简单归纳USB设备开发必备的基础知识

本文中极海半导体将与大家简单分享APM32系列MCU用于USB设备开发必备的基础知识。

USB的低速模式和全速模式，采用的是电压传输模式。高速模式，则采用的是电流传输模式。

a、USB传输速率：USB1.1是12M/s；USB2.0是480M/s （其他通信接口：PS2 10M/s；并口 8M/s; R-232 20KB/S）高速 480M/s，全速12M/s，低速1.5M/s

b、平时无数据传输时，总线处于空闲状态。当需要传输一次事务时，主机发送一个令牌包，它可以是OUT令牌包、IN令牌包或者是PING令牌包，其中PING令牌包是USB2.0高速模式输出特有的，全速模式和低速模式没有这个令牌包。

c、USB拓扑结构，一个HOST做多可接6层，每层最多允许接5个Device，总共同时可接127个Device（实际不会做到那么多）。

d、 USB信号编码方式：反向不归零编码（0变1不变）

USB描述符间的关系

a、设备描述符--决定了有多少种配置

b、配置描述符--定义了有多少个接口

c、接口描述符--定义了该接口有多少个端点

d、（类特殊描述符，如果有，在接口描述符之后）

e、端点描述符--定义端点的大小、类型

(主机首先会获取设备描述符，再获取配置描述符，再获取接口描述符，根据配置描述符中的配置集合总长度，一次将配置描述符、接口描述符、类特殊描述符（如果有）、端点描述符一次读回)

f、字符串描述符--是单独获取，主机发送字符串描述符请求以及字符串索引号、语言ID来获取对应的字符串描述符。

USB设备的枚举过程

a、检测到USB插入，就对设备进行复位，复位后USB设备再总线上的地址为0。USB主机往地址0的设备的端点0发送设备描述符的标准请求（控制传输的建立过程）。然后，USB设备收到请求，按照主机要求返回设备描述符给到主机。主机成功获取并确认正确后就返回一个0长度的确认数据包给设备，从而进入到下一阶段的设置地址阶段。

b、主机对设备再复位一次。这时进入设置地址阶段。USB主机往地址0发出一个设置地址的请求（控制传输的建立过程），新设备地址包含在建立过程的数据包中。主机分配一个地址给刚插入的设备。USB设备收到这个建立过程后，就进入到状态过程，因为这个控制传输没有数据过程。设备等待主机请求状态返回一个输入令牌包，收到输入令牌包后，设备就返回0长度的状态数据包。主机收到并确认，返回ACK应答包给设备，设备收到ACK后就开始启用新地址。

c、主机再次获取设备描述符（使用新设备地址，而不是地址0）。需要获取全部18字节的设备描述符，如果端点0最大包小于18字节，主机则对此请求数据输入，发送多个IN令牌包。

d、主机获取配置描述符，再根据配置描述符的描述获取配置集合总长度（获取配置集合）。配置集合包括配置描述符、接口描述符、类特殊描述符（如果有）、端点描述符等。后三个不能单独获取，要以集合方式返回。

e、此外，字符串描述符，报告描述符等，有的话都是要单独获取的。

USB包结构

包的6部分组成

a、同步字段（SYNC）--同步域告诉USB的串行接口引擎数据要开始传输了。同步主机端和设备端的数据时钟。

b、包标识符（PID）--标识包的类型，总共8位，USB协议只用到4位（PD0~3），另外4位是PD0~3的取反，用来校验PID。

c、USB协议规定四类包

1、令牌包（token packet.PID1~0为01）

2、数据包（data packet.PID1~0为11）

3、握手包（handshake packet.PID1~0为10）

4、特殊包（special packet.PID1~0为00）

d、地址字段（ADDR）

e、数据字段（DATA，包括帧号）

f、检验字段（CRC）

g、包结束（EOP）--全速、低速设备的EOP是一个大约为2个数据位宽度的单端0（SE0）信号。SE0就是D-D+都是低电平。

USB2.0定义的各种PID

表 1

USB四种传输类型

a、批量传输（批量事务bulk transation）

i、一次批量事务有三个阶段：令牌包阶段、数据包阶段、握手包阶段。每个阶段都是独立的包。

ii、批量输出事务

1、发一个OUT令牌包（包含设备地址、端点号）

2、发一个数据包（数据包类型看数据切换位）。地址和端点匹配的设备就收下这个数据包。

3、主机切换到接受模式，等设备返回握手包。

●返回ACK或者NYET（高速模式下），设备解码令牌包、数据包都正确无误，并且有足够缓冲区来保存数据。

●返回NAK，数据正确，并且没有能力接收下一次传输，没有足够的缓冲区保存数据。

●返回STALL，设备数据正确，但是端点处于挂起状态。

●设备检测数据有错误，不做响应，让主机等待超时

iii、批量输入事务

1、发一个IN令牌包（包含设备地址、端点号）

2、主机切换到接受状态，等待设备返回数据。

b、中断传输

跟硬件中断是不一样的，不是设备发出的一个中断请求，而是主机设备主动保证在不大于某个时间间隔内安排一次传输。

中断传输用于传输数据量不大，对时间比较严格的设备中。如HID设备的鼠标、键盘等。

c、同步传输

数据量大，实时性高的场合。数据出错不重传，没有应答包。

d、控制传输

i、有三个过程：建立过程，可选的数据过程，状态过程

建立过程--使用建立事务（一个输出数据的过程），和批量传输的输出事务有几个点不一样。令牌包不一样，建立过程使用的是SETUP令牌包，数据包类型不一样，SETUP只能使 用DATA0包，握手包不一样，只能使用ACK应答（除非出错不应答）

数据过程--（可选，控制传输可能没有数据过程），可以包含一笔或者多笔数据事务，和批量传输的批量事务一样。控制写传输中，数据过程的所有数据事务都是输出。控制读传输中，数据过程的所有数据事务都是输入。

状态过程--也是一笔批量事务，跟数据过程相反，控制写传输在状态过程是一个批量输入事务。控制读传输在状态过程是一个批量输出事务。状态过程只是用DATA1包。

ii、控制传输要保证数据传输的完整性。如设备枚举过程，各种描述符的获取、地址信息、设备配置信息等都是控制传输。

图 1

端点类型和传输类型的关系

a、一个具体的端点，只能工作在一种传输模式下。工作在什么模式下的端点，就叫做什么端点。如控制端点、批量端点。

b、端点0是每一个USB设备都默认的控制端点。上电就存在且可用。

传输类型和端点的最大包长

a、控制传输的端点

● 低速模式：固定8字节

● 高速模式：固定64字节

● 全速模式：8、16、32、64字节可选

b、同步传输的端点

● 低速模式：不支持同步

● 高速模式：上限1024字节

●  全速模式：上限1023字节

c、中断传输的端点

● 低速模式：上限8字节

● 高速模式：上限1024字节

●  全速模式：上限64字节

d、批量传输的端点

● 低速模式：不支持批量传输        

● 高速模式：固定512字节

● 全速模式：8、16、32、64字节可选