一、 前言

斷斷續(xù)續(xù)做了不少USB相關(guān)開發(fā)，但是沒有系統(tǒng)去了解過，遇到問題就很被動了。做這個USB轉(zhuǎn)UART的項目就是，于是專門花了一天的時間學習USB及CDC相關(guān)，到寫這文章時估計也忘得差不多了，趁項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)來源網(wǎng)絡，侵刪。參考鏈接：
USB官網(wǎng)
USB通用串行總線基礎知識詳述
USB端點和傳輸協(xié)議(數(shù)據(jù)包、事物)詳解

二、 總線

USB歷代接口

經(jīng)過多年發(fā)展，USB速率越來越高，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，記錄最初最基礎的知識，了解了這些基礎，后面的版本就很容易了。

USB總線

USB全速(高速)接線圖

信號名稱	說明
Vbus	電源，DC 5V
D+	叉分信號線，正
D-	叉分信號線，負
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。電源線用來主機給從設備供電，最大500mA， 5V * 500mA = 2.5W， 功率不是很高。后來的快速充電技術(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）對發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行編碼 。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)中的設備

可以分為三種類型：

• 主機：?只能有一個，管理USB系統(tǒng)；
• 集線器(USB HUB)：?用來擴展設備；
• 設備：?終端設備，如下圖的鼠標鍵盤打印機；

  

  USB設備拓撲

四、 端點(Endpoints)

在USB規(guī)范中，設備端點是唯一可尋址可通信的基本單元，端點是有通信方向的。物理上一個USB總線(4根線)連接一個設備終端，這個設備終端邏輯上可以有多個接口，每個接口可以有多個端點，從而在主機的系統(tǒng)上看該設備終端可能有多個設備。例如本項目，一個USB口擴展7個UART設備。
端點0:?每個終端設備肯定會有一個端點0，用于剛連接到主機時的初始化和枚舉。想象一下，一個USB設備終端可能有10個8個端點，剛插到主機時，主機并不清楚，所以規(guī)定了一定要有一個端點0，主機最開始只與端點0通信，然后把其它的設備，接口，端點枚舉出來。

端點類型

USB規(guī)范定義了四種端點類型：

• 控制端點： 收發(fā)控制信息，也可以傳輸數(shù)據(jù)。
• 中斷端點： 用于傳輸少量的數(shù)據(jù)，實時時效性比較好，例如鍵盤鼠標。
• 批量端點： 用于傳輸大批量數(shù)據(jù)，實時時效性沒要求，例如U盤文件傳輸。

• 等時端點： 連續(xù)，實時的傳輸，例如音頻。

  ?

  

  不同端點類型比較

五、 數(shù)據(jù)傳輸

USB通信包含一系列的幀，USB在2.0時代，分為低速設備(1.5Mbps),全速設備（12Mbps)和高速設設備（480Mbps).這些設備使用的幀的時間間隔是1±0.0005ms,而對于高速設備，又將每個幀分成了8個微幀，這樣每個微幀的時間間隔變成了125±0.0625us。
每一幀包含一個起始幀(Start of Frame, SOF), 然后是若干個事務(Transaction)。每個事務由一系列數(shù)據(jù)包(packet)組成。每個數(shù)據(jù)包以同步標識(SYNC)開始，以結(jié)束標識(EOP)結(jié)束。有三種類型的包：令牌包，數(shù)據(jù)包，握手包。幀，事務，包關(guān)系如下圖：

USB幀事務數(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）、包標識符字段（PID）、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗字段（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，作為每個數(shù)據(jù)包的前導，用來產(chǎn)生同步作用，使USB設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)要開始傳輸；
• 同步主機和設備之間的時鐘。

標識符字段(PID)

包標識符PID是用來標識一個包的類型。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，用來校驗PID。傳輸?shù)捻樞驗镻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)：

令牌類型.

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

幀傳輸過程

如下圖，所有通信都由主機定時發(fā)起，幀頭一定是SOF，然后包含多個事務，每個事務有多個包，每個包都是SYNC開頭，EOP結(jié)束。要注意每個事務是有應答的，即一個幀里面數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚴遣粩嗲袚Q的。下圖中，主機先發(fā)一個SOF，然后發(fā)一個SETUP包，這個包帶有DATA0，設備端收到后返回ACK。然后主機連續(xù)發(fā)了3個IN令牌包，前2個從設備端都回復NAK，表示無數(shù)據(jù)上傳。第3個IN回復數(shù)據(jù)了，主機收到后回復了ACK。然后下一幀，主機發(fā)送SOF后，發(fā)了個OUT令牌包，跟著又發(fā)送了數(shù)據(jù)DATA0，從設備端回復ACK。

USB幀時間數(shù)據(jù)傳輸過程.

舉一個實際的例子，全速USB傳輸每一個幀為1ms。首先會發(fā)送一個SOF包（幀起始包），此時USB主機檢測到總線沒有事務可以傳輸，則總線進入idel（空閑狀態(tài)），這里的空閑時間996.917us，3us左右是EOP占用的時間。
5個idle后，有事務了，分析一下這次傳輸。同樣的首先會發(fā)送一個SOF包（幀起始包），等了176.817us后，緊接著USB主機會發(fā)送一個SETUP令牌包，收到ACK后繼續(xù)SETUP包和數(shù)據(jù)包，從設備端也返回了ACK包。下一個是IN的事務，不詳細講。兩個事務傳輸完成后，主機檢測到?jīng)]有事務了，總線同樣會進入空閑狀態(tài)，這里空閑了478.767us。所有的時間開銷加起來差不多1ms。然后后面又有幾個沒有事務的幀。

全速USB幀內(nèi)容

實際開發(fā)中，當MCU做從設備時，一般MCU的軟件架構(gòu)都是在中斷中響應主機端各種交互，例如可配置每個SOF都產(chǎn)生一個中斷，或者收到SETUP包后產(chǎn)生中斷，在中斷中處理相應事務，軟件不能做太耗時的處理，一般產(chǎn)生事件標志然后異步處理。數(shù)據(jù)IN是預先拷貝到指定的緩存（或者DMA緩存），當主機輪詢時，硬件自動上傳，沒有數(shù)據(jù)就回復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ACK，接收完后產(chǎn)生中斷，通知軟件處理。

(END)