一、 前言

斷斷續(xù)續(xù)做了不少USB相關(guān)開(kāi)發(fā)，但是沒(méi)有系統(tǒng)去了解過(guò)，遇到問(wèn)題就很被動(dòng)了。做這個(gè)USB轉(zhuǎn)UART的項(xiàng)目就是，于是專(zhuān)門(mén)花了一天的時(shí)間學(xué)習(xí)USB及CDC相關(guān)，到寫(xiě)這文章時(shí)估計(jì)也忘得差不多了，趁項(xiàng)目收尾階段記錄一下，方便后面翻閱。
本文內(nèi)容（包括圖片）絕大多數(shù)來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，侵刪。參考鏈接：
USB官網(wǎng)
USB通用串行總線基礎(chǔ)知識(shí)詳述
USB端點(diǎn)和傳輸協(xié)議(數(shù)據(jù)包、事物)詳解

二、 總線

USB歷代接口

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，USB速率越來(lái)越高，總線由最初4根線，半雙工發(fā)展到多根線，全雙工。本文是基于 USB 2.0 版本，記錄最初最基礎(chǔ)的知識(shí)，了解了這些基礎(chǔ)，后面的版本就很容易了。

USB總線

USB全速(高速)接線圖

信號(hào)名稱(chēng)	說(shuō)明
Vbus	電源，DC 5V
D+	叉分信號(hào)線，正
D-	叉分信號(hào)線，負(fù)
GND	電源地

由上面可知，USB 2.0 只有4根線，兩根數(shù)據(jù)線是高速串行叉分線，半雙工。電源線用來(lái)主機(jī)給從設(shè)備供電，最大500mA， 5V * 500mA = 2.5W， 功率不是很高。后來(lái)的快速充電技術(shù)要么提升了電壓和電流，例如9V * 2A = 18W， 再后來(lái)USB接口增加了電源和數(shù)據(jù)線的數(shù)量，傳輸速率和供電功率都大大提升。

數(shù)據(jù)編解碼和位填充

USB采用NRZI（非歸零編碼）對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼 。輸入數(shù)據(jù)0， 編碼成“電平翻轉(zhuǎn)” ；輸入數(shù)據(jù)1， 編碼成“電平不變” ；（NRZI遇0翻轉(zhuǎn)，遇1不變）。

USB NRZi編碼格式

三、 USB總線系統(tǒng)中的設(shè)備

可以分為三種類(lèi)型：

• 主機(jī)：?只能有一個(gè)，管理USB系統(tǒng)；
• 集線器(USB HUB)：?用來(lái)擴(kuò)展設(shè)備；
• 設(shè)備：?終端設(shè)備，如下圖的鼠標(biāo)鍵盤(pán)打印機(jī)；

  

  USB設(shè)備拓?fù)?/p>

四、 端點(diǎn)(Endpoints)

在USB規(guī)范中，設(shè)備端點(diǎn)是唯一可尋址可通信的基本單元，端點(diǎn)是有通信方向的。物理上一個(gè)USB總線(4根線)連接一個(gè)設(shè)備終端，這個(gè)設(shè)備終端邏輯上可以有多個(gè)接口，每個(gè)接口可以有多個(gè)端點(diǎn)，從而在主機(jī)的系統(tǒng)上看該設(shè)備終端可能有多個(gè)設(shè)備。例如本項(xiàng)目，一個(gè)USB口擴(kuò)展7個(gè)UART設(shè)備。
端點(diǎn)0:?每個(gè)終端設(shè)備肯定會(huì)有一個(gè)端點(diǎn)0，用于剛連接到主機(jī)時(shí)的初始化和枚舉。想象一下，一個(gè)USB設(shè)備終端可能有10個(gè)8個(gè)端點(diǎn)，剛插到主機(jī)時(shí)，主機(jī)并不清楚，所以規(guī)定了一定要有一個(gè)端點(diǎn)0，主機(jī)最開(kāi)始只與端點(diǎn)0通信，然后把其它的設(shè)備，接口，端點(diǎn)枚舉出來(lái)。

端點(diǎn)類(lèi)型

USB規(guī)范定義了四種端點(diǎn)類(lèi)型：

• 控制端點(diǎn)： 收發(fā)控制信息，也可以傳輸數(shù)據(jù)。
• 中斷端點(diǎn)： 用于傳輸少量的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)效性比較好，例如鍵盤(pán)鼠標(biāo)。
• 批量端點(diǎn)： 用于傳輸大批量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)效性沒(méi)要求，例如U盤(pán)文件傳輸。

• 等時(shí)端點(diǎn)： 連續(xù)，實(shí)時(shí)的傳輸，例如音頻。

  ?

  

  不同端點(diǎn)類(lèi)型比較

五、 數(shù)據(jù)傳輸

USB通信包含一系列的幀，USB在2.0時(shí)代，分為低速設(shè)備(1.5Mbps),全速設(shè)備（12Mbps)和高速設(shè)設(shè)備（480Mbps).這些設(shè)備使用的幀的時(shí)間間隔是1±0.0005ms,而對(duì)于高速設(shè)備，又將每個(gè)幀分成了8個(gè)微幀，這樣每個(gè)微幀的時(shí)間間隔變成了125±0.0625us。
每一幀包含一個(gè)起始幀(Start of Frame, SOF), 然后是若干個(gè)事務(wù)(Transaction)。每個(gè)事務(wù)由一系列數(shù)據(jù)包(packet)組成。每個(gè)數(shù)據(jù)包以同步標(biāo)識(shí)(SYNC)開(kāi)始，以結(jié)束標(biāo)識(shí)(EOP)結(jié)束。有三種類(lèi)型的包：令牌包，數(shù)據(jù)包，握手包。幀，事務(wù)，包關(guān)系如下圖：

USB幀事務(wù)數(shù)據(jù)包關(guān)系圖

包(package)

包是USB系統(tǒng)中信息傳輸?shù)幕締卧?#xff0c;所有數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)打包后在總線上傳輸?shù)?。USB包由五部分組成，即同步字段（SYNC）、包標(biāo)識(shí)符字段（PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段（CRC）和包結(jié)尾字段（EOP），包的基本格式如下：

同步域(SYNC)

由8位/32位組成，作為每個(gè)數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)，用來(lái)產(chǎn)生同步作用，使USB設(shè)備與總線的包傳輸率同步，它的數(shù)值固定為000000001。作用：

• 通知USB串行接口引擎數(shù)據(jù)要開(kāi)始傳輸；
• 同步主機(jī)和設(shè)備之間的時(shí)鐘。

標(biāo)識(shí)符字段(PID)

包標(biāo)識(shí)符PID是用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)包的類(lèi)型。PID共有8位，目前USB協(xié)議僅使用4位(PID0 - PID3)，另外4位(PID4 - PID7)是PID0 - PID3的取反，用來(lái)校驗(yàn)PID。傳輸?shù)捻樞驗(yàn)镻ID0,PID1,PID2,PID3,...,PID7。

令牌包(token packet, PID1~0為01)、數(shù)據(jù)包(data packet, PID1~0為11)、握手包(handshake packet, PID1~0為10)、特殊包(special packet, PID1~0為00)：

令牌類(lèi)型.

特殊包是一些在特殊場(chǎng)合使用的包?？偣灿?種：PRE、ERR、SPLIT和PING。其中PRE、SPLIT和PING是令牌包，ERR是握手包。這里不打算展開(kāi)講。

幀傳輸過(guò)程

如下圖，所有通信都由主機(jī)定時(shí)發(fā)起，幀頭一定是SOF，然后包含多個(gè)事務(wù)，每個(gè)事務(wù)有多個(gè)包，每個(gè)包都是SYNC開(kāi)頭，EOP結(jié)束。要注意每個(gè)事務(wù)是有應(yīng)答的，即一個(gè)幀里面數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚴遣粩嗲袚Q的。下圖中，主機(jī)先發(fā)一個(gè)SOF，然后發(fā)一個(gè)SETUP包，這個(gè)包帶有DATA0，設(shè)備端收到后返回ACK。然后主機(jī)連續(xù)發(fā)了3個(gè)IN令牌包，前2個(gè)從設(shè)備端都回復(fù)NAK，表示無(wú)數(shù)據(jù)上傳。第3個(gè)IN回復(fù)數(shù)據(jù)了，主機(jī)收到后回復(fù)了ACK。然后下一幀，主機(jī)發(fā)送SOF后，發(fā)了個(gè)OUT令牌包，跟著又發(fā)送了數(shù)據(jù)DATA0，從設(shè)備端回復(fù)ACK。

USB幀時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程.

舉一個(gè)實(shí)際的例子，全速USB傳輸每一個(gè)幀為1ms。首先會(huì)發(fā)送一個(gè)SOF包（幀起始包），此時(shí)USB主機(jī)檢測(cè)到總線沒(méi)有事務(wù)可以傳輸，則總線進(jìn)入idel（空閑狀態(tài)），這里的空閑時(shí)間996.917us，3us左右是EOP占用的時(shí)間。
5個(gè)idle后，有事務(wù)了，分析一下這次傳輸。同樣的首先會(huì)發(fā)送一個(gè)SOF包（幀起始包），等了176.817us后，緊接著USB主機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)SETUP令牌包，收到ACK后繼續(xù)SETUP包和數(shù)據(jù)包，從設(shè)備端也返回了ACK包。下一個(gè)是IN的事務(wù)，不詳細(xì)講。兩個(gè)事務(wù)傳輸完成后，主機(jī)檢測(cè)到?jīng)]有事務(wù)了，總線同樣會(huì)進(jìn)入空閑狀態(tài)，這里空閑了478.767us。所有的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)加起來(lái)差不多1ms。然后后面又有幾個(gè)沒(méi)有事務(wù)的幀。

全速USB幀內(nèi)容

實(shí)際開(kāi)發(fā)中，當(dāng)MCU做從設(shè)備時(shí)，一般MCU的軟件架構(gòu)都是在中斷中響應(yīng)主機(jī)端各種交互，例如可配置每個(gè)SOF都產(chǎn)生一個(gè)中斷，或者收到SETUP包后產(chǎn)生中斷，在中斷中處理相應(yīng)事務(wù)，軟件不能做太耗時(shí)的處理，一般產(chǎn)生事件標(biāo)志然后異步處理。數(shù)據(jù)IN是預(yù)先拷貝到指定的緩存（或者DMA緩存），當(dāng)主機(jī)輪詢(xún)時(shí)，硬件自動(dòng)上傳，沒(méi)有數(shù)據(jù)就回復(fù)NAK。數(shù)據(jù)OUT也是硬件先接收到指定的緩存（或DMA緩存），回復(fù)ACK，接收完后產(chǎn)生中斷，通知軟件處理。

(END)