（Attached）：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；
2、供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）
3、缺省态（Default）：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；
4、地址态（Address）：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
5、配置态（Configured）：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。
6、挂起态（Suspended）：总线供电设备在3ms内没有总线操作，即USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280UA。

USB设备请求命令

标准的USB设备请求命令是用在控制传输中的“初始设置步骤”里的数据包阶段（即DATA0，由八个字节构成），标准USB设备请求命令共有11个，大小都是8个字节，具有相同的结构，由5 个字段构成（字段是标准请求命令的数据部分），结构如下（括号中的数字表示字节数，首字母bm,b,w分别表示位图、字节，双字节）：
bmRequestType(1)+bRequest（1）+wvalue（2）+wIndex（2）+wLength（2）

各字段的意义如下：
1、bmRequestType：D7D6D5D4D3D2D1D0
D7=0主机到设备
=1设备到主机；
D6D5=00标准请求命令
=01 类请求命令
=10用户定义的命令
=11保留值
D4D3D2D1D0=00000 接收者为设备
=00001 接收者为接口
=00010 接收者为端点
=00011 接收者为其他接收者
=其他其他值保留
2、bRequest：请求命令代码，在标准的USB命令中，每一个命令都定义了编号，编号的值就为字段的值，编号与命令名称如下（

要注意这里的命令代码要与其他字段结合使用，可以说命令代码是标准请求命令代码的核心，正是因为这些命令代码而决定了11

个USB标准请求命令）：
0） 0 GET_STATUS：用来返回特定接收者的状态
1） 1 CLEAR_FEATURE：用来清除或禁止接收者的某些特性
2） 3 SET_FEATURE：用来启用或激活命令接收者的某些特性
3） 5 SET_ADDRESS：用来给设备分配地址
4） 6 GET_DEscriptOR：用于主机获取设备的特定描述符
5） 7 SET_DEscriptOR：修改设备中有关的描述符，或者增加新的描述符
6） 8 GET_CONFIGURATION：用于主机获取设备当前设备的配置值（注同上面的不同）
7） 9 SET_CONFIGURATION：用于主机指示设备采用的要求的配置
8） 10 GET_INTERFACE：用于获取当前某个接口描述符编号
9） 11 SET_INTERFACE：用于主机要求设备用某个描述符来描述接口
10） 12 SYNCH_FRAME：用于设备设置和报告一个端点的同步帧