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第4章   ThreadX USBX协议栈基础知识

本章节为大家讲解USB基础知识点，学习USB前，非常有必要有个系统的认识。

  4.1初学者重要提示

  4.2 USB历史

  4.3 USB架构

  4.4 USB硬件

  4.5 USB电流

  4.6 USB传输速度

  4.7 USB通信（重要）

  4.8 USB描述符

  4.9 USB类

  4.10 总结

 

 

4.1   初学者重要提示

1、  USB1.1和USB2.0规格书以及Cypress做的中文版USB文档，非常推荐大家学习：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=100698

2、  USB初学 -- 入门篇 （USB基础知识速览）

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=100687 。

3、  文献参考：

https://en.wikipedia.org/wiki/USB

https://zh.wikipedia.org/wiki/USB

https://en.wikipedia.org/wiki/USB_hardware

4.2   USB历史

1994年，由七个公司组成的小组开始开发USB：Compaq，DEC，IBM，Intel，Microsoft，NEC和Nortel。目标是通过替换PC背面的众多连接器，解决现有接口的可用性问题以及简化所有连接到USB设备的软件配置，从根本上简化外部设备连接至PC，并且可以为外部设备提供更高的数据速率。 阿杰·巴特（Ajay Bhatt）和他的团队在英特尔制定该标准。第一批集成电路支持USB的产品由英特尔于1995年生产。

最初的USB 1.0规范于1996年1月推出，它定义了1.5 Mbit / s 低速和12 Mbit / s全速的数据传输速率 。12 Mbit / s适用于打印机和软盘驱动器等高速设备，1.5 Mbit / s适用于键盘，鼠标和操纵杆等低数据速率设备。Microsoft Windows 95，OSR 2.1在1997年8月为设备提供了OEM支持。USB的第一个广泛使用的版本是1998年9月发布的1.1。苹果的iMac是第一个带有USB的主流产品，而iMac的成功推广了USB本身。在苹果公司决定从iMac上删除所有兼容端口之后，许多PC制造商开始构建兼容版PC，这导致使用USB成为PC市场标准。

USB 2.0规范于2000年4月发布，并在2001年底被USB-IF批准。惠普，英特尔，朗讯科技（现为诺基亚），NEC和飞利浦共同领导了该计划。开发更高的数据传输速率，从而使规范达到480 Mbit / s，是原始USB 1.1规范的40倍。

USB 3.0规范发布于2008年11月12日，其主要目标是提高数据传输速率（高达5 Gbit / s），减少电力消耗，提高输出功率，并且向后兼容USB 2.0。USB 3.0包括与USB 2.0总线类似的新型高速总线SuperSpeed。因此，新版本也称为SuperSpeed。首批配备USB 3.0的设备于2010年1月推出。截止到2008年，全球市场上大约有60亿个USB端口和接口，每年大约销售20亿个。

USB 3.1规范于2013年7月发布。2014年12月，USB-IF向IEC（TC100–音频，视频和多媒体系统和设备）提交了USB 3.1，USB Power Delivery 2.0和USB-C规范，以纳入国际标准IEC 62680（通用串行总线接口，用于数据和电源），目前基于USB 2.0。

USB 3.2规范于2017年9月发布。

USB4规范于2019年8月29日由USB-IF发布。

 

 

4.3   USB架构

系统中只能有一个主机，并且与设备进行的通信是从主机的角度进行的。主机是“上行” 组件，设备则是“下行” 组件，数据从主机转移到外设的操作是 OUT 传输。数据从外设转移到主机的操作是 IN 传输。主机（尤其是主控制器）控制着所有通信并向设备发出指令。共有三种常见的 USB 主控制器：

•   通用主控制器接口（UHCI）： 由 Intel 生产，适用于 USB 1.0 和 USB 1.1。使用 UHCI 时需要得到 Intel 的许可。该控制器支持低速模式和全速模式。
•   开放主控制器接口（OHCI）： 由 Compaq、 Microsoft 和 National Semiconductor 生产， 适用于 USB 1.0 和 1.1。该控制器支持低速模式和全速模式， 并且它的效率比 UHCI 更高， 因为可以执行更多硬件功能。
•   扩展型主控制器接口（EHCI）： 在 USB-IF 要求发布单一主控制器规范后，已经生产了该控制器，它适用于 USB2.0。 EHCI 仅支持高速传输，并且将低速和全速传输委托给 OHCI 或 UHCI 控制器执行。

可以将一个或多个设备连接至一个主机。每个设备均有一个地址，并且会对寻址它的主机指令做出响应。设备预计具有某种形式的功能，并不简单作为一个被动组件。设备具有一个上行端口。端口是设备上的 USB 物理连接点。集线器是一个专用设备，允许主机同总线上的多个外设进行通信。与 USB 外设（例如鼠标）具有实际功能不同，集线器设备是透明的，并且作为直通连接使用。集线器也作为主机和设备间的通道。集线器具有多个连接点，从而可以将多个设备连接到一个主机上。一个集线器可以将与下行设备进行的通信，重复使用到一个上行端口和最多七个下行端口。但集线器并没有主机功能。

通过使用集线器最多能够将 127 个设备连接至主控制器上。连接设备的数目限制由 USB 协议决定，它限制设备地址为 7 位。另外，由于集线器的时间限制和电缆传播的延迟，因此最多只能将五个集线器链接在一起。下图显示的是 USB 层次系统的框图，它表示集线器和设备的链接限制。大家可以看到，随着集线器的链接限制，层次系统也限制为七层。

 

 

USB设备分为以下几个类别：

•   Hubs

Hubs集线器（USB扩展设备）提供了附加的连接点，并从用户角度简化了USB连接。每个集线器将单个连接点转换为多个连接点，称为端口。

•   Functions

Functions为系统提供了发送或接收数据和控制信息的功能。每个功能都包含描述设备功能和资源要求的配置信息。

•   Composite Devices

复合设备是实现多种功能并包括嵌入式集线器的物理程序包。复合设备在主机上看起来像是带有一个或多个不可移动USB设备的集线器。复合设备支持不止一种类别，因此为主机提供了不止一种功能。

 

对于以主机为中心的开发，USB连接看起来像是星形网络。集线器不会引起任何编程复杂性，并且对程序员而言是透明的。无论是直接连接到根集线器还是通过中间集线器连接，USB设备的工作方式都相同。在该主/从网络中，所有USB设备都可用作可寻址节点。只有主机可以在网络中启动数据传输。

 

 

注意：

•   任何USB系统中仅存在一个主机。
•   在第7层中，只能启用功能。
•   符合设备占据两层。

4.4   USB硬件

市场是上USB连机器种类非常多，常用的如下：

Type A，Type B是四个引脚，对于的引脚定义如下：

Mini 和 Micro 连接器具有五个（而不是 4 个）引脚。额外引脚是 ID 引脚，用于识别 OTG 应用中的主机和设备，此引脚接地表示主机，未连接表示设备。

更多的USB接口如下：

 

4.5   USB电流

USB2.0和USB3.0支持的电压范围和最大电流如下：

 

注：BC1.2是Battery Charging (BC) 1.2，PD是Power Delivery。

4.6   USB传输速度

不同USB版本的速度如下：

 

 

4.7   USB通信（重要）

USB是轮询总线，USB主机发起所有数据交换。数据往返于USB设备中的端点。USB主机中的客户端将数据存储在缓冲区中，但没有端点。USB主机和外围USB设备具有不同的层，如下图所示。层之间的连接是每个层之间的设备接口。在连接之间，使用Pipes传输数据。

 

USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域，域再构成包Packet（令牌包、数据包、握手包），包再构成事务Transaction（IN、OUT、SETUP），事务再构成传输Transfer（中断传输、同步传输、批量传输和控制传输），传输最后再构成管道Pipe。下图可以形象的展示它们之间的关系：

 

 

4.7.1      管道（Pipes）

管道是主机与设备端点数据传输的连接通道，代表了主机的数据缓冲区与设备端点之间交换数据的能力。管道包括数据流管道和消息管道。

•   Message Pipes：消息管道具有定义的USB格式，并且受主机控制。消息管道允许数据双向流动，并且仅支持控制传输。
•   Stream Pipes：流管道没有定义的USB格式，可以由主机或设备控制。数据流具有预定义的方向，即IN或OUT。流管道支持中断传输，同步传输和批量传输。

将USB设备连接到USB总线并由USB主机配置后，大多数管道就存在了。管道源自主机客户端中的数据缓冲区，并在USB设备端点的内部终止。

4.7.2      传输（Transfers）

传输（数据流类型管道）可以包含一个或多个事务，管道支持以下传输类型之一：

•   控制传输通常用于设置USB设备。它们始终使用IN / OUT端点0。
•   中断传输可用于定期发送数据的地方，例如用于状态更新。
•   同步传输传输实时数据，例如音频和视频。它们具有固定带宽，但没有错误检测。
•   批量传输可用于时间不重要的数据发送，例如打印机。

4.7.3      控制传输（Control Transfers）

控制传输是双向传输，供主机使用，以便主机使用IN和OUT端点0向设备发送和从设备请求配置信息。每个控制转移包括两个及其事务。控制端点数据的最大数据包大小：

•   低速USB是8个字节。
•   全速USB是8，16，32或者64字节。
•   高速USB是64字节。

通常，应用程序软件不使用这种类型的传输。控制传输的三个阶段：

1、SETUP阶段携带8个字节被称为设置包，定义请求，以及指定多少数据应在数据阶段被转移。

 

2、该数据阶段是可选的。如果存在，它将始终从包含DATA1数据包的事务开始。然后，事务类型在DATA0和DATA1之间交替，直到所有必需的数据都已传输。

3、STATUS阶段是含有零长度分组DATA1事务。如果DATA阶段为IN，则STATUS阶段为OUT，反之亦然。

 

 

4.7.4      中断传输（Interrrupt Transfers）

中断传输与设备之间的延迟有限。在USB中，中断传输或中断管道具有以下定义的轮询速率：

•   全速和低速分别为1ms和255ms。
•   高速端点为125μs至4096ms。

中断端点数据的最大包大小为：

•   全速USB最大64字节。
•   高速USB最大1024字节。

开发人员可以定义主机多久请求设备进行数据传输。例如，对于鼠标，可以保证每10 ms的数据传输速率。但是，定义轮询速率并不能保证每10毫秒传输一次数据，而是保证交易将发生在第十帧内的某个位置。因此，USB事务有一定的抖动。

通常，中断传输数据由事件通知，字符和来自设备的坐标组成。

 

 

4.7.5      同步传输（Isochronous Transfers）

同步传输用于传输实时信息，例如音频和视频数据，并且必须以恒定的速率发送。为USB等时数据流分配了USB带宽的专用部分，确保按所需的速率传送数据。同步管道在每个帧中发送一个新的数据包，而不管最后一个包的成功或失败。

 

等时端点数据的最大数据包大小为：

•   全速最大1023字节。
•   高速最大1024字节。

同步传输没有错误检测。电气传输中的任何错误均无法纠正。同步传输也受定时抖动的影响。

 

 

4.7.6      批量传输（Bulk Transfers）

批量传输用于控制，中断和同步传输以外的数据。使用错误检测可以在硬件级别上确保可靠的数据交换。

数据的传输方式与中断传输的方式相同，但是没有定义轮询速率。批量传输占用了其他传输完成后的所有可用带宽。如果总线非常繁忙，则批量传输可能会延迟。

批量端点数据的最大数据包大小为：

•   全速USB支持8、16、32或64字节。
•   高速USB支持512字节。

对于低速和全速端点，以下内容有效：如果总线空闲，则可以在单个1ms帧中进行多个批量传输（中断和同步传输限制为每帧最多一个数据包）。

例如，批量传输将数据发送到打印机。只要在合理的时间范围内打印数据，确切的传输速率就不重要。

 

 

4.7.7      事务（Transaction）

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：

•   令牌包（Token Packet）是定义事务类型，方向，设备地址和端点。
•   数据在数据包（Data Packet）中传输。
•   事务的最终状态在握手数据包（Handshake Packet）中确认。

 

 

在事务中，数据从USB主机传输到USB设备，反之亦然。传输方向在USB主机发送的令牌包中指定。然后，发送端发送一个数据包或指示它没有要传输的数据。通常，目的地以握手包作为响应，指示传输是否成功。

4.7.8      包（Packets）

每个数据包以当前传输速率传输整数个字节。数据包以同步模式开始，然后是数据包的数据字节，最后以数据包结束（EOP）信号结束。

 

所有USB数据包模式都首先发送最低有效位。在数据包之前和之后，总线处于空闲状态。

 

特殊的数据包是帧开始数据包（SOF），它将USB总线分为多个时间段。每个管道在每个帧中分配一个插槽。帧开始数据包在全速链路上每1ms发送一次。高速时，将1ms帧分为8个每帧125μs的微帧。在每个微帧的开头使用相同的帧号发送帧开始数据包。帧号每1ms增加一次。

 

 

4.7.9  域（field）

域是USB数据最小的单位，由若干位组成，域可分为七种类型：

•   同步域（SYNC），8位，值固定为0000 0001，用于本地时钟与输入同步，标志一个包的起始。
•   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，可以计算出USB的标识码有16种。
•   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，因此一个USB主机只能接127个设备。
•   端点域（ENDP），4位，由此可知一个USB设备有的端点数量最大为16个。
•   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，帧号连续增加，到0x7ff后从自动0开始，对于同步传输有重要意义。
•   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。
•   校验域（CRC）：对令牌包（CRC5）和数据包（CRC16）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。

 

 

4.7.10 端点（Endpoints）

端点，实际上是设备硬件上具有一定大小的数据缓冲区。USB系统中，每一个端点都有唯一的地址，是有设备地址和端点号给出的。默认设置端点0用作控制传输端点，其他端点必须在设备被主机配置后才能使用。

端点可以描述为数据源或接收器，并且仅存在于USB设备中。可以从USB主机接收或等待将其存储在端点上的数据。可以将端点配置为USB规范中定义的四种传输类型（控制传输，中断传输，同步传输和批量传输）。在硬件限制内，可以使用USB协议栈配置端点（例如，将端点限制为某种传输类型）。

端点充当一种缓冲区。例如，USB主机的客户端可以将数据发送到端点1。来自USB主机的数据将发送到OUT端点1。准备就绪后，微控制器上的程序将立即读取数据。由于程序无法*访问USB总线（USB总线由USB主机控制），因此必须将返回数据写入IN端点1。IN端点1中的数据将保留在那里，直到主机向端点1发送一个IN数据包以请求数据为止。

这些规则适用于所有微控制器设备：

•   一个设备最多可以有16个OUT和16个IN端点。
•   每个端点只能有一个传输方向。
•   端点 0仅用于控制传输，不能分配任何其他功能。
•   OUT始终是指从主机指向设备的方向。
•   IN始终指指向主机的方向。

注意：

•   端点的总数和每个端点支持的功能由硬件定义。

4.8   USB描述符

USB设备使用描述符报告其属性，描述符是具有定义格式的数据结构。每个描述符开头字节是此描述符的字节数，之后是描述符类型字段。

将USB设备连接到USB总线时，主机通过枚举来识别和配置设备。设备插入USB主机后，USB主机立即发送设置请求。系统将指示该设备选择配置和接口，以匹配USB主机上运行的应用程序。选择配置和接口后，设备必须为活动的端点提供服务，以此与USB主机交换数据。

常用的描述符如下：

•   设备描述符。
•   配置描述符。
•   接口描述符。
•   一个或多个端点描述符。

具体各种描述符的定义，在后面章节为大家说明。

4.9   USB类

常用的USB类如下：

 

其中HID，CDC，Audio，MSC等类，将在后续章节详细说明。

4.10 总结

本章就为大家介绍这么多，涉及到的知识点比较多，需要大家看本章开头提供的参考文档地址来进一步的熟悉。