USB 基本知识

USB的重要关键字:

1、端点：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）

2、帧分为好几份，每一份中是一个USB的传输动作。

3、上行、下行：设备到主机为上行，主机到设备为下行

下面以一问一答的形式开始学习吧。

问题一：USB的传输线结构是如何的呢？

答案一：一条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（注意哦，与CMOS的5V电平不同），而电源线和地线可向设备提供5V电压，最大电流为500MA（可以在编程中设置的，至于硬件的实现机制，就不要管它了）。

问题二：数据是如何在USB传输线里面传送的

答案二：数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。

问题三：USB的编码方案？

答案三：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***作（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0），从而强迫NRZI码发生变化。这个了解就行了，这些是由专门硬件处理的。

问题四：USB的数据格式是怎么样的呢？

答案四：和其他的一样，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）。下面简单介绍一下域、包、事务、传输，请注意他们之间的关系。

（一）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，具体分类请看问题五。

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（同步传输为四种传输类型之一，请看下面）。

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，至于具体的校验方法这里就不多说，请查阅相关资料，只须注意CRC码的除法是模2运算，不同于10进制中的除法。

（二）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，介绍如下

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）   （令牌包）

（上面的缩写解释请看上面域的介绍，PID码的具体定义请看问题五）

帧起始包的格式：

SYNC+PID+11位FRAM+CRC5（五位的校验码）     （帧起始包）

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   （数据包）

3、握手包：结构最为简单的包，格式如下

SYNC+PID    （握手包）

（注上面每种包都有不同类型的，USB1.1共定义了十种包，具体请见问题五）

（三）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，无法往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（共有11条，具体请看问题七）

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）

（四）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最复杂的传输。

1、中断传输：由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输中

2、批量传输：由OUT事务和IN事务构成，用于大容量数据传输，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。

3、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

4、控制传输：最重要的也是最复杂的传输，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的传输，也就是说控制传输其实是由三个传输构成的，用来于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，这是每一个USB开发者都要关心的问题。

1、初始设置步骤：就是一个由SET事务构成的传输

2、可选数据步骤：就是一个由IN或OUT事务构成的传输，这个步骤是可选的，要看初始设置步骤有没有要求读/写数据（由SET事务的数据包阶段发送的标准请求命令决定）

3、 状态信息步骤：顾名思义，这个步骤就是要获取状态信息，由IN或OUT事务构成构成的传输，但是要注意这里的IN和OUT事务和之前的INT和OUT事务有两点不同：

1） 传输方向相反，通常IN表示设备往主机送数据，OUT表示主机往设备送数据；在这里，IN表示主机往设备送数据，而OUT表示设备往主机送数据，这是为了和可选数据步骤相结合；

2） 在这个步骤里，数据包阶段的数据包都是0长度的，即SYNC+PID+CRC16

除了以上两点有区别外，其他的一样，这里就不多说

（思考：这些传输模式在实际***作中应如何通过什么方式去设置？）

题五：标识码有哪些？

答案五：如同前面所说的标识码由四位数据组成，因此可以表示十六种标识码，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（具体分类请看问题七），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

问题六：USB主机是如何识别USB设备的？

答案六：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，态表示暂时的状态），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***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。

问题七：刚才在答案四提到的标准的USB设备请求命令究竟是什么？

答案七：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），请看回问答四的内容。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 接收者为设备

=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

以上的11个命令要说得明白真的有一匹布那么长，请各位去看书吧，这里就不多说了，控制传输是USB的重心，而这11个命令是控制传输的重心，所以这11个命令是重中之重，这个搞明白了，USB就算是入门了。

问题八：在标准的USB请求命令中，经常会看到Descriptor，这是什么来的呢？

回答八：Descriptor即描述符，是一个完整的数据结构，可以通过C语言等编程实现，并存储在USB设备中，用于描述一个USB设备的所有属性，USB主机是通过一系列命令来要求设备发送这些信息的。它的作用就是通过如问答节中的命令***作来给主机传递信息，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，所以描述符也是十分重要的部分，要好好掌握。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，而一个配置描述符可以包含多个接口描述符，一个接口使用了几个端点，就有几个端点描述符。这间描述符是用一定的字段构成的，分别如下说明：

1、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

}

2、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

}

3、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

}

4、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

}

5、端点描述符

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}

在搞明白了上面的八个问题之后，就可以进入USB的下一步学习了。

【 初涉USB，初学者USB入门总结——枚举】

【USB】

1. 不但固件程序需要编写；

2. PC端的驱动也要编写；

3. 而且驱动写好了还要写个上机位才能看出效果；

这样调试起来十分困难，建议从USB的键盘，鼠标开始做，了解清楚了，再做自己的协议就比较简单了。

------------------------------------（第一）设备插入-------------------------------------------------------------

1）  主机会轮回查询各个USB端口，主机检测到D+与D-之间有电压差，就认为有新的设置接入。主机等待100ms后发出复位请求。设备接到复位请求后将产生一个外部中断信号。

-----------------------------------（第二）枚举过程（检测到设备插入以后）---------------------------------

2） 主机这时候只是知道有新的设备插入了，但是不知道插进来个什么东西，所以就开始询问它是什么设备，怎么用，负荷能力怎么样。这个时侯就进入了枚举过程。

步骤1：（设备描述符）

地址：因为刚刚插入的设备没有分配地址，就用默认地址0；

主机：首先发送一个Get_deor（获取设备描述符）指令包；

设备：设备接到包后就开始解析包（其实就是你在固件程序里判断处理），然后按固定格式       返回自己设备的设备描述符

目的：这一步主要是让主机知道你的USB设备的基础属性，比如支持的传输数据长度，电流      负荷多少，支持那个USB版本，以后方便电脑找驱动的PID，VID。

步骤2：（配置描述符）

分配地址：主机知道设备的数据长度和电流大小后，然后就是给设备分配一个属于它的地址；

主机：给设备一个地址后，就开始询问设备的具体配置（配置描述符）。  首先发送一个试探性的设备配置请求Get_configuration（要求固定返回9个设备配置字）指令包；

设备：接到指令包后就开始发送9字节的设备配置字，其中包括设备的配置字的总长度；

主机：这样主机就知道设备的配置到底有多长，然后再发一次设备配置请求指令包；

设备：这时设备就开始上传所有的配置字；

主机：这个时侯主机就已经很明白你的工作方式和各种特性，然后就可以正常工作了；

目的：配置（以后章节详细说明）要求说明自己的名字什么的，这里还要上传字符串描述符；如果是鼠标或者键盘还要上传报告描述符。

----------------------------------------------（第三）正常数据阶段-------------------------------------------------

这个时侯你已经被主机正式接受并且注册了，你可以通过自己写测试驱动或通用驱动与电脑进行通讯了。

对于USB的工作我这里做个比方：

主机好比一个公司，你就是USB设备，要进入公司首先要面试（枚举），你到了面试现场（第一次插入设备），面试官首先了解到你的外表，性别已经你要应聘的岗位（设备描述符），然后给你一个号，以后就开始按号叫人，当你被叫到就开始问你的专业知识，性格等（配置描述符），如果你比较合适（通过了枚举）你就会录取了，并且注册一个你的信息到公 司（驱动安装，并且写入注册表）。等你下次来公司，只要把工号（PID，VID）报上，就知道是你来了。

【 初涉USB，初学者USB入门总结——设备固件程序】

主机：主机给设备设置地址，主机会通过固定的通道（point 0）发送一个“设定地址”包；

设备：设备主控接到包后会产生中断，并且把响应的状态保存在相应的寄存器中；

目的：我们只要在中断程序中判断各个寄存器就能完成主机的任务。

【 初涉USB，初学者USB入门总结——数据包阐述】

步骤一：了解USB上传的什么东西，以什么格式传数据；

1） 各种总线（USB也是一种总线）的数据传输都是以固定的层次协议进行的；

2） 所谓的层次是表达一种依附关系，上层要依赖于底层，上层以底层为基础，上层只需要关心自己的东西就行了；

3） 要实现两个机器（机器的范围比较广，可以是电脑，交换机，单片机）的通信总是要有一个载体才可以，对于机器当然是电平高低为载体；

具体的说：机器甲要告诉机器乙一件事情（比如说一条指令），那么机器甲可以通过一根线     （串行数据总线）连到机器乙的一个IO口上，甲发送一个个的高低电平，乙固定时间    检测自己的这个IO口，然后逐个记录下放到自己的缓冲里，这样乙就收到甲送的数据了。

这里也打个比方：比如人与人进行交流，我们当然是通过说话了，物理层就是空气和传输的声波，数据链路层就是我们说的每一个字，物理层就是空气，负责把我们说的话转换成声波传给对方，数据链路层负责让对方能正确的听到每个字，如果听的不清可以告诉对方重新说一遍。经过上述的两个底层，就可以保证每一位数据可以正确的传到对方那里去。

步骤二：解析数据代表了什么，一般来说，数据都是以一串数为单位，一般称为一个包，机器间传输都是以一个以包为单位传出的，就像人们说话都是以一句话为单位输出一样。每一个包包含有许多位数据，这些数据又分段表示不同的意义。

如图 一，这是一个USB令牌阶段的包：（数据包 è 数据位 è每段数据位的意义）

1. Sync是同步数据（相当于说话时先打个招呼，告诉对方要跟他说话了）；

2. PID是包标示（告诉对方这个包是干什么用的）；

3. ADDR是对方的地址（叫对方的名字）；

4. ENDP是用端点几通讯（----------）；

5. CRC5是校验位（判断这个包是否在传输中出错），EOP是包结束。

|--------------------------------------------------------|

|   Sync  |  PID  |  ADDR  |  ENDP  |  CRC5  |  EOP      |

|________________________________________________________|

图一
USB 的数据包又分为三种，一个是令牌包，一个是数据包，另一个是握手包。

一、  每一次的USB通讯事务处理都是以令牌包开头，告诉对方要跟谁说话，这句话是干嘛的。

二、  如果要求有数据传输，则下一步就是数据包，

三、  另外如果要求对方要有反馈，则会发出握手包。

四、 令牌包又简单的包括OUT，IN，STEP三种类型；

（1）.OUT是用于主机告诉设备主机要向USB设备发送数据，

（2）.IN是用于主机告诉设备要上传数据，

（3）.而STEUP是用于主机向USB设备发送配置信息，在枚举过程中会用到。

Ø 另外数据包和握手包的具体格式什么的，可以参照详细的协议。

Ø 可以看到在所以的通讯过程中，主机都是发起者，不管是主机发送数据到USB设备还是USB设备发送数据到主机，都必须受主机控制。

图二为一次事务的过程：

令牌阶段   ——》        数据阶段     ——》     握手阶段

图二

这个过程可以这样描述，甲和乙对话，甲是老板，乙是职员。第一节已经讲过了，乙面试就是枚举，在这个过程中，甲多段的发送STEP令牌包给乙，乙收到后如果要反馈数据，就发数据包给甲，甲正确接收后，跟甲握握手，表示这次对话成功。
乙被录取后，甲会分派任务（OUT），这时甲对乙说有任务给你（令牌阶段），然后乙就开始听，甲说你的任务就是记录数据并且上报（这段话就是数据包），乙说好的（握手包）。乙开始正式工作，并且记录数据。过了一段时间，甲开始要求提交数据（IN），乙把数据报告给甲（数据阶段），甲说好（握手成功）。这里乙不能主动的去向老板汇报，只能被动的干活。

【 初涉USB，初学者USB入门总结——USB通讯设备快速开发（固件，驱动】

经过上述三节的描述，对USB应该已经有了初步的认识，其中具体的协议（比如各个描述符的定义什么的）这里不做描述了。下面我以一个实例来详细说明快速开发USB设备的步骤。

一、设定规划

凡事预则立，不预则废，所以开发一个小小的USB也要稍微规划一下，比如想象要实现什么功能，传输的数据协议什么的。

二、固件编程

固件编程说白了就是写单片机程序，要实现USB一般可以使用带USB功能的单片机，再就是加一个专用的USB芯片。这里以内部集成USB功能单片机为例：

固件的USB开发一般就是先使能USB，使能USB时钟，使能各个USB控制中断（挂起，复位，标准请求，写入，写出等）然后USB就能正常工作了，这时候不如不写别的东西，电脑就可以检测出有USB设备插入了，具体的反应是在设备管理器里会发现闪了一下说明发现了新的USB设备，接下来电脑会发送各种标准请求，因为这个时候你的程序还没写完整，对这些请求不会有反应，所以电脑不可能识别出是什么东西。

接下来的工作就是 在中断中 响应电脑传来的各种标准请求。当必要的请求都被正确的响应的话，这个时候如果电脑里有正确的驱动，电脑就会去加载这个驱动，如果是第一次插入这个设备，还要把驱动安装一下，然后设备就进入正常工作了，电脑会显示“这个USB已经成功安装并可以应用了”。

【端点（endpoint）的概念】

一般一个USB设备都会有数个端点，端点就是一个数据缓冲控制区（FIFO），每一个缓冲区相当于有一个出口一个进口的池子，数据通过进口进入到池子，然后你再在固件里去用这些数据。固件往电脑写数据，也是把数据先放到池子里，然后打开出口，就可以干自己的事情，不用一个个的把数据发出了，池子的出口自动把数据流出。

一般的端口0是用来做标准请求响应用的，也就是在枚举阶段用到。我一般把端口1定义为出（OUT），端口2定义为入（IN）（注意，这个OUT和IN是相对与电脑的，也就是说OUT是数据从电脑出去到设备，IN是设备的数据进入电脑）。这些定义也是在标准请求中去告诉电脑的。接下来就可以实现与电脑的通讯了，你把数据放到相应的池子里就行了。

下面就可以自己定义通讯的数据格式了。比如控制开发板上的8个LED的第一个灯亮，那么上位机发送数据0x55，0x01，0x80，0xaa。我们就可以规定第一个数据是启示位，遇到这个表明开始一次控制指令，0x01表示这个是控制灯亮暗的指令，0x80表示LED的控制数据，最高位是1，表示第一个亮，其他位是0，表示都暗。最后一个数据是0xaa，表示这是结束。其实所谓的数据协议不过就是自己定义的一套让通讯双方都能正确理解对方的数据格式。

端点（endpoint）：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。

上行、下行：设备到主机为上行，主机到设备为下行

A. 数据在 USB 线里传送是由低位到高位发送的。

B. 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）。

上位机：是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。

下位机：是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。

1. 上位机发出的命令首先给下位机，

2. 下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。

Ø 简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。

二、USB HID类可采用的通信管道

　　所有的HID设备通过USB的控制管道（默认管道，即端点0）和中断管道与主机通信。

· 接收/响应USB主机的控制请示及相关的类数据 　　控制管道主要用于以下3个方面：

·  在USB主机查询时传输数据（如响应Get_Report请求等）

·  接收USB主机的数据

表1、USB HID规范定义的HID设备可用端点
管道	要求	说明
控制(端点0)	必须	传输USB描述符、类请求代码以及供查询的消息数据等
中断输入	必须	传输从设备到主机的输入数据
中断输出	可选	传输从主机到设备的输出数据

　　中断管道主要用于以下两个方面：

·  USB主机接收USB设备的异步传输数据

·  USB主机发送有实时性要求的数据给USB设备

从USB主机到USB设备的中断输出数据传输是可选的，当不支持中断输出数据传输时，USB主机通过控制管道将数据传输给USB设备。

HID设备的描述符除了5个USB的标准描述符（设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符，还包括3个HID设备类特定描述符：HID描述符、报告描述符、实体描述符。

　除了HID的三个特定描述符组成对HID设备的解释外，5个标准描述符中与HID设备有关的部分有：

1.  设备描述符中bDeviceClass、bDeviceSubClass和bDeviceProtocol三个字段的值必须为零。

2.  接口描述符中bInterfaceClass的值必须为0x03;

bInterfaceSubClass的值为0或1，为1表示HID设备符是一个启动设备（Boot Device，一般对PC机而言才有意义，意思是BIOS启动时能识别并使用您的HID设备，且只有标准鼠标或键盘类设备才能成为Boot Device。如果为0则只有在操作系统启动后才能识别并使用您的HID设备），bInterfaceProtocol的取值含义如下表所示：

表2、HID接口描述符中bInterfaceProtocol的含义
bInterfaceProtocol的取值（十进制）	含义
0	NONE
1	键盘
2	鼠标
3~255	保留

USB 的重要关键字 :

1、端点：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、输出端点、配置端点、批量传输端点）

2、数据是如何在 USB 传输线里面传送的 ？

答： 数据在 USB 线里传送是由低位到高位发送的。

USB固件库

USB 设备（DEVICE）从来只是被动触发，USB 主机（HOST）掌握主动权，发送什么数据，什么时候发送，是给设备数据还是从设备请求数据，都是由 USB 主机完成的，USB 设备只是配合主机完成设备的枚举、数据方向和大小。根据数据特性再决定该不该回复该如何回复、该不该接收该如何接收这些动作。

HID接口固件设计与实现

　　该设备采用C8051F120微控制器和PDIUSBD12芯片来实现，如图3所示。

USB OTG：由于USB是主从模式，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连，为了解决这个问题，扩大USB的使用范围，就出现了USB OTG(On The Go)。

PS：本文虽非博主原创，但是鄙人在读了以后对USB的了解又进了一步。很多人说USB开发水很深，不必细细探究。所以摘录了网上的好文章分享一下，本文章对于初次涉及USB开发的开发人员非常有用！最起码让你知道从什么地方开始学习USB的开发。本人在此感谢，前辈们为我们铺下的平路，让我们能够更加轻松的快速的入门USB开发了。

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