USB是如何工作的

USB是如何工作的

低速（Low Speed， 1.5Mbps）：键盘，鼠标，手写笔

全速（Full Speed， 12Mbps）：音频

2.主机，设备（Host， Device）

通过USB总线获得供电的设备，分为两种配置：

低功率设备（Low-power devices）： 最大电流不超过100mA

高功率设备（High-power devices）： 刚连接后设备后的枚举阶段不超过100mA，配置完成后最大不超过500mA。

设备描述符（Device Descriptor）

配置描述符（Configuration Descriptor）

接口描述符（Interface Descriptor）

端点描述符（Endpoint Descriptor）

字符串描述符（String Descriptor）

在端点之上是逻辑组织，多个端点可以归到一个接口，多个接口可以归为一个配置。而一个设备可以有多个配置。

3.USB物理层

（USB Specification 2.0）

1 红色 Vbus（5V）

2 白色 D-

3 绿色 D+

4 黑色 GND

有的USB接口会多出一根ID线，以支持OTG（On The Go）。支持OTG的线两端是不一样的，其中一端插到OTG设备时会把设备接口的识别引脚ID拉低，此设备识别到自己的ID拉低后会进入主机状态（Host），连线另一端的设备ID没有拉低，默认进入设备状态（Device）。之后通过软协议可以主从切换。但是集中这种应用不是太多，一台设备要么作主机，要么作设备的情况比较多。

USB使用的是差分传输模式，有两根数据线D+和D-。

Differential 1：D+ 》 VOH（min） （2.8V） 且D- 《 VOL（max）（0.3V）

Differential 0：D- 》 VOH and D+ 《 VOL

J状态：对于低速USB是Differential 0，对于全速USB是 Differential 1

K状态：对于低速USB是Differential 1，对于全速USB是 Differential 0

除此之外，通过把D+，D-当作单端信号拉低，拉高，可以表示一些特殊的状态。

SE0状态（Single Ended 0）：D+ 低，D- 低

SE1状态（Single Ended 1）：D+ 高，D- 高

Reset信号：D+ and D- 《 VOL for 》= 10ms

主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备设置到默认的未配置状态。即主机拉低两根信号线（SE0状态）并保持10ms。

看到这里也许有点晕，不过没关系，你如果看USB协议会更晕。

我们千万不要掉进这个坑里出不来，就像我们用串口也从来不会去触发一个起始信号，或者拉出一个结束信号一样，这些物理层信号状态的处理完全由芯片集成的USB控制器来处理。而且提供USB软件协议栈也是必须的，靠用户自己完全把所有细节搞清楚是不现实的。然而就像开车一样，你如果对汽车的原理有更深入的了解，一定更能充分的发挥出这辆车的性能。

继续，除了以上状态，还有：

Idle State， Resume State， Start of Packet， End of Packet， Disconnect， Connnect.

4.Packet

Packet是USB通讯最基本的单位。

SOP：Start Of Packet，标志由空闲状态转入数据包发送。

PID：Packet Identifier。种类比较多，下面再详细说明。

Frame Number：帧号，每发一帧加1，达到7FFFH时变为0。

Data：数据段。

CRC：校验和。

EOP：End Of Packet。

通过不同的PID，数据包被分成4个大类，每个大类又包含一些小类：

令牌 （Token） OUT，IN，SETUP，SOF

数据 （Data） DATA0，DATA1

握手 （Handshake） ACK，NAK，STALL，NYET

特殊包 （Special） PRE，ERR

5.Transaction

一次Transaction总是从主机向设备发出一个令牌（Token）开始。再次强调，USB所有的通信过程都是由主机发起。三种令牌把Transaction分为三类：

OUT：主机发送数据给设备。

IN：主机从设备获取数据。

SETUP：主机对设备进行设置。

USB协议里的OUT和IN，都要站在主机的角度来看。下面是比较典型的获取，发送数据的例子：

每一次Transaction，Token总是必需的，数据段和握手则视情况而定。比如在上一个例子中，当主机发出IN令牌获取数据时，如果设备没准备好数据，则可以返回NAK结束此Transaction。

6.Transfer

好了，有了以上这些，似乎万事俱备了。但是如果进一步想一下，那么还是有些问题不好解决。什么呢？比方说DATA数据段的长度规定多长好呢？主机多长时间发起一次通信比较好呢？

一个USB主机上是允许挂载多个设备的，而这些设备千差万别：比如像鼠标，按键后需要快速响应，把位置信息发送到主机，它的数据量很少，而像U盘则需要传输大量的数据。如果按鼠标的时候U盘正在传输数据怎么办呢？

为了解决上述问题，USB首先规定了四种传输类型：

批量传输（Bulk Data Transfers）： 主要用来进行量大，但对传输时间要求不严格的场景。例如U盘。

中断传输（Interrupt Data Transfers）： 需要及时准确的传输信息的场景。中断传输总是单向的。比如鼠标。

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同步传输（Isochronous Data Transfers）： 一般需要占用相对固定的带宽，延时短而且比较确定。传输是单向的，数据出错后不需要重传。比如USB摄像头。

然后，为了解决设备的及时响应问题，USB每隔1ms （高速USB是每隔125us）发出一个SOF令牌，紧接令牌进行同步类型的传输，之后依次是中断类型，控制类型和批量数据传输类型。在每一个Frame内，Isochronous，Interrupt和Control都会保证一定的带宽。而Bulk型的传输优先级最低，不一定每帧都得到带宽进行数据传输。

一个Transfer 由一个或多个Transactions组成。比如一次控制传输可以由Setup，IN，OUT等Transactions组成。Packet和Transaction是不允许被中间打断的，而Transfer的多个Transactions可以分多次传输。

7.小结

原文标题：单片机外围模块-USB总线基本概念。

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