7.13.1. USB 简介

7.13.1.1. USB 发展历史

USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是非常成功的一种总线技术，应用场景很广、发展也非常迅速。到现在一共经历了以下版本：

Version

App

Speed

Direction

Data Line

USB 1.0

低速 Low Speed

1.5Mbps

Half 半双工模式

1对差分线 D+/D1

USB 1.1

全速 Full Speed

12Mbps

Half 半双工模式

1对差分线 D+/D1

USB 2.0

高速 Hi-Speed

480Mbps

Half 半双工模式

1对差分线 D+/D1

USB 3.1 Gen1

超高速 SuperSpeed

5Gbps

Full 双工模式

2对差分线

USB 3.1 Gen2

超高速 SuperSpeed+

10Gbps

Full 双工模式

2对差分线

USB 3.2

超高速 SuperSpeed+

20Gbps

Full 双工模式

4对差分线

USB 4.0

超高速 SuperSpeed+

40Gbps

Full 双工模式

4对差分线

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7.13.1.1.1. USB 1.0/2.0

在 USB 1.0/2.0 时期只需要用到 4 根线：1 根电源线、1 根地线、1 对差分数据线。因为只有 1 条数据通路，所以只能是半双工的，同一时间只能是接收或者发送数据。

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使用 Type A 和 Type B 型的接口：

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还有一系列小尺寸的变种：

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7.13.1.1.2. USB 3.0

在 USB 3.0 时代从两个方向来增加速度：

  • 增加传输的时钟速率。速率从 480M 增加到了 5G，高速信号会给 PCB 走线、EMC、线缆带来不小的压力。

  • 增加差分数据通路的数量。首先发明了改进型的 USB3.0 Type A 接口，在原有 4 线的基础上再增加了 5 条线：

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可以看到增加的5条线分别为 1 条地线和 2 对差分数据线。因为有了 2 条数据通路，所以可以双工，同一时间能同时接收和发送数据。在工作在 USB 3.0 模式时，原来的 D+/D- 差分线是不使用的。

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上图是 USB3.0 Type A 接口示意图，注意新增的 5条线已断针的形式隐藏在后面，这样的设计是为了和 USB 2.0 兼容。但是颜色改成了蓝色，以示区别。

在 USB 3.0 还出现了一种全新的接口类型 Type C 接口，它带来了以下好处：

  • 接口线数量猛增到了 24 线，其中数据通路在 D+/D- 之外再提供了 4 条差分数据线。

  • 实现了正反面任意插拔，大大方便了用户使用。

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小技巧

从 USB 3.2 开始，因为它需要使用 4 对数据差分线，所以目前唯一支持的只有 Type C 接口。

7.13.1.1.3. 速度识别

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首先通过 D+/D- 的上拉电阻来区分 USB 1.0 和 1.1 ：

  • D+ 上拉，USB 1.1 Full-speed。

  • D- 上拉，USB 1.0 Low-speed。

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然后通过编码识别来进一步区分 High-speed 和 Full-speed。USB 2.0 High-speed 的 D+ 上拉，首先被当成 USB 1.1 Full-speed ：

  • Hub检测到有设备插入上电，向主机通报，主机发送 Set_Port_Feature 请求让 Hub 复位新插入的设备。设备复位操作是 Hub 通过驱动数据线到复位状态 SE0 （即 D+ 和 D- 全为低电平），并持续至少 10ms。

  • 高速设备看到复位信号，通过内部的电流源向 D- 线持续灌大小为 17.78mA 电流。因为此时高速设备的 1.5k 上拉电阻未撤销，在 Hub 端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为 45Ohm 的终端电阻， 1.5k 与 45Ohm 的电阻并联 ，仍然是 45Ohm，所以在 Hub 端看到一个约 800mV 的电压，这就是 Chirp K 信号。 Chirp K 信号持续 1ms ~ 7ms。

  • 在Hub端，虽然设置了复位信号，并一直驱动着 SE0 ，但 USB2.0 的高速接收器一直在检测 Chirp K 信号，如果没有 Chirp K 信号看到，就继续复位操作，直到复位结束，然后识别为全速设备。

  • 设备发送的 Chirp K 信号结束后 100us 内，Hub 必须开始恢复一连串的 KJKJKJ… 序列，向设备表明这是一个 USB2.0 的 Hub。这里的 KJ 序列是连续的，中间不能间断，而且每个 K 或 J 的持续时间在 40us~60us。KJ 序列停止后的的100-500us 内结束复位操作。Hub 发送 Chirp KJ 序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌 17.78mA 的电流实现。

  • 再回到设备端来。设备检测到 6 个 Hub 发送的 Chirp 信号后（3 对KJ序列），它必须在 500us 内切换到高速模式。切换动作有：

    • 断开 1.5K 的上拉电阻。

    • 连接 D+/D-上 的高速终端电阻，实际上就是全速/低速差分驱动器。

    • 进入默认的高速状态。执行上两步后，USB 信号线上看到的现象就发生变化，Hub 发送出来的 Chirp KJ 序列幅值降到原来的一半，即 400mV。这是因为设备端挂载新的中断电阻，并联后的阻抗是 22.5Ohm。之后高速操作的信号幅度就是 400mV，而不像全速/低速那样的 3V。

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USB Chirp K 、 Chirp J 、 SE0 信号定义：

信号

低速模式Low-speed

全速速模式Full-speed

高速模式High-speed

Chirp J

D+ = 0，D- = 1

D+ = 0，D- = 1

D+ = 1，D- =0

Chirp K

D+ =1， D- = 0

D+ =1， D- = 0

D+ =0， D- = 1

SE0

D+ = 0， D- =0

D+ = 0， D- =0

D+ = 0， D- =0

IDLE

K 状态

J 状态

SE0 状态

  • 从 J 到 K 或者从 K 到 J，信号翻转，说明发送的信号是 0。从 J 到 J 或从 K 到 K，信号不变，说明发送的信号是 1。

  • Chirp J K 状态高速设备与低速设备相反。

对于 USB 3.0 以后的速度识别，暂未涉及。

7.13.1.1.4. OTG

USB OTG技术可实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。例如：数码相机可以直接与打印机连接并打印照片，手机与手机之间可以直接传送数据等，从而拓展了USB技术的应用范围。

在OTG中，初始主机设备称为 A 设备 ，外设称为 B 设备 。也就是说，手机既可以做外设，又可以做主机来传送数据，可用电缆的连接方式来决定初始角色 (由 ID 线的状态来决定)。

在 Mini/Micro USB 接口一共有 5 根线，在原有 USB 的基础上多出了一根 ID 线。OTG的识别是通过 ID 脚的电平进行决定 OTG 作为 Device 还是 Host：

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当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表示默认的是 A 设备（主机），而检测到ID引脚浮空的设备则认为是 B 设备（外设）。

7.13.1.1.5. phy 总线

USB 信号传输前，需要通过 phy 把 usb 控制器的数字信号转成线缆上的模拟信号。usb 控制器和 phy 之间的总线主要有 3 种：

  • UTMI (USB2.0 Transceiver Macrocell Interface)。最早的 USB controller 和 USB PHY 通信的协议。

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  • ULPI (UTMI+Low Pin Interface)。从名字上就可以看出 ULPI 是 UTMI 的 Low Pin版本

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  • HSIC (USB 2.0 High Speed Inter Chip)。是 USB 2.0 的芯片到芯片变体，它消除了普通 USB 中的传统模拟收发器。速度可达 480M，是 IIC 的理想替代。

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7.13.1.1.6. 传输编码方式

USB 信号在线路上传输时，需要采取合适的编码方式。

  • USB 1.0/2.0 采用的是 URZI (No Return Zero-Inverse) 编码。无需同步的时钟信号也能产生同步的数据存取。NRZI的编码规则是，当数据位为1时不转换，当数据位为0时转换，如下图所示。位传输的顺序以LSB优先。

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这种编码方式会遇到一个严重的问题，若重复相同的1信号时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐的累积而导致堵塞的情况，使得读取的时序出现严重的错误。因此，在 NRZI 编码之间，还需执行所谓的位填塞（bit-stuffing）。即是，若原始的串行数据含有连续的 6 个 1 时，就执行位填塞工作，填塞一个 0。

  • USB 3.0 采用的是 8b/10b 编码。

  • USB 3.1/3.2 采用的是 128/132 (64b/66b) 编码。

7.13.1.2. 总线拓扑

USB 是 星型 拓扑总线，由 Hub 来进行多级扩展。最大的层级不能超过 7 层，在任何一条路径上不能超过 5 个非根 Hub。

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USB 总线由 3 种角色组成：

  • Host。星型总线的中心，配置所有 Hub 和 Device，调度总线上所有的数据收发。

  • Hub。提供了扩展端口，能连接更多的 Device。Hub 本身也是一种特殊的 Device。

  • Device。提供了实际的设备功能。

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经过几种角色的组合以后，USB 总线形成了逻辑上的星型拓扑，Host 到任一 Device 都是点对点传输。

7.13.1.2.1. Device 内部的逻辑关系

USB 将 Device 内部的资源进一步细分成了3个层级： Configuration 配置、 Interface 接口、 Endpoint 端点。

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  • Configuration 配置

每个 USB 设备都可以包含一个或者多个配置，不同的配置使设备表现出不同的功能组合，配置有多个接口组成。在 USB 协议中，接口由多个端点组成，代表一个基本的功能。
看下面的一个例子。一个 USB 播放器带有音频视频功能，还有旋钮和按钮。那么这个 Device 设备 可以提供 3 种 Configuration 配置：

配置1：音须(接口) + 旅钮(接口）
配置2: 音频(接口) + 视频(接口) + 按钮(接口）
配置3：视频(接口) + 旋钮(接口）

  • Interface 接口 / Function 功能

Interface 接口代表一个独立的基本的功能，所以有时也称之为 Function 功能。如果我们开发 USB Client 驱动，我们面向的对象就是 USB Interface ，上述实例中的音烦接口、视频接口、投钮接口、旋钮接口均需要一个独立的 USB Client 驱动程序。

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一个 Interface 接口中包含了完成这个基本功能的所需要的一个或者多个 Endpoint 端点。

  • Endpoint 端点 (Pipe 管道)

端点是 USB 设备中最基本的可寻址单位，它是位于 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。

设备的 Endpoint 0 是一个特殊端点，在设备初始化时系统需要使用该端点读配置设备。其他编号的端点 USB Client 驱动都可以使用。

一个 Host 主机和一个设备 Device 的端点建立的连接称之为 Pipe 管道：

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7.13.1.2.2. Compound / Composite Device

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在 USB 协议描述中，有两个非常相近的名字： Compund Device 和 Composite Device 。正确的理解的它们有助于我们理解清楚随后的一些概念。

  • Compund Device 。指的是一个 Hub 设备中，还包含了其他的功能 Device。

  • Composite Device 。指的是一个 Device 当中，包含了多个 Interface ，能提供多个独立的功能。

7.13.1.2.3. Hub

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在 USB 的总线结构中，Hub 是一个重要的组成成员，它主要的作用是控制 Port 端口来连接更多的 USB Device 设备。

它的核心点如下：

  • USB Host 需要给总线上的设备分配不同的地址才不会冲突，USB 的星形拓扑连接设备都是通过 Hub 的端口连结到总线上的。

  • 总线初始化枚举设备时，USB 设备的地址都是默认地址 0，但是 Hub 的端口都是关闭的所以并不产生设备冲突，Host 逐个打开 Hub 的端口，逐个利用打开端口上设备的默认地址 0 来配置设备，给其分配新的地址，从 Endpoint 0 中读出设备的配置并设置。在运行过程中 USB 设备的热插拔也是和这类似的。

7.13.1.2.4. Configure Descriptor

对于一个 USB 设备，在 Device 、 Configuration、 Interface、 Endpoint 每个层次上都有对应的描述信息。可以使用 Endpoint0 在设备初始化的时候读出和配置这些信息。

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最重要的是设备在初始化时，通过这些信息来进行枚举配置的过程。一个设备枚举的过程分为如下 8 步：

  1. 获取设备描述符

    • Host/Hub 通过数据线上拉电阻的阻值变化检测到新设备接入。Host 等待 100ms 以保证设备电源稳定。

    • Host 向 Device 发 Bus Reset 使得设备进入 default 状态，从此之后，设备可以响应默认地址 0 。

    • Host 请求 Device 发送 Device Descriptor 的前 64 个字节。

  2. 复位

    • Host 在收到 Device Descritptor 的前 8 个字节后，再次向 Device 发出 Bus Reset。

  3. 设置地址

    • Host 发送一个 Set Address 命令给 Deivce，从此 Device 有个通信地址，不再使用默认地址 0 进行通信。

  4. 再次获取设备描述符

    • Host 请求获取完整的 Device Descritpor, 总计 18 字节。

  5. 获取配置描述符

    • Host 请求获取 9 个字节的 Configuration Descriptor 以了解 Configuration escriptor的总大小。

    • Host 请求 255 字节的 Configuration Descritpor。

  6. 获取接口，端点描述符

  7. 获取字符串描述符

  8. 选择设备配置

7.13.1.3. 总线调度

USB 作为一个高速总线，它需要充分利用起其带宽，并且能承担其多种业务类型的数据包的传输。

对数据传输来说，最重要的有几种因素 带宽 、 时间延迟 、 完整性校验 。根据这几种因素的组合，USB 把数据传输分成了 4 类：

Type

KeyPoint

Sample

Descript

Control
Transfers

控制传输

完整性校验

USB
配置命令

突发的、非周期性的，主机软件发起的请求/响应通信
通常用于命令/状态操作。
数据量小对带宽、时间延迟要求不高，但是要求数据
须正确。

Isochronous
Transfers

等时传输

带宽 、
时间延迟

摄像头

等时传输:主机和设备之间定期、连续的通信，通常用
于时间相关信息。这种传输类型还保留了数据中封装
的时间概念。然而，这并不意味着这些数据的交付需求
总是时间紧迫的。
数据量大需要大带宽、对时间延迟也很高，但是不要求
数据必须正确。也正因为前两者的要求高，也很难做到
数据校验和重传。

Interrupt
Transfers

中断传输

时间延迟 、
完整性校验

键盘、
鼠标

低频、有边界延迟通信。对时间延迟要求高，但数据量
所以要求数据必须正确。

Bulk
Transfers

批量传输

带宽 、
时间延迟 、
完整性校验

文件存储

非周期性、大包突发通信，通常用于可以使用任何可用
带宽的数据，也可以延迟到带宽可用。
数据量大需要大带宽，但对时间延迟也不高，要求数据
必须正确。
也正因为对延迟要求不高，所以可以做数据校验和重传。

USB使用以下方法来满足多种类型的数据在一条共享通道上传输：

  • 时间延迟 。从时间维度上把数据传输切成多个时间片，在每个时间片内绝大部分份额 (最多 80%) 优先传输对时间延迟有要求的数据，如 Interrupt Transfers 、 Isochronous Transfers 。在时间片剩下的额度内传输对时间延迟没要求的数据，如 Control Transfers 、 Bulk Transfers 。

  • 完整性校验 。对需要保证数据完整性的数据加上了 CRC 校验，接收端使用 ACK 来知会发送端正确接收，如果没有收到 ACK 发端会尝试重发 3 次。

7.13.1.3.1. Frames / Microframes

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如上图，USB从时间维度上把数据传输切成多个时间片：

  • Frames。Low-speed 和 Full-speed 的时间切片大小为 1ms ，USB 控制器每 1ms 重新调度一下传输。

  • Microframes。High-speed 的时间切片大小为 125us ，USB 控制器每 125us 重新调度一下传输。

这个时间切片，和操作系统上 Schedule Tick 的概念是一样的。

在数据格式传输上又会进一步细分：

  • Transfer。每个时间片的所有传输称之为一个 Transfer，或者为一个 Frames / Microframes。

  • Transcation。根据某次数据传输的目的，一个 Transfer 可以分成多个 Transcation 事务。

  • Packet。数据传输的最小单位，一个 Transcation 可能由多个 Packet 组成。

7.13.1.3.2. Bulk Transactions

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上图可以看到 Bulk 类型的 In/Out Endpint 在数据收发时的状态流程图：

  • NAK。接收端数据未准备好。

  • ACK。接收端接收到数据且数据校验正确。

  • 不回应。接收端接收到错误数据，发端会重发 3 次。

7.13.1.3.3. Control Transfers

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Control 类型 和 Bulk 类型的处理类似。

7.13.1.3.4. Interrupt Transactions

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Interrupt 类型对 完整性校验 也是有要求，处理流程和前面一样。

7.13.1.3.5. Isochronous Transactions

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Isochronous 类型是唯一对 完整性校验 没有要求的，所以它的数据不需要 ACK 回应。

7.13.1.3.6. USB 和 PCIE 调度的区别

PCIE 总线也是一个非常成功和流行的总线，从底层来说它和 USB 总线是非常像的：

  • 它也是高速串行总线。

  • 它也是共享性的总线。都是把带宽逻辑切割成多份，分给不同的 Device 和驱动。

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但是它又看起来和 USB 如此的不同，主要的差异就在总线的调度上面：

  • PCIE 硬件使用了一个专门的仲裁器来做总线调度，所以在 Device 配置好以后，所有的 Mem/Io 空间被映射到一个统一地址空间当中，只要发起普通的读写操作就能访问。而 USB 的总线调度被暴露了出来，需要硬件软件共同配合才能完成。毫无疑问，PCIE 的硬件复杂度和成本会远远高于 USB。

  • 另外由于 PCIE 有独立的仲裁器来进行调度，所以 PCIE 支持多个设备同时操作总线。而 USB 的所有操作都需要 Host 来调度，所以只能由 Host 发起总线操作。从效率来说 USB 要低。

  • 还有一点 PCIE 硬件仲裁器对软件是透明的，所以软件读写总线是 同步 的。而软件操作 USB 总线是 异步 的，通过回调的操作来进行 USB 和 CPU 之间的状态对齐。

7.13.1.4. 传输格式

上文说过一个传输时间片 Tranfer/Frame/MicroFrame，可以分割成多个 Transaction 事务，一个 Transaction 事务又可以细分成多个 Packet 包。

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7.13.1.4.1. Packet

Packet 包是 USB 传输的最小单位，由五部分组成：

  • 同步字段（SYNC）

  • 包标识符字段（PID）

  • 数据字段

  • 循环冗余校验字段（CRC）

  • 包结尾字段（EOP）

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主要的数据包格式有四类，对应不同的 PID 类型：

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7.13.1.4.1.1. Token Packet

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此格式适用于 IN、OUT、SETUP、PING。

7.13.1.4.1.2. Data Packet

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有四种类类型的数据包：DATA0, DATA1, DATA2,and MDATA，且由PID来区分。DATA0 和 DATA1 被定义为支持数据切换同步 (data toggle synchronization)。

7.13.1.4.1.3. Handshake Packet

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  • ACK: 对于 IN 事务，它将由 Host 发出；对于 OUT、SETUP 和 PING 事务，它将由 Device 发出。

  • NAK: 在数据阶段，对于 IN 事务，它将由 Device 发出；在握手阶段，对于 OUT 和 PING 事务，它也将由Device 发出，Host 从不发送 NAK 包。

Transaction

7.13.1.5. 通讯模型

USB 的主要作用就是建立起 Host 和 Device 之间的通讯。

  • 简要的通讯模型：

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  • 详细的通讯模型：

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