USB转多路UART - USB 基础

一、 前言

断断续续做了不少USB相关开发，但是没有系统去了解过，遇到问题就很被动了。做这个USB转UART的项目就是，于是专门花了一天的时间学习USB及CDC相关，到写这文章时估计也忘得差不多了，趁项目收尾阶段记录一下，方便后面翻阅。
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USB官网
USB通用串行总线基础知识详述
USB端点和传输协议(数据包、事物)详解

二、 总线

USB历代接口

经过多年发展，USB速率越来越高，总线由最初4根线，半双工发展到多根线，全双工。本文是基于 USB 2.0 版本，记录最初最基础的知识，了解了这些基础，后面的版本就很容易了。

USB总线

USB全速(高速)接线图

由上面可知，USB 2.0 只有4根线，两根数据线是高速串行叉分线，半双工。电源线用来主机给从设备供电，最大500mA， 5V * 500mA = 2.5W， 功率不是很高。后来的快速充电技术要么提升了电压和电流，例如9V * 2A = 18W， 再后来USB接口增加了电源和数据线的数量，传输速率和供电功率都大大提升。

数据编解码和位填充

USB采用NRZI（非归零编码）对发送的数据包进行编码 。输入数据0， 编码成“电平翻转” ；输入数据1， 编码成“电平不变” ；（NRZI遇0翻转，遇1不变）。

USB NRZi编码格式

三、 USB总线系统中的设备

可以分为三种类型：

• 主机： 只能有一个，管理USB系统；
• 集线器(USB HUB)： 用来扩展设备；
• 设备： 终端设备，如下图的鼠标键盘打印机；

  

  USB设备拓扑

四、 端点(Endpoints)

在USB规范中，设备端点是唯一可寻址可通信的基本单元，端点是有通信方向的。物理上一个USB总线(4根线)连接一个设备终端，这个设备终端逻辑上可以有多个接口，每个接口可以有多个端点，从而在主机的系统上看该设备终端可能有多个设备。例如本项目，一个USB口扩展7个UART设备。
端点0: 每个终端设备肯定会有一个端点0，用于刚连接到主机时的初始化和枚举。想象一下，一个USB设备终端可能有10个8个端点，刚插到主机时，主机并不清楚，所以规定了一定要有一个端点0，主机最开始只与端点0通信，然后把其它的设备，接口，端点枚举出来。

端点类型

USB规范定义了四种端点类型：

• 控制端点： 收发控制信息，也可以传输数据。
• 中断端点： 用于传输少量的数据，实时时效性比较好，例如键盘鼠标。
• 批量端点： 用于传输大批量数据，实时时效性没要求，例如U盘文件传输。

• 等时端点： 连续，实时的传输，例如音频。

   

  

  不同端点类型比较

五、 数据传输

USB通信包含一系列的帧，USB在2.0时代，分为低速设备(1.5Mbps),全速设备（12Mbps)和高速设设备（480Mbps).这些设备使用的帧的时间间隔是1±0.0005ms,而对于高速设备，又将每个帧分成了8个微帧，这样每个微帧的时间间隔变成了125±0.0625us。
每一帧包含一个起始帧(Start of Frame, SOF), 然后是若干个事务(Transaction)。每个事务由一系列数据包(packet)组成。每个数据包以同步标识(SYNC)开始，以结束标识(EOP)结束。有三种类型的包：令牌包，数据包，握手包。帧，事务，包关系如下图：

USB帧事务数据包关系图

包(package)

包是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下：

同步域(SYNC)

由8位/32位组成，作为每个数据包的前导，用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为000000001。作用：

• 通知USB串行接口引擎数据要开始传输；
• 同步主机和设备之间的时钟。

标识符字段(PID)

包标识符PID是用来标识一个包的类型。PID共有8位，目前USB协议仅使用4位(PID0 - PID3)，另外4位(PID4 - PID7)是PID0 - PID3的取反，用来校验PID。传输的顺序为PID0,PID1,PID2,PID3,...,PID7。

令牌包(token packet, PID1~0为01)、数据包(data packet, PID1~0为11)、握手包(handshake packet, PID1~0为10)、特殊包(special packet, PID1~0为00)：

令牌类型.

特殊包是一些在特殊场合使用的包。总共有4种：PRE、ERR、SPLIT和PING。其中PRE、SPLIT和PING是令牌包，ERR是握手包。这里不打算展开讲。

帧传输过程

如下图，所有通信都由主机定时发起，帧头一定是SOF，然后包含多个事务，每个事务有多个包，每个包都是SYNC开头，EOP结束。要注意每个事务是有应答的，即一个帧里面数据传输的方向是不断切换的。下图中，主机先发一个SOF，然后发一个SETUP包，这个包带有DATA0，设备端收到后返回ACK。然后主机连续发了3个IN令牌包，前2个从设备端都回复NAK，表示无数据上传。第3个IN回复数据了，主机收到后回复了ACK。然后下一帧，主机发送SOF后，发了个OUT令牌包，跟着又发送了数据DATA0，从设备端回复ACK。

USB帧时间数据传输过程.

举一个实际的例子，全速USB传输每一个帧为1ms。首先会发送一个SOF包（帧起始包），此时USB主机检测到总线没有事务可以传输，则总线进入idel（空闲状态），这里的空闲时间996.917us，3us左右是EOP占用的时间。
5个idle后，有事务了，分析一下这次传输。同样的首先会发送一个SOF包（帧起始包），等了176.817us后，紧接着USB主机会发送一个SETUP令牌包，收到ACK后继续SETUP包和数据包，从设备端也返回了ACK包。下一个是IN的事务，不详细讲。两个事务传输完成后，主机检测到没有事务了，总线同样会进入空闲状态，这里空闲了478.767us。所有的时间开销加起来差不多1ms。然后后面又有几个没有事务的帧。

全速USB帧内容

实际开发中，当MCU做从设备时，一般MCU的软件架构都是在中断中响应主机端各种交互，例如可配置每个SOF都产生一个中断，或者收到SETUP包后产生中断，在中断中处理相应事务，软件不能做太耗时的处理，一般产生事件标志然后异步处理。数据IN是预先拷贝到指定的缓存（或者DMA缓存），当主机轮询时，硬件自动上传，没有数据就回复NAK。数据OUT也是硬件先接收到指定的缓存（或DMA缓存），回复ACK，接收完后产生中断，通知软件处理。

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